德國ICE快鐵運用及其對輪配技術條件制約性

樸明偉，劉德柱，郭強，兆文忠

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德國ICE快鐵運用及其對輪配技術條件制約性

樸明偉1，劉德柱1，郭強1，兆文忠2

(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)

由于ICE3轉向架原型存在對輪配技術條件制約性，因而必須依靠原創性技術創新來轉變客運專線發展模式.以長編轉向架優配作為技改范例，應用抗蛇行寬頻帶吸能機制，實現了對轉向架不穩定蛇行振蕩現象的超前滯后校正，部分恢復了轉向架自導向能力，克服了對輪配技術條件制約性,即名義等效錐度降低至0.10.如何實現車體與走行部橫向解耦應當作為快捷與高速貨車轉向架的主要創新要素之一.若無抗蛇行減振器，則必須保障旁承摩擦及其回轉阻力矩的穩定性，以降低結構性技術服務成本.參照Y37轉向架及其TGV客貨混用成功經驗，合理確定快捷與高速貨運的輪配技術條件，進而實現客貨混用的“高速度低影響”技術目標.

客運專線；名義等效錐度；橫向解耦；長編轉向架；快捷貨車轉向架

0 引言

德國ICE快鐵運用存在對輪配技術條件制約性，即實際等效錐度不得低于0.10，即所謂客運專線.結合中國高鐵建設與發展需求，必須正確認知ICE3轉向架原型創新技術特點及其局限性，有必要以原始技術創新來轉變客運專線發展模式，擴大鐵路投資收益.

根據輪軌蠕滑理論，輪對自穩定問題與轉向架不穩定蛇行振蕩現象，是快速與高速轉向架設計的2個基本不穩定問題.從動態設計觀點出發，不得忽視快鐵與高鐵車輛響應對輪軌蠕滑的反饋影響，因而車輪蠕滑具有準靜態與動態2種成份[1-3].在輪對彈性定位約束下，車輪自旋蠕滑及其對橫向蠕滑力效應，其相當于負阻尼作用，是造成輪對蛇行自激振蕩的主要原因之一，簡稱輪對自穩定問題.結合ETR系列擺式轉向架橫向穩定性能要求，Polach指出[4]： EN13802規定了抗蛇行減振器的2類性能試驗，即準靜態阻尼特性與臺架動態特性，盡管如此，在大幅值低頻循環激擾下獲得的阻尼特性，其不適合定義抗蛇行減振器裝車動態性能.而在微小幅值的位移激擾下，A≤ 1 mm，臺架動態特性具有Maxwell模型的可回歸性，即激擾頻率越快，抗蛇行高頻阻抗變得越來越突出，而動態阻尼卻在不斷降低.在電機體懸、簡單與彈性架懸3種電機吊掛方式對比研究中，Alfi發現[5]：電機彈性架懸，且實現相對轉向架構架的橫向擺動，可以降低轉向架不穩定蛇行振蕩的參振質量，進而降低搖頭運動相對橫移的相位滯后，有利于控制跟隨輪對的車軸橫向力.從鋼軌專業技術角度出發，Schoech更加明確了法鐵TGV與德國ICE的鋼軌打磨技術條件[6]，特別是ICE快鐵運用及其對輪配技術制約性，即平均商業速度200 km/h，短時最高速度300 km/h，通過鋼軌預打磨，無論新鏇或磨耗踏面，實際等效錐度控制必須嚴格在(0.10 ～0.13)，最大值0.15.相對而言，法鐵TGV則采用鋼軌預防性與維修性2種打磨方式，其實際等效錐度則控制在(0.03 ～0.13).

結合中國高鐵CRH實踐[7 - 8]，本文主要探究ICE3轉向架原型及其對輪配技術條件制約性，并以抗蛇行寬頻帶吸能機制作為原始技術創新，制訂長編轉向架優配方案，為實現長交路跨線運營或快捷與高速貨運提供技術支持.

1 對輪配技術條件制約性

德國ICE3系列轉向架具有其創新技術特點，如輪對(強)剛性定位約束、電機彈性架懸以及抗蛇行冗余設計形式等.具體地，在蛇行振蕩參振質量降低的技術前提下，以轉向架不穩定蛇行振蕩現象作為主要研究問題，且在抗蛇行頻帶吸能機制的配合下理論上確保了轉向架高速性能.

但是在主要研究問題處理上，ICE3轉向架原型存在設計缺陷，即采用新型抗蛇行減振器T60或T70，以自適應控制方式僅僅實現了對轉向架不穩定蛇行振蕩現象的超前或滯后校正，因而部分喪失了轉向架自導向能力，并形成了對輪配技術條件制約性，且實際車速要求越高，對輪配的制約性越強.如中國CRH高鐵，車速300～330 km/h，轉向架優配研究表明：其實際等效錐度不得低于0.16.

與西班牙高鐵AVE不同，中國高鐵CRH運用具有其特殊性，如無砟軌道，高架鐵路，且橋隧比例較大，以及氣候特征變化明顯等.特別是軌道長波不平順激擾和側風對車體擾動，應當作為影響目前高鐵運用穩定安全的2大負面因素.尤其是河西走廊和東北大部，季風多發地區，以及南嶺山區，橋隧比例較高，高鐵運用需要特別防范側風穩定性問題及其危害性影響.

以抗蛇行高頻阻抗作用作為相關激勵，車體與走行部之間形成了橫向耦合關系，其耦合強度與車體橫向參振質量有關，因而采用了車下質量彈性吊掛形式[7 - 8].橫向振動耦合機制是目前高鐵車輛振動行為的基本規律，并造成其結構性技術服務成本增大，其主要有以下2個方面表現：

(1)抗蛇行減振器統購T70后，由于動力輪對齒輪箱殼體補強，鋼軌局部磨耗的二次敏感性影響成為了車體與走行部橫向耦合作用的主要負面影響形式之一.特別是山區線路，明線與暗線交錯，鋼軌局部磨耗尤為突出，輪對鏇修的技術效果越來越不明顯.因而鏇輪修程也由原來的30余萬公里降低至10 ～15 萬公里.

(2)同時擦輪或擦傷累計形成車輪多邊磨問題，其已經成為長交路跨線運營的主要技術問題之一.由于線路養護管理差異，如鋼軌未進行預打磨，或鋼軌預打磨目標廓型未統一規范，車輪多邊磨問題呈現爆發式增長趨勢，進而導致嚴重的振動噪聲問題，如軸箱蓋振動松脫或司機室噪聲超限等.

客運專線并非保障高鐵運用穩定安全的充要技術條件.在理論與實踐上可以充分證明：德國ICE3轉向架原型存在設計缺陷，且形成了輪配條件制約性、鋼軌磨耗敏感性以及橫向振動耦合機制3大負面影響[8 - 9].德國ICE快鐵也正在逐步轉變其客專運營模式.實際上也僅有科恩至法蘭克福一段，設計時速300 km/h，客專運營模式.而2006年新建的紐倫堡至因戈爾施塔特，設計時速300 km/h，則允許輕型貨運車輛運用.對于其它線路，如設計時速250 ～280 km/h，也允許夜間貨運.

隨著中國CRH鐵路建設的快速發展，“專車專線”運營模式不可能滿足PPP(公私聯合)融資需求. 西班牙高鐵AVE采用德國制造的Veralo SP，馬德里至巴塞羅那，約540 km，平原地貌，路堤線路，專車專線運營模式. 但是中國社會經濟具有區域性發展特征，特別是城鎮化進程迅猛發展，長交路跨線運營需求正在迅速形成.因此，中國CRH需要以原創新技術來實施對ICE3轉向架原型的實質性技改，逐步轉變客專運營模式，增強鐵路建設的可持續發展能力，積極促進中國社會經濟的轉型升級.

2 長編轉向架解決方案

在鋼軌預打磨統一其目標廓型的技術前提下，如60N(對稱打磨)，長編(列車)轉向架優配必須滿足如下強制性的輪配技術要求：即名義等效錐度降低至0.10.

以ICE3轉向架作為技術原型，通過新型抗蛇行減振器T60/T70的組合應用及其參數優配，長編轉向架采用抗蛇行寬頻帶吸能機制，引入結構阻尼約束減振技術，以彌補ICE3原型的設計缺陷，其特征在于：

(1)根據長交路跨線運用的技術需求，應用動態設計方法，制訂長編轉向架優配方案，以實現對轉向架不穩定蛇行振蕩的超前滯后校正，部分恢復了轉向架自導向能力，名義等效錐度降低至0.10，克服了對輪配技術條件制約性的技術瓶頸.

(2)借用ICE3轉向架原型的抗蛇行冗余設計形式，形成新型抗蛇行減振器T60與T70組合應用方式，如圖1所示.為了兼容大阻尼抑制蛇行機制和抗蛇行頻帶吸能機制，借用抗蛇行軟約束或膨脹袋技術，T60要實現低頻中心頻率的參數配置，fL0=k/C(圓頻率)，而T70則要實現高頻中心頻率的參數配置，fH0=K/c，抗蛇行串聯剛度，每架2(K+k)不得低于3X×2，假設動車組轉向架原配的抗蛇行串聯剛度X.

(a) 頻響特性

(b) 低頻與高頻吸能頻

(3)轉向架部分參數得到優化，即電機橫擺剛度提高至km+20 kN/m，km為ICE3轉向架電機橫擺剛度原配值；輪對縱向定位剛度，由原始值120 MN/m降低至35 MN/m.

根據上述解決方案，如圖2所示，給出了長編轉向架優配方案制訂的技術路線，動車與拖車非線性臨界速度，見表1.

圖2 長編轉向架優配方案制訂的技術路線

表1 動車與拖車非線性臨界速度 km/h

3 高速輪軌技術局限性

從技術經濟性角度出發，高速輪軌技術局限性應當給予重視，以發揮其最大的社會經濟效益.威金斯首先提出了車輪自旋蠕滑并構建了輪軌橫向動態制衡關系.根據臺架試驗數據，特別強調指出[3]：與車輪縱向蠕滑的情況不同，車輪自旋蠕滑及其對橫向蠕滑力效應，其不再具有飽和曲線特征.具體地，在縱向與橫向蠕滑均為零的前提條件下，當車輪自旋蠕滑≤0.6，其對橫向蠕滑效應呈現線性遞增關系，但是當 < 0.6時，則快速衰減.

極限速度是指能夠維系輪軌橫向動態制衡關系的最高安全速度.以ICE3系列轉向架作為技術原型，超高速轉向架優配選配T70，其動態仿真分析表明：盡管尚存在諸多技術問題，但是其極限速度接近600 km/h[9].而對于轉變轉向架優配來講，由于輪對縱向定位剛度降低至35 MN/m，在新車狀態下，等效錐度0.10，車速接近480 km/h，車輪自旋蠕滑達到或超過0.6，輪對橫向動態失衡，且橫向瞬間抖振，車輪縱向蠕滑最大值接近或超過0.01，即線性蠕滑的上限，車輪瞬間打滑的可能性增大.

由此可見，快鐵經濟運用，其技術本質就是通過不落輪鏇或鋼軌打磨等輔助技術，在較低等效錐度的輪配條件下，實際輪軌接觸偏向于密貼型接觸的極端情況，保持車體與走行部之間的低頻牽連運動關系，約1.0 ～2.0 Hz，以滿足大阻尼抑制蛇行機制的技術條件，因而其經濟速度250～280 km/h.而高鐵運用則更加強調穩定安全，需要以輪對剛性定位約束來抑制車輪自旋蠕滑及其負面影響，進而突破其極限速度.但是高鐵車輛及其結構性技術服務成本也是決定高鐵運用經濟速度的主要因素之一.對于ICE3轉向架原型來講，在抗蛇行寬頻帶吸能機制的配合下，輪對縱向定位剛度由120 MN/m降低至35 MN/m，極限速度由600 km/h降低至480 km/h.盡管如此，長編轉向架改善或增強了對軌道線路及其服役條件的適應性、友好性以及穩定魯棒性，進而滿足了300 ～330 km/h長交路跨線運營的技術需求.

4 客貨混用及其“高速度低影響”技術目標

“高速度低影響”是新建鐵路專線實現客貨混用的重要技術目標之一，其具有以下3點技術內涵：

(1)通過對ICE3轉向架原型的實質性技改，長編與高速轉向架，其名義等效錐度降低至0.10，以防止鋼軌走行光帶向軌距角一側擴展，進而造成滾動接觸疲勞失效，如軌距角一側產生如同細絲般裂紋；

(2)在鋼軌預打磨統一其目標廓型的技術前提條件下，如60 N，快捷與高速貨車轉向架研發，必須首先保障其橫向穩定性能，控制其車軸橫向力，避免形成對鋼軌磨耗的負面影響；

(3)快捷與高速貨車轉向架研發，必須控制車輪動荷，參照TSI規范，20 Hz低通濾波的車輪動荷RMS3σ不得大于車輪靜載荷的25%.

由此可見，如何實現車體與走行部橫向解耦，應當作為快捷與高速貨車轉向架的主要創新技術之一.若無抗蛇行減振器，則必須保障旁承摩擦及其回轉阻力矩的穩定性，以降低結構性技術服務成本.更為重要的是：應當參照Y37轉向架及其TGV專線的客貨混用成功經驗，合理確定快捷與高速貨運的輪配條件.特別是既有鐵路干線及其客運業務逐步退出的形勢下，快捷貨車轉向架設計應當積極利用密貼型接觸輪軌關系的優勢技術資源，進而體現經濟型設計理念.

5 結論

(1)在當前快鐵或高鐵網絡迅猛發展的形勢下，中國CRH必須以原創性技術來轉變客運專線發展模式.德國ICE3系列轉向架具有其創新技術特點，但也存在其設計缺陷，且形成了輪配條件制約性、鋼軌磨耗敏感性以及橫向耦合振動耦合機制3大負面影響.因而客運專線并非保障高鐵運用穩定安全的充要條件；

(2)以新型抗蛇行減振器T60和T70組合應用方式，分別引入低頻結構阻尼和高頻阻抗作用，且形成對轉向架不穩定蛇行振蕩現象的超前滯后校正.以長編轉向架優配作為研究對象，適度增強電機橫擺剛度，徹底解決側風不穩定問題，增強對服役條件的穩定魯棒性；合理降低輪對縱向定位剛度，改善對軌道線路的適應性與友好性；

(3)“高速度低影響”是新建鐵路專線實現客貨混用的重要技術目標之一.因而必須正確認知ICE3轉向架原型創新技術特點及其局限性，以抗蛇行寬頻帶吸能機制作為原始技術創新，實現對ICE3轉向架原型的實質性技改，以滿足鋼軌預打磨統一其目標廓型的技術需求.同時參照法鐵TGV及其客貨運用的成功經驗，快捷或高速貨車轉向架設計也應當積極利用密貼型接觸輪軌關系的優勢技術資源，體現其經濟型設計理念，以擴大鐵路投資收益率.

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German ICE Rapid Rails and Wheel-Rail Matching Conditionality

PIAO Mingwei1, LIU Dezhu1, GUO Qiang1, ZHAO Wenzhong2

( 1.School of Machinery Engineering , Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China；2. School of Traffic & Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Due to the wheel-rail matching conditionality of ICE3 bogie prototype, the practice mode of dedicated passenger lines must be changed urgently by applying the technical innovations. Taking long-train bogie as technical improvemrnt paradigm, the lead-lag correction to hunting ocillation instability of bogies is realized by applying the anti-hunting absorting wide-band mechanism, and the self-steering ability of bogie can be then recovered partally so as to overcome the wheel-rail matching conditionality, i.e. nominal equilalent conicity is decreased to 0.10. Meanwhile how to decouple laterally between carbody and running gears is one of innovative factors in developing projects of high-speed/rapid freight bogies. If no anti-yaw damper is adopted, the stability of side bearing frictions and resistance moments should be guaranteed correctly. With reference to the Y37 freight bogie and the successful experiences of TGV passenger-freight mixed mode, the nominal equivalent conicity can be selected rationally for both rapid/high-speed freight rails. So the technical objective of high-speed and low-impact can be achieved therefore for the mixed practices of passenger and freight transportions.

dedicated passenger lines; nominal equivalent conicity; lateral decoupling; long train bogie; rapid freight bogie

1673- 9590(2016)02- 0038- 05

2015-05-14

國家自然科學基金資助項目(60870009)

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