高铁运用安全的三大技术局限性

朴明伟，刘文辉，盖增杰，兆文忠

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连116028)*

0 引言

对于高铁运用的安全性来讲，非常有必要正确认知高速轮轨接触以及高铁车辆性能的技术局限性，以稳健推进更经济的高铁运用.蛇行振荡的参振质量降低是高速转向架设计与运用的核心问题，而商业速度、振动疲劳和曲线横风则是制约目前高铁运用的三大技术因素.

在300 km/h转向架的设计和运用中，不得不面对这样一个核心问题，即如何降低蛇行振荡的参振质量.通过军工技术的转移，时速200 km/h的日本新干线已经取得了近半个世纪的成功运营.值得注意的是：这一先进的设计理念(即动力分散交流驱动的EMU技术)是从地铁交通运输系统中借鉴得到的.但是，在高铁运用过程中，经济效益问题逐渐显现出来，例如，轮对的镟轮周期只有20余万公里.造成这一高铁运用经济性问题的主要原因之一是在新干线转向架设计与运用方面尚存在轮轨磨耗的“遗留”问题［1］，即一旦轮轨磨耗，等效锥度增大，转向架稳定裕度降低，因而不得不缩短镟轮周期.

在吸取了高铁灾难的经验教训后，德国西门子推出了ICE3系列300 km/h转向架和高速列车智能化理念.从这些ICE3系列转向架中，可以看到如下主要技术特征：①车轮选用宽轮缘S1002踏面，新轮轨接触的等效锥度为0.166，较常规轨道客车车辆的要高一些.在轮对定位方式中特别强调了纵向定位刚度，其值高达120 MN/m;②动车转向架采用了牵引电机弹性架悬，其电机吊架横摆模态振动有效地降低了蛇行振荡的参振质量［2］;③为了确保高铁车辆的运行安全性，采用了抗蛇行减振器冗余设计形式，即每架4个抗蛇行减振器.由此可见，300 km/h转向架技术试图优化高速轮轨关系空间的稳定性态以进一步改进高铁车辆的安全稳定裕度.

总之，降低蛇行振荡的参振质量已经成为高速转向架稳定运行的一个首要因素，如日本新干线采用了EMU技术来降低轮对质量，德国ICE3系列转向架采用了牵引电机弹性架悬，在未来的庞巴迪Zefiro列车中也将采用永磁电机新技术.尽管这些改进技术措施提高了商业运营速度，但是在高铁运用中，安全稳定裕度必须要给予足够的重视，否则经济效益将会成为一个阻碍高铁发展的不容忽视的影响因素［3］.

1 安全稳定裕度

安全稳定裕度是确保在最佳经济速度下安全运营所需要的最小安全裕度，即构架横向加速度和车轴横向力(动态RMS)均不得超过安全极限.欧洲高铁通用技术(HS TSI)规定：在最高运营速度的110%下列车必须保证稳定运行［4］.尽管存在这一百分数裕度，但是高铁车辆必须得到证实其在最高运营速度下仍然具有充裕的安全裕度以确保运行稳定.根据相关国际标准(如UIC515或EN14363)，拖车前位转向架构架横向加速度不得超过安全极限;动车转向架跟随轮对车轴横向力(动态RMS)也不得超过安全极限.

下面，结合目前高铁运用的典型问题，讨论高速转向架的三大非线性动态行为.

1.1 三大非线性动态行为

(1)拖车构架点头迟滞非线性

在武广高铁运用中，振动报警故障通常发生在拖车后位转向架上，这是因为拖车转向架具有构架点头迟滞非线性.点头迟滞非线性是在转向架设计中为了协调如下两方面关系不得已而形成的：一是由于牵引电机采用了架悬方式，动车与拖车的构架簧上质量相差近2T;二是为了满足动态限界要求，其一系悬挂又不得不选用相同的悬挂参数.因此，动车与拖车构架运动模态是不同的，特别是拖车构架点头模态阻尼接近60%.

正是由于点头模态具有较高的阻尼作用，拖车构架才具有如下非常特殊的垂向振动行为：即四角(轴箱上方)垂向振动能量远远高于侧架中心(空簧座)的，这种非线性动态行为称为点头迟滞非线性.一旦小幅蛇行振荡造成抗蛇行减振器卸荷，拖车构架将产生横向颤振(动车构架则无此现象)，因而发出振动报警的是拖车转向架而不是动车转向架.关于小幅蛇行形成原因及其危害将在第2.2节中详细讨论.

(2)抗蛇行动态刚度非线性

小幅蛇行振荡造成卸荷现象，其主要原因在于抗蛇行减振器的能量耗散是有限的，一般以卸荷力和卸荷速度来衡量，通常以高频卸荷机制形式表现出来.同时，抗蛇行频带吸能特性也是影响转向架稳定性态的敏感环节，详细讨论见第1.3节.

(3)非线性稳定性

在京沪高铁试运行期间，部分车厢(如尾部端车和餐车MC09)出现了高速晃车现象.这的确是300 km/h转向架所特有的非线性稳定性态变化规律，正像德国西门子对此所做的6字回应一样：未见此类现象.关于抗蛇行串联刚度对动车稳定性态的影响规律，详见第2节.

综上所述，在特定线路的高铁运用过程中，上述非线性行为可能出现不同的表现形式，如武广高铁的振动报警故障、京沪高铁的高速晃车现象以及未来开通的哈大高铁也有可能出现冰雪阻塞(电机吊架横摆运动)，等等.这些非线性动态行为都与轮轨磨耗存在着非常密切的联系，其对高铁运用的安全性与经济性影响是不容忽视的.

1.2 轮轨磨耗对安全性与经济性影响

由于等效锥度或有效锥度概念的引入，在整个镟轮周期内存在一个轮轨磨耗的安全影响因素.根据Heumann公式，轮对下凹磨耗踏面的等效锥度远远大于相应轮对纯锥形踏面的锥度［1］.例如，由于轮轨接触存在不确定性因素，一旦轮轨出现局部密贴型接触，其等效锥度趋于无穷大，并在轮对蛇行幅值3 mm时等效锥度呈现负斜率变化.因而接触点跳动就会形成小幅蛇行振荡，并由此产生疲劳安全问题.

在全镟轮周期内还存在着一个经济影响因素，即在车轮踏面的表层或浅表层中RCF裂纹不断扩展.在大多数情况下，这些裂纹是由热荷机制形成的，如踏面制动的热荷输入所引起的热荷疲劳，或在钢轨上制动滑行时车轮在马氏体中出现的爆发性裂纹［5］.特别应当指出的是在高速轮轨接触过程中，当牵引系数接近轮轨接触表面的摩擦系数时，将有可能出现车轮空转或车轮侧滑，因而爆发性裂纹也可能在车轮踏面的浅表层中形成并扩展.一旦发现上述浅表层裂纹，不得不加大镟轮的切削量以去除浅表层裂纹，这就造成了轮对使用寿命大为缩短的经济性问题.

因此，根据拉格朗日的有界稳定定义，必须应用抗蛇行频带吸能新理论将上述非线性动态行为控制在安全极限以下，以进一步协调高铁运用的安全性与经济性之间的矛盾，稳健推进300 km/h高铁运用.

1.3 抗蛇行频带吸能新理论

在小位移摄动下，抗蛇行减振器及其端节点刚度可以简化为弹簧k和阻尼c的串联单元，其动态刚度可以划分为蓄能与耗能刚度，记为X和X'.如下3点结论可以得到证明：

(1)ω→∞，X+X'→k，高频动态刚度趋于串联刚度k;

(2)ω=1/τ，X'max=k/2，吸能频带位置由松弛时间的倒数决定1/τ，τ=c/k;

(3)ω→0，X+X'→0，低频动态刚度趋于0.

由此可得到弹簧阻尼串联单元的频响特征对比，见图1，其中，4×K0为转向架CRH3C的抗蛇行串联刚度原始参数(每架计算).这一吸能频带特性对比表明：①对于高频减振来讲，有必要兼顾蓄能与耗能刚度，以形成所谓的频带吸能特性;②对于弹簧阻尼串联单元来讲，在适当阻尼条件下，其吸能频带完全可以由串联刚度进行调节，也就是说，抗蛇行串联刚度是影响抗蛇行频带吸能特性的敏感参数.为此，提出了基于台架试验的抗蛇行串联刚度确定准则［6］.

图1 抗蛇行吸能频带调控的基本原理

图2 抗蛇行阻尼调节的频响特性对比

相反，若以抗蛇行阻尼作为调节参数，其频响特征对比见图2，这不能够满足高速轮对蛇行振荡的减振吸能要求［6］.为此，转向架CRH2C又进行了2阶段技改，但是非常遗憾的是：这一技改只是“照搬”了CRH3C的抗蛇行减振器冗余设计形式，并未能面对高速转向架设计与运用核心问题.

1.4 高铁运用要兼顾安全性与经济性

图3 抗蛇行参数调节对车轴横向力敏感性对比(轮轨磨合阶段，等效锥度0.23)

结合高寒地区高铁运用的冰雪阻塞问题，讨论降低蛇行振荡参振质量的重要性.随着冰雪阻塞程度增大，电机吊架横摆刚度也在不断提高.图3给出了动车转向架跟随轮对车轴横向力的变化规律，以及抗蛇行参数调节的敏感性对比.如图3所示的车轴横向力对比至少讲清了如下两个道理：一是蛇行振荡参振质量越大，摇头运动相位滞后越大［2］，因而跟随轮对车轴横向力迅速增大.随着车速的提高和磨耗轮轨接触的等效锥度增大，其饱和值还将明显增大.二是由于高频卸荷机制，抗蛇行减振器卸荷几率也将增大.如果电机吊架横摆运动被冰雪完全阻塞时，一旦抗蛇行减振器卸荷，车轴横向力将出现突发性的变化，这是车轮踏面形成浅表裂纹甚至剥落的主要原因.

由此可以得出这样一个推断：转向架CRH2C在300 km/h高铁运用中将带来十分有害的负面影响.因为采用电机简单架悬(如同地铁转向架一样，牵引电机直接固定到构架的横梁上)，其蛇行振动的参振质量很大.即使“照搬”了抗蛇行减振器冗余设计形式，既有的轮轨磨耗问题也不会有丝毫改变，甚至更为严重——频繁镟轮.同时，由于在磨耗轮轨接触下轮对蛇行振荡形成高频激扰作用，抗蛇行减振器的相位响应趋于零，如图1(b)所示.因而抗蛇行减振器卸荷的几率更高，所以车轮踏面的浅表裂纹是难以避免的.最后，由于车轴横向力很大，轮轨不正常接触也有可能产生钢轨波磨等非正常磨耗现象.因此，更换轮对(即由意大利鲁希尼制造的轮对改为日本住友的)不是解决这一高铁运用经济性问题的根本途径.

综上所述，高铁运用应当遵循科学发展规律.半个世纪的成功运营经验说明：日本新干线转向架具有非常优越的200 km/h动力学性能，但是必须慎重对待其300 km/h高铁运用问题.更高速、还要更安全更经济，这是我国高铁运用的最高战略需求.为此，从目前高铁运用实践与理论研究角度，提出了如下高铁运用的三大技术制约.

2 高铁运用的三大技术制约

2.1 商业运营速度

商业运营速度是指在整个镟轮周期内高铁车辆能够具备安全稳定裕度的商业运用速度.振动报警故障是在武广高铁特定线路条件下所形成的运营经济性问题.如图4(a)所示，根据转向架原始设计，高铁车辆的商业运营速度只有280～300 km/h.由于超速行驶，后位转向架的抗侧滚扭杆有可能产生扭曲谐振.因而横向蠕滑力出现相应频率的动态成份，并造成局部下凹磨耗踏面，特别是变电车，其车载负荷最大.

图4 商业运营速度空间对比

应用抗蛇行频带吸能新理论，提出了基于最佳抗蛇行串联刚度4×2K0的安全稳定裕度调控技术对策.与传统标准规范相比，新理论的应用拓宽了其商业运营速度空间，如图4(b)所示.在理论上将这一调控方案称为最佳安全稳定裕度调控技术对策，其最为重要的依据就在于动车的稳定性态，如图5所示.从新轮轨接触到轮轨磨合(等效锥度0.166～0.23)，转向架蛇行模态趋于“自稳定”状态;而从轮轨稳定磨耗到镟轮之前(等效锥度0.35～0.43)，则电机吊架横摆模态基本上处于“稳态”振动状态.因此，这一最佳调控兼顾了如下两个方面要求：在低等效锥度的轮轨接触下利用电机横摆模态振动来提高转向架稳定裕度，同时，在较高等效锥度的轮轨接触下借助于轮轨重力刚度的轮轨对中恢复作用来改善转向架稳定裕度，以降低电机吊架的动荷作用提高其疲劳寿命.

商业运营速度的进一步提高将会在高铁运用中产生阻碍其发展的经济影响因素.如果将抗蛇行串联刚度提高到4×2.5K0，但是动车稳定性态就要发生了改变，即从轮轨稳定磨耗到镟轮之前，转向架蛇行模态仍然趋于“自稳定”状态，这将加大电机吊架的动荷作用.如果再增大抗蛇行串联刚度，则在新轮轨接触下(等效锥度0.166)动车后位转向架稳定裕度降低，会出现高速晃车现象.如果将车轮踏面更换为宽轮缘LM踏面，即在新轮轨接触下形成了较高的等效锥度，也能够提高其商业运营速度.但是在较高等效锥度的轮轨接触下，蛇行振荡将带来更为有害的动荷作用.

图5 动车稳定性态(抗蛇行串联刚度4×2K0)

2.2 振动疲劳

无论轮轨接触还是走行部件，控制动荷的目的就是要降低振动疲劳损伤.在完全冰雪阻塞下，图6给出了在轮轨接触的四种情况下［3］动车转向架跟随轮对车轴横向力对比.图7为在局部下凹型磨耗踏面的轮轨接触下小幅蛇行所造成的拖车构架谐振对比.

图7 小幅蛇行所造成的拖车构架谐振对比

由此可见，上述安全稳定裕度调控是积极的，不仅考虑了目前高铁运用所存在的问题，而且针对高寒地区高铁运用的冰雪阻塞问题也实行了积极的安全裕度对策.

2.3 曲线横风

由于高速悬挂的特殊性导致高铁车辆的抗倾覆能力降低，因而曲线横风是一个十分重要的棘手问题.高速悬挂的特殊性是指高速转向架的两系悬挂系统在高速运行下所表现出来的不同阻抗特性.而曲线横风则是在大超高曲线通过时，由于受到横向侧风(一般迎风角50～60°)扰动作用，处于欠超高动平衡状态下高铁车辆的稳定鲁棒性能.

高速转向架的二系悬挂采用德系空簧.由于在高速运行下在空簧内空气的热力学过程趋于绝热过程，因而德系空簧设计并不强调节流孔的阻尼作用(节流孔直径很大，60～80 mm).尽管低频动态刚度很低，但是随着激扰频率增大，空簧的动态刚度却在不断提高，这与弹簧与阻尼串联情况较为类似.同时，一系悬挂是由轴箱钢簧和一系垂向减振器并联组成的，其悬挂特性与图1的串联情况刚好相反，即高频动态刚度很低，但相位滞后较大.

对于上述高速悬挂不得不采用阻抗特性加以描述.由于空簧悬挂与抗侧滚扭杆的组合作用，无论低频激扰还是高频激扰，车体都形成了较高的抗侧滚阻抗，因而抗倾覆能力降低(或者说车体动态柔性降低).一旦出现曲线横风的稳态扰动作用，其侧倾气动力矩直接传递到一系悬挂.由于一系悬挂低频动态刚度很高，因而车轮载荷将出现敏感变化.但是对于列车交汇等非稳态扰动作用，由于一系悬挂具有高频低阻抗特点，尽管存在相位响应滞后，车轮载荷还可以通过轴箱刚度的动挠度变化进行调节.

根据相关标准规定：在直线或大曲线正常运行下车轮减载率不得超过0.6，图8给出了在大超高曲线(半径R 7 000 m外轨超高ht 180 mm)通过时变电车TC02的抗倾覆能力情况.请注意：在上述仿真分析中，基于轴箱钢簧的倾覆系数、基于车体外倾的柔度系数远远小于安全极限，同时，后位跟随轮对车轴横向力(动态RMS)也均在安全极限以下.但是，车轮减载率达到或接近0.6，其原因有二：一是车速越高，轮对对轨道不平顺的响应越强烈，这当然与轮对质量是有关联的;二是车速越高，车体动态柔性越低，也就是说，车体抗倾翻能力越低.特别是在400 km/h车速曲线通过时，几乎丧失了抗倾覆能力.

图8 在大超高曲线(半径R 7 000 m超高ht 180 mm)通过时变电车TC02的抗倾覆能力情况

由此可见，①在曲线横风下400 km/h检测列车高速行驶是非常危险的，因为后位跟随轮对车轴横向力很大，且主要由外侧车轮承担，存在重大的安全隐患(如侧翻或脱轨);②根据上述抗倾覆能力的初步分析，若要重返350 km/h高铁运营，应当加强必要的防风技术措施，如防风隔离栅等.

稳态风荷特征曲线是一项当前十分急迫的计算流体动力学CFD科研任务.结合我国高铁运用的实际需求，深入对比研究在平地、道堤和高架(或跨海大桥)线路下高铁车辆的主要风荷特征［7-8］，并给出具有安全监管指导意义的稳态风荷特征曲线.结合必要的试验测试手段(如风洞和水箱)，扎实推进列车空气动力学的研究进程，进一步确定尾流扰动的摄动尺度.最后，应当再次强调根据目前高铁运用需求，CFD科研工作目标不是降低风阻，而是确定侧风扰动作用以保障高铁运用的安全性.

3 高铁运用技术创新

在1 000 km或更长的高铁线路(如武广高铁和京沪高铁等)运营经验基础上，如下高铁运用的技术创新正在形成：

(1)突破传统的轨道车辆稳定性定义，提出了安全稳定裕度概念.安全稳定裕度是从稳定的鲁棒性角度提出的，其最小安全裕度是将走行部动态行为控制在安全极限以下所必需具备的;

(2)对于特定高铁线路运用来讲，应用抗蛇行频带吸能新理论进行必要的调控，完全能够证实高铁车辆具有充裕的安全稳定裕度.结合抗蛇行减振器台架试验，提出了抗蛇行串联刚度确定准则，进而调节抗蛇行吸能频带频带特征，拓宽商业速度空间;

(3)与大阻尼抑制蛇行模式相比，抗蛇行吸能频带模式可以有效地降低车轴横向力，进而降低轮轨接触表面损伤的几率，合理延长镟轮周期，更好协调高铁运用的安全性与经济性之间的矛盾.

随着高寒地区高铁线路的开通和高铁运营网络的形成，高铁实践与理论研究将不断深入，高速转向架的技术创新也将不断丰富充实.通过高铁运用的实践与理论探索，中国高铁必将成为促进中国经济结构转变的一个积极因素.

4 结论

(1)正确认知高速轮轨的技术局限性，稳健推进更经济的高铁运用.更高速、还要更安全更经济，这是我国高铁运用的最高战略需求.高铁运用应当遵循科学发展规律，逐步走向一条正确的技术路线;

(2)以新理论稳健推进300 km/h高铁运用.根据当前经济结构转型的战略需求，“重返”350 km/h高铁运营是十分必要的.结合目前高铁运用实践问题，提出了高速转向架的三大非线性(即拖车构架点头迟滞非线性、抗蛇行动态刚度非线性和非线性稳定性).并应用抗蛇行频带吸能新理论，给出了最佳安全稳定裕度调控技术对策，以进一步协调高铁运用的安全性与经济性之间的矛盾;

(3)明确认识高铁运用安全性的三大技术局限性，积极做好“重返”350 km/h高铁运营的技术准备.商业运营速度、振动疲劳和曲线横风是目前制约高铁运用安全的3个主要影响因素.从商业运营角度来看，由于蛇行振荡参振质量未能得到有效降低，转向架CRH2C和380A不具备300 km/h高铁商业运营基本条件.而对于CRH3C和380B来讲，虽然具备了基本技术条件，但是也必须进行必要的安全稳定裕度调控以证明其高速运行稳定性，其中，曲线横风是一项当前十分急迫的计算流体动力学CFD科研任务.

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