基于抗蛇行減振器失效工況的高速轉向架穩定性分析

樸明偉，孔維剛，劉通，兆文忠

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連116028)

0 引言

對于CRH3動車組轉向架來講，車輪踏面選用S1002CN，其輪軌接觸錐度趨高，因而抗蛇行減振器采用了冗余設計，即每架4個抗蛇行減振器.因此，抗蛇行減振器失效對高速轉向架穩定性的影響受到業內專家的重視.文獻［1］采用輪對蛇行分叉理論，系統分析了抗蛇行減振器端節點徑向剛度對車輛臨界速度的影響.文獻［2-3］分別從輪軌匹配特征和軌道不平順激擾作用的角度，研究了高速輪軌動力作用的特點.在考慮到CRH3動車組轉向架所采用的Sachs抗蛇行減振器構造特征情況下，文獻［4］提出并驗證了寬吸能頻帶抗蛇行減振器假設模型，進而給出了3種典型踏面的最高商業臨界速度.由此可見，從常規的輪軌關系原則(即權衡穩定性與輪軌對中性或導向性)的角度出發，由于CRH3動車組選用S1002CN踏面，很自然要關注抗蛇行減振器的冗余設計問題.

為此，本文以CRH3動車組轉向架作為研究對象，采用線性穩定性分析手段定性分析抗蛇行減振器失效對轉向架穩定性的影響程度，并以非線性動態仿真形式進行驗證，進而確定構架振動報警識別的可行性.

1 線性穩定性分析

線性穩定性分析是指:①在特定的輪軌接觸條件下(如名義等效錐度λeN=0.16)，將整車非線性系統模型進行線性化處理;②采用根軌跡方法得到整車結構模態極點的變化軌跡，稱為根軌跡圖;③一般以臨界阻尼5%作為裕度來確定線性臨界速度，即最小模態阻尼≥5%.

根據CRH3動車組轉向架的構造特點，見圖1，以兩種輪軌接觸條件進行計算:新輪軌接觸(λeN=0.16)和磨耗輪軌接觸(λeN=0.40).在每種輪軌接觸條件之下，進行了多種抗蛇行減振器失效工況分析.由于篇幅有限，這里給出了兩種失效工況對比:正常工況和失效工況1(即后位轉向架右側上位的1個抗蛇行減振器失效).

圖1 CRH3車組的動車/拖車轉向架

1.1 動車轉向架

圖2和圖3分別給出了在新輪軌接觸和磨耗輪軌接觸條件下動車根軌跡對比，由此可見:

(1)在新輪軌接觸條件下，與正常工況相比，失效工況1主要表現:①車體側滾模態對轉向架蛇行模態的牽連作用有所減輕;②隨車速提高，轉向架蛇行模態極點趨于某一點，而電機吊架橫移模態極點則趨于失穩，特別是后位電機吊架的橫移模態阻尼有明顯的降低.

(2)在磨耗輪軌接觸條件下，失效工況1則主要表現為后位電機吊架橫移振動失穩的可能性增大.考慮到電機吊架的非線性約束(如吊架減振器和間隙止擋等)，電機吊架橫向振動將對轉向架穩定性構成影響，如車軸橫向力急劇增大等.

圖2 基于新輪軌接觸的動車根軌跡對比(λeN=0.16)

圖3 基于磨耗輪軌接觸的動車根軌跡對比(λeN=0.40)

1.2 拖車轉向架

圖4和5分別給出了在新輪軌接觸和磨耗輪軌接觸條件下拖車根軌跡對比，很顯然，失效工況1造成后位轉向架蛇行模態阻尼降低，并首先進入失穩狀態.

圖4 基于新輪軌接觸的拖車根軌跡對比(λeN=0.16)

圖5 基于磨耗輪軌接觸的拖車根軌跡對比(λeN=0.40)

綜上所述，失效工況1有兩個明顯的特征:①拖車轉向架的穩定性將受到嚴重的影響，動車轉向架的安全穩定性裕度將有所降低;②在新輪軌接觸條件下對轉向架穩定性的影響相對比較小，但在磨耗輪軌接觸條件下則將是非常嚴重的.

2 臨界速度對比

通過表1與表2的對比可見:對于失效工況1，在新輪軌接觸條件下不會對臨界狀態產生很大的影響，但是，在磨耗輪軌接觸條件下將對臨界狀態產生非常嚴重的影響，特別是拖車非線性Vcr≈330 km/h.

表1 基于失效工況1的臨界速度對比

表2 基于正常工況的臨界速度對比

圖6 動車(01/08)輪對蛇行臨界狀態(后位)

圖7 拖車(02/07)輪對蛇行臨界狀態(后位)

圖6和圖7分別給出了在新輪軌接觸和磨耗輪軌接觸條件下，動車與拖車輪對蛇行臨界狀態，即動車輪對呈現“拍振”形式，而拖車輪對則為穩定的“極限環”形式，其幅值隨車速提高而增大.

這些臨界狀態對比充分說明:①在同樣的一個抗蛇行減振器失效后，拖車轉向架表現為抗蛇行減振器“阻尼逸散作用不足”，主要原因是拖車轉向架蛇行模態頻率的變化范圍比較大;②而動車轉向架采用了電機彈性架懸，其蛇行模態頻率變化范圍比較小，因而抗蛇行減振器仍然能夠起到吸收其蛇行振蕩能量的作用;③這再次表明輪對蛇行分叉理論的適用性是非常值得商榷的.

3 動態行為評價

3.1 構架橫向加速度

表3給出了基于失效工況1的構架橫向加速度對比.這一對比表明:由于一個抗蛇行減振器失效，后位轉向架的安全穩定性裕度將有所降低，即在新輪軌接觸條件下，最高試驗速度降低到420 km/h;而在磨耗輪軌接觸條件下則為320 km/h.此時，轉向架動態行為將表現出“瞬間”蛇行振蕩，并造成構架橫向加速度的采樣均方差“快速”增大.

表3 基于失效工況的構架橫向加速度采樣均方差Sy m2/s

3.2 車軸橫向力

并作為車軸橫向力的限定值.表4給出了基于失效工況1的車軸橫向力對比.

表4 基于失效工況1的車軸橫向力采樣均方差s(∑y)2m/kN

從車軸橫向力對比可見:①在構架橫向加速度接近或達到限定值時，車軸橫向力均在其限定值之下，所以，輪軌安全基本上是有保障的;②對于拖車轉向架來講，不僅臨界速度有較大幅度的降低，而且車軸橫向力也比較高.

3.3 失穩行為

圖8和圖9給出了失穩時構架橫向加速度的頻響對比.由此可見:①由于電機吊架的非線性約束(如橫向減振器和間隙止擋)，動車轉向架的失穩行為已經轉換為電機吊架橫移模態振動;②拖車轉向架失穩時，轉向架蛇行振蕩頻率將有所提高.

圖8 動車轉向架失穩行為

圖9 拖車轉向架失穩行為

4 結論

(1)在抗蛇行減振器“失效”后，轉向架的安全穩定性裕度將有所降低，主要表現為:動車轉向架將以電機吊架橫移振動作為其失穩形式，而拖車轉向架則以快速蛇行振蕩形式表現出來;

(2)以后位轉向架的一個抗蛇行減振器失效工況為例(即失效工況1)，在新輪軌接觸條件下，“失效”對轉向架穩定性的影響相對比較小，試驗速度還可以在420 km/h以下，但是磨耗輪軌接觸條件下，“失穩”將對轉向架穩定性產生嚴重的影響，如臨界速度、構架橫向加速度和車軸橫向力等均有明顯的增大趨勢;

(3)幸運的是按照UIC518的規定，在構架橫向加速度接近或達到其限定值時，車軸橫向力已經有顯著的增大，但還沒有超限.也就是說，一旦抗蛇行減振器“失效”，在車軸橫向力還沒有超限之前，構架橫向加速度超限并將報警.

［1］曾京，鄔平波.減振器橡膠節點剛度對鐵道客車系統臨界速度的影響［J］.中國鐵道科學，2008，29(2):94-98.

［2］孫善超，王成國，李海濤，等.輪/軌接觸幾何參數對高速客車動力學性能的影響［J］.中國鐵道科學，2006，27(5):93-98.

［3］王開云，司道林，陳忠華.高速列車輪軌動態相互作用特征［J］.交通運輸工程學報，2008，8(5):15-18.

［4］梁樹林，樸明偉，郝劍華，等.基于3種典型踏面的高速轉向架穩定性研究［J］.中國鐵道科學，2010，31(3):57-63.

［5］UIC Code 518 OR.Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavioursafety-track fatigue-ride quality［S］.2nd edition，Paris:International Union of Railways，2003.