试议高铁运用经济速度与安全稳定裕度调控

论文导读：
摘要： 作为京沪高速晃车现象及其现场调控的跟踪调研，通过动态仿真、线路试验和构架动荷特征等多方面综合分析，可以确认抗蛇行软约束技术优越性，如在两到三个镟轮周期内连续保持踏面磨耗的均匀性。面对长交线路高铁运营，还必须认清欧系车辆所存在的两个基本不稳定理由及其所造成的诸多典型故障：即转向架稳定裕度不充裕理由和高速列车稳定鲁棒性理由。从振动失效或振动疲劳分析角度来看，高铁运用必须采取以预防为主的技术策略，以进一步改善其技术经济性。转向架优配协调解决了上述两个基本不稳定理由，充分展示新一代高速转向架三大稳定特征：适度拓展速度空间系统优化构架动荷、克服轮轨激扰与磨耗消极影响以及更加强调高速列车稳定鲁棒性能。关键词： 高铁车辆； 经济速度； 安全稳定裕度； 高速转向架非线性
10044523（2013）06093509
引言
与武广振动报警故障类似，京沪高速晃车现象再次说明了高铁运用存在技术经济性理由。经济速度作为高速转向架的重要技术指标之一，仅仅是高速转向架非线性与高铁车辆安全稳定裕度之间权衡或优化结果。高铁车辆必须应用基于抗蛇行频带吸能机制的稳定新理论（简称稳定新理论）来证实其在经济速度下具有安全冗余。
降低蛇行振荡参振质量是高速转向架技术创新的主要特征之一。日本新干线作为高铁运用的新纪元，主要归功于松平津的学术贡献，首次在理论与试验上证明了轨道车辆横向动力学是一个非保守系统[1]。根据威金斯理论[2]，在高速轮轨接触下车轮自旋蠕滑是决定横向蠕滑力的主要因素之一。因而降低蛇行振荡参振质量是减小车轴横向力的最有效技术途径。如3种电机悬挂方式（即体悬、简单架悬和弹性架悬）对比研究表明[3]：电机吊架横摆振动可以减小动车转向架摇头运动的相位滞后，进而降低跟随轮对的车轴横向力。客观地讲，如何突破常规轨道车辆商业速度极限仍然是高铁运用的基本理由之一。对于300 km/h高速转向架来讲，目前有两种不同的技术创新趋势，如德国西门子公司ICE3系列转向架，牵引电机以弹性吊架形式实现横摆振动。而庞巴迪公司Zefiro 380高速列车动车转向架则采用了永磁电机新技术。由于悬挂高阻抗作用，高速转向架具有非线性，且轮轨磨耗敏感。因而与常规轨道车辆不同，高铁车辆必须得到充分证实其在最高商业速度下具有安全冗余。目前型式试验也做了相应的修订：对于任何新型高铁车辆，其试运转里程必须达到30万公里方可进行稳定性能验收型式试验。根据上述高铁车辆安全稳定理念，文献[4]结合武广振动报警故障理由分析，提出了抗蛇行串联刚度判定准则，并制订了基于抗蛇行软约束的安全稳定裕度调控技术策略。针对京沪高速晃车理由，抗蛇行软约束在现场调控中得到工程应用。长期跟踪测试数据统计分析也充分证实了抗蛇行软约束的技术优势，如在两到三个镟轮周期内连续保持踏面磨耗的均匀性。随着京广高铁（约2 200 km）联通与运营，中国高铁已经实现了不同经济区域之间的城际运营或长交线路运营。因此，鉴于服役条件的复杂性与不确定性，有必要进一步强调高速列车稳定鲁棒性能。
为此，本文在文献[4]的基础上，首先讨论高速转向架核心技术理由及其相应的5大技术创新。再结合典型理由及其解决，阐述高铁运用的技术经济性。最后，应用稳定新理论给出了转向架优配方案，以充分展示新一代高速转向架的3大稳定特征。
1高速转向架核心技术理由

1.1快速铁路客运技术探索

在既有线路提速和高铁运用的工程实践过程中有着多种多样的前沿技术探索。在既有线路提速的技术探索过程中，养路成本是最值得借鉴的欧洲铁路经验之一，如钢轨蛇行屈曲变形等理由。高速摆式列车是既有线路提速的典型案例之一，曲线通过车体倾摆（2.0～3.0）°。尽管车体横向平衡得到了恢复，但是车轴横向力仍然很大。摆式转向架经历了抗蛇行减振器性能的相关研究[5～7]，但是主动制约技术却在车体横向减振上得到了应用。由于复摇枕及其倾摆机构的复杂性，特别是曲线通过惯性坐标系不断变化，横向主动制约不得不被切换掉，并以横档气缸“夹持”取而代之。美国高速列车Acela采用了新型摆式转向架，以丝杆电子反馈制约取代液压伺服制约，其倾摆角度也降低至（0.5～1.0）°。目前高速列车Acela在东北走廊既有线路上也实现了200 km/h运用。但是根据添乘与维修现场调研，摆式转向架的技术可靠性仍然是考察要点之一，如实际运用故障率较高。
在车轮踏面选用以及轮对定位确定之后，抗蛇行减振器是改善转向架稳定性能的重要环节之一。日本新干线原始转向架具有如下主要技术特征：即选用低锥度踏面，采用拉板轴箱定位，特别强调横向定位刚度，以彻底解决低锥度晃车理由。为了进一步提高车速，采用了大阻尼抑制蛇行机制，如每架抗蛇行减振器线性阻尼为2×2 450 kN·s/m。根据威金斯理论，在自旋蠕滑≤0.6时，车轮自旋蠕滑对横向蠕滑力效应呈现线性递增规律。因而轮轨接触等效锥度较低，其自旋蠕滑相当于“负阻尼”，是影响蛇行振荡的负面因素之一。因此采用大阻尼抑制蛇行机制无可厚非。
但是日本新干线运用存在轮轨磨耗遗留理由。当车速提高至300 km/h以上，或轮轨磨耗等效锥度达到0.25以上，蛇行振荡加快，大阻尼抑制蛇行机制不再奏效了[8]。尽管目前日本新干线经历了多次技改，其运用的技术经济性理由主要集中在修程制度上，如日系车辆技术服役寿命15年，3A修程60万公里，镟轮修程仅为20余万公里，其等效锥度0.25以下。这基本符合相关国际标准（如UIC 518）所规定的运转速度空间要求。运转速度空间是指轨道车辆的运转速度与轮对镟修所制约的等效锥度之间的关系空间。
技术经济性是指高速轮轨新技术与社会经济发展需求高铁运用经济速度与安全稳定裕度调控由提供海量免费论文范文的www.7ctime.com,希望对您的论文写作有帮助.的最佳切入，以达到“双赢”的长远发展技术目标。中国经济发展具有区域性特征，特别是在发达国家制造业“回归”形势下，经济结构转型以及城镇化进程不断加快。快速铁路客运也将面对多层次需求，因而高铁应当论文导读：垂向振动传递机制，暂不讨论。1.3核心技术理由从横向非保守系统的基本观点出发，ICE3系列转向架试图以抗蛇行频带吸能机制来重点解决蛇行振荡所造成的转向架不稳定理由。但是，这里存在一个抗蛇行技术实现局限性理由：即抗蛇行动态刚度非线性。抗蛇行频带吸能机制是指抗蛇行相位滞后与高频阻抗之间的自调节机制。基于
作为快速铁路客运的最佳补充手段以缓解供需矛盾。同时任何新技术都具有局限性，关键在于如何达到“双赢”的长远发展技术目标。

1.2高速转向架5大技术创新

为了克服轮轨磨耗敏感性改善300 km/h高铁运用的技术经济性，如图1所示，ICE3系列转向架具有技术创新，暂且归纳成以下5点：
（1）高锥度高刚度车轮选用宽轮缘S1002G踏面，与钢轨CN60KG匹配，其等效锥度为0.166。而根据UIC 518规定，当车速大于280 km/h时，实际轮轨接触的等效锥度不得超过0.15。同时采用了迫导向轮对定位方式，特别强调了纵向定位刚度120 MN/m，而横向12.5 MN/m。等效锥度越高，踏面磨耗指数也越大，因而采用轮对定位高刚度以制约踏面磨耗。
（2）电机弹性架悬为了降低蛇行振荡参振质量，牵引电机以电机吊架形式实现弹性架悬。也就是说，转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态必须具有运动耦合关系，以释放蛇行振荡能量，这是制约车轴横向力的先决技术条件。
（3）抗蛇行减振器冗余设计与常规转向架不同，高速转向架是以抗蛇行频带吸能机制来提高其稳定裕度。为了避开抗蛇行高阻抗所造成的液压件损坏，抗蛇行减振器采用了必要的“自保”措施，形成了所谓的抗蛇行高频卸荷机制，这将给抗蛇行动态刚度带来非线性影响。为了确保高铁运用安全，采用了抗蛇行减振器冗余设计形式，即每架4个。
（4）车体横向悬挂特性“小迟滞低阻抗”为了最大程度地降低与走行部的横向耦合影响，车体横向悬挂具有“小迟滞低阻抗”特性。因而欧系车辆车体摇头模态阻尼较高（简称车体摇头大阻尼），如动车车体摇头运动模态阻尼接近或超过60%。根据威金斯理论，车体摇头大阻尼是造成动车稳定性态出现非线性变化的主要理由之一。
（5）德系空簧“软悬挂”特性与日系空簧设计风格不同，德系空簧不再强调节流孔的阻尼效应，有效降低了在高频激扰下空簧动态刚度，实现了所谓的空簧“软悬挂”特性。激扰频率越高，气囊内空气热力学过程越趋于绝热过程，因而空簧动态刚度具有非线性。日系空簧设计强调节流阻尼效应，因而其动态刚度具有较强的非线性影响，即所谓的日系空簧硬悬挂。两者垂向振动传递机制，暂不讨论。

1.3核心技术理由

从横向非保守系统的基本观点出发，ICE3系列转向架试图以抗蛇行频带吸能机制来重点解决蛇行振荡所造成的转向架不稳定理由。但是，这里存在一个抗蛇行技术实现局限性理由：即抗蛇行动态刚度非线性。
抗蛇行频带吸能机制是指抗蛇行相位滞后与高频阻抗之间的自调节机制。基于MAXWELL模型，文献[4]归纳并提出了抗蛇行频带吸能机制，并将高速转向架的抗蛇行减振器功能进行了重新定位，即衰减蛇行振荡、制约蛇行幅值以及兼顾曲线性能。衰减蛇行振荡是指以频带吸能机制有效吸收蛇行振荡能量。由于吸能频带有限，因而选用较高锥度踏面（其等效锥度0.166大于UIC 518所规定的0.15）。而制约蛇行幅值则是指以抗蛇行动态刚度限制高速轮轨接触下蛇行振荡幅值，进而降低车轴横向力，因而踏面磨耗较轮缘磨耗要大。通常高速车轮选用宽轮缘踏面以便实现经济镟修。与高速摆式列车不同，抗蛇行频带吸能机制以最为简单可靠技术方式协调解决了稳定与导向矛盾。随着激扰频率降低，抗蛇行动态刚度趋于零。也就是说，只要缓和曲线长度足够，曲线性能就能够得到兼顾。
降低蛇行振荡参振质量是实施抗蛇行频带吸能机制的重要前提条件之一。对于如图2所示的Sachs抗蛇行减振器，由于泄流阀和安全阀存在泄漏特性，不可能完全达到弹簧与阻尼串联单元的理想特性，见图3。
4结论
（1）作为京沪高速晃车现象及其现场调控的跟踪研究，通过动态仿真、现场调研、相关试高铁运用经济速度与安全稳定裕度调控由优秀论文网站www.7ctime.com提供,助您写好论文.验以及构架动荷特征等多方面综合分析，可以确认抗蛇行软约束技术优势，如在两到三个镟轮周期内连续保持踏面磨耗的均匀性。这是在中国高铁运用中首次自主进行安全稳定裕度调控的成功案例。
（2）面对长交线路高铁运营，也必须认清欧系车辆的两个基本不稳定理由：即转向架稳定裕度不充裕理由和高速列车稳定鲁棒性理由。现有引用车型的典型故障是上述两个不稳定理由的具体表现。从振动失效或振动疲劳分析角度来看，高铁运用必须采取以预防为主的技术策略，以进一步改善高铁运用的技术经济性。
（3）根据稳定新理论，转向架优配协调解决了上述两个基本不稳定理由，其经济速度由原来的（280～300）km/h提高至（350～380）km/h。但是鉴于目前对线路服役环境复杂性与不确定性的认知水平，高铁商业运用速度还必须降低至300 km/h，以获得更大的安全冗余。因而在300 km/h高铁运用中，转向架优配将充分展示新一代高速转向架3大稳定特征：适度拓展速度空间系统优化构架动荷、克服轮轨激扰与磨耗消极影响以及更加强调高速列车稳定鲁棒性能。
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