高速車輛橫向振動耦合機制形成的主要因素

樸明偉，趙 強，于成龍，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

與快鐵運用模式不同，高鐵運用必須強調安全冗余.因而降低(蛇行振蕩)參振質量應當作為高速轉向架設計的基本原則.中國長距離高鐵運用證實了:高速轉向架(如ICE3系列)具有其技術創新，確保了其安全冗余.但是也不得不看到目前ICE3原型尚存在2個主要技術問題:即圓錐型踏面及其磨耗對鋼軌養護與維修所造成的負面影響;車體搖頭大阻尼所造成的橫向振動耦合機制.特別是長達列車，其線路服役條件具有其復雜性與不確定性，尚需要考慮側風對車體擾動的流固耦合效應，路堤凍脹或橋墩沉降所形成的軌道長波不平順激擾，以及高寒地區運用所可能出現的冰雪阻塞等.為了更好地落實高鐵經濟運用，必須正確認知高鐵車輛振動行為的基本規律，即橫向振動耦合機制及其形成的主要原因.

由于快速與高速轉向架存在設計理念的不同，其車輛振動機制也不盡相同.結合分散動力驅動技術形式，車體輕量化設計的技術目的，就是要增大車下吊掛的輔助裝備和電氣設備質量(簡稱車下質量).如拖車TC02(變電車)，其總的車下質量，約10 t，其中，僅變流器及其冷卻裝置可達6.6 t.鋁合金車體采用整體式輕量化結構設計形式，具有擠壓成型、縱向拚焊工藝特點，但是也存在“無骨架無縱梁”結構缺陷.羅杰·古戴爾提出了車體垂向主動減振技術［1］，其前提是輕量化車體結構設計未能滿足原則，即車體1階垂向彎曲模態頻率低于轉向架構架沉浮模態頻率的1.4倍.在2階段技改后，某日系車輛目前正在進行車下質量橡膠吊掛技改.若300 km/h提速運行，軌道小缺陷激擾(波長小于轉向架軸距的軌道不平順激擾)將造成轉向架構架的垂向強迫振動響應.由于日系空簧具有硬懸掛特性［2］，車體垂向加速度響應頻帶增寬.因而上述車下質量橡膠吊掛技改將會造成更為嚴重的垂向振動問題.相反，由于車體對走行部接口增添了抗蛇行高頻阻抗新因素，高鐵車輛采用了車下質量橡膠吊掛，以避免鋁合金車體的1階橫向彎曲模態振動，確保其30年技術服役壽命.在固體力學研究域，應用奇異系數概念可以證明:高鐵車輛橫向振動耦合機制具有3大力學判定條件:即足夠激擾能量、振動傳遞媒介以及耦合共振可能型.根據橫向振動耦合機制，文獻［3］提出了基于剛柔耦合的車下橡膠吊掛參數優化設計方法.由此可見，對于快鐵運用模式，一般選用經濟性軌道車輛，以自導向轉向架技術形式來兼顧導向與穩定性能.若提速至300km/h高鐵運用，由于日系空簧的經濟性選型，快鐵車輛將主要表現為垂向振動傳遞機制.而高鐵運用模式則更加強調安全冗余，在抗蛇行頻帶吸能機制配合下，以迫導向轉向架技術形式來實現參振質量的降低，因而高鐵車輛主要表現為橫向振動耦合機制.

為了切實落實高鐵經濟運用，本文進一步研究高鐵車輛橫向振動耦合機制形成的主要因素，以正確認知高速列車穩定魯棒性能，確保長大列車的持續穩定安全運行.

圖1 整車閉環系統及其線性穩定性分析

1 高速轉向架創新技術特點

就現有技術水平而言，高速轉向架(如ICE3系列)采用電機彈性架懸，且實現了相對轉向架構架的橫擺運動.但是要實現參振質量的降低，必須在動車轉向架蛇行模態與相應的電機橫擺模態之間，構建合理的牽連運動關系，其具有以下3個必要的技術條件:①輪對(強)迫導向定位形式;②最小等效錐度0.166;③抗蛇行高頻阻抗作用.

高鐵車輛采用迫導向轉向架技術形式，且在抗蛇行頻帶吸能機制配合下，實現了無砟軌道300 km/h以上高鐵運用.但是為了確保高鐵運用的安全冗余，高速轉向架存在以下2個十分重要的制約關系:①以抗蛇行高頻阻抗作用抑制轉向架搖頭相位滯后;②輪對剛性定位約束喪失了自導向能力，因而實際等效錐度不得低于0.166.

由此可見，高鐵運用更加強調其安全冗余，特別是圍繞降低參振質量的基本原則，高速轉向架具有如下創新技術:①電機彈性架懸且可實現橫擺運動;②輪對(強)迫導向定位形式;③抗蛇行減振器冗余設計形式，即每架4個.后兩者是造成車體搖頭大阻尼特征的2個主要因素，且抗蛇行高頻阻抗越強，車體搖頭大阻尼特征越突出.

德國西門子公司，以在等效錐度0.30下最小模態阻尼不得低于5%作為原則，確定了抗蛇行減振器線性阻尼，并給出了動車組轉向架原配和長編轉向架原配的抗蛇行減振器線性阻尼C配置方案，其設計車速分別為300/350 km/h.但是對于長編轉向架原配，型式試驗發現了高速晃車現象，因而提出了抗蛇行參數配置(K，C)問題研究.

整車穩定性態是指整車根軌跡圖所反映的穩定性質及其變化形態.如圖2所示，隨著抗蛇行串聯剛度K的增強，動車穩定性態將呈現以下變化趨勢:①抗蛇行高頻阻抗越強，車體搖頭大阻尼特征越突出;②前位與后位轉向架穩定裕度出現差異，后位轉向架穩定裕度較前位轉向架的要低，特別是在長編轉向架原配或現場調控下，后位轉向架穩定裕度不充裕;③動車轉向架與相應的電機橫擺模態之間，存在牽連運動關系，特別是在長編轉向架現場調控下，后位轉向架與相應的電機橫擺模態之間部分“脫離”了彼此牽連運動關系，而在長編轉向架原配下完全“脫離”了彼此牽連運動關系.

2 動車穩定性態分析

高速列車是一個非常復雜的非線性系統，因而采用以下方法:即以線性穩定性來指導非線性動態行為分析.圖1為整車閉環系統及其線性穩定性分析，與其它類型的地面車輛一樣，軌道車輛，通過輪軌接觸形成了單位反饋，進而構成了閉環系統.上述閉環系統具有以下3個主要內涵:有界穩定、輪軌磨耗敏感性以及抗蛇行參數配置.

圖2 抗蛇行串聯剛度對動車穩定性態的影響

根據威金斯理論［4］和等效錐度概念，進一步將整車根軌跡分析方法推演到:“新車穩定性能及其服役性能”分析的應用范疇.由此可見，基于輪配準靜態特征的線性穩定性分析方法，應當作為一種系統分析的方法，并非當前所采用的試湊或枚舉法.

3 橫向耦合機制形成的主要因素

可以證明:在轉向架優配下，高速列車具有理想的穩定魯棒性能.對于轉向架優配來講，如圖3所示，降低輪對縱向定位剛度，動車穩定性態將要形成三次蛻變:

第一次蛻變，如圖3(a)所示，當縱向定位剛度降低至(60～70)MN/m時，在動車前位轉向架蛇行模態與相應的電機橫擺模態之間，開始脫離彼此的牽連運動關系.

圖3 縱向定位剛度降低及3次蛻變過程

第二次蛻變，如圖3(b)所示，當縱向定位剛度降低至(45～50)MN/m時，在動車前位與后位轉向架蛇行模態與相應的電機橫擺模態之間，開始完全脫離牽連運動關系.

第三次蛻變，如圖3(c)所示，當縱向定位剛度降低至(35～37.5)MN/m時，車體搖頭大阻尼特征開始轉變.也就是說，轉向架的自導向能力有所恢復.

圖4 最小等效錐度降低至0.10后動車穩定性態變化趨勢

但是對于轉向架優配以及三次蛻變，即輪對縱向定位剛度120/70/50/37.5 MN/m，最小等效錐度由0.166降低至0.10，動車穩定性態變化趨勢，如圖4所示.特別是第三次蛻變，車體搖頭大阻尼特征又得到了恢復(見圖4(d))，但是動車前位轉向架與相應的電機橫擺模態之間已經部分“脫離”了牽連運動關系.

由此可見，在抗蛇行頻帶吸能機制配合下，只有迫導向轉向架技術形式才能夠實現降低參振質量，其有3個主要特征因素:①輪對(強)迫導向定位形式，縱向定位剛度高達120 MN/m，橫向的12.5 MN/m;②抗蛇行高頻阻抗作用，因而必須采用新型抗蛇行減振器(如Sachs)，一種抗蛇行頻帶吸能機制技術實現形式;③最小等效錐度不得低于0.166，否則低錐度晃車難以避免.

4 二系橫向懸掛參數配置

在特定的軸重下，約18 t，德系空簧縱向與橫向剛度較小，約0.13 MN/m，二系橫向懸掛參數配置主要指二系橫向減振器參數配置，即線性阻尼和串聯剛度.

以拖車TC02剛柔耦合仿真［3］來進行評估，如圖5所示，降低輪對縱向定位剛度對二系橫向減振器阻尼參數配置的影響.奇異系數是指采樣樣本的最大循環值與概率99.75%的(RMS)3σ之比.剛柔耦合動態仿真，其采樣數據樣本的可分析頻段，約50 Hz.很顯然，為了有效抑制前部地板橫向加速度奇異系數的增大，二系橫向減振器必須配置更大的阻尼參數.特別是在轉向架優配下，如圖5(a)所示，其二系橫向減振器線性阻尼最優值為15 kN·s/m，這與實際轉向架參數配置十分吻合.

由此可見，高鐵車輛具有車體搖頭大阻尼特征，因而高速轉向架二系懸掛通常呈現“低阻抗小遲滯”特性.相反，作為經濟性軌道車輛，如地鐵或城軌車輛，采用自導向轉向架，其二系橫向減振器線性阻尼可高達60 kN·s/m.這充分說明了車體搖頭大阻尼特征也具有正面影響，如乘坐舒適性等.

5 安全評估

縱向定位剛度降低對動車與拖車的臨界速度有一定程度影響.根據UIC518進行安全評估，并給出了降低縱向定位剛度對安全速度的影響，見圖6.由于輪軌磨合后輪配特征最佳(等效錐度為0.23)，因而降低縱向定位剛度對其安全速度影響較小.但是在新車狀態或快速磨耗階段(等效錐度為0.166或0.43)，縱向定位剛度降低對其安全速度影響很明顯.

圖6 降低輪對縱向定位剛度對動車速度空間的影響

也必須清楚地認識到:輪對(強)迫導向定位形式和抗蛇行高頻阻抗作用，是實現參振質量降低的2個必要技術條件，同時也造成了車體搖頭大阻尼特征.而且抗蛇行高頻阻抗越強，車體搖頭大阻尼特征越突出.在高速輪軌接觸下，特別是軌道長波不平順激擾，車體對后位轉向架接口將產生橫向高頻擾動，并構成橫向耦合機制的主要傳遞媒介.高鐵線路服役環境具有其復雜性與不確定性，如橋隧比例較高，明線與暗線交錯，以及氣候變化特征等，將產生側風或尾流擾動，或冰雪阻塞造成轉向架參振質量攝動等.特別是在側風對車體擾動下，電機橫擺行為奇異性將增強其流固耦合效應.因此，橫向振動耦合機制是高鐵車輛振行為的基本規律，必須在高速列車系統總體設計中予以充分考慮.同時也必須看到:在350 km/h標準動車組及其技改中，降低縱向定位剛度至35 MN/m或降低等效錐度至0.10，兩者都將背離高速轉向架的降低參振質量基本原則.只有從抗蛇行參數配置著手，實現抗蛇行寬頻帶吸能機制原始技術創新，才能克服ICE3原型所存在的主要技術問題.

6 結論

橫向振動耦合機制是高鐵車輛振動行為的基本規律，其形成具有以下2個主要因素:即輪對(強)迫導向定位形式和抗蛇行高頻阻抗作用，兩者導致車體搖頭大阻尼特征，造成車體對后位轉向架接口的橫向高頻擾動增強，進而構成了橫向振動傳遞媒介;同時這2個因素也是參振質量降低的必要技術條件.與快鐵運用模式不同，高鐵運用必須強調其安全冗余.因而降低參振質量應當作為高速轉向架設計的基本原則.高速轉向架(如ICE3系列)，采用電機彈性架懸，且實現相對轉向架構架的橫擺運動.但是要實現參振質量的降低，必須在動車轉向架蛇行模態與電機橫擺模態之間，保持合理的牽連運動關系;論文研究以線性穩定分析與剛柔耦合動態仿真作為互補手段.動車穩定性態對比分析表明:降低縱向定位剛度或最小等效錐度，將違背高速轉向架的降低參振質量基本原則.同時拖車剛柔耦合分析也可以證明:由于車體搖頭大阻尼特征，高速轉向架二系橫向懸掛具有“低阻抗小遲滯”特性.因而在350 km/h標準動車組及其技改中，必須實施抗蛇行寬頻帶吸能機制原始技術創新，以克服ICE3原型所存在的主要技術問題.

［1］PEARSON J T，GOODALL R M.An Active Stability System for a High Speed Railway Vehicle［J］.Electronic Systems and Control Division Research，2006，43(5):4-10.

［2］樸明偉，任晉峰，李 娜，等，基于空簧懸掛特性的高鐵車輛車體振動對比研究［J］.中國鐵道科學，2012，33(1):71-77.

［3］樸明偉，李明星，趙強，等，高鐵車輛橫向振動耦合機制及其減振技術對策［J］.振動與沖擊，2015，34(3):83-92.

［4］WICHENS A H.Fundamentals of Rail Vehicle Dynamics:Guidance and Stability［M］.The Netherlands:Swets＆ Zeitlinger，2003.

［5］IWNICKI S D.Handbook of Railway Vehicle Dynamics［M］.CRC Press，2006.