高速货运列车研制及其高铁物流运用

魏鸿亮，朴明伟，郭 强，兆文忠

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连116028)*

0 引言

针对航空支线货运能力短板，提出了基于高铁物流的空铁公联运设想，这将有助于增加高铁建设投资收益.但是在高速货运装备研制上，必须澄清高速货运列车概念及其研制技术难点，以落实高铁线路的开源节流经营策略.按照快速货运转向架的技术发展规律，轮轨低动力作用及其动力轮对自稳定问题，应当作为高速货运转向架研制的2个重要技术问题.

智能高效是未来物流快递网络建设的主要特色，其中，快捷铁路物流将起到不可忽视的关键作用.随着现代化装备系统集成能力的提升，从分布式加工制造到集成组装调试，制造业生产方式正在悄然转变.同时服务型制造业也迅速兴起，需要及时配送大量的备件或配件，以实现零库存，降低经营成本.为了满足上述生产方式转变所形成的物流快递业务，多种形式联运网络不断形成.德国DRRS-y系列和英国TF25系列，是欧洲铁路的2种典型快速货运转向架［1-2］.两者均采用了新技术以降低轮轨动力作用，如轴箱橡胶悬挂或一系垂向减振器.相应地，国内也陆续研制了类似技术形式的快速货运转向架［3-4］，并开始施行了城际电商快运班列.目前法铁SNCF正在试行了国际邮政班列，里昂-巴黎-伦敦，并将逐步形成以戴高乐空港为中心的智能高效物流快递配送网络.根据欧洲高速铁路货运发展规划，高速货运列车载运能力要达到100 t以上，最高车速330 km/h，造价控制在0.25亿欧元(约2亿人民币)以内.经过车厢内饰简单改造，TGV首先试行了上述国际邮政班列.在Veralo高速列车系列产品中，也将添加高速货运列车新成员，Veralo Cargo(集中动力牵引).鉴于目前高铁线路利用效率，铁路总公司协同相关的物流快递企业，也正在积极筹划高铁物流计划项目.但是在高速铁路货运装备上，选用货运动车组还是高速货运列车，这将成为决定其经营成本的主要因素.同时对于高速货运运行条件来讲，不得不考虑对无砟轨道质量所造成的负面影响［5］.因此，高铁物流必须采用高速货运列车概念，以降低其制造与维修成本，实现“以货养客”.同时也必须进一步降低轮轨动力作用，切实解决动力轮对自稳定问题，避免对无砟轨道产生负面影响.

在快速和高速货运列车范畴内，本文首先讨论高铁物流内涵及其技术难点.然后再回顾欧洲铁路快速货运转向架技术特点及其运用经验.最后结合高速货运列车概念，重点阐述动力轮对自稳定问题及其技术解决方案.

1 高铁物流内涵及其技术难点

根据目前所掌握的资料与信息，高铁物流应当具有以下5点内涵:①公铁空联运形成高效智能物流快递网络;②“比空运经济、比公路快捷”作为基本原则;③高铁无砟轨道，客货混跑，需要充分技术论证;④“借鸡下蛋”防止产能过剩;⑤以智能货车实现高效配送.从高速货运装备研发角度出发，这里主要讨论第3点内涵.

对于高铁无砟轨道来讲，客货混用，并非在新建客运专线上运行通常意义的铁路货车.如图1所示，以航空集成物流方式，通过高铁物流转运，然后再以公路运输配送，实现“门到门”快递业务.高铁物流应当具有以下技术条件:①高质量轨道条件，如高架铁路、无砟轨道、高平顺高精度，其平曲线最小半径R=7000 m，轨道超高Δh=150 mm;②圆锥型接触的轮轨关系，如车轮型面选用宽轮缘S1002G，与钢轨CN60KG匹配，其名义等效锥度0.166;③高速货运转向架二系悬挂采用德系空簧，不仅最大程度地解除了车体对走行部的横向耦合作用，而且也具有空簧悬挂软特性，以消除车轮动荷的高频成份.因此，在18 t轴重的技术条件下，通常不会存在严重轮缘侧磨问题或车轮动荷问题.

图1 空铁公联运集成化物流配送

从降低用户总成本TCO角度来考虑，货运动车组，其制造成本与维修费用都很高，不符合“比空运经济、比公路快捷”的基本原则.但是就高速货运列车技术形式而言，首尾动车，其动力轮对采用抱轴式电机悬挂，参振质量很大.因此，动力轮对自稳定是高速货运列车研制的关键技术问题.

解决动力轮对自稳定问题，其关键还是在于轮对定位约束形式.在快速货运或客运转向架研制与运用中，要特别寻求并利用轴箱橡胶悬挂的新技术特点.同时也要抓住影响动力轮对自稳定的2个主要因素:即结构阻尼和参振质量.根据橡胶悬挂减振机制，协调处理这两个相互制约因素，简单可靠地解决动力轮对自稳定技术难题，以避免对无砟轨道产生负面影响.

2 快速货运转向架技术特点及其运用经验

选取2种典型的快速货运转向架，即德国DSSR-y系列和英国TF25系列，重点讨论其在降低轮轨动力作用方面的创新技术特点.

在Y25转向架原型技术基础上，如图2所示，德国DSSR公司推出了DSSR-y系列转向架，其主要技术特点如下:①车体与走行部接口仍然保持球面心盘与弹性旁承的技术形式;②轴箱橡胶悬挂，且保留干摩擦减振技术特点，但是与雷诺拉杆减振机制不同，在重载条件下橡胶堆膨胀，相对摩擦因子将会增大，“卡滯”现象将影响到重载减振效果;③构架结构型式与Y25的基本相同，主要由横梁承受车体载荷，其160 km/h转向架改用盘式制动.据报道，DSSR-y系列160 km/h转向架运用存在某些技术问题，目前实际运行降速至140 km/h.由此可见，对于DSSR-y系列转向架，将解决车轮动荷问题作为其创新技术的重点，但是尚存在车体与走行部的横向耦合作用.

图2 德国DSSR-y系列转向架及其构造细节

英国TF25的技术原型，如图3(a)所示，其构架结构形式与Y25的基本类似.但是原始轴箱悬挂采用斜楔干摩擦减振技术形式，见图3(b).经过轴箱悬挂及其减振技术改造，如图3(c)所示，最终演变成为TF25SA，见图3(d)，即转臂轴箱单组钢簧悬挂形式，并辅以一系垂向减振器，这与客运转向架的十分相似.特别重要的是在车体与走行部接口上，开始采用车体全旁承支承，这与机车转向架的情况类似，即橡胶堆旁承型式.踏面制动方式仍然保留，其原因目前尚不清楚.由此可见，英国TF25系列转向架，不仅采用了转臂轴箱轮对定位方式，同时也改用了车体全旁承支承形式，进一步降低了轮轨动力作用，被誉为低噪声转向架.

图3 英国TF25系列转向架及其轴箱悬挂减振器

总之，对于快速铁路货运车辆来讲，无论德国DSSR-y系列转向架还是英国TF25系列转向架，其共性技术特点就是降低轮轨动力作用.特别应当指出的是TF25系列转向架，其车体与走行部的接口关系已经改变了心盘旁承的传统技术形式，改用车体全旁承支承.由此可见，对于高速货运转向架来讲，势必要选用德系空簧作为二系悬挂，且兼顾空重比要求，彻底解除车体与走行部之间的横向耦合作用.但是就高速货运列车概念来看，首尾端车，其动力轮对自稳定问题仍然是制约轮轨动力作用的关键性因素.特别是对于无砟轨道来讲，能否解决动力轮对自稳定问题，这是实现其高铁物流运用的关键技术.

3 动力轮对自稳定问题及其技术解决方案

对于动力轮对自稳定问题，目前有主动控制与被动约束2类解决方案.动力轮对自稳定控制［6］，见图4(b)，其技术难点在于动力轮对测试技术，目前鲜有工程应用.而法铁TGV高速列车，中间拖车采用铰接转向架，集中动力驱动，首尾动车转向架则应用了橡胶定位约束解决方案，见图4(c).

图4 动力轮对自稳定控制模型

结合高速货运列车概念，本节主要讨论动力轮对自稳定问题以及橡胶定位约束解决方案的本质内涵:即协调处理参振质量与结构阻尼2个相互制约关系.进而确定高速货运列车动力轮对自稳定问题的技术解决方案，并简要阐述其技术可行性.

3.1 动力轮对自稳定问题

在不考虑高速轮轨摩擦热影响以及第三介质影响的前提下，假设轮对稳定运行，且主要轮轨接触区域为踏面轨头接触.如图4(a)所示，采用单一曲率轮轨接触模型分析其接触蠕滑变化规律，进而提出动力轮对自稳定问题.

纵向、横向以及自旋蠕滑率具有准静态(第1项)与动态(第2 项)成份［7］

纵向蠕滑

横向蠕滑率

自旋蠕滑

其中:Δr为滚径差;α为轮对摇头角;δ为左右车轮接触角差;车速=vx;而/x·与/x·是与车速成反的2个阻尼项.

根据威金斯理论［8］，轮轨横向动态制衡关系是指车轮自旋蠕滑所产生的横向蠕滑力与重力刚度所形成的恢复力之间的动平衡关系，其包含以下3个要点:

(1)车轮切向(蠕滑)力Ft可分为纵向蠕滑力Fxt和横向蠕滑力Fyt，而车轮自旋蠕滑对其横向蠕滑力的效应不可忽略.特别是圆锥型接触的轮轨关系，接触角差δ是决定等效锥度λe的主要参数，因而车轮自旋蠕滑的准静态成份较大，这是维系轮轨横向准静态平衡关系的重要因素;

(2)自旋蠕滑是造成蛇行自激振荡的关键性因素.由式(3)可知，自旋蠕滑波动，其主要原因在于轮对摇头角速度α·，且对自旋蠕滑和纵向蠕滑形成了2个负阻尼项，即α·/x·.也就是说，一方面轮轨横向动态制衡关系被打破，蛇行振荡幅值不断增大;另一方面，如图4(a)所示，车轮纵向力偶Mz交替形成.特别是在转向架摇头相位滞后的影响下，跟随轮对横移速度y·加快，因而其车轴横向力增大.因此，高速转向架采用了新型抗蛇行减振器，如Sachs抗蛇行减振器，抗蛇行频带吸能机制的一种技术实现形式，以其抗蛇行高频阻抗作用抑制转向架摇头相位滞后，进而增大其高铁运用的安全冗余;

(3)在偶然因素扰动下，如钢轨不平顺等，由于惯性原因，动力轮对摇头角速度α·将急剧增大，结果造成转向架不稳定行为，甚至影响到操纵稳定性，因而将其称为动力轮对自稳定问题.

3.2 橡胶定位约束解决方案

回顾铁路提速的转向架创新技术，通常在轴箱悬挂及定位方式上，大多采用橡胶悬挂新技术，如图5所示.作为经济性轨道车辆，采用自导向转向架，其圆筒导向定位形式得到广泛采用，导向筒橡胶约束形成了轮对弹性约束，见图5(a).日本新干线300系列转向架则进一步发展成为橡胶堆弹性定位，并添加了轮轴减振器(或称为中央减振器)，见图5(b).法国TGV动车转向架则形成了轴箱橡胶悬挂，如图5(c)所示，其由纵向布置的两块橡胶堆构成.德国ICE3系列转向架，采用转臂轴箱定位形式，如图5(d)所示，其转臂节点也是高弹橡胶和金属构成的橡胶节点，纵向与横向定位刚度高达120/12.5 MN/m.

图5 轴箱橡胶悬挂技术形式演变过程

应当正确认知参振质量与结构阻尼的相互制约关系.在小位移摄动假设条件下，弹簧与阻尼并联单元可以看做橡胶减振的机理模型，其动态刚度均为，其中，K+ ω2M 称为动力刚度，而则称为结构阻尼.与弹簧阻尼串联单元不同，弹簧与阻尼并联单元特性取决于参振质量，即固有频率也就是说，动力轮对参振质量很大，因而需要纵向定位高刚度，以衰减其低频振动行为.但是根据动力刚度特性，高频振动行为主要取决于参振质量.如图5(d)所示，橡胶节点具有其结构阻尼约束以及径向刚度非线性.相位滞后是结构阻尼对高频响应特征的主要影响，因而可以利用橡胶节点的径向刚度非线性，以控制其高频振动参振质量，将其转变为解决动力轮对自稳定问题的积极因素.

综上所述，在德国Veralo高速列车技术框架下，研制高速货运列车，且改为动力集中驱动方式，以降低制造与维修成本.为了避免对无砟轨道产生负面影响，动力轮对自稳定是降低轮轨动力作用的关键性技术问题.根据ICE3转向架原型的技术特点，通过其转臂节点橡胶参数的优化配置，协调处理参振质量与结构阻尼的相互制约关系.因此，上述解决动力轮对自稳定问题的技术方案具有其可行性.

4 结论

(1)根据高铁物流发展的基本原则，应当确立基于高速货运列车概念的技术方案，其关键技术在于如何简单可靠地解决动力轮对自稳定问题，以降低轮轨动力作用，避免对无砟轨道产生负面影响;

(2)根据快速货运转向架的技术研发规律，降低轮轨动力作用是其共性技术特点，比如德国DSSR-y系列转向架采用轴箱橡胶悬挂新技术，再如英国TF25系列转向架，通过不断技改，采用了一系垂向减振器和二系橡胶堆悬挂，基本上去除了货运转向架的传统技术特征.因而高速货运转向架必须进一步采用德系空簧悬挂，以彻底解除车体与走行部之间的横向耦合作用;

(3)结合ICE3转向架技术原型，并借鉴TGV动车转向架轴箱橡胶悬挂的技术特点，提出了解决动力轮对自稳定问题的技术方案，协调处理参振质量与结构阻尼之间的相互制约关系，其不仅具有可行性，而且简单可靠，可操作性强.

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