高鐵運用安全的三大技術局限性

樸明偉，劉文輝，蓋增杰，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

對于高鐵運用的安全性來講，非常有必要正確認知高速輪軌接觸以及高鐵車輛性能的技術局限性，以穩健推進更經濟的高鐵運用.蛇行振蕩的參振質量降低是高速轉向架設計與運用的核心問題，而商業速度、振動疲勞和曲線橫風則是制約目前高鐵運用的三大技術因素.

在300 km/h轉向架的設計和運用中，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量.通過軍工技術的轉移，時速200 km/h的日本新干線已經取得了近半個世紀的成功運營.值得注意的是：這一先進的設計理念(即動力分散交流驅動的EMU技術)是從地鐵交通運輸系統中借鑒得到的.但是，在高鐵運用過程中，經濟效益問題逐漸顯現出來，例如，輪對的鏇輪周期只有20余萬公里.造成這一高鐵運用經濟性問題的主要原因之一是在新干線轉向架設計與運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，轉向架穩定裕度降低，因而不得不縮短鏇輪周期.

在吸取了高鐵災難的經驗教訓后，德國西門子推出了ICE3系列300 km/h轉向架和高速列車智能化理念.從這些ICE3系列轉向架中，可以看到如下主要技術特征：①車輪選用寬輪緣S1002踏面，新輪軌接觸的等效錐度為0.166，較常規軌道客車車輛的要高一些.在輪對定位方式中特別強調了縱向定位剛度，其值高達120 MN/m;②動車轉向架采用了牽引電機彈性架懸，其電機吊架橫擺模態振動有效地降低了蛇行振蕩的參振質量［2］;③為了確保高鐵車輛的運行安全性，采用了抗蛇行減振器冗余設計形式，即每架4個抗蛇行減振器.由此可見，300 km/h轉向架技術試圖優化高速輪軌關系空間的穩定性態以進一步改進高鐵車輛的安全穩定裕度.

總之，降低蛇行振蕩的參振質量已經成為高速轉向架穩定運行的一個首要因素，如日本新干線采用了EMU技術來降低輪對質量，德國ICE3系列轉向架采用了牽引電機彈性架懸，在未來的龐巴迪Zefiro列車中也將采用永磁電機新技術.盡管這些改進技術措施提高了商業運營速度，但是在高鐵運用中，安全穩定裕度必須要給予足夠的重視，否則經濟效益將會成為一個阻礙高鐵發展的不容忽視的影響因素［3］.

1 安全穩定裕度

安全穩定裕度是確保在最佳經濟速度下安全運營所需要的最小安全裕度，即構架橫向加速度和車軸橫向力(動態RMS)均不得超過安全極限.歐洲高鐵通用技術(HS TSI)規定：在最高運營速度的110%下列車必須保證穩定運行［4］.盡管存在這一百分數裕度，但是高鐵車輛必須得到證實其在最高運營速度下仍然具有充裕的安全裕度以確保運行穩定.根據相關國際標準(如UIC515或EN14363)，拖車前位轉向架構架橫向加速度不得超過安全極限;動車轉向架跟隨輪對車軸橫向力(動態RMS)也不得超過安全極限.

下面，結合目前高鐵運用的典型問題，討論高速轉向架的三大非線性動態行為.

1.1 三大非線性動態行為

(1)拖車構架點頭遲滯非線性

在武廣高鐵運用中，振動報警故障通常發生在拖車后位轉向架上，這是因為拖車轉向架具有構架點頭遲滯非線性.點頭遲滯非線性是在轉向架設計中為了協調如下兩方面關系不得已而形成的：一是由于牽引電機采用了架懸方式，動車與拖車的構架簧上質量相差近2T;二是為了滿足動態限界要求，其一系懸掛又不得不選用相同的懸掛參數.因此，動車與拖車構架運動模態是不同的，特別是拖車構架點頭模態阻尼接近60%.

正是由于點頭模態具有較高的阻尼作用，拖車構架才具有如下非常特殊的垂向振動行為：即四角(軸箱上方)垂向振動能量遠遠高于側架中心(空簧座)的，這種非線性動態行為稱為點頭遲滯非線性.一旦小幅蛇行振蕩造成抗蛇行減振器卸荷，拖車構架將產生橫向顫振(動車構架則無此現象)，因而發出振動報警的是拖車轉向架而不是動車轉向架.關于小幅蛇行形成原因及其危害將在第2.2節中詳細討論.

(2)抗蛇行動態剛度非線性

小幅蛇行振蕩造成卸荷現象，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，通常以高頻卸荷機制形式表現出來.同時，抗蛇行頻帶吸能特性也是影響轉向架穩定性態的敏感環節，詳細討論見第1.3節.

(3)非線性穩定性

在京滬高鐵試運行期間，部分車廂(如尾部端車和餐車MC09)出現了高速晃車現象.這的確是300 km/h轉向架所特有的非線性穩定性態變化規律，正像德國西門子對此所做的6字回應一樣：未見此類現象.關于抗蛇行串聯剛度對動車穩定性態的影響規律，詳見第2節.

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

1.2 輪軌磨耗對安全性與經濟性影響

由于等效錐度或有效錐度概念的引入，在整個鏇輪周期內存在一個輪軌磨耗的安全影響因素.根據Heumann公式，輪對下凹磨耗踏面的等效錐度遠遠大于相應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時等效錐度呈現負斜率變化.因而接觸點跳動就會形成小幅蛇行振蕩，并由此產生疲勞安全問題.

在全鏇輪周期內還存在著一個經濟影響因素，即在車輪踏面的表層或淺表層中RCF裂紋不斷擴展.在大多數情況下，這些裂紋是由熱荷機制形成的，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車輪在馬氏體中出現的爆發性裂紋［5］.特別應當指出的是在高速輪軌接觸過程中，當牽引系數接近輪軌接觸表面的摩擦系數時，將有可能出現車輪空轉或車輪側滑，因而爆發性裂紋也可能在車輪踏面的淺表層中形成并擴展.一旦發現上述淺表層裂紋，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濟性問題.

因此，根據拉格朗日的有界穩定定義，必須應用抗蛇行頻帶吸能新理論將上述非線性動態行為控制在安全極限以下，以進一步協調高鐵運用的安全性與經濟性之間的矛盾，穩健推進300 km/h高鐵運用.

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點剛度可以簡化為彈簧k和阻尼c的串聯單元，其動態剛度可以劃分為蓄能與耗能剛度，記為X和X'.如下3點結論可以得到證明：

(1)ω→∞，X+X'→k，高頻動態剛度趨于串聯剛度k;

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

(3)ω→0，X+X'→0，低頻動態剛度趨于0.

由此可得到彈簧阻尼串聯單元的頻響特征對比，見圖1，其中，4×K0為轉向架CRH3C的抗蛇行串聯剛度原始參數(每架計算).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對于彈簧阻尼串聯單元來講，在適當阻尼條件下，其吸能頻帶完全可以由串聯剛度進行調節，也就是說，抗蛇行串聯剛度是影響抗蛇行頻帶吸能特性的敏感參數.為此，提出了基于臺架試驗的抗蛇行串聯剛度確定準則［6］.

圖1 抗蛇行吸能頻帶調控的基本原理

圖2 抗蛇行阻尼調節的頻響特性對比

相反，若以抗蛇行阻尼作為調節參數，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，轉向架CRH2C又進行了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計形式，并未能面對高速轉向架設計與運用核心問題.

1.4 高鐵運用要兼顧安全性與經濟性

圖3 抗蛇行參數調節對車軸橫向力敏感性對比(輪軌磨合階段，等效錐度0.23)

結合高寒地區高鐵運用的冰雪阻塞問題，討論降低蛇行振蕩參振質量的重要性.隨著冰雪阻塞程度增大，電機吊架橫擺剛度也在不斷提高.圖3給出了動車轉向架跟隨輪對車軸橫向力的變化規律，以及抗蛇行參數調節的敏感性對比.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量越大，搖頭運動相位滯后越大［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制，抗蛇行減振器卸荷幾率也將增大.如果電機吊架橫擺運動被冰雪完全阻塞時，一旦抗蛇行減振器卸荷，車軸橫向力將出現突發性的變化，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：轉向架CRH2C在300 km/h高鐵運用中將帶來十分有害的負面影響.因為采用電機簡單架懸(如同地鐵轉向架一樣，牽引電機直接固定到構架的橫梁上)，其蛇行振動的參振質量很大.即使“照搬”了抗蛇行減振器冗余設計形式，既有的輪軌磨耗問題也不會有絲毫改變，甚至更為嚴重——頻繁鏇輪.同時，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生鋼軌波磨等非正常磨耗現象.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用經濟性問題的根本途徑.

綜上所述，高鐵運用應當遵循科學發展規律.半個世紀的成功運營經驗說明：日本新干線轉向架具有非常優越的200 km/h動力學性能，但是必須慎重對待其300 km/h高鐵運用問題.更高速、還要更安全更經濟，這是我國高鐵運用的最高戰略需求.為此，從目前高鐵運用實踐與理論研究角度，提出了如下高鐵運用的三大技術制約.

2 高鐵運用的三大技術制約

2.1 商業運營速度

商業運營速度是指在整個鏇輪周期內高鐵車輛能夠具備安全穩定裕度的商業運用速度.振動報警故障是在武廣高鐵特定線路條件下所形成的運營經濟性問題.如圖4(a)所示，根據轉向架原始設計，高鐵車輛的商業運營速度只有280～300 km/h.由于超速行駛，后位轉向架的抗側滾扭桿有可能產生扭曲諧振.因而橫向蠕滑力出現相應頻率的動態成份，并造成局部下凹磨耗踏面，特別是變電車，其車載負荷最大.

圖4 商業運營速度空間對比

應用抗蛇行頻帶吸能新理論，提出了基于最佳抗蛇行串聯剛度4×2K0的安全穩定裕度調控技術對策.與傳統標準規范相比，新理論的應用拓寬了其商業運營速度空間，如圖4(b)所示.在理論上將這一調控方案稱為最佳安全穩定裕度調控技術對策，其最為重要的依據就在于動車的穩定性態，如圖5所示.從新輪軌接觸到輪軌磨合(等效錐度0.166～0.23)，轉向架蛇行模態趨于“自穩定”狀態;而從輪軌穩定磨耗到鏇輪之前(等效錐度0.35～0.43)，則電機吊架橫擺模態基本上處于“穩態”振動狀態.因此，這一最佳調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橫擺模態振動來提高轉向架穩定裕度，同時，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作用來改善轉向架穩定裕度，以降低電機吊架的動荷作用提高其疲勞壽命.

商業運營速度的進一步提高將會在高鐵運用中產生阻礙其發展的經濟影響因素.如果將抗蛇行串聯剛度提高到4×2.5K0，但是動車穩定性態就要發生了改變，即從輪軌穩定磨耗到鏇輪之前，轉向架蛇行模態仍然趨于“自穩定”狀態，這將加大電機吊架的動荷作用.如果再增大抗蛇行串聯剛度，則在新輪軌接觸下(等效錐度0.166)動車后位轉向架穩定裕度降低，會出現高速晃車現象.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，也能夠提高其商業運營速度.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 動車穩定性態(抗蛇行串聯剛度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架諧振對比.

圖7 小幅蛇行所造成的拖車構架諧振對比

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

2.3 曲線橫風

由于高速懸掛的特殊性導致高鐵車輛的抗傾覆能力降低，因而曲線橫風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向架的兩系懸掛系統在高速運行下所表現出來的不同阻抗特性.而曲線橫風則是在大超高曲線通過時，由于受到橫向側風(一般迎風角50～60°)擾動作用，處于欠超高動平衡狀態下高鐵車輛的穩定魯棒性能.

高速轉向架的二系懸掛采用德系空簧.由于在高速運行下在空簧內空氣的熱力學過程趨于絕熱過程，因而德系空簧設計并不強調節流孔的阻尼作用(節流孔直徑很大，60～80 mm).盡管低頻動態剛度很低，但是隨著激擾頻率增大，空簧的動態剛度卻在不斷提高，這與彈簧與阻尼串聯情況較為類似.同時，一系懸掛是由軸箱鋼簧和一系垂向減振器并聯組成的，其懸掛特性與圖1的串聯情況剛好相反，即高頻動態剛度很低，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滾阻抗，因而抗傾覆能力降低(或者說車體動態柔性降低).一旦出現曲線橫風的穩態擾動作用，其側傾氣動力矩直接傳遞到一系懸掛.由于一系懸掛低頻動態剛度很高，因而車輪載荷將出現敏感變化.但是對于列車交匯等非穩態擾動作用，由于一系懸掛具有高頻低阻抗特點，盡管存在相位響應滯后，車輪載荷還可以通過軸箱剛度的動撓度變化進行調節.

根據相關標準規定：在直線或大曲線正常運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ht 180 mm)通過時變電車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、基于車體外傾的柔度系數遠遠小于安全極限，同時，后位跟隨輪對車軸橫向力(動態RMS)也均在安全極限以下.但是，車輪減載率達到或接近0.6，其原因有二：一是車速越高，輪對對軌道不平順的響應越強烈，這當然與輪對質量是有關聯的;二是車速越高，車體動態柔性越低，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，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ht 180 mm)通過時變電車TC02的抗傾覆能力情況

由此可見，①在曲線橫風下400 km/h檢測列車高速行駛是非常危險的，因為后位跟隨輪對車軸橫向力很大，且主要由外側車輪承擔，存在重大的安全隱患(如側翻或脫軌);②根據上述抗傾覆能力的初步分析，若要重返350 km/h高鐵運營，應當加強必要的防風技術措施，如防風隔離柵等.

穩態風荷特征曲線是一項當前十分急迫的計算流體動力學CFD科研任務.結合我國高鐵運用的實際需求，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荷特征［7-8］，并給出具有安全監管指導意義的穩態風荷特征曲線.結合必要的試驗測試手段(如風洞和水箱)，扎實推進列車空氣動力學的研究進程，進一步確定尾流擾動的攝動尺度.最后，應當再次強調根據目前高鐵運用需求，CFD科研工作目標不是降低風阻，而是確定側風擾動作用以保障高鐵運用的安全性.

3 高鐵運用技術創新

在1 000 km或更長的高鐵線路(如武廣高鐵和京滬高鐵等)運營經驗基礎上，如下高鐵運用的技術創新正在形成：

(1)突破傳統的軌道車輛穩定性定義，提出了安全穩定裕度概念.安全穩定裕度是從穩定的魯棒性角度提出的，其最小安全裕度是將走行部動態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用來講，應用抗蛇行頻帶吸能新理論進行必要的調控，完全能夠證實高鐵車輛具有充裕的安全穩定裕度.結合抗蛇行減振器臺架試驗，提出了抗蛇行串聯剛度確定準則，進而調節抗蛇行吸能頻帶頻帶特征，拓寬商業速度空間;

(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，更好協調高鐵運用的安全性與經濟性之間的矛盾.

隨著高寒地區高鐵線路的開通和高鐵運營網絡的形成，高鐵實踐與理論研究將不斷深入，高速轉向架的技術創新也將不斷豐富充實.通過高鐵運用的實踐與理論探索，中國高鐵必將成為促進中國經濟結構轉變的一個積極因素.

4 結論

(1)正確認知高速輪軌的技術局限性，穩健推進更經濟的高鐵運用.更高速、還要更安全更經濟，這是我國高鐵運用的最高戰略需求.高鐵運用應當遵循科學發展規律，逐步走向一條正確的技術路線;

(2)以新理論穩健推進300 km/h高鐵運用.根據當前經濟結構轉型的戰略需求，“重返”350 km/h高鐵運營是十分必要的.結合目前高鐵運用實踐問題，提出了高速轉向架的三大非線性(即拖車構架點頭遲滯非線性、抗蛇行動態剛度非線性和非線性穩定性).并應用抗蛇行頻帶吸能新理論，給出了最佳安全穩定裕度調控技術對策，以進一步協調高鐵運用的安全性與經濟性之間的矛盾;

(3)明確認識高鐵運用安全性的三大技術局限性，積極做好“重返”350 km/h高鐵運營的技術準備.商業運營速度、振動疲勞和曲線橫風是目前制約高鐵運用安全的3個主要影響因素.從商業運營角度來看，由于蛇行振蕩參振質量未能得到有效降低，轉向架CRH2C和380A不具備300 km/h高鐵商業運營基本條件.而對于CRH3C和380B來講，雖然具備了基本技術條件，但是也必須進行必要的安全穩定裕度調控以證明其高速運行穩定性，其中，曲線橫風是一項當前十分急迫的計算流體動力學CFD科研任務.

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