高速列車蛇行運動分岔類型及評價方法研究

宋德剛 董浩 魏來 李智國 弓海斌 肖云鵬

（文章編號：1004－5422（2023）02－0207－06

DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.02.016

收稿日期：2021-11-21

基金項目：國家自然科學基金（11802041、52002344）；中國博士后面上項目 （2020M683367）；省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室開放課題（KF2021-13）；成都市教育局教育科研規劃課題（CY2020ZW02）

作者簡介：宋德剛（1980—），男，碩士，高級工程師，從事鐵道車輛研究.E-mail：15954289165@163.com

通信作者：董浩（1985—），男，博士，副研究員，從事鐵道車輛、動力學與控制研究.E-mail：18586651@qq.com

摘要：主要研究高速列車超臨界和亞臨界分岔蛇行運動的基本特征和評價方法.首先考慮不同軌道激勵對蛇行運行分岔圖的影響，并且提出一種在軌道激勵的基礎上增加橫向脈沖的方法，然后根據極限環波幅、構架橫向加速度均方根值及輪軸橫向力均方根值分別對高速列車蛇行運動穩定性進行對比.針對不同高速列車進行極限環失穩后的安全性評估，分析高速列車蛇行失穩的脫軌安全性.另外，對于具有磨耗型車輪踏面的車輛，也對其蛇行運動穩定性和運行安全性評估進行了探討.最后，在滾動振動試驗臺上進行了穩定性測試，比較了不同蛇行運動穩定性評價方法并驗證了仿真結果.

關鍵詞：高速列車；蛇行運動分岔；評價方法；運行安全性；穩定性測試

中圖分類號：U270.11

文獻標志碼：A

0引言

車輛系統的蛇形失穩一直是研究者關注的焦點.由于我國高速列車的高速且長距離運行需要足夠的安全余量，本研究針對具有不同形式分岔圖的高速列車的蛇行失穩準則進行探討，以便得到其安全域.確定鐵道車輛臨界速度的計算方法包括線性和非線性方法［1-2］.線性計算是基于輪軌接觸幾何和懸掛參數（包括剛度和阻尼）的線性化，為此采用系統特征值中的最小阻尼來評估蛇行穩定性.運行平穩性的非線性研究中指出，采用線性分析將比采用非線性方法產生更高的臨界速度，尤其是亞臨界分岔［3-4］.在滾動試驗臺上進行平穩性測試的方法是，在一段平滑軌道之后采用測量軌道激勵來得到軌道不平順下的臨界速度.而非線性臨界速度則可以在蛇行失穩［5-6］發生之后，通過降低測試速度獲得.

對應車輛的非線性數學問題，具有連續振蕩的極限環的出現被認為是不穩定的.很多研究者已經關注到非線性車輛系統［7-9］的精確理論解或數值解.然而，發生蛇行失穩特別是小極限環現象在工程應用方面幾乎沒有引起大的不良影響，因此，實際操作中蛇行穩定性是由相關準則且通過測量信號來評估的.國際鐵路聯盟518標準中，采用導向力和的均方根值及轉向架構架橫向加速度的均方根值去評價運行平穩性［10］.當構架橫向加速度數值達到8 m/s2且超過連續6個周期、根據實際振蕩頻率確定濾波帶為0.5～10.0 Hz時，數值明顯超標.對于長期運營的高速列車，失穩監測裝置被廣泛安裝在轉向架構架上.

由蛇行失穩引起的安全性問題也是需要關注的問題.通常，根據國際鐵路聯盟518標準，使用導向力和、脫軌系數、轉向架構架加速度峰值及傾覆系數來評估運行安全性.此外，輪重減載率和輪軸垂向力根據文獻［10］確定.

本研究考慮多種軌道激勵對分岔圖的影響，提出一種在軌道激勵加上橫向脈沖的方法.根據相關準則，對2類車型蛇行失穩評估進行比較，對極限環失穩后的安全性進行評估.因此，分別確定2類車型的安全域，且對具有磨耗型踏面車輛的蛇行失穩評估和運行平穩性評估進行探討，在全面滾動振動試驗臺上進行平穩性測試，比較不同準則并驗證仿真結果.

1軌道激勵的影響

1.1建模

考慮到車輛系統的非線性特性，本研究在SIMPACK中建立了具有不同形式分岔圖類型的車輛系統多體動力學模型，如圖1所示.選取2種典型高速列車車輛，即具有低錐度車輪踏面、軟一系懸掛和摩擦型抗蛇行減振器的車輛A及具有高錐度車輪踏面、剛性一系懸掛和阻尼型抗蛇行減振器的車輛B.把車輛模型視作多剛體系統，基于參數測試結果，考慮懸掛系統的非線性.每節拖車有44個獨立自由度，每個輪對有4個獨立自由度，每個軸箱轉臂有1個獨立自由度，每個連接桿有1個獨立自由度，每個轉向架構架有6個獨立自由度，每個車體有6個自由度.

1.2非線性臨界速度的計算

眾所周知，高速列車普遍存在亞臨界分岔和超臨界分岔，如圖2所示.線性臨界速度VA能夠由線性方法確定或在沒有軌道激勵的情況下通過提高速度確定，而非線性臨界速度VB可以在蛇行失穩后通過降低速度獲得.穩定性測試或計算工具中，實際臨界速度VC主要由測量軌道不平順確定.本研究提出了一種在軌道激勵中加入橫向脈沖的方法，在此基礎上評估車輛的蛇行穩定性和運行安全性.非線性臨界速度通過在初始失穩狀態下降低速度來獲得，如圖3所示.在考慮新/磨耗型踏面的情況下，分別對車輛A和車輛B的非線性臨界速度進行了計算.

1.3軌道激勵對分岔圖的影響

考慮軌道激勵對分岔圖的影響，包括平滑軌道、輪對在橫向或搖頭方向的橫向位移、車體橫向脈沖、測量軌道激勵、附加橫向脈沖的測量軌道激勵及失穩后降低速度.

如圖4所示，軌道激勵對分岔圖有很大的影響.對于有亞臨界分岔形式的車輛A，在平滑軌道作用下的臨界速度似乎高于軌道激勵作用下的臨界速度，而附加橫向脈沖的測量軌道不平順致使臨界速度更接近非線性臨界速度.對于超臨界分岔形式的車輛B，極限環幅值幾乎沒有差別.

2蛇行失穩準則

在工程操作上采用輪軸力或轉向架構架加速度來評估蛇行穩定性.根據極限環振幅、構架橫向加速度均方根值及導向力和的多種標準，對蛇行失穩評估進行比較.

為了預測車輛穩定性，定義規范化百分比，即實際值與極限值的比值，以比較不同失穩準則，如圖5所示.

此處考慮多種條件，如具有新/磨耗型踏面的車輛A及具有新/磨耗型踏面的車輛B.從圖5可知，隨著速度增加，規范化指數逐漸增加.對于具有新踏面的車輛A，取決于極限環的臨界速度低于基于測量信號的臨界速度，而轉向架構架加速度峰值將導致最高臨界速度.對于具有磨耗型踏面的車輛A，根據全部準則，臨界點將降低到某個更低的速度.對于具有新踏面的車輛B，取決于極限環的臨界速度低于基于測量信號的臨界速度，其中基于測量信號的安全域偏高.對于具有磨耗型踏面的車輛B，由極限環可知，臨界點將會降低到某個更低的速度，而基于測量信號的安全裕度仍然很高，由測量的磨耗型踏面決定.3失穩后的安全性評估

為了預測失穩后的車輛運行安全性，同樣也定義規范化百分比，即實際值與極限值的比值，以比較不同的安全系數，如圖6所示.從圖6可知，隨著速度的增加，規范化的安全系數逐漸增加.對于具有亞臨界分岔的車輛A，在惡劣的軌道不平順情況下，發生大幅度失穩將顯著地提高安全系數.而對于具有超臨界分岔的車輛B，小極限環振蕩將不會引起安全性問題.對于此2種車輛，磨耗型踏面將降低運行安全性，而這也取決于所選擇的磨耗型踏面.

4臺架試驗

為了驗證計算得出的結論，在全滾動振動試驗臺上進行穩定性測試.高速列車在初始條件下的臨界速度相對較高.本研究在抗蛇行減振器失效的情況下進行測試，分析基于不同測試信號的準則，例如輪對的橫向振幅、20 Hz低通濾波的導向力和及3～9 Hz帶通濾波的轉向架構架加速度.此3個準則都是基于我國國標的，并且由于運行速度不連續，因此在本研究中不對均方根值進行比較.

從圖7可知，在210 km/h的速度下，極限環的出現并不會立即影響導向力和及轉向架構架的加速度.隨著速度增加到230 km/h，轉向架構架加速度會連續6次以上超過8 m/s2，而導向力和總在安全限值內.

5結論

為考慮懸掛系統的非線性特性，在SIMPACK中建立車輛系統多體動力學模型.本研究主要討論了2種典型車輛分岔形式，分別考慮新/磨耗型踏面的情形，并且在車輛A和車輛B處于失穩的初始狀態下通過降低速度進行非線性臨界速度的計算.本研究得出的結論如下：

1）提出了用軌道激勵加上橫向脈沖的方法來計算分岔圖.

2）根據相關準則，對蛇行失穩評估進行比較得出：取決于極限環的臨界速度低于基于測量信號的臨界速度，而對于具有新踏面的車輛A和車輛B，轉向架構架加速度的峰值使得車輛達到最高臨界速度.此外，對于具有磨耗型踏面的車輛，其臨界點將下降到某個更低的速度.

3）分別對失穩后的運行安全性進行探討.對于具有亞臨界分岔形式的車輛A，在惡劣的軌道不平順情況下，發生大幅度失穩將顯著地提高安全系數.但是，對于具有超臨界分岔形式的車輛B，小極限環振蕩不會導致安全問題.對于這2種車輛，磨耗型踏面將降低運行安全性，但這也取決于所選擇的磨耗型踏面.

4）對去掉抗蛇行減振器的高速列車進行滾動試驗臺測試，以比較不同準則下的蛇行失穩和運行安全性，可以發現：在210 km/h速度下，極限環的出現將不會立即影響導向力和及轉向架構架的加速度；隨著速度增加到230 km/h，轉向架構架加速度將連續6次以上超過8 m/s2，而導向力和總在安全限值內.

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Research on Hunting Bifurcation Type and Evaluation Method for High-Speed Vehicles

SONG Degang 1，DONG Hao 2，3，WEI Lai4，LI Zhiguo1，GONG Haibin 1 ，XIAO Yunpeng5

（1.Technology Center，CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China;

2.Institute for Advanced Study，Chengdu University，Chengdu 610106，China;

3.Technology and Innovation Center，CRRC Meishan Co.，Ltd.，Meishan 620032，China;

4.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;

5.Passenger Train Division，Qingdao CRRC Sifang Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

Abstract：

This paper focuses on the research of hunting instability criteria for two bifurcation types of vehicles.Firstly，the influence of track excitations on bifurcation graph is considered and a method of applying track excitation added with lateral impulse is proposed.Then，according to various criteria including the amplitude of limit cycles，RMS value of bogie frame acceleration and RMS value of the sum of guiding force，the hunting instability assessment is compared.The safety assessment of two vehicles after limit cycle instability is conducted.Thus，the safety domain of two vehicles can be determined respectively.Besides，the hunting instability and running safety assessment for worn wheel profile vehicles are also studied.Finally，the stability tests on full scale roller rig are conducted to compare different criteria and validate the simulation result.

Key words：

high-speed vehicle;hunting bifurcation;evaluation method;running safety;stability test