欧洲标准桥梁设计简介

欧洲标准桥梁设计简介（精选3篇）

欧洲标准桥梁设计简介 第1篇

一个完整的欧洲铁路系统要求在铁路技术方面协调统一, 这是轨道交通与欧洲其他交通形式竞争中提高竞争能力的重要先决条件。

完全的互换性意味着在欧洲没有技术和运用方面的限制。欧盟委员会发布的欧洲交通高速铁路系统[1]和欧洲传统铁路系统的互换性准则[2], 由欧洲铁路局 (ERA) [3]负责解释和执行。欧洲铁路局的职责在2004年之前由欧洲铁路兼容协会 (AEIF) 承担, 他们对关于结构性子系统以及车辆子系统的技术条件 (TSI) 进行了修订[4]。

到目前为止, 对于客货列车制动机设计的技术条件由UIC的“制动工程委员会” (现为第5研究小组“制动工程和走行装置”) 制订, 并通过UIC规程发布。虽然欧洲的铁路工业界不直接参与UIC规程的制订, 但在制订制动系统规程的过程中与欧洲的制动机行业进行了深入的经验交流。

UIC制动系统规程的特点是:

(1) 具有极强的专业性和详细的描述;

(2) 计算参数经过大量试验验证;

(3) 计算的规定是实际可用和符合实际的。

在制订关于轨道车辆制动的欧洲规程和欧洲标准时, 有机会对历史演变过程中依据经验对制动系统评价的规定进行再思考, 虽然这些规定从制动的角度看对制动效果的确定是非常方便有效的。

UIC对运行速度在200 km/h以内轨道车辆制动效果的评价不是以技术物理学为基础的。对于制动机的设计可采用UIC专门的评定规程。该规程以经验为基础, 由此, 在确定各种车辆配置的制动质量时并不是普遍适用的。

在新的欧洲规程中, 设想将制动的设计和评价部分改为采用技术物理基础进行计算。在对欧洲规程讨论之前, 以下先就制动的物理过程进行说明, 因为以此为基础才能对规程中的说明进行讨论。

2 制动过程的物理学-数学评价

对轨道车辆滚动的车轮实行制动, 产生了一个速度vT的平移运动和一个速度vR的旋转运动, 它们两者各有不同的量值 (图1) 。由此导致了车轮在轮轨接触面的滑动。作用于车轮踏面圆周的制动力FBr既作用于车辆的平移质量mT, 也作用于旋转惯性质量mR。由此, 车轮旋转的转动惯量J是惯性的一个量值, 并与平移质量mT相对应。平移质量的制动需要一个外力, 轮轨间的粘着力FH。由于制动力的作用, 最终产生了惯性力mTa和惯性力矩Jundefined。

制动力FBr通常是速度v的函数, 由此, 导致了车辆在制动时运动过程的不均匀性。运动不均匀的变化率取决于所采用的制动系统的制动力特性。车辆采用盘形制动的运动均匀性大大优于采用铸铁闸瓦的踏面制动。在制动系统设计中, 普遍适用的计算方法都采用瞬时值。除非在实际中整个制动过程必须保持恒定的瞬时减速度和恒定的旋转角减速度, 否则从制动过程中计算得出的技术数据只能作为近似值。

根据图1, 车辆的瞬时制动减速度为:

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对于车辆平移运动的制动必须有相应的瞬时轮轨粘着力FH (v) erf, 它等于需要的轮轨粘着系数μH (v) erf和轮对支撑力FR之和的乘积。

按照平衡方程式, 由

FH (v) erf=μH (v) erf∑FR (2)

和∑FR=mTg得到在纵向的平衡方程式:

μH (v) erfmTg=mTa (v) (3)

由此得出, 制动过程需要的轮轨瞬时粘着系数是瞬时减速度的函数:

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车辆在满足以下条件就不会发生轮对抱死:

μH (v) erfμH (v) max (5)

为检验轮对的抱死状况, 在规程中给出了粘着系数极限值μH (v) max。

除了制动力FBr (v) 以外, 作用于车辆的还有与速度有关的运行阻力FW (v) =A+Bv+Cv2和线路坡度为i的线路阻力FS=mTgi (图2) 。

上述关于运行阻力FW (v) 多项式中的系数A、B和C, 一般情况对于每类车辆都要根据经验进行计算。

利用上述力最终可以得出车辆制动过程中的瞬时减速度, 瞬时减速度可以说明减速度特征 (车辆的制动性能) :

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列车按一定的间隔距离运行, 绝不允许驶过主信号之前的预告信号距离。通过对车辆进行相应的制动计算, 验证是否满足在规程中规定的制动减速度和制动停车距离。

制动距离既可以通过以下速度积分的解得到:

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也可以通过瞬时减速度函数以一定的速度间隔Δv计算得到。对于后一种情况, 可利用下列一个速度间隔内的平均减速度公式计算:

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所对应的速度区段i内的减速制动距离为:

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在紧急制动时不能跳过各步骤, 而要引入制动系统的响应时间t1和制动力的上升时间t2, 可以将其简化归结为空走时间Te (图3) 。最大制动力上升过程是一个近似的斜坡函数。这样, 到停车时的制动距离s等于未产生瞬时制动力作用的分段距离和上升到最大制动力以后的减速度制动产生的距离之和。

s=v0Te+∑Δsi (10)

公式 (10) 的第一项是制动初速度v0和空走时间Te的乘积, 其中:

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通过这些公式可以确切地描述制动列车的运行过程。

3 欧洲高速铁路系统的车辆/制动技术规范

2006年6月, 通过了在2002年制订的车辆互换性技术规范 (TSI) 第一版[5]的复审, 并在公告之后成为欧洲的官方文件。动车组以及所有速度v0≥200 km/h的机车都必须根据本技术规范来设计。该互换性技术规范的第4项是关于高速列车及其部件的功能要求及技术条件。

在关于制动系统的设计方面, 应规定紧急制动和常用制动的最小制动减速度。紧急制动过程的列车最小减速度特性对应于车速分为4级 (图4) , 最小减速度特征不是以相对于速度连续的最小减速度曲线为出发点的。

列车或者车辆必须遵守特定条件下的最小减速度, 在此, 特定条件分为“状况A”和“状况B”。对于紧急制动“状况B”中, 制动装置部分失效以及恶劣环境条件下可能是最不利的工况。

与TSI第一版不同的是, 将列车运行速度由330 km/h提高到了350 km/h。对于高速列车未来的发展, 最小制动减速度的说明必须进一步提高到400 km/h, 因为2007年第一列速度为350 km/h的高速列车AGV (阿尔斯通Grande Vitesse) 已投入生产。

根据TSI给出的在不同速度段的减速度最小限值, 图5给出了列车从300 km/h开始的速度变化曲线。图5中的横坐标以闭塞区间长度1 500 m划分, 这同法国铁路的列车自动控制系统TVM 430情况是一样的[7]。对于任何闭塞区间, 在司机室的操纵台都有速度显示, 在该闭塞区间的终点不允许超过此速度。列车利用TVM 430所实施的常用制动在正常条件下最晚于危险点之前1 500 m停车。

“状况A”平道和车辆正常载重;采用最不利的紧急制动方式: 关闭不依赖于牵引供电接触网的自给动力制动单元, 或者 关闭所有依赖于牵引供电接触网的制动装置, 或者 关闭一组独立的磁轨制动装置, 该装置不依赖于动力制动。“状况B”在“状况A”的基础上, 另外: 通过控制装置再关闭1个或者2个从动转向架的摩擦制动装置; 降低轮轨粘着力 (见TSI附件P) ; 通过湿度的改变降低闸片摩擦系数 (见TSI附件P) 。

如果列车从300 km/h起按照“状况A”的最小减速度进行常用制动, 列车可以在下一个闭塞区间的终点停车, 这样就全部用足了所提供的1 500 m的安全距离。利用规定的最小减速度进行紧急制动的制动距离, 在“状况A”下要短于“状况B”下的制动距离。

在“状况A”条件下, 制动初速度为300 km/h的紧急制动最大制动距离为3 650 m;在“状况B”条件下则为4 690 m, 最大制动距离较“状况A”延长了28.5%。

在TSI的附件P“在制动装置 (部分) 关闭和不利天气条件下的减速度计算方法”中, 对高速列车最小制动减速度的试验条件做了相关规定。这里的高速列车指的是允许轴重17 t、速度超过250 km/h、最大长度为400 m的列车。

按照附件P营造相符的环境状况需要相当高的试验经费。鉴于轮轨间粘着系数和盘形制动机的摩擦系数由于轨面潮湿而降低, 利用试验技术得出的相关参数, 最终计算出降低的列车制动减速度。此外还安装了诸如控制阀这样的控制装置, 用于关闭1个～2个从动转向架的摩擦制动装置。

欧盟规定, 2001年起将欧洲列车控制系统 (ETCS) 装备在新建线路上。图6给出了制动初速度为350 km/h时, 在该速度区段中根据最小制动减速度得出的制动距离。由此看出, 在“状况A”常用制动的最大制动距离为11 670 m。由ETCS确定的常用制动曲线具有比规定更高的制动减速度, 因此, 不会超过图6中所示“状况A”的常用制动曲线极限值。对于紧急制动, 要求在“状况A”下的制动距离不超过5 360 m;“状况B”下不超过6 820 m (图7) 。

高速列车制动能量的限值根据规定运行线路的最大坡度计算。这些线路符合互换性技术规范“2006基础设施”的规定。在此需要注意, 具有最大坡度的线路长度可能比制动距离短。例如在科隆法兰克福的新建线路就出现了这种情况。坡道速度应当至少为最高速度的90%。根据该限值计算出最高速度运行的最大坡度限值。

对于依赖粘着状况的制动装置, 在200 km/h以下的最大可用轮轨粘着系数按0.15这个常数给定, 此后按照线性规律降到350 km/h以下时的0.10。在每组轮对装有滑行保护和滚动稳定性控制装置。

在TSI中对涡流制动机 (WB) 给予了特别的关注, 因为磁轨制动机只允许应用的最高速度为280 km/h。TSI的“2006基础设施”中给出了在欧洲线路中应用WB的说明。原则上它只能应用于从v0～50 km/h。ICE 3列车WB的应用范围从制动初速度到50 km/h。由于电磁吸引力的不断提高而选择此切断点。在总括了粘着制动和非粘着制动后, 列车的最大制动减速度总计限制为2.5 m/s2。

在TSI中规定了列车最大有效制动力在钢轨纵向的极限值 (例如紧急制动时为360 kN) 。

应用在TSI中规定的其他技术参数就可以进行关于高速列车的制动计算。按照上述要求编写的相关专用欧洲标准目前正在制订中 (见5.1节) 。

4 货车互换性技术规范/传统欧洲铁路系统的制动装置

从2007年2月起, 关于车辆子系统的货车领域的TSI [8]具有强制性, 在其4.2.4节中概括了制动系统的主要功能和技术特征。今后对车辆的制动系统能力的评价中, 将如同在高速铁路系统的TSI中规定的那样采用减速度特性, 利用前面介绍的计算模型, 以有待确定数量的速度段对减速度特性进行划分。每一个速度段具有相应的分段平均减速度 (图8) 。也可以设想采用连续的瞬时减速度特性曲线。这里保留引入此方法期限的确定, 可在以后互换性规范的修订工作中进行规定。

在TSI颁布后, 制动系统的设计还将继续采用至今依然采用的UIC方法, 该方法采用与运行速度和轴重相关的制动质量百分率λ和制动质量。

作为对制动减速度物理评价的第一步, 在TSI中通过对平均减速度的确定来评价。平均减速度am由制动力开始形成到制动结束的减速度得出, 其计算方式为:

undefined和Te=2s (12)

TSI对于制动距离s, 以及不同载重情况和根据车重调整制动力的各种情况的制动质量百分率λ, 也进行了规定。

图9和图10引用了UIC 544-1规程中规定的限值曲线中的曲线参数值。限值曲线描述了按车重变化分2级调整制动力的1辆货车和轴重相关的λ值与am值的变化曲线。在这2张图中, 都采用了制动过程的平均值, 因此, 不存在质的差别。对采用K型闸瓦的闸瓦制动机的制动技术, 要求在TSI中作为“状况A” (请勿与高速TSI中的“状况A”混淆) 进行规定, 而铸铁闸瓦在“状况B”中进行规定。在TSI的附件S中给出了对制动质量的计算和采用试验进行检验的说明, 它与UIC 544-1规程中的方法相似。

能量限值对于最高速度运行时实施连续2次的紧急制动非常重要。此外, 对于制动装置热负荷的设计, 应根据在21‰坡道上以80 km/h运行速度持续制动运行46 km的工况确定。

在该TSI中, 如同高速铁路机车车辆的TSI一样, 缺少关于轮轨最大可用粘着系数的说明。对采用铸铁闸瓦或者粉末冶金闸瓦的车辆, 要求的轮轨平均粘着系数>0.12时应采用防滑装置。在采用盘形制动而没有防滑装置的情况下, 轮轨平均粘着系数不允许超过0.11。对运行速度≥160 km/h的货车, 原则上应当配备防滑装置。对安装K型闸瓦的货车, 在TSI中没有说明轮轨粘着系数从多少开始就应配备防滑装置。

根据该TSI中从制动力形成后的平均减速度am, 采用下列公式可以计算出所要求的轮轨平均粘着系数:

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例如, 对选用铸铁闸瓦的货车, 轮轨平均粘着系数不允许超过0.12 (图11) , 规定还将制动初速度限定在

100 km/h。在较低的制动初速度时, 采用铸铁闸瓦制动机的车辆要求较高的平均粘着系数。在制动初速度降低的情况下, 提高了制动力形成后的平均减速度, 因此, 需要更高的平均粘着系数。

如前所述, 根据该TSI, 今后对货车制动系统的设计就可以通过分级的平均减速度规定来进行。在应用由制动距离得到的平均制动减速度时, 须另外说明制动过程的初速度。

5 关于铁路制动系统设计的欧洲标准

5.1 DIN EN 14531-1

首先就“DIN EN 14531-1:停车和减速度、制动距离以及制动过程的计算, 第一部分:基本要求”进行讨论[9]。关于不同类型的机车车辆 (货车车辆、客车车辆、机车、高速列车、短途列车) 制动系统设计的欧洲标准 (EN) 的6个分标准, 至今只有1个对应的“第一部分:基本要求”。第一部分给出了大量关于制动系统设计的物理-技术基础。为了计算制动过程的瞬时减速度和平均减速度, 提出了关于动态制动系统的制动力平衡方程。对于机械制动系统还没有瞬时制动力的计算方程。因此, 对于机械制动机只能对制动过程进行平均制动减速度、所需轮轨平均粘着系数的计算, 而不需要对制动过程的分段制动距离进行计算。这里应注意欧洲标准中机械制动的摩擦系数取决于多个影响因素。所以必须具有每种制动闸瓦特性方面的经验。从实际应用的角度考虑, 按照这些欧洲标准进行计算时采用平均摩擦系数。摩擦系数与制动初速度有关。

关于电力和液力制动机, 诸如磁轨制动机、涡流制动机的瞬时制动力的计算公式在欧洲标准中给出了相关规定。图12利用制动特性曲线举例说明了电力制动机的计算公式。

欧洲标准附带给出了关于动力制动过程中平均制动力的计算公式, 这仅是个近似解决方案, 这里就不深入探讨了。

复合制动方法通过机械制动对动力制动进行补充, 以达到要求的制动力。虽然进行了说明, 但在缺少闸瓦制动和盘形制动的瞬时制动力的情况下是没有实际意义的。

关于列车瞬时运行阻力的计算, 以二次多项式的一般形式给出 (见第2节) 。等效转动质量mR可通过质量惯性矩总和, 或者已知的质量因子κ直接由以下公式计算出:

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在计算等效转动质量时, 除轮对外, 应对车辆所有的旋转部件通过转换因子ü加以考虑, 例如制动盘、轮对传动齿轮、牵引电机转子等。质量因子κ是平移质量mT以及轴重和车轮半径r的函数 (图13) 。

在欧洲标准中标注:“惯性矩可以通过计算或者用经验值进行估算得到”。

在进行估算时可以考虑质量因子的应用, 在此必须注意到车辆具有怎样的结构布置。比估算更重要的是计算车辆的每个转动质量结构的惯性矩。质量因子的应用只能针对一种具体的情况。在欧洲标准中举例说明了货车车辆具体的转动圆直径和轴重条件下的质量因子。

欧洲标准还进一步明确:“在第一次作近似处理时, 如果不考虑惯性矩, 则单辆货车和客车的运行阻力也可以忽略”。

利用欧洲标准给出的经验公式, 对1辆货运敞车Eads和1辆货运棚车Gabss, 在2种装载状况下计算了瞬时运行阻力 (图14) 。另外在图14中还给出了指定货车车辆相应的等效瞬时惯性力。在图15中, 将从前面的数据中得到的瞬时力的差值作为一个变量进行说明。

在欧洲标准中作出的对装有踏面制动和铸铁闸瓦的货车车辆在已装载条件下的力的平衡处理的假设早于对空车的处理。与速度相关的惯性力通过车辆制动力的函数关系来确定。对于采用复合材料制动闸瓦 (K型闸瓦) 的踏面制动货车车辆, 惯性力对速度的依赖性较低。在最不利情况下的瞬时力差值为车辆制动力的6%。对车辆各个结构的力采取简化平衡处理应当在进行任何计算时加以检验, 特别是力与速度的相互关系要给予关注。

欧洲标准最后还给出关于装有踏面制动或盘形制动机的货车车辆制动技术设计的计算例子。这些计算主要是平均制动力的计算, 以及据此进行平均减速度的计算。这里包括考虑和不考虑等效制动力变化时间的情况。所需要的平均轮轨粘着系数可利用制动力产生之后的平均减速度进行计算得到。

在欧洲标准的第一部分没有对装有摩擦制动装置车辆的制动减速度特性进行计算, 而制动减速度特性是今后根据“车辆/货车互换性技术规范”对制动能力进行评价的基础。在欧洲标准的其他五个部分中还给出了补充的应用例证。

5.2 DIN EN 13452-1

“DIN EN 13452-1:短途公共交通车辆的制动系统, 第一部分:关于制动能力的要求”[10], 适用于城市有轨电车、地铁、城市高速铁路和区间列车车辆。在此对不同类型的制动系统根据短途运输的观点进行定义。紧急制动分为4种方式, 并且对每种类型车辆规定了制动能力的要求。例如在表1中给出了对城市高速铁路/区间客运列车车辆所要求的参数限值。

欧洲标准中给出了整个制动过程由制动力的变化产生的平均最小制动减速度, 由此利用等效响应时间 (2 s～2.5 s) , 可以计算出允许的最大制动距离。

在该欧洲标准中找不到关于制动力和车辆运行阻力计算的数据资料, 但是提出了要对最大瞬时减速度和加速度变化率的最大值进行验证, 不得超过在表1中给出的限值。为了进行证明, 必须知道瞬时减速度的变化特性。

该欧洲标准最后指出, 运输企业应做出决定, 是否采用在表1中给出的制动参数限值, 或者将干线铁路的相关要求应用到城市高速铁路/区间交通车辆。

5.3 DIN EN 14478

于2005年6月生效的“DIN EN 14478:制动机、概念、铁道车辆”[11], 有助于对以后相关欧洲标准中制动的定义和术语保持一致性。对于制动的特征存在各种各样的名称说明, 对可能出现的制动类型在该欧洲标准中举例列出了以下相关概念:常用制动、停车制动、稳定 (速度) 制动、最大调速制动 (全制动) 、紧急制动、快速制动、旅客实施紧急制动、危急制动、强迫制动、完全停车制动、停放制动。

ATO列车自动驾驶;ATP列车自动保护。

这些定义都对应了不同的意义、不同的操作或制动性能。人们所期望的是尽可能减少定义的数量, 以及在短途交通列车领域, 制动技术概念能够协调一致。关于区间客运, 例如在卡塞尔利用型号为“Region CITADIS”的车辆进行的运输, 这些车辆必须满足城市有轨电车和铁路运行的相关规定。

6 结论

欧洲规程需要在制动专业方面进一步研究物理-技术基础, 并进行各标准间的相互协调, 尤其是在短途客运标准方面。深入研发的目标是使所有类型车辆的制动系统设计的计算模型, 在基本制造领域达到统一。

瞬时制动减速度 (制动特性) 是适于描述车辆制动性能的有力手段。在目前的TSI中应提出定义最小减速度的合适的计算模型。

在关于高速铁路系统车辆的TSI中, 对于恒定最小减速度将来可以对速度等级进行多种规定。目前已经确定的4个恒定减速度等级对于ETCS没有必要强制执行。

车辆的制动特性在进行制动计算时要采用瞬时参数值。

只有采用瞬时减速度才能确定轮轨粘着系数的利用率。

如果今后传统铁路运输的“车辆/货车TSI”中对制动能力的评价依旧保留“制动质量百分率”的概念, 可以按照EN 14531, 如同在高速铁路和短途客运中实行的办法, 采用最小瞬时减速度, 或者平均分段减速度和制动停车距离进行制动系统的设计。由此, 可以实现所有轨道交通车辆设计基础的统一。

应当放弃采用制动质量百分率的方法进行制动系统的设计。根据UIC关于制动评价的规程, 对“制动质量百分率”进行评价是制动计算的最后一步。对于传统铁路, 从制动计算中得出的制动距离作为制动质量百分率这一评判值的对比值。因此, 运行评价中继续使用制动质量百分率, 但在对于制动系统的计算中, 则采用前面所述基于物理基础的制动参数。

在DIN EN 14531“停车和减速度、制动距离以及制动过程的计算方法”中, 所涉及的计算规定应相互统一协调。其中也应当包括关于机械制动装置瞬时制动力计算模块的规定。

在根据“DIN EN 13452-1:短途公共交通车辆的制动系统, 第一部分:制动性能的要求”进行制动系统设计时, 对制动特性的计算应当采用DIN EN 14531-1中的瞬时制动力方程式。

在所有的制动计算中, 应当采用等效转动质量取代质量因子。等效转动质量由车辆转动部件的惯性矩所决定。在制动计算中不能忽略对转动质量实施制动导致的惯性力和车辆运行阻力。应当进一步对制动技术所有的基本概念的专业术语及其定义进行统一 (DIN EN 14478) 。按照上述规程进行制动系统的设计, 是车辆获得许可认证进行欧盟试验程序的前提。

参考文献

[1]Richtlinie96/48/EG des Europaischen Parlaments vom23.Juli1996ber die Interoperabilitat des transeuropaischen Hochge-schwindigkeitsbahnsystems.Europaisches Amtsblatt L235/6vom17.09.1996, geandert durch2004/50/EG, Europaisches Amtsb-latt L164/114.

[2]Richtlinie2001/16/EG des Europaischen Parlaments vom19.Marz2001ber die Interoperabilitat des konventionellen transeuropaischen Eisenbahnsystems.Europaisches Amtsblatt L110/1, geandert durch2004/50/EG, Europaisches Amtsblatt L164/114vom21.06.2004.

[3]Agenturordnung Nr.881/2004.Europaisches Amtsblatt L164/1der Europaischen Eisenbahnagentur“European Rail way Agency”[ERA].

[4]Grams, H.:Sicherheit an Gleisbaustellen.Eisenbahning.57[2006]10, S.18-22.

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欧洲服务业论坛作为非政府组织于1999年注册成立。其代表性涵盖整个欧盟地区。在30个欧盟国家中都有其会员企业。会员包括30家行业协会和超过40家在欧盟地区落户的国际大公司。会员几乎涵盖了所有服务业行业，银行、保险、电讯、邮政、运输、旅游/酒店、零售、法律、会计、管理咨询、建筑、工程、测量、IT、出版、音像、能源和环境等。

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