机车车辆限界与非黏着制动装置相关问题研究

王 可,丁福焰,2,王立超,王立宁,高立群,2

(1.北京纵横机电科技有限公司,北京 100094； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所,北京 100081)

机车车辆限界标准的形成大多与本国铁路的运营和发展历史情况有关，结合各国的运输需求、运输模式及技术装备特点，制定相应的限界标准。根据20世纪30年代东北亚地区(中国东北与朝鲜)铁路联运的规定，结合中国铁路实际发展要求，1950年我国发布了第一版《铁路技术管理规程》，在该规程附录中，第一次给出了国内统一的铁路机车车辆限界和建筑限界。随着国民经济的发展和国际联运的需要，1959年正式颁布了GB 146—59《标准轨距铁路机车车辆限界和建筑接近限界》，其中机车车辆限界的要求仍沿用了1950年技规的图样[1]。自1973年开始，由铁道部标准计量研究所牵头进行机车车辆限界的研究与修订，分析了当时国内限界存在的问题，调研了国外发达国家限界资料。1983年由国家标准局正式批准实施为GB 146.1—83《标准轨距铁路机车车辆限界》，且此后很长一段时间我国干线铁路机车车辆限界按该标准相关规定执行。1995年，我国铁路既有线路开始提速，为适应高速铁路的发展，以GB 146.1—83为基础，相继制定了95J01—N《高速铁路机车车辆限界技术条件》和科技装函[2003]62号《高速铁路机车车辆限界暂行规定》等行业规定[2]。直至2020年对限界国标进行了再次修订，现行版本为GB 146.1—2020《标准轨距铁路限界 第1部分：机车车辆限界》，适用于1435 mm标准轨距铁路机车车辆[3]。

由于我国列车制动方式一直以传统的摩擦制动、再生制动等黏着制动为主，相应的机车车辆限界标准也是以既有制动装置的结构及应用工况特点为限界制定的要素之一，未考虑非黏着制动技术的发展需求。磁轨制动、线性涡流制动是列车非黏着制动技术的重要发展方向，能够在传统黏着制动技术基础上进一步有效缩短制动距离，多年来一直是国内外研究及应用热点[4-5]，如无特殊说明，所述非黏着制动均指磁轨制动及线性涡流制动。

自20世纪70年代起，磁轨制动已在德国、法国、瑞士等欧洲国家的快速客车和动车组上得到广泛应用，并形成了专门的设计和应用标准，如UIC 541—06及EN 16207[6-7]。线性涡流制动技术的工程应用研究始于20世纪60年代，法、德、日等国在高速列车研发项目中都加入了线性涡流制动的内容，但该项技术复杂，经近30年的持续努力，解决了大量的工程应用问题，才于本世纪初在德国ICE3列车上实现了世界首次的商业化应用[8]。目前，尚未形成单独的线性涡流制动标准，但在EN 16185—1及EN 14531—1等标准中对线性涡流制动的计算方法、应用工况进行了简单描述，且其设计限界指向了EN 15273—1[9-10]。

国内非黏着制动技术的研究起步较晚，于20世纪90年代陆续展开了磁轨制动及涡流制动技术的研究[11-12]。目前在一些城市有轨电车及个别城轨列车上已采用了磁轨制动装置，但在动车组及干线铁路列车上尚未实现工程化。线性涡流制动技术可为更高速度动车组制动提供解决方案，近年来相关科研单位、高校和企业开展了工程化研究，铁科院已完成了样机研制及国内首次实物装车。我国列车的非黏着制动技术，具有良好的应用前景及市场需求，但总体上还处于研发起步阶段，尚未实现成熟的工程化应用，更未建立相关产品设计标准。

随着国内高速铁路和城轨交通的发展，非黏着制动技术已开始工程化研发或小范围应用，现行标准无明确规定，制约机车车辆的升级换代和新设备的应用。为适应我国轨道交通装备的发展和新技术的应用，对目前国内外现行的机车车辆限界标准涉及非黏着制动相关问题进行了系统的对比分析，通过对比国内外标准的差异，探讨我国现行机车车辆限界标准需补充或改进的内容，为机车车辆非黏着制动技术的研发和应用提供依据。

1 我国机车车辆限界标准

我国现行机车车辆限界标准或规定主要为GB 146.1—2020、科技装函[2003]62号和CJJ 96—2018等，为干线铁路及城市轨道交通机车车辆明确了限界设计规则。非黏着制动装置作为机车车辆基础制动装置之一，安装在转向架上，同样应遵循铁路机车车辆限界标准要求，尤其是下部限界。

根据线路建筑限界种类不同，GB 146.1—2020中机车车辆下部限界要求也略有不同，主要是车体宽度和站台高度部分尺寸需随之改变，对于近轨道区域的垂向及横向限界要求均相同，故此处仅选用其中一类车辆限界进行说明，即客运专线铁路，如图1所示[3]。对于运行速度≤160 km/h的机车车辆，a为70 mm，b为90 mm；运行速度>160 km/h的机车车辆，a为80 mm，b为110 mm。从图1中可知，我国机车车辆下部限界并未规定非黏着制动装置的使用区域要求，除车轮外，图中标记的近轨道区域最低允许范围是机车闸瓦、撒沙管、喷油嘴的最低轮廓，该处垂向最低高度尺寸为25 mm。

图1 建限-4客运专线铁路机车车辆下部限界(单位：mm)

随着95J01—N《高速铁路机车车辆限界技术条件》研究成果及高速线路试验经验的技术积累，结合GB 146.1相关规定，制定了科技装函[2003]62号《高速铁路机车车辆限界暂行规定》，适用于国内运行在1435 mm标准轨距高速铁路上的各种机车车辆[2]。高速铁路机车车辆限界暂行规定中车辆下部限界与GB 146.1—2020建限-4客运专线铁路的机车车辆下部限界要求相同，但该规定增加了动态包络线的计算方法。

CJJ/T 96—2018是我国现行的地铁限界标准，适用于运行在隧道内外，不超过120 km/h速度等级的城市钢轮钢轨系统标准轨距系列地铁A1、A2型及B1、B2型车辆轨道交通系统的限界设计、施工[13]。不同于干线铁路车辆限界GB 146.1，我国早期地铁车辆大部分依靠进口，因此，早期存在不同国家制式的标准。建设部为改变我国地铁限界无统一标准的状况，参考德国城市轨道限界暂行规范(BOSTRAB)并结合我国的实际情况[14]，于2003年11月发布了行业标准CJJ/T 96—2003《地铁限界标准》，改变了国内地铁限界的混乱状态，近年来又再次修订为CJJ/T 96—2018版本。地铁限界标准中规定的车下吊挂物垂向最低高度位置尺寸与GB 146.1相同，即不小于25 mm。

2 国外机车车辆限界标准

国外与轨道交通机车车辆相关的代表性标准主要有国际铁路联盟(UIC)及欧洲标准化委员会制定的系列标准UIC 505-X、EN 15273-X，还有美国的AAR机务标准手册，日本的普通铁路结构规则(窄轨)和新干线铁路结构规则(标准轨)[1]。由于非黏着制动技术起源于欧洲，且我国相关技术研究主要参考了欧洲的相应标准要求，因此，本文重点探讨我国与欧洲机车车辆限界标准的差异以及非黏着制动装置的应用问题。

20世纪50年代，德国和法国等西欧各国为便于制造的机车车辆能在UIC成员国之内运行，制定了统一的铁路限界要求，包括车辆限界和建筑限界等，形成系列标准UIC 505-X。涉及机车车辆限界标准的现行版本主要包括UIC 505—1：2006、UIC 505—5：1977和UIC 505—6：2006[15-17]。其中，UIC 505-1：2006详细规定了欧洲铁路联运各种车辆动态限界的要求，并描述了如何通过参考轮廓得到车辆限界的计算方法。考虑UIC成员国不同铁路线路的特点，在UIC 505—1:2006第5.2节中，详细规定了不能够通过车辆减速器和其他调车、停车装置的低于130 mm车辆部件部分的基准轮廓限界，如图2所示[15]，其区域“a”、“b”、“d”分别规定了远离车轮、紧邻车轮及与钢轨接触的部件空间，为非黏着制动装置的应用提供了空间占用的设计准则。

由UIC 505—1：2006可知，对于非黏着制动装置的横向宽度设计限界应综合考虑图2中区域“a”、“b”、“d”相关要求和装置自身的横向活动空间要求。另外，从互联互通角度出发，如部分线路区段禁止使用非黏着制动装置，其缓解位置设计高度应考虑在车轮磨耗的极限工况时，仍能遵守区域“b”的空间要求。同时，各横向限界与高度限界尺寸是一一对应的，需综合横、纵、垂3个方向的标准要求及部件结构特点进行设计计算。

注：a为远离车轮的部件空间；b为紧邻车轮的部件空间；c为接触刷的空间；d为车轮及其他与钢轨接触的部件空间；e为只允许被车轮占用的空间。(1)位于端部轮对外侧的部件(排障器、撒沙器等)的限界，不允许侵入响墩。但位于车轮之间的部件无需遵守此规则，只要保证这些部件在车轮轮距内。(2)有护轮轨时轮缘最大虚拟宽度。(3)车轮外断面以及与车轮相关部件的有效限界位置。(4)无论车辆在曲线半径250 mm(安装接触刷的最小半径)和轨距1465 mm线路的任何位置上，除接触刷以外，该处车辆上任何部件距离轨面的高度不得低于100 mm，且与轨距中心线的横向距离不得超过125 mm。对于转向架内部部件，该尺寸为150 mm。(5)轮缘与钢轨贴合时，车轮内侧表面的有效限界位置，该尺寸与线路轨距宽度相关。图2 不能够通过减速器和其他调车、停车装置的低于130 mm车辆部件部分的基准轮廓线(单位：mm)

随着欧洲铁路发展，列车速度不断提高、车辆种类日益增多以及车辆部件性能持续升级，需建立更全面的限界计算方法应对不同的需求。欧洲标准化委员于2009年制定了第一版限界标准EN 15273—X：2009，得到了更加广泛的运用。EN 15273—X：2013是欧洲现行的铁路限界标准系列，替代之前实行的EN 15273—X：2009版，包括EN 15273—1：2013、EN 15273—2：2013和EN 15273—3：2013三个部分[18]。

由于欧洲国家数量众多，各国因历史及地理原因发展出许多不同的限界尺寸，EN 15273—1给出了多达几十种机车车辆限界尺寸，且规定了不同的限界计算方法[19]。根据限界计算原则、种类、适用范围不同，主要分为3种，即静态限界、动态限界和动力学限界。静态限界的基本轮廓线不包含车辆悬挂系统的位置，仅限于悬挂挠度系数有限的车辆，适用于特定的不互联互通系统。动态限界的基本轮廓线中考虑了车辆悬挂系统的位移余量，但该项参数一般由经验值确定，可保证所有种类车辆的互联互通，运用较广。动力学限界的基本轮廓线中包含了车辆悬挂系统所有可能的位移，且位移参数是动态计算的，一般可用于优化特定的路网和车辆。

因此，对于欧洲互联互通的车辆，一般多使用动态限界进行设计计算。其中，涉及非黏着制动的车辆下部限界要求在EN 15273—1：2013附录C中图C.4进行了详细规定[18]，不难发现其相关规定与UIC 505—1:2006的车辆下部限界要求完全相同，在此不做赘述。

3 标准差异及非黏着制动装置应用分析

3.1 国内外机车车辆限界标准差异分析

UIC 505—X是欧洲第一套完整的铁路限界系列标准体系，随着铁路行业及计算方法的发展，衍生出其他更加完善或细化的标准体系，如EN 15273—X系列及德国BOSTRAB等。我国铁路限界有其特殊的历史背景，结合高速铁路及地铁的发展，也在不断吸收国外相关标准体系的优点，持续进行标准修订及细化工作。

在机车车辆限界计算方法方面，国际铁路限界依据机车车辆静止时的净空或机车车辆运动时的净空条件划分为静态限界和动态限界。欧洲各国采用的一般是车辆动态限界，我国和日本、美国、前苏联使用的一般都是静态限界标准[1]。因此，我国GB 146.1是按静态限界要求进行设计计算，且国内线路种类相对统一，简化了限界计算及检验验收工作，但相对计算余量较大。但为适应我国高速铁路的发展，科技装函[2003]62号在GB146.1及相关线路试验研究的基础上，也提出了高速铁路机车车辆动态包络线的计算方法，利于更有效利用限界空间。欧洲EN 15273—1针对不同线路及应用需求，包含了不同形式的限界计算方法，但对于互联互通车辆要求采用动态限界进行设计计算。

在近轨道区域限界要求方面，除车轮占用区域外，国内相关限界标准规定的距轨面垂向最低高度均要求≥25 mm，低于该尺寸以下的区域未作规定。欧洲UIC 505—1及EN 15273—1对于轨道附近及轨面接触区域均进行了详细规定，且特别规定了位于车轮之间的部件不受端部轮对外侧部件(如撒沙器)的垂向安装空间尺寸限制，即允许轮对之间的部件与轨面垂向空间尺寸小于30 mm，如图2中尺寸1所示。

3.2 非黏着制动装置的结构特点及应用分析

由于欧洲各国非黏着制动技术已得到广泛应用，为规范相关产品设计制造，国际铁路联盟及欧洲标准化委员会均制定了相应的产品和应用标准，即UIC 541—06:2013、EN 16207：2014，且结构特性设计条款中明确要求其占用空间需满足UIC 505—1或EN 15273—1的相关规定。

干线铁路用磁轨制动装置与线性涡流制动装置的整体结构相似，整体通过2根横向拉杆与2组电磁铁固定成H形框架结构，磁铁位于转向架两侧、钢轨上方、轮对之间，且磁铁与钢轨横向截面需保持基本对中，装置通过相应的气动悬挂机构吊装在转向架构架上，如图3所示[6]。通过悬挂单元充排风控制，磁轨或线性涡流制动缓解时，磁铁处于悬挂高位，其底部一般与轨面相距约100 mm；磁轨或线性涡流制动施加时，磁铁处于悬挂低位，其底部与轨面直接接触或相距仅5～10 mm。

非黏着制动应用的基础是产品外形尺寸设计必须满足相应的机车车辆限界标准要求，从上述结构特点及工作特性可以看出，应重点校核磁铁的垂向及横向尺寸占用空间，尤其是磁铁与轨面接触或近轨道区域的横向空间要求。

图3 磁轨制动装置安装结构示意

目前，我国尚未制定非黏着制动装置的相关设计标准，国内轨道制动技术研究多以参考欧洲标准要求为主。因此，为使非黏着制动装置在国内实现进一步应用，必须校核其外形尺寸是否满足我国机车车辆限界标准要求，主要涉及横向、垂向空间尺寸要求。根据国外非黏着制动装置成熟运用的行业技术要求可知，制动磁铁一般与钢轨横向对中，且磁铁横向宽度尺寸应不超过140 mm；同时，制动施加时，磁铁底部与钢轨直接接触或垂向距离不超过10 mm。

以TB/T 2344中60 kg/m钢轨为例[20]，钢轨中心距离标准轨距中心线尺寸为754 mm。假定以钢轨中心为零点，钢轨内侧为负、外侧为正，以GB 146.1车辆下部限界要求为基础，如图4所示，则可计算得出允许非黏着制动磁铁的设计宽度区域为-79～+77.5 mm，即国外标准规定的非黏着制动磁铁宽度尺寸同样适用于我国机车车辆下部横向限界要求。但对于车辆下部垂向空间小于25 mm的区域，国内相关标准未作规定。近年来国内对于非黏着制动技术研究应用的需求日益增加，如低地板车磁轨制动应用及高速列车线性涡流制动技术研究等，亟需我国相关限界标准考虑非黏着制动装置线路应用的工况，及时给出顶层设计要求，利于促进铁路制动新技术良性发展。

图4 标准轨距60 kg/m钢轨线路的非黏着制动磁铁横向设计限界(单位：mm)

4 结论及建议

(1)UIC 505—1：2006及EN 15273—1：2013是欧洲现行的机车车辆限界标准，针对不同线路及互联互通需求作出了详细的规定，尤其下部限界考虑了非黏着制动应用的限界情况，是目前国内外非黏着制动装置外形尺寸设计的重要依据。

(2)我国机车车辆限界的计算方法一般采用静态限界，欧洲各国多采用动态限界；另外，对于近轨道区域限界，欧洲限界标准区分了端部轮对外侧与轮轨之间的部件空间要求，并规定了与轨面接触的部件空间，我国限界标准对于距离轨面高度25 mm以下区域均未作规定。

(3)目前参照国外标准设计的非黏着制动装置磁铁横向外形尺寸能够满足我国GB 146.1及科技装函[2003]62号等相关限界标准要求，但其应用时距离轨面的垂向空间侵入了我国限界标准未作规定的区域，该区域约束不明确，直接制约了非黏着制动装置的应用。

(4)非黏着制动装置在我国仍处于研究和开发阶段，尚未实际应用，因此我国现行机车车辆限界标准对此类产品缺少相关限界规定，且行业内未引起广泛关注。为满足我国非黏着制动技术进一步工程化应用研究的迫切需求，建议结合欧洲现行的EN 15273—1：2013标准要求及非黏着制动技术应用的特点，及时对国内相关限界标准进行修订和完善，为我国列车制动新技术的发展提供更加有利的空间。