高速車輛橫向振動耦合機(jī)制形成的主要因素

樸明偉，趙 強(qiáng)，于成龍，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

與快鐵運(yùn)用模式不同，高鐵運(yùn)用必須強(qiáng)調(diào)安全冗余.因而降低(蛇行振蕩)參振質(zhì)量應(yīng)當(dāng)作為高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的基本原則.中國長距離高鐵運(yùn)用證實(shí)了:高速轉(zhuǎn)向架(如ICE3系列)具有其技術(shù)創(chuàng)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(gè)主要技術(shù)問題:即圓錐型踏面及其磨耗對鋼軌養(yǎng)護(hù)與維修所造成的負(fù)面影響;車體搖頭大阻尼所造成的橫向振動耦合機(jī)制.特別是長達(dá)列車，其線路服役條件具有其復(fù)雜性與不確定性，尚需要考慮側(cè)風(fēng)對車體擾動的流固耦合效應(yīng)，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(qū)運(yùn)用所可能出現(xiàn)的冰雪阻塞等.為了更好地落實(shí)高鐵經(jīng)濟(jì)運(yùn)用，必須正確認(rèn)知高鐵車輛振動行為的基本規(guī)律，即橫向振動耦合機(jī)制及其形成的主要原因.

由于快速與高速轉(zhuǎn)向架存在設(shè)計(jì)理念的不同，其車輛振動機(jī)制也不盡相同.結(jié)合分散動力驅(qū)動技術(shù)形式，車體輕量化設(shè)計(jì)的技術(shù)目的，就是要增大車下吊掛的輔助裝備和電氣設(shè)備質(zhì)量(簡稱車下質(zhì)量).如拖車TC02(變電車)，其總的車下質(zhì)量，約10 t，其中，僅變流器及其冷卻裝置可達(dá)6.6 t.鋁合金車體采用整體式輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，具有擠壓成型、縱向拚焊工藝特點(diǎn)，但是也存在“無骨架無縱梁”結(jié)構(gòu)缺陷.羅杰·古戴爾提出了車體垂向主動減振技術(shù)［1］，其前提是輕量化車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未能滿足原則，即車體1階垂向彎曲模態(tài)頻率低于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架沉浮模態(tài)頻率的1.4倍.在2階段技改后，某日系車輛目前正在進(jìn)行車下質(zhì)量橡膠吊掛技改.若300 km/h提速運(yùn)行，軌道小缺陷激擾(波長小于轉(zhuǎn)向架軸距的軌道不平順激擾)將造成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的垂向強(qiáng)迫振動響應(yīng).由于日系空簧具有硬懸掛特性［2］，車體垂向加速度響應(yīng)頻帶增寬.因而上述車下質(zhì)量橡膠吊掛技改將會造成更為嚴(yán)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(zhì)量橡膠吊掛，以避免鋁合金車體的1階橫向彎曲模態(tài)振動，確保其30年技術(shù)服役壽命.在固體力學(xué)研究域，應(yīng)用奇異系數(shù)概念可以證明:高鐵車輛橫向振動耦合機(jī)制具有3大力學(xué)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(jù)橫向振動耦合機(jī)制，文獻(xiàn)［3］提出了基于剛?cè)狁詈系能囅孪鹉z吊掛參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.由此可見，對于快鐵運(yùn)用模式，一般選用經(jīng)濟(jì)性軌道車輛，以自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架技術(shù)形式來兼顧導(dǎo)向與穩(wěn)定性能.若提速至300km/h高鐵運(yùn)用，由于日系空簧的經(jīng)濟(jì)性選型，快鐵車輛將主要表現(xiàn)為垂向振動傳遞機(jī)制.而高鐵運(yùn)用模式則更加強(qiáng)調(diào)安全冗余，在抗蛇行頻帶吸能機(jī)制配合下，以迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架技術(shù)形式來實(shí)現(xiàn)參振質(zhì)量的降低，因而高鐵車輛主要表現(xiàn)為橫向振動耦合機(jī)制.

為了切實(shí)落實(shí)高鐵經(jīng)濟(jì)運(yùn)用，本文進(jìn)一步研究高鐵車輛橫向振動耦合機(jī)制形成的主要因素，以正確認(rèn)知高速列車穩(wěn)定魯棒性能，確保長大列車的持續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行.

圖1 整車閉環(huán)系統(tǒng)及其線性穩(wěn)定性分析

1 高速轉(zhuǎn)向架創(chuàng)新技術(shù)特點(diǎn)

就現(xiàn)有技術(shù)水平而言，高速轉(zhuǎn)向架(如ICE3系列)采用電機(jī)彈性架懸，且實(shí)現(xiàn)了相對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺運(yùn)動.但是要實(shí)現(xiàn)參振質(zhì)量的降低，必須在動車轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)與相應(yīng)的電機(jī)橫擺模態(tài)之間，構(gòu)建合理的牽連運(yùn)動關(guān)系，其具有以下3個(gè)必要的技術(shù)條件:①輪對(強(qiáng))迫導(dǎo)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(dǎo)向轉(zhuǎn)向架技術(shù)形式，且在抗蛇行頻帶吸能機(jī)制配合下，實(shí)現(xiàn)了無砟軌道300 km/h以上高鐵運(yùn)用.但是為了確保高鐵運(yùn)用的安全冗余，高速轉(zhuǎn)向架存在以下2個(gè)十分重要的制約關(guān)系:①以抗蛇行高頻阻抗作用抑制轉(zhuǎn)向架搖頭相位滯后;②輪對剛性定位約束喪失了自導(dǎo)向能力，因而實(shí)際等效錐度不得低于0.166.

由此可見，高鐵運(yùn)用更加強(qiáng)調(diào)其安全冗余，特別是圍繞降低參振質(zhì)量的基本原則，高速轉(zhuǎn)向架具有如下創(chuàng)新技術(shù):①電機(jī)彈性架懸且可實(shí)現(xiàn)橫擺運(yùn)動;②輪對(強(qiáng))迫導(dǎo)向定位形式;③抗蛇行減振器冗余設(shè)計(jì)形式，即每架4個(gè).后兩者是造成車體搖頭大阻尼特征的2個(gè)主要因素，且抗蛇行高頻阻抗越強(qiáng)，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(tài)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(zhuǎn)向架原配和長編轉(zhuǎn)向架原配的抗蛇行減振器線性阻尼C配置方案，其設(shè)計(jì)車速分別為300/350 km/h.但是對于長編轉(zhuǎn)向架原配，型式試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了高速晃車現(xiàn)象，因而提出了抗蛇行參數(shù)配置(K，C)問題研究.

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

2 動車穩(wěn)定性態(tài)分析

高速列車是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，因而采用以下方法:即以線性穩(wěn)定性來指導(dǎo)非線性動態(tài)行為分析.圖1為整車閉環(huán)系統(tǒng)及其線性穩(wěn)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(jìn)而構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng).上述閉環(huán)系統(tǒng)具有以下3個(gè)主要內(nèi)涵:有界穩(wěn)定、輪軌磨耗敏感性以及抗蛇行參數(shù)配置.

圖2 抗蛇行串聯(lián)剛度對動車穩(wěn)定性態(tài)的影響

根據(jù)威金斯理論［4］和等效錐度概念，進(jìn)一步將整車根軌跡分析方法推演到:“新車穩(wěn)定性能及其服役性能”分析的應(yīng)用范疇.由此可見，基于輪配準(zhǔn)靜態(tài)特征的線性穩(wěn)定性分析方法，應(yīng)當(dāng)作為一種系統(tǒng)分析的方法，并非當(dāng)前所采用的試湊或枚舉法.

3 橫向耦合機(jī)制形成的主要因素

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

第一次蛻變，如圖3(a)所示，當(dāng)縱向定位剛度降低至(60～70)MN/m時(shí)，在動車前位轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)與相應(yīng)的電機(jī)橫擺模態(tài)之間，開始脫離彼此的牽連運(yùn)動關(guān)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(dāng)縱向定位剛度降低至(45～50)MN/m時(shí)，在動車前位與后位轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)與相應(yīng)的電機(jī)橫擺模態(tài)之間，開始完全脫離牽連運(yùn)動關(guān)系.

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

圖4 最小等效錐度降低至0.10后動車穩(wěn)定性態(tài)變化趨勢

但是對于轉(zhuǎn)向架優(yōu)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(wěn)定性態(tài)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(fù)(見圖4(d))，但是動車前位轉(zhuǎn)向架與相應(yīng)的電機(jī)橫擺模態(tài)之間已經(jīng)部分“脫離”了牽連運(yùn)動關(guān)系.

由此可見，在抗蛇行頻帶吸能機(jī)制配合下，只有迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架技術(shù)形式才能夠?qū)崿F(xiàn)降低參振質(zhì)量，其有3個(gè)主要特征因素:①輪對(強(qiáng))迫導(dǎo)向定位形式，縱向定位剛度高達(dá)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(jī)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shù)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(shù)配置主要指二系橫向減振器參數(shù)配置，即線性阻尼和串聯(lián)剛度.

以拖車TC02剛?cè)狁詈戏抡妫?］來進(jìn)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(shù)配置的影響.奇異系數(shù)是指采樣樣本的最大循環(huán)值與概率99.75%的(RMS)3σ之比.剛?cè)狁詈蟿討B(tài)仿真，其采樣數(shù)據(jù)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(shù)的增大，二系橫向減振器必須配置更大的阻尼參數(shù).特別是在轉(zhuǎn)向架優(yōu)配下，如圖5(a)所示，其二系橫向減振器線性阻尼最優(yōu)值為15 kN·s/m，這與實(shí)際轉(zhuǎn)向架參數(shù)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(zhuǎn)向架二系懸掛通常呈現(xiàn)“低阻抗小遲滯”特性.相反，作為經(jīng)濟(jì)性軌道車輛，如地鐵或城軌車輛，采用自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架，其二系橫向減振器線性阻尼可高達(dá)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(jù)UIC518進(jìn)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(tài)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(rèn)識到:輪對(強(qiáng))迫導(dǎo)向定位形式和抗蛇行高頻阻抗作用，是實(shí)現(xiàn)參振質(zhì)量降低的2個(gè)必要技術(shù)條件，同時(shí)也造成了車體搖頭大阻尼特征.而且抗蛇行高頻阻抗越強(qiáng)，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(zhuǎn)向架接口將產(chǎn)生橫向高頻擾動，并構(gòu)成橫向耦合機(jī)制的主要傳遞媒介.高鐵線路服役環(huán)境具有其復(fù)雜性與不確定性，如橋隧比例較高，明線與暗線交錯(cuò)，以及氣候變化特征等，將產(chǎn)生側(cè)風(fēng)或尾流擾動，或冰雪阻塞造成轉(zhuǎn)向架參振質(zhì)量攝動等.特別是在側(cè)風(fēng)對車體擾動下，電機(jī)橫擺行為奇異性將增強(qiáng)其流固耦合效應(yīng).因此，橫向振動耦合機(jī)制是高鐵車輛振行為的基本規(guī)律，必須在高速列車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中予以充分考慮.同時(shí)也必須看到:在350 km/h標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)向架的降低參振質(zhì)量基本原則.只有從抗蛇行參數(shù)配置著手，實(shí)現(xiàn)抗蛇行寬頻帶吸能機(jī)制原始技術(shù)創(chuàng)新，才能克服ICE3原型所存在的主要技術(shù)問題.

6 結(jié)論

橫向振動耦合機(jī)制是高鐵車輛振動行為的基本規(guī)律，其形成具有以下2個(gè)主要因素:即輪對(強(qiáng))迫導(dǎo)向定位形式和抗蛇行高頻阻抗作用，兩者導(dǎo)致車體搖頭大阻尼特征，造成車體對后位轉(zhuǎn)向架接口的橫向高頻擾動增強(qiáng)，進(jìn)而構(gòu)成了橫向振動傳遞媒介;同時(shí)這2個(gè)因素也是參振質(zhì)量降低的必要技術(shù)條件.與快鐵運(yùn)用模式不同，高鐵運(yùn)用必須強(qiáng)調(diào)其安全冗余.因而降低參振質(zhì)量應(yīng)當(dāng)作為高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的基本原則.高速轉(zhuǎn)向架(如ICE3系列)，采用電機(jī)彈性架懸，且實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺運(yùn)動.但是要實(shí)現(xiàn)參振質(zhì)量的降低，必須在動車轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)與電機(jī)橫擺模態(tài)之間，保持合理的牽連運(yùn)動關(guān)系;論文研究以線性穩(wěn)定分析與剛?cè)狁詈蟿討B(tài)仿真作為互補(bǔ)手段.動車穩(wěn)定性態(tài)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(zhuǎn)向架的降低參振質(zhì)量基本原則.同時(shí)拖車剛?cè)狁詈戏治鲆部梢宰C明:由于車體搖頭大阻尼特征，高速轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)動車組及其技改中，必須實(shí)施抗蛇行寬頻帶吸能機(jī)制原始技術(shù)創(chuàng)新，以克服ICE3原型所存在的主要技術(shù)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(xué)，2012，33(1):71-77.

［3］樸明偉，李明星，趙強(qiáng)，等，高鐵車輛橫向振動耦合機(jī)制及其減振技術(shù)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.