高速輪軌速度極限探討

樸明偉，王彥昌，方吉，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(duì)于高速輪軌技術(shù)來(lái)講，最高速度一再被刷新，其速度極限是否存在.或者說(shuō)，高速輪軌是否存在提高其安全冗余的技術(shù)途徑.在理論與實(shí)踐上松平津證實(shí)了軌道車輛橫向非保守系統(tǒng)［1］.日本新干線原始轉(zhuǎn)向架，采用拉板式軸箱定位方式，以大阻尼抑制蛇行機(jī)制進(jìn)一步提高車速，開創(chuàng)了200～250 km/h高鐵運(yùn)用新紀(jì)元.隨后德國(guó)西門子公司再次推出了ICE3系列轉(zhuǎn)向架，改善了300 km/h高鐵運(yùn)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，并成為了歐洲鐵路最具代表性的高速車型之一.中國(guó)高鐵在日系與歐系車輛引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)威金斯理論［2］，歸納并總結(jié)了基于抗蛇行頻帶吸能機(jī)制的穩(wěn)定新理論［3］.隨著里程2300 km的京廣高鐵正式開通，中國(guó)高鐵也邁入300 km/h高鐵的長(zhǎng)交線路運(yùn)營(yíng)新時(shí)代.法國(guó)ALSTOM公司在TGV列車技術(shù)基礎(chǔ)上，以5車編組的試驗(yàn)列車V150創(chuàng)造了目前最高時(shí)速的世界記錄574.8 km/h.而京滬高鐵型式試驗(yàn)，其最高試驗(yàn)速度也達(dá)到了480 km/h以上.高鐵運(yùn)用作為前沿技術(shù)探索，特別是商業(yè)運(yùn)用的安全冗余，離不開堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用研究.因此，中國(guó)高鐵沖擊600 km/h具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

以ICE3系列作為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架，本文應(yīng)用抗蛇行頻譜特征匹配原則，進(jìn)行了超高速轉(zhuǎn)向架優(yōu)配方案研究，并探討了高速輪軌的速度極限以及沖擊600 km/h的技術(shù)可行性.

1 抗蛇行頻譜特征匹配原則

抗蛇行頻譜特征匹配原則是在高鐵運(yùn)用實(shí)踐與理論研究基礎(chǔ)上提出來(lái)的，并作為高速轉(zhuǎn)向架優(yōu)配的指導(dǎo)準(zhǔn)則.根據(jù)威金斯理論［3］，輪軌橫向動(dòng)態(tài)制衡關(guān)系是指車輪自旋蠕滑所產(chǎn)生的橫向蠕滑力與重力剛度所形成的恢復(fù)力之間所存在的動(dòng)平衡關(guān)系.與縱向蠕滑力不同，車輪自旋蠕滑對(duì)橫向蠕滑力具有如下效應(yīng):在自旋蠕滑較小(≤0.6 m)時(shí)，橫向蠕滑力呈現(xiàn)穩(wěn)定地線性遞增;如圖1(b)所示，當(dāng)自旋蠕滑較大時(shí)則出現(xiàn)快速衰減.

在較低等效錐度(≤0.25)的條件下，自旋蠕滑對(duì)橫向蠕滑力效應(yīng)穩(wěn)定，且相當(dāng)于“負(fù)阻尼”作用.隨著車速提高或等效錐度增大，自旋蠕滑逐漸成為影響車輛穩(wěn)定性能的主要因素之一.因而對(duì)于日系車輛來(lái)講，采用大阻尼抑制蛇行機(jī)制無(wú)可厚非.但是問(wèn)題在于:當(dāng)進(jìn)一步提速至300 km/h或輪軌磨耗等效錐度增大至0.25以上，蛇行振蕩加快，大阻尼抑制蛇行機(jī)制也不再奏效了.因而稱日本新干線運(yùn)用存在輪軌磨耗遺留問(wèn)題，即鏇輪修程僅為20余萬(wàn)km，日系車輛技術(shù)服役壽命也僅為15年.

圖1 縱向與自旋蠕滑對(duì)比

為了克服輪軌磨耗敏感性進(jìn)而改善300 km/h高鐵運(yùn)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，德國(guó)ICE3系列轉(zhuǎn)向架選用寬輪緣S1002G踏面，與CN60 kg鋼軌匹配，其等效錐度0.166.而國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC518規(guī)定:對(duì)于新車性能驗(yàn)收型式試驗(yàn)，車速大于280 km/h，其等效錐度不得大于0.15.輪軌接觸錐度越高，其磨耗指數(shù)越大.因而ICE3系列轉(zhuǎn)向架采用了迫導(dǎo)向定位方式，特別強(qiáng)調(diào)了縱向定位剛度，高達(dá)120 MN/m.

抗蛇行頻帶吸能機(jī)制是指抗蛇行相位滯后與高頻阻抗之間的自調(diào)節(jié)機(jī)制.根據(jù)MAXWELL模型，在小攝動(dòng)位移假設(shè)下，抗蛇行減振器參數(shù)決定了其頻帶吸能特性.從抗蛇行減振器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度，ICE3系列轉(zhuǎn)向架采用了2項(xiàng)技術(shù)措施:一是以電機(jī)彈性架懸形成電機(jī)橫擺模態(tài)，以降低蛇行振蕩的參振質(zhì)量;二是抗蛇行減振器冗余設(shè)計(jì)，即每架4個(gè)抗蛇行減振器.對(duì)于某動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架原配，假設(shè)其抗蛇行串聯(lián)剛度為X，線性阻尼為330 kN·s/m，其不同程度地表現(xiàn)出轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度不充裕問(wèn)題，如構(gòu)架振動(dòng)報(bào)警故障和軸箱軸承溫升報(bào)警故障，以及下凹型踏面磨耗特征等.而某長(zhǎng)編列車轉(zhuǎn)向架，其抗蛇行串聯(lián)剛度為4.5 X，線性阻尼為440 kN·s/m，則出現(xiàn)高速晃車現(xiàn)象.因而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控將抗蛇行串聯(lián)剛度降低至3.125 X.但是在隧道通過(guò)所形成的風(fēng)荷側(cè)向擾動(dòng)作用下，則產(chǎn)生了高速列車穩(wěn)定魯棒性問(wèn)題問(wèn)題，如齒輪箱嚴(yán)重漏油甚至殼體裂紋.

抗蛇行頻譜特征匹配原則是指實(shí)際蛇行振蕩頻譜特征與抗蛇行頻帶吸能特性之間的匹配關(guān)系準(zhǔn)則.盡管采用了電機(jī)彈性吊懸，動(dòng)車與拖車轉(zhuǎn)向架蛇行振蕩的參振質(zhì)量也不盡相同，因而其實(shí)際的蛇行振蕩頻帶也各不相同.也就是說(shuō)，對(duì)于拖車來(lái)講，其情況較為簡(jiǎn)單，車速與等效錐度是決定其實(shí)際蛇行振蕩頻譜特征的2個(gè)基本因素，因而在一定程度上，增大抗蛇行高頻阻抗始終是提高轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度的積極因素之一.但是動(dòng)車則較為復(fù)雜，在較低等效錐度下(0.166～0.230)，期望電機(jī)橫擺釋放部分蛇行振蕩能量，而轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)則趨于自穩(wěn)定;在較高錐度下(≥0.35)，剛好相反，期望電機(jī)橫擺趨于自穩(wěn)定，按照 IEC 61373規(guī)定保障電機(jī)振動(dòng)安全.

與日系車輛不同，歐系車輛具有車體搖頭大阻尼特征.抗蛇行高頻阻抗越高，車體搖頭大阻尼特征越明顯，并對(duì)后位轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度產(chǎn)生非常不利的影響.因而過(guò)度增大抗蛇行高頻阻抗將產(chǎn)生2個(gè)負(fù)面影響:一是在新車狀態(tài)下或輪軌磨合期間，由于不能與電機(jī)橫擺構(gòu)成有效的運(yùn)用耦合關(guān)系，動(dòng)車后位轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度不充裕，在任何擾動(dòng)或攝動(dòng)影響下瞬間失穩(wěn)并產(chǎn)生高速晃車現(xiàn)象，進(jìn)而引起電機(jī)橫擺自激振動(dòng)響應(yīng)，如瞬間橫向顫振導(dǎo)致齒輪箱故障.二是在鏇輪之前，電機(jī)橫擺仍然趨于自激振動(dòng)失穩(wěn)，電機(jī)及其吊架的振動(dòng)安全難以保障.由此可見，歐系車輛轉(zhuǎn)向架統(tǒng)一優(yōu)配不僅非常必要，而且也十分緊迫.

綜上所述，抗蛇行頻譜特征匹配原則就是協(xié)調(diào)解決歐系車輛2個(gè)基本不穩(wěn)定問(wèn)題的基本準(zhǔn)則，不僅對(duì)目前高鐵運(yùn)用很重要，同時(shí)也是超高速轉(zhuǎn)向架優(yōu)配方案的指導(dǎo)準(zhǔn)則.

2 超高速轉(zhuǎn)向架優(yōu)配方案

繼承了日本拉板軸箱定位等部分轉(zhuǎn)向架技術(shù)特征，龐巴迪公司推出了Zefiro 380高速列車，并采用了大功率永磁電機(jī)(PM Motor)新技術(shù).根據(jù)上述技術(shù)特點(diǎn)，其可能存在如下2個(gè)技術(shù)不足:一是與日本新干線原始轉(zhuǎn)向架類似，也可能存在輪軌磨耗遺留問(wèn)題;二是大功率容磁電機(jī)的技術(shù)可靠性有待工程實(shí)踐驗(yàn)證，如抗去磁能力和防塵保護(hù)等.鑒于此，本節(jié)主要以ICE3系列作為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架，在如下輪配方案假設(shè)條件下，進(jìn)行超高速轉(zhuǎn)向架優(yōu)配方案研究.

2.1 輪配方案

在輪軌橫向動(dòng)態(tài)制衡關(guān)系中有2個(gè)有利因素:即重力剛度所形成的恢復(fù)力和抗蛇行高頻阻抗.鑒于目前抗蛇行減振器技術(shù)實(shí)現(xiàn)水平的制約，如德國(guó)ZF公司所提供的Sachs抗蛇行減振器，其最大液壓剛度為4.5 X.因此，必須采用以增大輪軌接觸錐度作為提高輪軌接觸安全冗余的技術(shù)途徑.

如圖2所示，以縮小軌距方式給出超高速輪配方案，其主要技術(shù)特征如下:①CA:λe=0.22，寬輪緣S1002G，軌距G1 430 mm，其輪緣厚度較標(biāo)準(zhǔn)S1002踏面的增大3.5 mm;或者采用寬輪緣LM踏面，其輪緣厚度較標(biāo)準(zhǔn)LM踏面的增大2.5 mm，與標(biāo)準(zhǔn)軌距G1 435 mm的鋼軌CN60 kg匹配，其等效錐度 λe約0.23;②CB:λe=0.35，踏面LM，軌距G1428 mm，模擬輪軌磨合后的輪軌接觸狀態(tài);③CC:λe=0.43，踏面 LM，軌距 G1 427 mm，模擬輪軌穩(wěn)定磨合后的輪軌接觸狀態(tài);④CD:λe=0.52，踏面 LM，軌距 G1 425.5 mm，模擬鏇輪之前的輪軌接觸狀態(tài).

圖2 超高速輪配方案

上述輪配方案僅在一定程度上體現(xiàn)實(shí)際磨耗輪軌匹配特征:

(1)新車狀態(tài)下最小等效錐度為0.22;

(2)通過(guò)鏇輪控制其等效錐度在0.52以下;

(3)輪配CA和CB較為理想，因?yàn)樵谏咝蟹? mm附近，其等效錐度錐度變化斜率較大，有利于提高非線性臨界速度.

車輪踏面選用待定，其實(shí)際踏面磨耗特征也有待進(jìn)一步跟蹤調(diào)研.同時(shí)，高速車輪踏面應(yīng)當(dāng)具有寬輪緣技術(shù)特征，以便車輪踏面的經(jīng)濟(jì)鏇修.

2.2 超高速優(yōu)配方案

如圖3所示，在轉(zhuǎn)向架380BL其它參數(shù)不變的條件下，選取如下2個(gè)超高速方案進(jìn)行對(duì)比:

(1)超高速方案Ⅰ:抗蛇行串聯(lián)剛度優(yōu)配值，3.75 X，其動(dòng)車穩(wěn)定性態(tài)見圖3(a);

(2)超高速方案Ⅱ:抗蛇行串聯(lián)剛度取4.50 X(現(xiàn)有產(chǎn)品)，并將電機(jī)減振器線性阻尼降至0.4Y(假設(shè)原配電機(jī)減振器線性阻尼為Y)，其動(dòng)車穩(wěn)定性態(tài)見圖3(b).

圖3 超高速方案對(duì)比

相比之下，超高速方案Ⅰ，在較高等效錐度下電機(jī)橫擺仍然趨于自激振動(dòng)失穩(wěn);而超高速方案Ⅱ，則發(fā)生了轉(zhuǎn)變，即電機(jī)橫擺趨于自穩(wěn)定.因而以超高速方案Ⅱ作為優(yōu)配方案，并給出了動(dòng)車與拖車非線性臨界速度，見圖4(a).根據(jù)UIC518所規(guī)定的安全極限，進(jìn)一步確定了其運(yùn)行速度空間，如圖4(b)所示.

圖4 超高速方案Ⅱ:非線性臨界速度及其運(yùn)行速度空間圖

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于超高速列車來(lái)講，其安全性應(yīng)當(dāng)作為首要考核指標(biāo).而技術(shù)經(jīng)濟(jì)性是指超高速輪軌新技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最佳切入點(diǎn)，或者說(shuō)，兩者之間是否具有相互補(bǔ)充與促進(jìn)的“雙贏”關(guān)系.下面，結(jié)合超高速方案Ⅱ，在如下3個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析:抗蛇行減振器性能可靠性、車體橫向振動(dòng)響應(yīng)帶寬和電機(jī)橫擺自激振動(dòng).

3.1 抗蛇行減振器性能可靠性

轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度是影響踏面磨耗的主要因素之一，因而抗蛇行減振器性能至關(guān)重要，否則如圖5所示的踏面磨耗規(guī)律難以保障.對(duì)于動(dòng)車400 km/h直線運(yùn)行來(lái)講，2位輪對(duì)的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑與磨耗指數(shù)對(duì)比表明:

(1)在新車狀態(tài)下存在輪緣側(cè)磨，但是并不十分嚴(yán)重(≤200 N·m/m)，且隨著等效錐度增大而逐步減輕，甚至達(dá)到無(wú)側(cè)磨的程度;

(2)踏面磨耗，經(jīng)過(guò)輪軌磨合，迅速增大，但基本控制在適度磨耗程度(即磨耗指數(shù)80 N·m/m左右);

(3)進(jìn)入快速磨耗階段后，下凹型踏面磨耗特征逐漸顯示出來(lái)，如抗蛇振蕩幅值(RMS)2.2σ逐步減小，鏇輪之前僅為2.79 mm，且踏面磨耗率快速增長(zhǎng).

圖5 動(dòng)車2位輪對(duì)實(shí)際滾動(dòng)圓半徑與磨耗指數(shù)對(duì)比

由此可見，上述磨耗規(guī)律仍然取決于抗蛇行減振器性能可靠性，比如由于內(nèi)部泄漏所造成的相位滯后，甚至抗蛇行減振器漏油等.否則，轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度就難以保障，車輪磨耗將極度惡化.目前，ZF Sachs抗蛇行減振器也僅在德國(guó)西門子公司的新一代高速列車上應(yīng)用，據(jù)稱其最高試驗(yàn)速度400 km/h以上.

3.2 車體橫向振動(dòng)響應(yīng)帶寬

在400 km/h直線運(yùn)行下，如圖6所示，等效錐度對(duì)動(dòng)車與拖車車體橫向加速度頻譜響應(yīng)特征的影響規(guī)律表明:在超高速運(yùn)行下車體橫向振動(dòng)響應(yīng)頻帶增寬，且輪軌磨耗敏感.但是車體垂向振動(dòng)并無(wú)此類現(xiàn)象.

這是二系橫向懸掛相位滯后所產(chǎn)生的非線性所導(dǎo)致的.也就是說(shuō)，二系橫向懸掛具有低阻抗小遲滯特性，在高頻激擾作用下形成了相位滯后非線性，造成了大量高頻振動(dòng)的積累能量并傳遞給車體.由此可見，車體橫向振動(dòng)響應(yīng)頻帶增寬，其主要危害在于車下質(zhì)量是否發(fā)生橫向耦合振動(dòng)，并有可能造成裙板支架開裂等疲勞安全問(wèn)題.這有待于剛?cè)狁詈戏治龅倪M(jìn)一步研究.

圖6 等效錐度對(duì)車體后位橫向加速度頻譜響應(yīng)特征的影響規(guī)律

3.3 電機(jī)橫擺自激振動(dòng)

電機(jī)橫擺自激振動(dòng)是超高速轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)難題之一.如圖7(a)所示，車速和等效錐度是影響電機(jī)橫擺自激振動(dòng)的2個(gè)主要因素.如圖7(b)所示，在較高等效錐度下超高速方案Ⅰ與Ⅱ的電機(jī)橫擺加速度對(duì)比可見:在電機(jī)橫擺轉(zhuǎn)變?yōu)樽约ふ駝?dòng)狀態(tài)后，其橫向加速度有所減輕但效果并不明顯.

圖7 等效錐度對(duì)電機(jī)橫擺自激振動(dòng)的影響規(guī)律

在超高速運(yùn)行下，前位轉(zhuǎn)向架的后部電機(jī)橫向振動(dòng)最為強(qiáng)烈，且呈現(xiàn)后擺傾向.這主要是抗蛇行高頻阻抗抑制前位轉(zhuǎn)向架搖頭相位滯后所導(dǎo)致的.

綜上所述，對(duì)于超高速轉(zhuǎn)向架研制，或者400 km/h超高速運(yùn)用來(lái)講，存在上述3大技術(shù)難題.隨著認(rèn)知不斷深入，這3大技術(shù)難題在技術(shù)與理論上可以得以解決，但是已經(jīng)喪失了超高速運(yùn)用的商業(yè)價(jià)值.若未來(lái)建設(shè)了超高速線路，如更大軌道超高滿足其運(yùn)行安全性等，如圖4(b)所示，其陰影部分尚可有提供特種技術(shù)服務(wù)的潛能，如高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)研究、整編部隊(duì)調(diào)動(dòng)和超高速公務(wù)列車等.

4 沖擊600 km/h的技術(shù)可行性

沖擊600 km/h具有一定程度的技術(shù)可行性，其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題在于:是否克服車輪縱向蠕滑不穩(wěn)定性以實(shí)現(xiàn)最大的牽引能力.

4.1 車體橫向低頻諧振

在直線500 km/h運(yùn)行下車體出現(xiàn)橫向低頻諧振，約4Hz，且輪軌磨耗不敏感.在新車狀態(tài)下，隨著車速增高，無(wú)論動(dòng)車還是拖車，其車體橫向低頻諧振有所增強(qiáng)，且頻率也有所上升.

4.2 車輪縱向蠕滑不穩(wěn)定性

隨著車速增大，如圖8所示，后位前導(dǎo)輪對(duì)的車輪縱向蠕滑低頻諧振將迅速增強(qiáng)，并逐漸形成黏滑振動(dòng)現(xiàn)象.當(dāng)車速達(dá)到600 km/h時(shí)，后位前導(dǎo)輪對(duì)的車輪自旋蠕滑超過(guò)0.6/m的幾率較高，如圖9所示，因而后位轉(zhuǎn)向架車輪有可能逐漸形成瞬間的縱向黏滑振動(dòng)現(xiàn)象.因此，克服車輪縱向蠕滑不穩(wěn)定性是沖擊600 km/h的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也是高速輪軌速度極限的主要技術(shù)標(biāo)志之一.

圖8 后位轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)軌對(duì)的車輪縱向蠕滑

圖9 后位轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)輪對(duì)的車輪自旋蠕滑

高速輪軌極限速度是一個(gè)有爭(zhēng)議的熱點(diǎn)問(wèn)題.如上所述，威金斯首先提出自旋蠕滑，而三大蠕滑理論也有不同的假設(shè).特別是自旋蠕滑是否具有飽和曲線特征，輪軌極限速度觀點(diǎn)也不盡相同.若存在極限速度，則必須落實(shí)高鐵經(jīng)濟(jì)運(yùn)用.

5 結(jié)論

(1)以抗蛇行頻譜特征匹配原則作為指導(dǎo)準(zhǔn)則，根據(jù)基于抗蛇行頻帶吸能機(jī)制的穩(wěn)定新理論，以ICE3系列作為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架，通過(guò)必要的參數(shù)優(yōu)配，制訂了超高速轉(zhuǎn)向架優(yōu)配方案;

(2)動(dòng)態(tài)仿真分析表明:400 km/h超高速運(yùn)用存在3大技術(shù)難題:即抗蛇行減振器性能可靠性、車體橫向振動(dòng)響應(yīng)頻帶增寬和電機(jī)橫擺自激振動(dòng).隨著認(rèn)知的不斷加深，上述3大技術(shù)難題可以得到解決.盡管如此，超高速運(yùn)用已經(jīng)喪失了其商業(yè)價(jià)值;

(3)沖擊600 km/h不僅具有探索高速輪軌速度極限的現(xiàn)實(shí)意義，而且在技術(shù)上也非?？尚?在500 km/h以上的超高速運(yùn)行狀態(tài)下，車輪縱向因黏滑而產(chǎn)生不穩(wěn)定性，這一發(fā)現(xiàn)尚有待其它方面的確認(rèn).盡管如此，根據(jù)威金斯理論，車輪縱向蠕滑不穩(wěn)定性也將作為高速輪軌速度極限的重要標(biāo)志之一.

［1］IWNICKI S D.Handbook of Railway Vehicle Dynamics［M］.［s.n］:CRC Press，2006.

［2］WICKENS A H.FUNDAMENTALS OF RAIL VEHICLE DYNAMICS:GUIDANCE AND STABILITY［M］.ISBN The Netherlands:Swets＆ Zeitlinger，2003.

［3］樸明偉，梁樹林，方照根，等，高速轉(zhuǎn)向架非線性與高鐵車輛安全穩(wěn)定裕度［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2011，23(3):86-92.

［4］ MAZZOLA L，ALFL S，BRAGHIN F，et al.Limit Wheel Profile for Hunting Instability of Railway Vehicles［C］//Proc.of the Euromech 500 Colloquium:Non-smooth Problems in Vehicle Systems Dynamics，2008，Part 1，41-52，Springer-Verlag(ISBN 978-3-642-01355-3)，2010.

［5］CHARLES G，DIXON R，GOODALL R.Least Squares Method Applied to Rail Vehicle Contact Condition Monitoring［C］//Proceedings of the 17th World Congress，The International Federation of Automatic Control Seoul，Korea，July 6-11，2008.