高鐵運(yùn)用安全的三大技術(shù)局限性

樸明偉，劉文輝，蓋增杰，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028)*

0 引言

對于高鐵運(yùn)用的安全性來講，非常有必要正確認(rèn)知高速輪軌接觸以及高鐵車輛性能的技術(shù)局限性，以穩(wěn)健推進(jìn)更經(jīng)濟(jì)的高鐵運(yùn)用.蛇行振蕩的參振質(zhì)量降低是高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與運(yùn)用的核心問題，而商業(yè)速度、振動疲勞和曲線橫風(fēng)則是制約目前高鐵運(yùn)用的三大技術(shù)因素.

在300 km/h轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和運(yùn)用中，不得不面對這樣一個核心問題，即如何降低蛇行振蕩的參振質(zhì)量.通過軍工技術(shù)的轉(zhuǎn)移，時(shí)速200 km/h的日本新干線已經(jīng)取得了近半個世紀(jì)的成功運(yùn)營.值得注意的是：這一先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念(即動力分散交流驅(qū)動的EMU技術(shù))是從地鐵交通運(yùn)輸系統(tǒng)中借鑒得到的.但是，在高鐵運(yùn)用過程中，經(jīng)濟(jì)效益問題逐漸顯現(xiàn)出來，例如，輪對的鏇輪周期只有20余萬公里.造成這一高鐵運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性問題的主要原因之一是在新干線轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與運(yùn)用方面尚存在輪軌磨耗的“遺留”問題［1］，即一旦輪軌磨耗，等效錐度增大，轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度降低，因而不得不縮短鏇輪周期.

在吸取了高鐵災(zāi)難的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，德國西門子推出了ICE3系列300 km/h轉(zhuǎn)向架和高速列車智能化理念.從這些ICE3系列轉(zhuǎn)向架中，可以看到如下主要技術(shù)特征：①車輪選用寬輪緣S1002踏面，新輪軌接觸的等效錐度為0.166，較常規(guī)軌道客車車輛的要高一些.在輪對定位方式中特別強(qiáng)調(diào)了縱向定位剛度，其值高達(dá)120 MN/m;②動車轉(zhuǎn)向架采用了牽引電機(jī)彈性架懸，其電機(jī)吊架橫擺模態(tài)振動有效地降低了蛇行振蕩的參振質(zhì)量［2］;③為了確保高鐵車輛的運(yùn)行安全性，采用了抗蛇行減振器冗余設(shè)計(jì)形式，即每架4個抗蛇行減振器.由此可見，300 km/h轉(zhuǎn)向架技術(shù)試圖優(yōu)化高速輪軌關(guān)系空間的穩(wěn)定性態(tài)以進(jìn)一步改進(jìn)高鐵車輛的安全穩(wěn)定裕度.

總之，降低蛇行振蕩的參振質(zhì)量已經(jīng)成為高速轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定運(yùn)行的一個首要因素，如日本新干線采用了EMU技術(shù)來降低輪對質(zhì)量，德國ICE3系列轉(zhuǎn)向架采用了牽引電機(jī)彈性架懸，在未來的龐巴迪Zefiro列車中也將采用永磁電機(jī)新技術(shù).盡管這些改進(jìn)技術(shù)措施提高了商業(yè)運(yùn)營速度，但是在高鐵運(yùn)用中，安全穩(wěn)定裕度必須要給予足夠的重視，否則經(jīng)濟(jì)效益將會成為一個阻礙高鐵發(fā)展的不容忽視的影響因素［3］.

1 安全穩(wěn)定裕度

安全穩(wěn)定裕度是確保在最佳經(jīng)濟(jì)速度下安全運(yùn)營所需要的最小安全裕度，即構(gòu)架橫向加速度和車軸橫向力(動態(tài)RMS)均不得超過安全極限.歐洲高鐵通用技術(shù)(HS TSI)規(guī)定：在最高運(yùn)營速度的110%下列車必須保證穩(wěn)定運(yùn)行［4］.盡管存在這一百分?jǐn)?shù)裕度，但是高鐵車輛必須得到證實(shí)其在最高運(yùn)營速度下仍然具有充裕的安全裕度以確保運(yùn)行穩(wěn)定.根據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)(如UIC515或EN14363)，拖車前位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度不得超過安全極限;動車轉(zhuǎn)向架跟隨輪對車軸橫向力(動態(tài)RMS)也不得超過安全極限.

下面，結(jié)合目前高鐵運(yùn)用的典型問題，討論高速轉(zhuǎn)向架的三大非線性動態(tài)行為.

1.1 三大非線性動態(tài)行為

(1)拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性

在武廣高鐵運(yùn)用中，振動報(bào)警故障通常發(fā)生在拖車后位轉(zhuǎn)向架上，這是因?yàn)橥宪囖D(zhuǎn)向架具有構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性.點(diǎn)頭遲滯非線性是在轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)中為了協(xié)調(diào)如下兩方面關(guān)系不得已而形成的：一是由于牽引電機(jī)采用了架懸方式，動車與拖車的構(gòu)架簧上質(zhì)量相差近2T;二是為了滿足動態(tài)限界要求，其一系懸掛又不得不選用相同的懸掛參數(shù).因此，動車與拖車構(gòu)架運(yùn)動模態(tài)是不同的，特別是拖車構(gòu)架點(diǎn)頭模態(tài)阻尼接近60%.

正是由于點(diǎn)頭模態(tài)具有較高的阻尼作用，拖車構(gòu)架才具有如下非常特殊的垂向振動行為：即四角(軸箱上方)垂向振動能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于側(cè)架中心(空簧座)的，這種非線性動態(tài)行為稱為點(diǎn)頭遲滯非線性.一旦小幅蛇行振蕩造成抗蛇行減振器卸荷，拖車構(gòu)架將產(chǎn)生橫向顫振(動車構(gòu)架則無此現(xiàn)象)，因而發(fā)出振動報(bào)警的是拖車轉(zhuǎn)向架而不是動車轉(zhuǎn)向架.關(guān)于小幅蛇行形成原因及其危害將在第2.2節(jié)中詳細(xì)討論.

(2)抗蛇行動態(tài)剛度非線性

小幅蛇行振蕩造成卸荷現(xiàn)象，其主要原因在于抗蛇行減振器的能量耗散是有限的，一般以卸荷力和卸荷速度來衡量，通常以高頻卸荷機(jī)制形式表現(xiàn)出來.同時(shí)，抗蛇行頻帶吸能特性也是影響轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性態(tài)的敏感環(huán)節(jié)，詳細(xì)討論見第1.3節(jié).

(3)非線性穩(wěn)定性

在京滬高鐵試運(yùn)行期間，部分車廂(如尾部端車和餐車MC09)出現(xiàn)了高速晃車現(xiàn)象.這的確是300 km/h轉(zhuǎn)向架所特有的非線性穩(wěn)定性態(tài)變化規(guī)律，正像德國西門子對此所做的6字回應(yīng)一樣：未見此類現(xiàn)象.關(guān)于抗蛇行串聯(lián)剛度對動車穩(wěn)定性態(tài)的影響規(guī)律，詳見第2節(jié).

綜上所述，在特定線路的高鐵運(yùn)用過程中，上述非線性行為可能出現(xiàn)不同的表現(xiàn)形式，如武廣高鐵的振動報(bào)警故障、京滬高鐵的高速晃車現(xiàn)象以及未來開通的哈大高鐵也有可能出現(xiàn)冰雪阻塞(電機(jī)吊架橫擺運(yùn)動)，等等.這些非線性動態(tài)行為都與輪軌磨耗存在著非常密切的聯(lián)系，其對高鐵運(yùn)用的安全性與經(jīng)濟(jì)性影響是不容忽視的.

1.2 輪軌磨耗對安全性與經(jīng)濟(jì)性影響

由于等效錐度或有效錐度概念的引入，在整個鏇輪周期內(nèi)存在一個輪軌磨耗的安全影響因素.根據(jù)Heumann公式，輪對下凹磨耗踏面的等效錐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相應(yīng)輪對純錐形踏面的錐度［1］.例如，由于輪軌接觸存在不確定性因素，一旦輪軌出現(xiàn)局部密貼型接觸，其等效錐度趨于無窮大，并在輪對蛇行幅值3 mm時(shí)等效錐度呈現(xiàn)負(fù)斜率變化.因而接觸點(diǎn)跳動就會形成小幅蛇行振蕩，并由此產(chǎn)生疲勞安全問題.

在全鏇輪周期內(nèi)還存在著一個經(jīng)濟(jì)影響因素，即在車輪踏面的表層或淺表層中RCF裂紋不斷擴(kuò)展.在大多數(shù)情況下，這些裂紋是由熱荷機(jī)制形成的，如踏面制動的熱荷輸入所引起的熱荷疲勞，或在鋼軌上制動滑行時(shí)車輪在馬氏體中出現(xiàn)的爆發(fā)性裂紋［5］.特別應(yīng)當(dāng)指出的是在高速輪軌接觸過程中，當(dāng)牽引系數(shù)接近輪軌接觸表面的摩擦系數(shù)時(shí)，將有可能出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)或車輪側(cè)滑，因而爆發(fā)性裂紋也可能在車輪踏面的淺表層中形成并擴(kuò)展.一旦發(fā)現(xiàn)上述淺表層裂紋，不得不加大鏇輪的切削量以去除淺表層裂紋，這就造成了輪對使用壽命大為縮短的經(jīng)濟(jì)性問題.

因此，根據(jù)拉格朗日的有界穩(wěn)定定義，必須應(yīng)用抗蛇行頻帶吸能新理論將上述非線性動態(tài)行為控制在安全極限以下，以進(jìn)一步協(xié)調(diào)高鐵運(yùn)用的安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，穩(wěn)健推進(jìn)300 km/h高鐵運(yùn)用.

1.3 抗蛇行頻帶吸能新理論

在小位移攝動下，抗蛇行減振器及其端節(jié)點(diǎn)剛度可以簡化為彈簧k和阻尼c的串聯(lián)單元，其動態(tài)剛度可以劃分為蓄能與耗能剛度，記為X和X'.如下3點(diǎn)結(jié)論可以得到證明：

(1)ω→∞，X+X'→k，高頻動態(tài)剛度趨于串聯(lián)剛度k;

(2)ω=1/τ，X'max=k/2，吸能頻帶位置由松弛時(shí)間的倒數(shù)決定1/τ，τ=c/k;

(3)ω→0，X+X'→0，低頻動態(tài)剛度趨于0.

由此可得到彈簧阻尼串聯(lián)單元的頻響特征對比，見圖1，其中，4×K0為轉(zhuǎn)向架CRH3C的抗蛇行串聯(lián)剛度原始參數(shù)(每架計(jì)算).這一吸能頻帶特性對比表明：①對于高頻減振來講，有必要兼顧蓄能與耗能剛度，以形成所謂的頻帶吸能特性;②對于彈簧阻尼串聯(lián)單元來講，在適當(dāng)阻尼條件下，其吸能頻帶完全可以由串聯(lián)剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是說，抗蛇行串聯(lián)剛度是影響抗蛇行頻帶吸能特性的敏感參數(shù).為此，提出了基于臺架試驗(yàn)的抗蛇行串聯(lián)剛度確定準(zhǔn)則［6］.

圖1 抗蛇行吸能頻帶調(diào)控的基本原理

圖2 抗蛇行阻尼調(diào)節(jié)的頻響特性對比

相反，若以抗蛇行阻尼作為調(diào)節(jié)參數(shù)，其頻響特征對比見圖2，這不能夠滿足高速輪對蛇行振蕩的減振吸能要求［6］.為此，轉(zhuǎn)向架CRH2C又進(jìn)行了2階段技改，但是非常遺憾的是：這一技改只是“照搬”了CRH3C的抗蛇行減振器冗余設(shè)計(jì)形式，并未能面對高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與運(yùn)用核心問題.

1.4 高鐵運(yùn)用要兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性

圖3 抗蛇行參數(shù)調(diào)節(jié)對車軸橫向力敏感性對比(輪軌磨合階段，等效錐度0.23)

結(jié)合高寒地區(qū)高鐵運(yùn)用的冰雪阻塞問題，討論降低蛇行振蕩參振質(zhì)量的重要性.隨著冰雪阻塞程度增大，電機(jī)吊架橫擺剛度也在不斷提高.圖3給出了動車轉(zhuǎn)向架跟隨輪對車軸橫向力的變化規(guī)律，以及抗蛇行參數(shù)調(diào)節(jié)的敏感性對比.如圖3所示的車軸橫向力對比至少講清了如下兩個道理：一是蛇行振蕩參振質(zhì)量越大，搖頭運(yùn)動相位滯后越大［2］，因而跟隨輪對車軸橫向力迅速增大.隨著車速的提高和磨耗輪軌接觸的等效錐度增大，其飽和值還將明顯增大.二是由于高頻卸荷機(jī)制，抗蛇行減振器卸荷幾率也將增大.如果電機(jī)吊架橫擺運(yùn)動被冰雪完全阻塞時(shí)，一旦抗蛇行減振器卸荷，車軸橫向力將出現(xiàn)突發(fā)性的變化，這是車輪踏面形成淺表裂紋甚至剝落的主要原因.

由此可以得出這樣一個推斷：轉(zhuǎn)向架CRH2C在300 km/h高鐵運(yùn)用中將帶來十分有害的負(fù)面影響.因?yàn)椴捎秒姍C(jī)簡單架懸(如同地鐵轉(zhuǎn)向架一樣，牽引電機(jī)直接固定到構(gòu)架的橫梁上)，其蛇行振動的參振質(zhì)量很大.即使“照搬”了抗蛇行減振器冗余設(shè)計(jì)形式，既有的輪軌磨耗問題也不會有絲毫改變，甚至更為嚴(yán)重——頻繁鏇輪.同時(shí)，由于在磨耗輪軌接觸下輪對蛇行振蕩形成高頻激擾作用，抗蛇行減振器的相位響應(yīng)趨于零，如圖1(b)所示.因而抗蛇行減振器卸荷的幾率更高，所以車輪踏面的淺表裂紋是難以避免的.最后，由于車軸橫向力很大，輪軌不正常接觸也有可能產(chǎn)生鋼軌波磨等非正常磨耗現(xiàn)象.因此，更換輪對(即由意大利魯希尼制造的輪對改為日本住友的)不是解決這一高鐵運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性問題的根本途徑.

綜上所述，高鐵運(yùn)用應(yīng)當(dāng)遵循科學(xué)發(fā)展規(guī)律.半個世紀(jì)的成功運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)說明：日本新干線轉(zhuǎn)向架具有非常優(yōu)越的200 km/h動力學(xué)性能，但是必須慎重對待其300 km/h高鐵運(yùn)用問題.更高速、還要更安全更經(jīng)濟(jì)，這是我國高鐵運(yùn)用的最高戰(zhàn)略需求.為此，從目前高鐵運(yùn)用實(shí)踐與理論研究角度，提出了如下高鐵運(yùn)用的三大技術(shù)制約.

2 高鐵運(yùn)用的三大技術(shù)制約

2.1 商業(yè)運(yùn)營速度

商業(yè)運(yùn)營速度是指在整個鏇輪周期內(nèi)高鐵車輛能夠具備安全穩(wěn)定裕度的商業(yè)運(yùn)用速度.振動報(bào)警故障是在武廣高鐵特定線路條件下所形成的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性問題.如圖4(a)所示，根據(jù)轉(zhuǎn)向架原始設(shè)計(jì)，高鐵車輛的商業(yè)運(yùn)營速度只有280～300 km/h.由于超速行駛，后位轉(zhuǎn)向架的抗側(cè)滾扭桿有可能產(chǎn)生扭曲諧振.因而橫向蠕滑力出現(xiàn)相應(yīng)頻率的動態(tài)成份，并造成局部下凹磨耗踏面，特別是變電車，其車載負(fù)荷最大.

圖4 商業(yè)運(yùn)營速度空間對比

應(yīng)用抗蛇行頻帶吸能新理論，提出了基于最佳抗蛇行串聯(lián)剛度4×2K0的安全穩(wěn)定裕度調(diào)控技術(shù)對策.與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相比，新理論的應(yīng)用拓寬了其商業(yè)運(yùn)營速度空間，如圖4(b)所示.在理論上將這一調(diào)控方案稱為最佳安全穩(wěn)定裕度調(diào)控技術(shù)對策，其最為重要的依據(jù)就在于動車的穩(wěn)定性態(tài)，如圖5所示.從新輪軌接觸到輪軌磨合(等效錐度0.166～0.23)，轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)趨于“自穩(wěn)定”狀態(tài);而從輪軌穩(wěn)定磨耗到鏇輪之前(等效錐度0.35～0.43)，則電機(jī)吊架橫擺模態(tài)基本上處于“穩(wěn)態(tài)”振動狀態(tài).因此，這一最佳調(diào)控兼顧了如下兩個方面要求：在低等效錐度的輪軌接觸下利用電機(jī)橫擺模態(tài)振動來提高轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度，同時(shí)，在較高等效錐度的輪軌接觸下借助于輪軌重力剛度的輪軌對中恢復(fù)作用來改善轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度，以降低電機(jī)吊架的動荷作用提高其疲勞壽命.

商業(yè)運(yùn)營速度的進(jìn)一步提高將會在高鐵運(yùn)用中產(chǎn)生阻礙其發(fā)展的經(jīng)濟(jì)影響因素.如果將抗蛇行串聯(lián)剛度提高到4×2.5K0，但是動車穩(wěn)定性態(tài)就要發(fā)生了改變，即從輪軌穩(wěn)定磨耗到鏇輪之前，轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)仍然趨于“自穩(wěn)定”狀態(tài)，這將加大電機(jī)吊架的動荷作用.如果再增大抗蛇行串聯(lián)剛度，則在新輪軌接觸下(等效錐度0.166)動車后位轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度降低，會出現(xiàn)高速晃車現(xiàn)象.如果將車輪踏面更換為寬輪緣LM踏面，即在新輪軌接觸下形成了較高的等效錐度，也能夠提高其商業(yè)運(yùn)營速度.但是在較高等效錐度的輪軌接觸下，蛇行振蕩將帶來更為有害的動荷作用.

圖5 動車穩(wěn)定性態(tài)(抗蛇行串聯(lián)剛度4×2K0)

2.2 振動疲勞

無論輪軌接觸還是走行部件，控制動荷的目的就是要降低振動疲勞損傷.在完全冰雪阻塞下，圖6給出了在輪軌接觸的四種情況下［3］動車轉(zhuǎn)向架跟隨輪對車軸橫向力對比.圖7為在局部下凹型磨耗踏面的輪軌接觸下小幅蛇行所造成的拖車構(gòu)架諧振對比.

圖7 小幅蛇行所造成的拖車構(gòu)架諧振對比

由此可見，上述安全穩(wěn)定裕度調(diào)控是積極的，不僅考慮了目前高鐵運(yùn)用所存在的問題，而且針對高寒地區(qū)高鐵運(yùn)用的冰雪阻塞問題也實(shí)行了積極的安全裕度對策.

2.3 曲線橫風(fēng)

由于高速懸掛的特殊性導(dǎo)致高鐵車輛的抗傾覆能力降低，因而曲線橫風(fēng)是一個十分重要的棘手問題.高速懸掛的特殊性是指高速轉(zhuǎn)向架的兩系懸掛系統(tǒng)在高速運(yùn)行下所表現(xiàn)出來的不同阻抗特性.而曲線橫風(fēng)則是在大超高曲線通過時(shí)，由于受到橫向側(cè)風(fēng)(一般迎風(fēng)角50～60°)擾動作用，處于欠超高動平衡狀態(tài)下高鐵車輛的穩(wěn)定魯棒性能.

高速轉(zhuǎn)向架的二系懸掛采用德系空簧.由于在高速運(yùn)行下在空簧內(nèi)空氣的熱力學(xué)過程趨于絕熱過程，因而德系空簧設(shè)計(jì)并不強(qiáng)調(diào)節(jié)流孔的阻尼作用(節(jié)流孔直徑很大，60～80 mm).盡管低頻動態(tài)剛度很低，但是隨著激擾頻率增大，空簧的動態(tài)剛度卻在不斷提高，這與彈簧與阻尼串聯(lián)情況較為類似.同時(shí)，一系懸掛是由軸箱鋼簧和一系垂向減振器并聯(lián)組成的，其懸掛特性與圖1的串聯(lián)情況剛好相反，即高頻動態(tài)剛度很低，但相位滯后較大.

對于上述高速懸掛不得不采用阻抗特性加以描述.由于空簧懸掛與抗側(cè)滾扭桿的組合作用，無論低頻激擾還是高頻激擾，車體都形成了較高的抗側(cè)滾阻抗，因而抗傾覆能力降低(或者說車體動態(tài)柔性降低).一旦出現(xiàn)曲線橫風(fēng)的穩(wěn)態(tài)擾動作用，其側(cè)傾氣動力矩直接傳遞到一系懸掛.由于一系懸掛低頻動態(tài)剛度很高，因而車輪載荷將出現(xiàn)敏感變化.但是對于列車交匯等非穩(wěn)態(tài)擾動作用，由于一系懸掛具有高頻低阻抗特點(diǎn)，盡管存在相位響應(yīng)滯后，車輪載荷還可以通過軸箱剛度的動撓度變化進(jìn)行調(diào)節(jié).

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在直線或大曲線正常運(yùn)行下車輪減載率不得超過0.6，圖8給出了在大超高曲線(半徑R 7 000 m外軌超高h(yuǎn)t 180 mm)通過時(shí)變電車TC02的抗傾覆能力情況.請注意：在上述仿真分析中，基于軸箱鋼簧的傾覆系數(shù)、基于車體外傾的柔度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于安全極限，同時(shí)，后位跟隨輪對車軸橫向力(動態(tài)RMS)也均在安全極限以下.但是，車輪減載率達(dá)到或接近0.6，其原因有二：一是車速越高，輪對對軌道不平順的響應(yīng)越強(qiáng)烈，這當(dāng)然與輪對質(zhì)量是有關(guān)聯(lián)的;二是車速越高，車體動態(tài)柔性越低，也就是說，車體抗傾翻能力越低.特別是在400 km/h車速曲線通過時(shí)，幾乎喪失了抗傾覆能力.

圖8 在大超高曲線(半徑R 7 000 m超高h(yuǎn)t 180 mm)通過時(shí)變電車TC02的抗傾覆能力情況

由此可見，①在曲線橫風(fēng)下400 km/h檢測列車高速行駛是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)楹笪桓S輪對車軸橫向力很大，且主要由外側(cè)車輪承擔(dān)，存在重大的安全隱患(如側(cè)翻或脫軌);②根據(jù)上述抗傾覆能力的初步分析，若要重返350 km/h高鐵運(yùn)營，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)必要的防風(fēng)技術(shù)措施，如防風(fēng)隔離柵等.

穩(wěn)態(tài)風(fēng)荷特征曲線是一項(xiàng)當(dāng)前十分急迫的計(jì)算流體動力學(xué)CFD科研任務(wù).結(jié)合我國高鐵運(yùn)用的實(shí)際需求，深入對比研究在平地、道堤和高架(或跨海大橋)線路下高鐵車輛的主要風(fēng)荷特征［7-8］，并給出具有安全監(jiān)管指導(dǎo)意義的穩(wěn)態(tài)風(fēng)荷特征曲線.結(jié)合必要的試驗(yàn)測試手段(如風(fēng)洞和水箱)，扎實(shí)推進(jìn)列車空氣動力學(xué)的研究進(jìn)程，進(jìn)一步確定尾流擾動的攝動尺度.最后，應(yīng)當(dāng)再次強(qiáng)調(diào)根據(jù)目前高鐵運(yùn)用需求，CFD科研工作目標(biāo)不是降低風(fēng)阻，而是確定側(cè)風(fēng)擾動作用以保障高鐵運(yùn)用的安全性.

3 高鐵運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新

在1 000 km或更長的高鐵線路(如武廣高鐵和京滬高鐵等)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，如下高鐵運(yùn)用的技術(shù)創(chuàng)新正在形成：

(1)突破傳統(tǒng)的軌道車輛穩(wěn)定性定義，提出了安全穩(wěn)定裕度概念.安全穩(wěn)定裕度是從穩(wěn)定的魯棒性角度提出的，其最小安全裕度是將走行部動態(tài)行為控制在安全極限以下所必需具備的;

(2)對于特定高鐵線路運(yùn)用來講，應(yīng)用抗蛇行頻帶吸能新理論進(jìn)行必要的調(diào)控，完全能夠證實(shí)高鐵車輛具有充裕的安全穩(wěn)定裕度.結(jié)合抗蛇行減振器臺架試驗(yàn)，提出了抗蛇行串聯(lián)剛度確定準(zhǔn)則，進(jìn)而調(diào)節(jié)抗蛇行吸能頻帶頻帶特征，拓寬商業(yè)速度空間;

(3)與大阻尼抑制蛇行模式相比，抗蛇行吸能頻帶模式可以有效地降低車軸橫向力，進(jìn)而降低輪軌接觸表面損傷的幾率，合理延長鏇輪周期，更好協(xié)調(diào)高鐵運(yùn)用的安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾.

隨著高寒地區(qū)高鐵線路的開通和高鐵運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)的形成，高鐵實(shí)踐與理論研究將不斷深入，高速轉(zhuǎn)向架的技術(shù)創(chuàng)新也將不斷豐富充實(shí).通過高鐵運(yùn)用的實(shí)踐與理論探索，中國高鐵必將成為促進(jìn)中國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一個積極因素.

4 結(jié)論

(1)正確認(rèn)知高速輪軌的技術(shù)局限性，穩(wěn)健推進(jìn)更經(jīng)濟(jì)的高鐵運(yùn)用.更高速、還要更安全更經(jīng)濟(jì)，這是我國高鐵運(yùn)用的最高戰(zhàn)略需求.高鐵運(yùn)用應(yīng)當(dāng)遵循科學(xué)發(fā)展規(guī)律，逐步走向一條正確的技術(shù)路線;

(2)以新理論穩(wěn)健推進(jìn)300 km/h高鐵運(yùn)用.根據(jù)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略需求，“重返”350 km/h高鐵運(yùn)營是十分必要的.結(jié)合目前高鐵運(yùn)用實(shí)踐問題，提出了高速轉(zhuǎn)向架的三大非線性(即拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性、抗蛇行動態(tài)剛度非線性和非線性穩(wěn)定性).并應(yīng)用抗蛇行頻帶吸能新理論，給出了最佳安全穩(wěn)定裕度調(diào)控技術(shù)對策，以進(jìn)一步協(xié)調(diào)高鐵運(yùn)用的安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾;

(3)明確認(rèn)識高鐵運(yùn)用安全性的三大技術(shù)局限性，積極做好“重返”350 km/h高鐵運(yùn)營的技術(shù)準(zhǔn)備.商業(yè)運(yùn)營速度、振動疲勞和曲線橫風(fēng)是目前制約高鐵運(yùn)用安全的3個主要影響因素.從商業(yè)運(yùn)營角度來看，由于蛇行振蕩參振質(zhì)量未能得到有效降低，轉(zhuǎn)向架CRH2C和380A不具備300 km/h高鐵商業(yè)運(yùn)營基本條件.而對于CRH3C和380B來講，雖然具備了基本技術(shù)條件，但是也必須進(jìn)行必要的安全穩(wěn)定裕度調(diào)控以證明其高速運(yùn)行穩(wěn)定性，其中，曲線橫風(fēng)是一項(xiàng)當(dāng)前十分急迫的計(jì)算流體動力學(xué)CFD科研任務(wù).

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