高速车辆横向振动耦合机制形成的主要因素

朴明伟，赵 强，于成龙，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

与快铁运用模式不同，高铁运用必须强调安全冗余.因而降低(蛇行振荡)参振质量应当作为高速转向架设计的基本原则.中国长距离高铁运用证实了:高速转向架(如ICE3系列)具有其技术创新，确保了其安全冗余.但是也不得不看到目前ICE3原型尚存在2个主要技术问题:即圆锥型踏面及其磨耗对钢轨养护与维修所造成的负面影响;车体摇头大阻尼所造成的横向振动耦合机制.特别是长达列车，其线路服役条件具有其复杂性与不确定性，尚需要考虑侧风对车体扰动的流固耦合效应，路堤冻胀或桥墩沉降所形成的轨道长波不平顺激扰，以及高寒地区运用所可能出现的冰雪阻塞等.为了更好地落实高铁经济运用，必须正确认知高铁车辆振动行为的基本规律，即横向振动耦合机制及其形成的主要原因.

由于快速与高速转向架存在设计理念的不同，其车辆振动机制也不尽相同.结合分散动力驱动技术形式，车体轻量化设计的技术目的，就是要增大车下吊挂的辅助装备和电气设备质量(简称车下质量).如拖车TC02(变电车)，其总的车下质量，约10 t，其中，仅变流器及其冷却装置可达6.6 t.铝合金车体采用整体式轻量化结构设计形式，具有挤压成型、纵向拚焊工艺特点，但是也存在“无骨架无纵梁”结构缺陷.罗杰·古戴尔提出了车体垂向主动减振技术［1］，其前提是轻量化车体结构设计未能满足原则，即车体1阶垂向弯曲模态频率低于转向架构架沉浮模态频率的1.4倍.在2阶段技改后，某日系车辆目前正在进行车下质量橡胶吊挂技改.若300 km/h提速运行，轨道小缺陷激扰(波长小于转向架轴距的轨道不平顺激扰)将造成转向架构架的垂向强迫振动响应.由于日系空簧具有硬悬挂特性［2］，车体垂向加速度响应频带增宽.因而上述车下质量橡胶吊挂技改将会造成更为严重的垂向振动问题.相反，由于车体对走行部接口增添了抗蛇行高频阻抗新因素，高铁车辆采用了车下质量橡胶吊挂，以避免铝合金车体的1阶横向弯曲模态振动，确保其30年技术服役寿命.在固体力学研究域，应用奇异系数概念可以证明:高铁车辆横向振动耦合机制具有3大力学判定条件:即足够激扰能量、振动传递媒介以及耦合共振可能型.根据横向振动耦合机制，文献［3］提出了基于刚柔耦合的车下橡胶吊挂参数优化设计方法.由此可见，对于快铁运用模式，一般选用经济性轨道车辆，以自导向转向架技术形式来兼顾导向与稳定性能.若提速至300km/h高铁运用，由于日系空簧的经济性选型，快铁车辆将主要表现为垂向振动传递机制.而高铁运用模式则更加强调安全冗余，在抗蛇行频带吸能机制配合下，以迫导向转向架技术形式来实现参振质量的降低，因而高铁车辆主要表现为横向振动耦合机制.

为了切实落实高铁经济运用，本文进一步研究高铁车辆横向振动耦合机制形成的主要因素，以正确认知高速列车稳定鲁棒性能，确保长大列车的持续稳定安全运行.

图1 整车闭环系统及其线性稳定性分析

1 高速转向架创新技术特点

就现有技术水平而言，高速转向架(如ICE3系列)采用电机弹性架悬，且实现了相对转向架构架的横摆运动.但是要实现参振质量的降低，必须在动车转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态之间，构建合理的牵连运动关系，其具有以下3个必要的技术条件:①轮对(强)迫导向定位形式;②最小等效锥度0.166;③抗蛇行高频阻抗作用.

高铁车辆采用迫导向转向架技术形式，且在抗蛇行频带吸能机制配合下，实现了无砟轨道300 km/h以上高铁运用.但是为了确保高铁运用的安全冗余，高速转向架存在以下2个十分重要的制约关系:①以抗蛇行高频阻抗作用抑制转向架摇头相位滞后;②轮对刚性定位约束丧失了自导向能力，因而实际等效锥度不得低于0.166.

由此可见，高铁运用更加强调其安全冗余，特别是围绕降低参振质量的基本原则，高速转向架具有如下创新技术:①电机弹性架悬且可实现横摆运动;②轮对(强)迫导向定位形式;③抗蛇行减振器冗余设计形式，即每架4个.后两者是造成车体摇头大阻尼特征的2个主要因素，且抗蛇行高频阻抗越强，车体摇头大阻尼特征越突出.

德国西门子公司，以在等效锥度0.30下最小模态阻尼不得低于5%作为原则，确定了抗蛇行减振器线性阻尼，并给出了动车组转向架原配和长编转向架原配的抗蛇行减振器线性阻尼C配置方案，其设计车速分别为300/350 km/h.但是对于长编转向架原配，型式试验发现了高速晃车现象，因而提出了抗蛇行参数配置(K，C)问题研究.

整车稳定性态是指整车根轨迹图所反映的稳定性质及其变化形态.如图2所示，随着抗蛇行串联刚度K的增强，动车稳定性态将呈现以下变化趋势:①抗蛇行高频阻抗越强，车体摇头大阻尼特征越突出;②前位与后位转向架稳定裕度出现差异，后位转向架稳定裕度较前位转向架的要低，特别是在长编转向架原配或现场调控下，后位转向架稳定裕度不充裕;③动车转向架与相应的电机横摆模态之间，存在牵连运动关系，特别是在长编转向架现场调控下，后位转向架与相应的电机横摆模态之间部分“脱离”了彼此牵连运动关系，而在长编转向架原配下完全“脱离”了彼此牵连运动关系.

2 动车稳定性态分析

高速列车是一个非常复杂的非线性系统，因而采用以下方法:即以线性稳定性来指导非线性动态行为分析.图1为整车闭环系统及其线性稳定性分析，与其它类型的地面车辆一样，轨道车辆，通过轮轨接触形成了单位反馈，进而构成了闭环系统.上述闭环系统具有以下3个主要内涵:有界稳定、轮轨磨耗敏感性以及抗蛇行参数配置.

图2 抗蛇行串联刚度对动车稳定性态的影响

根据威金斯理论［4］和等效锥度概念，进一步将整车根轨迹分析方法推演到:“新车稳定性能及其服役性能”分析的应用范畴.由此可见，基于轮配准静态特征的线性稳定性分析方法，应当作为一种系统分析的方法，并非当前所采用的试凑或枚举法.

3 横向耦合机制形成的主要因素

可以证明:在转向架优配下，高速列车具有理想的稳定鲁棒性能.对于转向架优配来讲，如图3所示，降低轮对纵向定位刚度，动车稳定性态将要形成三次蜕变:

第一次蜕变，如图3(a)所示，当纵向定位刚度降低至(60～70)MN/m时，在动车前位转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态之间，开始脱离彼此的牵连运动关系.

图3 纵向定位刚度降低及3次蜕变过程

第二次蜕变，如图3(b)所示，当纵向定位刚度降低至(45～50)MN/m时，在动车前位与后位转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态之间，开始完全脱离牵连运动关系.

第三次蜕变，如图3(c)所示，当纵向定位刚度降低至(35～37.5)MN/m时，车体摇头大阻尼特征开始转变.也就是说，转向架的自导向能力有所恢复.

图4 最小等效锥度降低至0.10后动车稳定性态变化趋势

但是对于转向架优配以及三次蜕变，即轮对纵向定位刚度120/70/50/37.5 MN/m，最小等效锥度由0.166降低至0.10，动车稳定性态变化趋势，如图4所示.特别是第三次蜕变，车体摇头大阻尼特征又得到了恢复(见图4(d))，但是动车前位转向架与相应的电机横摆模态之间已经部分“脱离”了牵连运动关系.

由此可见，在抗蛇行频带吸能机制配合下，只有迫导向转向架技术形式才能够实现降低参振质量，其有3个主要特征因素:①轮对(强)迫导向定位形式，纵向定位刚度高达120 MN/m，横向的12.5 MN/m;②抗蛇行高频阻抗作用，因而必须采用新型抗蛇行减振器(如Sachs)，一种抗蛇行频带吸能机制技术实现形式;③最小等效锥度不得低于0.166，否则低锥度晃车难以避免.

4 二系横向悬挂参数配置

在特定的轴重下，约18 t，德系空簧纵向与横向刚度较小，约0.13 MN/m，二系横向悬挂参数配置主要指二系横向减振器参数配置，即线性阻尼和串联刚度.

以拖车TC02刚柔耦合仿真［3］来进行评估，如图5所示，降低轮对纵向定位刚度对二系横向减振器阻尼参数配置的影响.奇异系数是指采样样本的最大循环值与概率99.75%的(RMS)3σ之比.刚柔耦合动态仿真，其采样数据样本的可分析频段，约50 Hz.很显然，为了有效抑制前部地板横向加速度奇异系数的增大，二系横向减振器必须配置更大的阻尼参数.特别是在转向架优配下，如图5(a)所示，其二系横向减振器线性阻尼最优值为15 kN·s/m，这与实际转向架参数配置十分吻合.

由此可见，高铁车辆具有车体摇头大阻尼特征，因而高速转向架二系悬挂通常呈现“低阻抗小迟滞”特性.相反，作为经济性轨道车辆，如地铁或城轨车辆，采用自导向转向架，其二系横向减振器线性阻尼可高达60 kN·s/m.这充分说明了车体摇头大阻尼特征也具有正面影响，如乘坐舒适性等.

5 安全评估

纵向定位刚度降低对动车与拖车的临界速度有一定程度影响.根据UIC518进行安全评估，并给出了降低纵向定位刚度对安全速度的影响，见图6.由于轮轨磨合后轮配特征最佳(等效锥度为0.23)，因而降低纵向定位刚度对其安全速度影响较小.但是在新车状态或快速磨耗阶段(等效锥度为0.166或0.43)，纵向定位刚度降低对其安全速度影响很明显.

图6 降低轮对纵向定位刚度对动车速度空间的影响

也必须清楚地认识到:轮对(强)迫导向定位形式和抗蛇行高频阻抗作用，是实现参振质量降低的2个必要技术条件，同时也造成了车体摇头大阻尼特征.而且抗蛇行高频阻抗越强，车体摇头大阻尼特征越突出.在高速轮轨接触下，特别是轨道长波不平顺激扰，车体对后位转向架接口将产生横向高频扰动，并构成横向耦合机制的主要传递媒介.高铁线路服役环境具有其复杂性与不确定性，如桥隧比例较高，明线与暗线交错，以及气候变化特征等，将产生侧风或尾流扰动，或冰雪阻塞造成转向架参振质量摄动等.特别是在侧风对车体扰动下，电机横摆行为奇异性将增强其流固耦合效应.因此，横向振动耦合机制是高铁车辆振行为的基本规律，必须在高速列车系统总体设计中予以充分考虑.同时也必须看到:在350 km/h标准动车组及其技改中，降低纵向定位刚度至35 MN/m或降低等效锥度至0.10，两者都将背离高速转向架的降低参振质量基本原则.只有从抗蛇行参数配置着手，实现抗蛇行宽频带吸能机制原始技术创新，才能克服ICE3原型所存在的主要技术问题.

6 结论

横向振动耦合机制是高铁车辆振动行为的基本规律，其形成具有以下2个主要因素:即轮对(强)迫导向定位形式和抗蛇行高频阻抗作用，两者导致车体摇头大阻尼特征，造成车体对后位转向架接口的横向高频扰动增强，进而构成了横向振动传递媒介;同时这2个因素也是参振质量降低的必要技术条件.与快铁运用模式不同，高铁运用必须强调其安全冗余.因而降低参振质量应当作为高速转向架设计的基本原则.高速转向架(如ICE3系列)，采用电机弹性架悬，且实现相对转向架构架的横摆运动.但是要实现参振质量的降低，必须在动车转向架蛇行模态与电机横摆模态之间，保持合理的牵连运动关系;论文研究以线性稳定分析与刚柔耦合动态仿真作为互补手段.动车稳定性态对比分析表明:降低纵向定位刚度或最小等效锥度，将违背高速转向架的降低参振质量基本原则.同时拖车刚柔耦合分析也可以证明:由于车体摇头大阻尼特征，高速转向架二系横向悬挂具有“低阻抗小迟滞”特性.因而在350 km/h标准动车组及其技改中，必须实施抗蛇行宽频带吸能机制原始技术创新，以克服ICE3原型所存在的主要技术问题.

［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］朴明伟，任晋峰，李 娜，等，基于空簧悬挂特性的高铁车辆车体振动对比研究［J］.中国铁道科学，2012，33(1):71-77.

［3］朴明伟，李明星，赵强，等，高铁车辆横向振动耦合机制及其减振技术对策［J］.振动与冲击，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.