欧洲标准铁路货车运行安全性研究*

鹿中华，于连玉，柳文豪，李 烽

（中车山东机车车辆有限公司，济南250022）

我国铁路货车越来越多地向欧洲发达国家出口，在欧洲铁路线上运行的货车，需要符合相应的欧洲标准。文中从铁路货车运行安全性角度出发，对铁路货车需满足的欧洲标准进行了梳理，供我国铁路货车生产企业在出口欧洲铁路货车设计、制造和认证工作中参考。

1 欧洲铁路互联互通货车子系统技术规范

为统一欧洲铁路安全法规、安全评估和安全目标，促进欧洲铁路互联互通，EC（欧盟委员会）设立了ERA（欧洲铁路局），专门负责欧洲铁路互联互通技术规范TSIs 的制定、修订、评估、发布、协调、执行等各项工作［1］。欧洲铁路互联互通货车子系统技术规范（以下简称货车TSI）是一个针对货车子系统的技术规范，制定该技术规范的目的是满足欧洲铁路系统互通性指令中规定的基本要求，确保欧洲铁路系统的互通性。货车TSI 规定了货车子系统内部以及该子系统与其他子系统接口的基本要求、功能等，从安全性、可靠性及可用性、健康、环境保护、技术兼容性方面提出要求，并与铁路系统互通性指令建立关联。自发布之日起经历了数次修订、改进和完善，最新发布的货车TSI 是2019 年5 月修订的。相对于之前的版本，最新版货车TSI 对引用的标准做了更新，对之前版本存在的一些开口项进行了关闭。

互联互通技术规范TSIs 是欧洲议会和欧盟理事会发布的铁路法规，在欧盟成员国具有强制性法律效力。而被互联互通技术规范TSIs 引用的欧洲标准、国际标准、国家标准、技术规范等，尽管大部分都是非强制性标准和技术文件，但一旦被TSIs 引用，即作为TSIs 的组成部分，成为强制性标准和规范。

1.1 货车TSI 对扭曲轨道上抗脱轨安全性的要求

货车TSI 第4.2.3.5.1 节规定车辆的设计应确保在扭曲轨道上安全运行，特别考虑水平轨道和具有超高轨道之间的过渡阶段以及具有横向水平偏差的线路。第6.2.2.2 节更是明确规定了证明车辆符合在扭曲线路上抗脱轨安全性的方法是根据EN 14363：2016《铁路应用—铁路车辆运行特性的试验和仿真—运行特性和静态试验》（以下简称EN 14363）第4、5 节和6.1 节进行证明。

1.2 货车TSI 对纵向压缩载荷下抗脱轨安全性的要求

货车TSI 附录C 的第8 条规定，车辆在纵向压缩载荷下的抗脱轨安全性要求应根据EN 15839：2012+A1：2015《铁路应用—铁路车辆运行特性验收—货车—纵向压缩力下运行安全性试验》（以下简称EN 15839）进行证明。

1.3 货车TSI 对运行动态特性的要求

货车TSI 第4.2.3.5.2 节规定车辆的设计应确保在最大设计速度范围内保证运行安全。车辆的运行动态特性可以按照2 种方法进行证明：第1 种是根据EN 14363 标准的第4、5 节和第7 节中给出的步骤进行证明；第2 种是通过一个验证过的模型进行仿真分析来证明。货车TSI 没有对验证过的模型有明确的规定，2016 版的EN 14363 对如何进行模型验证做出了具体的规定。第6.2.2.3 节再次要求根据EN 14363 标准的第4、5 节和第7 节的规定进行线路试验，同时，第4.2.3.5.2 节还规定使用6.1.2.1 节中所述的转向架，车辆的运行动态特性允许在互换性部件层面上进行评估，在这种情况下，车辆特定试验或仿真不需要进行，仅需要对参数的变化范围进行限制。

第6.1.2.1 节中规定，EN 16235：2013《铁路应用—铁路车辆运行特性验收试验—货车—具有规定特性的货车免于EN 14363 线路试验的条件》（以下简称EN 16235）中列举了满足运行动态特性要求的一些条件，如果走行装置在其既定的使用区域内运行，那么装有EN 16235 第6 章中所述既有走行装置的车辆是满足运行动态特性要求的。

由上述分析可知，货车TSI 规定车辆应当具有安全的性能，证明货车安全性的具体途径通过引用其他EN 标准来实现，具体要求见表1。

表1 货车TSI 对运行安全性的要求

2 EN 14363 标准

现行的EN 14363 标准是由CEN（欧洲标准化委员会）于2015 年9 月批准通过，2016 年9 月生效的，它规定了铁路机车车辆进行安全性证明的试验或仿真分析时所需的评估条件、评估方法、评价指标及免除试验的方法等。

EN 14363 对车辆的评估可分为2 个阶段：

第1 阶段是车辆进行线路试验之前所做的评估，包括车辆在扭曲线路上的抗脱轨安全性，车辆在纵向压缩载荷下的抗脱轨安全性等，对车辆基本特性和低速性能进行研究。

第2 阶段的评估则是进行动态特性的评估，可通过物理试验、数值模拟、计算或与已知解决方案（豁免）进行比较，根据上述要素对车辆进行评估。EN 14363 详细说明了选择适当评估方法的要求。

货车TSI 对车辆在扭曲线路上的抗脱轨安全性和运动动态特性要求都引用了EN 14363 的第4、5 节内容。EN 14363 第4 节规定了当评估偏离本标准的一些要求时，只要能提供证据证明安全性至少等同于遵守这些规则所保证的安全性即可。例如英国的国家标准GMRT 2141 对车辆运行安全性评估采用的方法与EN 14363 有差异，但是2 个标准对车辆的安全性做出的评估结论是等效的［2］。EN 14363 第5 节规定了试验的一些基本要求，包括试验的不确定度、试验内容、试验车辆、结果评估和报告记录等。

2.1 车辆在扭曲线路上的抗脱轨安全性

EN 14363 第6.1 节规定了3 种试验方法，用于车辆通过扭曲轨道时研究车辆的抗脱轨性能。

方法1，需要一条具有特定扭曲量的半径为150 m 的曲线线路，直接测量轮轨横向力和垂向力来计算脱轨系数。

方法2，需要一条半径为150 m 且没有扭曲和超高的曲线线路测量轮轨横向力，然后通过特定的试验台产生扭曲，测量轮轨垂向力，最终计算脱轨系数。

方法3，不需要特定的线路，需要通过特定的试验台产生扭曲，测量轮轨垂向力，计算扭曲时的轮重减载率，试验台能够使转向架绕心盘产生回转，测量转向架回转阻力矩并计算回转系数。

所有这3 种方法均来自ORE（欧洲铁路研究协会，后来的ERRI）研究报告。测试方法的目的是一致的，但每种方法是独立的，不能直接比较。此外，每种方法中提到的数值和条件仅适用于该方法，各测试方法之间的数值结果没有可比性。

在具体介绍3 种试验方法之前，EN 14363 给出了免除车辆在扭曲线路上抗脱轨安全性试验和仿真分析的条件：对于货车来讲，如果走行装置的参数和类型与既有走行装置相匹配，且轮缘角度为70°，允许免除抗脱轨安全性的试验和仿真分析。符合所要求标准的参数和走行装置类型在UIC 530-2：2008《货车—运行安全性》的附录A、附录B和附录C 中给出。

2.1.1 方法1 规定的免除试验条件

EN 14363 第6.1.5.1.8 节规定，基于参考车辆的试验结果，如果符合以下2 种情况之一，可以免除试验：

（1）与参考车辆相比，被评估车辆的参数变化影响能够得到证明，且证明结果符合验收标准。

（2）计算参考车辆的脱轨安全性并且与试验结果进行比较，确保计算的可靠性；在方法2 试验条件下进行参考车辆和评估车辆的计算，以量化参数变化的影响；在方法2 试验条件下，被评估车辆的计算结果距极限值依然有至少10%的裕度；在方法2 的试验条件下，被评估车辆的计算结果增加量不会超过参考车辆的计算结果与极限值之间余量的1/3。

2.1.2 方法2 规定的免除试验条件

EN 14363 第6.1.5.2.6 节规定，基于参考车辆的试验结果，方法2 免除试验的条件与方法1一致。

2.1.3 方法3 的规定

方法3 没有给出免除试验的条件，但是如果根据方法3 完成试验之后不能证明车辆在扭曲线路上的抗脱轨安全性，那么可以用1 个根据EN 14363附录B 的方法验证过的模型来进行仿真计算。如果仿真计算也不能证明车辆在扭曲线路上的抗脱轨安全性，那么就需要选择方法1 或者方法2 来进行证明。

2.2 车辆受纵向压缩载荷时的抗脱轨安全性

EN 14363 第6.2 节中，对于某些货车和列车运行方式，在通过S 形曲线时有脱轨的风险，对于EN 15839 范围内的风险货车，应使用EN 15839 中规定的方法进行安全性评估。

2.3 车辆的运行动态特性

车辆的运行动态特性评估是EN 14363 标准规定的第2 阶段评估内容，可通过线路试验来评估，线路试验又分为完整的线路试验和简化的线路试验2 种情况。选择哪种试验方法是根据车辆具体参数决定的，2 种方法的区别是：完整的线路试验是需要用测力轮对测量轮轨力和某些部位的加速度，简化的线路试验不需要测力轮对，仅需测量轴箱力和某些部位的加速度。无论选择哪种试验方法，给企业带来的困难和成本都是很高的［3］，欧洲其他地方（指英国之外）批准的绝大多数货运车辆没有经过试验，因为它们使用的是“批准”转向架，因此是豁免的［2］，我们应当根据标准规定尽可能免除线路试验。免除线路试验有2 种方法，第1 种是基于EN 16235 的方法，第2 种是基于EN 14363 附录U 的方法。

2.3.1 基于EN 16235 免除线路试验

对于配备EN 16235 中所述的既定或标准化走行装置的货车，如果满足EN 16235 中描述的要求，则可以免除EN 14363 第7 节规定的线路试验，EN 16235 标准将在下文中具体介绍。

2.3.2 基于EN 14363 的附录U 免除线路试验

对于具有相同设计或已获得认证且随后经历工程变更的车辆，可以扩展认证。扩展认证应通过部分线路试验或通过模拟线路试验或两者组合来进行，EN 14363 附录U 规定了适用于部分线路试验的条件，包括免除线路试验的条件。

车辆如果免于线路试验，车辆的安全系数λ 应满足一定的条件。安全系数λ 定义为每个装载条件、试验区段的评估指标比值（标准限值/实测最大值）的最小值，评估指标根据试验的方法和车辆的类型来确定。

对于轴重不大于22.5 t 的车辆，如果λ≥1.1，且车辆参数变化范围满足EN 14363 附录U 的要求，则可以免除线路试验；如果1 ＜λ＜1.1，车辆参数的允许变化范围会相应变窄，如果车辆参数变化符合变窄后的范围，则可以免除线路试验。对于轴重大于22.5 t 的车辆，如果λ≥1，且车辆的参数变化范围满足EN 14363 附录U 的要求，则可以免除线路试验。如果车辆不满足上述条件，则应根据车辆实际情况来进行部分线路试验或完整的线路试验，以证明其动态特性满足标准要求。

3 EN 16235 标准

EN 16235 标准是一个关键性的标准，它规定了货车免除线路试验的条件。货车TSI 规定，符合EN 16235 标准的货车可以免除运行动态特性的评估（试验和模拟分析），EN 14363 标准规定，符合EN 16235 标准的货车可以免除线路试验。

根据EN 16235 标准的规定，货车免除线路试验可以分以下3 种情况：

（1）车辆使用既有的走行装置，且车体参数在允许变化范围之内。

（2）车辆使用标准类型的走行装置，且车体参数在允许变化范围之内。

（3）车辆使用了以标准类型走行装置为基础而设计的走行装置，走行装置的变化在允许的范围之内，且车体参数在允许变化范围之内。

其中，既有的走行装置是先前经过UIC 认证的走行装置，例如Niesky 2、Y25 系列转向架等；标准类型的走行装置则是根据EN 14363 的线路试验方法，装配2 种不同类型的车体进行了线路试验，且试验结果满足标准要求的走行装置。EN 16235给出了将走行装置标准化的具体方法，如果将要认证的走行装置是新设计的且具有广阔的市场前景，那么可以考虑将该走行装置标准化。

货车动态特性的评估流程如图1 所示［4］。

图1 货车动态特性评估流程

4 EN 15839 标准

EN 15839 标准规定了在能够产生较高纵向力的列车编组中运行的车辆应遵循的验收程序，这些车辆的设计易受纵向力的影响而导致脱轨，它包括了验收标准、试验条件以及试验免除条件。

EN 15839 标准引用EN 14363 标准，对车辆在扭曲线路上的抗脱轨安全性试验的免除条件也做了规定，这与文中2.1 节的内容是一致的。

关于在纵向力作用下的车辆安全性试验，EN 15839 标准给出了详细的试验方法，同时给出了免除试验的2 条路径。

（1）对 于 具 有 在EN 15839 标 准 第7.2.2、7.2.3、7.2.4 节中定义的特定参数的货车，可以免除试验。

（2）参考经过试验验证的类似车辆，被评估车与参考车辆的关键参数（标准第7.2.2、7.2.3、7.2.4 节中定义的特定参数）相同，可以免除试验。

5 结束语

出口欧洲铁路货车运行安全性的验证可以通过试验、模拟分析、参数对比等多种途径实现，从货车TSI 出发，车辆在扭曲轨道上的抗脱轨安全性评估依据EN 14363 标准进行，车辆在S 形曲线上受纵向力作用的安全性评估依据EN 15839 标准进行，车辆运行的动态特性依据EN 14363 和EN 16235 标准进行，每个标准有多种解决方案可选。通过上述分析，我们可以得到以下几点：

（1）对于货车装备生产者来说，出口欧洲铁路货车在设计之初就应当考虑尽可能符合免除安全性试验的标准要求，这对于节省项目成本，缩短项目周期具有非常积极的作用。

（2）免除安全性试验的方法有多种，生产者可以根据自身情况选择最合适有效的方法。

（3）从我国铁路货车行业发展角度来看，可借鉴欧洲相关经验，制定我国铁路货车免除安全性试验的标准体系，对降低企业研发负担，释放研发活力会有促进作用。