160 km/h动力集中动车组动力学问题综述与研究

邵泽展

（中国铁路西安局集团有限公司，西安 710054）

根据我国铁路运输和经营发展需求，为了提高既有线铁路运输服务品质，充分利用既有线铁路的运输资源和机客车检修资源，近几年我国依托既有快速客运电力机车和25T型客车技术成功研制了多个型号的160 km/h动力集中动车组，包括短编与长编、直车体与鼓形车体160 km/h动力集中动车组、双源动力集中动车组等。160 km/h动力集中动车组具有成本低、运用范围广、时间经济价值高、可释放枢纽和线路能力等优势，能够实现机辆一体化运行、维修且能双向驾驶，并且借鉴了动力分散动车组的乘务人员配置，有效节约了人力和经济成本［1-4］。

160 km/h动力集中动车组的动力学性能对于运输安全、乘坐品质、检修维护经济性都具有重要影响［5-6］。与动力分散动车组相比，动力集中动车组的技术平台、运用环境、牵引配置都存在较大差异，因此面临的动力学问题也会与之有所不同。文中归纳的动力集中动车组主要的动力学问题包括3个方面：

（1）动力车直线晃车问题：160 km/h动力集中动车组动力车在直线工况速度级试验期间曾出现明显的晃车现象，车体横向振动加速度存在周期性波动，虽然这一问题未对其运行安全性产生明显影响，但明显降低了司乘人员的乘坐舒适性［7］。

（2）动力车尾部顶推运行安全性问题：短编动力集中动车组通过一端动力车、一端控制车的方式首次实现了动力集中列车的双向驾驶，双源动力集中动车组通过一端电力动力车、一端内燃动力车的方式解决了电气化铁路和非电气化铁路的混合运输问题，这些编组方式都会出现动力车在列车尾部顶推的运行方式。该动力车尾部顶推运行方式会使动力车与拖车间车钩处于受压状态，车钩在纵向压力作用下如果发生水平偏转，便会对车体产生一定的横向分力，对列车运行稳定性产生影响。

（3）单线隧道通过列车尾部动力学性能问题：动力集中动车组在陇海线高速通过单线隧道时曾出现尾部动力车和拖车横向晃动现象，车体横向振动加速度呈现出低频周期性波动，直接影响动车组横向运行平稳性。这些动力学问题会在一定程度上影响动力集中动车组的顺利开行和安全平稳运行，国内科研工作者围绕这些问题开展了理论与试验研究工作，并提出了切实可行的解决措施与方案［5-10］。

针对动力车直线晃车问题，中国铁道科学研究院集团有限公司（铁科院集团有限公司）开展了深入的试验与理论研究工作，采用动力学仿真计算复现了动力车晃车现象，借助模态分析法进行了晃车问题机理研究，明确了晃车问题的产生原因和影响因素［6，8-10］。对于动力车尾部顶推运行安全性问题，杨豆豆等［4-5］建立了机电耦合动力学模型，研究了动力车头部牵引和尾部顶推运行方式下动力学性能的差异。

在梳理总结动力集中动车组主要动力学问题的基础上，详细介绍了围绕这些问题开展的专项试验研究和计算分析工作，明确了动力车直线晃车问题的产生原因、作用机理和影响因素，试验研究了动力车尾部顶推运行安全性和单线隧道通过列车尾部动力学性能问题，为动力集中动车组的安全平稳运行提供了技术支撑。

1 动力车直线晃车问题试验研究与计算分析

某动力集中动车组进行动力学正线试验期间，动力车运行速度大于140 km/h后在直线线路上出现了明显的车体横向晃动现象，其动力学响应波形和频谱如图1所示。动力车车体横向振动加速度存在频率约1.1 Hz的明显周期性波动，并带动轮轨横向力出现同频率的小幅波动。虽然该动力车晃车问题对动车组运行安全性影响较小，但会使车体横向平稳性指标明显增大，降低乘坐舒适性。

图1 动力车直线工况晃车波形图和频谱图

针对该动力车直线晃车问题，铁科院集团有限公司联合主机厂调整轴箱拉杆和抗蛇行减振器关节刚度、车轮踏面状态、抗蛇行减振器安装角度等参数，开展了多次专项动力学试验［8-10］，测试分析了不同结构参数和车轮踏面状态下的动力车动力学响应数据。试验结果分析表明：

（1）轴箱拉杆和抗蛇行减振器关节刚度优化可以一定程度上减弱动力车横向晃动幅值，但未能从根本上解决晃车问题。

（2）动力车车轮采用等效锥度较大的磨耗踏面时，车体晃车现象显著减弱甚至消失，表明车轮等效锥度具有明显影响作用。

（3）动力车抗蛇行减振器安装角度减小后，车体晃车明显减弱。可见动力车直线运行晃车问题与轮轨等效锥度和抗蛇行减振器安装角度有直接关系，在大的抗蛇行减振器安装角度和小的轮轨等效锥度条件下，会出现车体蛇行失稳现象。

除试验研究外，张志超等还建立了动力车动力学计算模型，采用仿真计算方法对该问题进行了深化研究［6，10］。动力学模型细化了轴箱装置、电机驱动机构的模拟，并考虑了减振器、轴箱拉杆关节刚度的非线性特性，如图2所示，模型正确性通过准确复现试验各工况的动力车晃车现象得以验证。此后，基于该具有较高可靠性的动力车动力学模型，采用系统模态分析方法研究了动力车晃车问题的作用机理和影响因素。系统每一阶模态都会有模态频率和模态阻尼比，模态阻尼比主要表征对应模态的稳定性，模态阻尼比数值越大说明对应模态收敛性越好，相反模态阻尼比小于0或接近0说明对应的模态已经发散失稳或收敛很慢，容易引起晃车。动力车车体模态阻尼比随轮轨等效锥度、抗蛇行减振器安装角度的变化曲线如图3所示。可以看出，车体二阶蛇行的模态阻尼比在轮轨等效锥度很小、抗蛇行减振器安装角度很大时为负值，并且会随着轮轨等效锥度的增大、抗蛇行减振器安装角度的减小而逐渐增大，表明该模态在轮轨等效锥度较小、抗蛇行减振器安装角度较大时会出现发散失稳或收敛很慢的现象，此时该模态的固有频率约在0.8～1.2 Hz范围内，这与试验中动力车出现晃车时的车体横向振动加速度主频相吻合。由此可判断动力车的晃车问题是由该动力车的阻尼比较低的车体二阶蛇行模态所引发的，也即抗蛇行减振器安装角度过大引起的动力车低等效锥度下的车体二阶蛇行运动失稳。

图2 动力车动力学分析模型

图3 车体模态阻尼比变化曲线图

在此基础上，还借助动力学计算研究了动力车结构参数对其车体横向平稳性的影响规律。动力车车体横向平稳指标随结构参数变化曲线如图4所示，随着轴箱拉杆纵向刚度的减小、一系弹簧横向刚度的增大、二系横向减振器阻尼的增大，动力车车体横向平稳性指标逐渐减小，有利于提高其运行平稳性。

图4 动力车车体横向平稳指标随结构参数变化曲线图

基于上述作用机理和影响因素分析，最终给出了科学合理的动力车直线晃车问题结构参数优化设计方案，其有效性也得到了试验验证。需要指出的是，虽然该动力车直线晃车问题得到了彻底解决，但随着动力集中动车组的长期运用，车轮薄轮缘踏面旋修、车轮踏面磨耗等都会改变轮轨接触状态，从而有可能还会出现车体或构架的横向失稳问题，因此应该加强动力集中动车组的长期跟踪测试，掌握车轮磨耗演变规律，制定科学合理的修程修制。

2 动力车尾部顶推运行安全性研究

160 km/h动力集中动车组（短编）通过一端动力车、另一端控制车的方式，在国内首次实现了动力集中列车的双向驾驶，突破了动力车位于头部牵引的固有模式。当控制车在主控位运行时，动力车通过尾部顶推方式为列车提供动力，这种动力车尾部顶推运行方式对优化运营组织、解决实际运输问题具有重要意义。双源动力集中动车组通过一端电力动力车、一端内燃动力车模式解决电气化铁路和非电气铁路的混合运输问题，同样会出现动力车尾部顶推运行方式。动力车尾部顶推运行方式会使动力车与拖车间车钩处于受压状态，车钩在纵向压力作用下如果发生水平偏转，便会对车体产生一定的横向分力，直接影响动车组运行稳定性。这种情况下，动力车牵引功率的大小、车钩稳定能力以及列车纵向冲动等因素都会对其动力学性能和运行安全性产生一定影响。

首先采用动力学计算方法研究动力车尾部顶推方式对列车动力学性能的影响，建立9编组动力集中动车组动力学模型，其中尾部动力车、与其相邻2节拖车车辆采用三维动力学模型，其余拖车车辆均采用具有1个自由度的单质点模型，尾部动力车与相邻拖车之间采用密接式车钩连接，如图5所示。计算结果表明：

图5 动力车尾部顶推动力学分析模型

（1）压钩力作用下，动力车与相邻拖车间密接式车钩在曲线上会出现“八”字形水平偏转，R300 m曲线上车钩水平转角能够控制在4°以内。

（2）纵向压钩力对动力车轮轨作用力和运行安全性指标影响较小，而对相邻拖车具有一定影响作用。

除此以外，还通过正线线路试验研究了动力车尾部顶推运行安全性问题。该动力车尾部顶推研究试验在陇海线元龙—宝鸡上行线区段开展，主要测试尾部顶推动力车与相邻拖车的轮轨力、振动加速度与位移、车钩力等动力学响应。试验区段内包含多个R300 m小半径曲线，试验运行速度60～70 km/h；且部分车站还进行了12号道岔侧线通过试验，通过速度42～45 km/h。动力车尾部顶推时车钩力随里程的分布散点图如图6所示，不同运行方式时车钩水平转角随线路曲率的分布散点图如图7所示。可以看出，车钩力大多数区段数值都在100 kN以内，仅在几个上坡区段出现明显增大的压钩力，最大值达到364 kN；车钩水平转角主要受线路曲率影响，在R300 m小半径曲线区段大都控制在3°以内，在12号道岔侧向通过时都能达到4°～5°。在这样的纵向力作用和车钩偏转水平下，动力车和相邻拖车的运行安全性指标数值总体上未见明显异常，仅在局部小半径曲线地段叠加较大压钩力和车钩偏转角的综合作用下，轮轨横向作用力会略有影响。

图6 车钩力随线路里程分布散点图

图7 车钩水平转角随线路曲率变化散点图

典型位置动力车尾部顶推和尾部惰性2种运行方式下动力车、相邻拖车轮轴横向力的对比散点图如图8、图9所示。动力车尾部顶推时该位置会出现明显增大的压钩力，车钩水平转角基本保持不变，动力车轮轴横向力出现小幅增大，而相邻拖车4轴（前进方向第1轴）轮轴横向力也出现一定幅度的增大。这说明纵向顶推力在车钩发生水平偏转后所产生的横向分力会对动力车及相邻拖车的轮轨作用产生一定影响作用，但影响程度在正常范围内。

图8 动力车轮轴横向力变化散点图

图9 拖车轮轴横向力变化散点图

3 单线隧道通过列车尾部动力学性能分析

目前我国单线隧道大多位于如陇海线、襄渝线这样的既有线，以及160 km/h速度级新建线路，而这些线路恰恰是160 km/h动力集中动车组的运营线路，因此动力集中动车组通过单线隧道的情况会较为普遍。单线隧道截面积较小，动车组通过时会产生明显空气动力学效应，容易引起列车晃车问题。陇海线宝鸡—元龙下行线存在多个单线隧道，动力集中动车组（短编、鼓形车体）在该区段高速通过单线隧道时就曾出现尾部动力车和拖车晃车现象，使其车体横向平稳性指标数值明显增大。正因如此，某动力集中动车组在该区段专门进行了单线隧道通过列车尾部动力学性能研究试验，测试了单线隧道通过时列车的动力学、空气动力学响应，分析了二者之间的耦合关联性。

动车组单线隧道时动车组横向平稳性指标、车外压差的最大值见表1。动力车头部牵引和尾部顶推2种运行方式通过单线隧道时的动车组动力学响应波形如图10、图11所示。综合分析可知：

图11 动力车尾部顶推通过单线隧道时动力学响应波形图

表1 单线隧道通过动车组动力学响应最大值列表

（1）动力车在尾部通过单线隧道时，动力车及相邻拖车车体两侧压力都会明显减小，且左右压差会出现波长25～40 m的周期性波动，使其车体横向振动加速度也出现周期性波动，车体横向平稳性指标数值明显增大；而动力车在头部通过单线隧道时，动力车及相邻拖车车体两侧压力都会明显增大，但左右压差未出现周期性波动，车体横向振动加速度未出现周期性波动。

（2）对于同一个单线隧道，随着通过速度的提高，动力车及相邻拖车车外压差逐渐增大，其车体横向平稳性指标逐渐增大。

（3）随着隧道长度的增大，动力车及相邻拖车车体两侧压差明显增大，其车体横向平稳性指标也逐渐增大。

4 结论及展望

综述了动力集中动车组涉及运行安全性和平稳性的动力学问题，主要包括动力车直线晃车、动力车尾部顶推方式运行安全性、单线隧道通过列车尾部动力学性能3个问题，详细介绍了围绕这些动力学问题开展的专项试验研究和计算分析工作，明确了这些动力学问题的产生原因、作用机理和影响因素，为动力集中动车组的安全平稳运营、可持续发展提供了技术支撑。针对上述3个动力学问题的主要结论如下：

（1）动力车直线晃车问题是由抗蛇行减振器安装角度过大引起的动力车低等效锥度下的车体二阶蛇行运动失稳，通过抗蛇行减振器安装角度、轴箱拉杆和抗蛇行减振器关节刚度等结构参数优化可以给出科学合理的解决方案。

（2）动力车尾部顶推方式下，压钩力对动力车及相邻拖车的运行安全性指标影响较小；小半径曲线且较大压钩力作用时，动力车及相邻拖车的轮轨横向作用力会有所增大；动力车与拖车间密接式车钩受压稳定性良好，车钩水平转角主要受线路曲线半径影响。

（3）单线隧道通过时，动车组尾部动力车及拖车车体两侧压差和车体横向振动都会出现周期性波动，使车体横向平稳性指标明显增大；并且车体两侧压差和车体横向平稳性指标随着通过速度和隧道长度的增大都会逐渐增大。

160 km/h动力集中动车组作为我国复兴号高铁战略的重要组成部分，正处于快速发展阶段，后续还会研制更多型号、更高速度级的动力集中动车组。未来动力集中动车组所面临的动力学相关问题将远不止于此，随着速度的提高和运营时间的累积，会不断有新的动力学问题出现。比如，尽管动力车直线晃车问题已经得到解决，但随着运营里程的增长，由车轮磨耗、薄轮缘旋修引起的等效锥度变化将会使动车组出现稳定性降低甚至失稳的问题，这就需要采用长期跟踪的方式开展进一步研究。动力车尾部顶推方式从目前试验情况来看对列车安全性影响不大，但随着运用条件的变化和牵引能力的提高，纵向车钩力与车钩动态响应也会发生改变，该问题应该持续关注。