高速列车蛇行运动分岔类型及评价方法研究

宋德刚 董浩 魏来 李智国 弓海斌 肖云鹏

（文章编号：1004－5422（2023）02－0207－06

DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.02.016

收稿日期：2021-11-21

基金项目：国家自然科学基金（11802041、52002344）；中国博士后面上项目 （2020M683367）；省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室开放课题（KF2021-13）；成都市教育局教育科研规划课题（CY2020ZW02）

作者简介：宋德刚（1980—），男，硕士，高级工程师，从事铁道车辆研究.E-mail：15954289165@163.com

通信作者：董浩（1985—），男，博士，副研究员，从事铁道车辆、动力学与控制研究.E-mail：18586651@qq.com

摘要：主要研究高速列车超临界和亚临界分岔蛇行运动的基本特征和评价方法.首先考虑不同轨道激励对蛇行运行分岔图的影响，并且提出一种在轨道激励的基础上增加横向脉冲的方法，然后根据极限环波幅、构架横向加速度均方根值及轮轴横向力均方根值分别对高速列车蛇行运动稳定性进行对比.针对不同高速列车进行极限环失稳后的安全性评估，分析高速列车蛇行失稳的脱轨安全性.另外，对于具有磨耗型车轮踏面的车辆，也对其蛇行运动稳定性和运行安全性评估进行了探讨.最后，在滚动振动试验台上进行了稳定性测试，比较了不同蛇行运动稳定性评价方法并验证了仿真结果.

关键词：高速列车；蛇行运动分岔；评价方法；运行安全性；稳定性测试

中图分类号：U270.11

文献标志码：A

0引言

车辆系统的蛇形失稳一直是研究者关注的焦点.由于我国高速列车的高速且长距离运行需要足够的安全余量，本研究针对具有不同形式分岔图的高速列车的蛇行失稳准则进行探讨，以便得到其安全域.确定铁道车辆临界速度的计算方法包括线性和非线性方法［1-2］.线性计算是基于轮轨接触几何和悬挂参数（包括刚度和阻尼）的线性化，为此采用系统特征值中的最小阻尼来评估蛇行稳定性.运行平稳性的非线性研究中指出，采用线性分析将比采用非线性方法产生更高的临界速度，尤其是亚临界分岔［3-4］.在滚动试验台上进行平稳性测试的方法是，在一段平滑轨道之后采用测量轨道激励来得到轨道不平顺下的临界速度.而非线性临界速度则可以在蛇行失稳［5-6］发生之后，通过降低测试速度获得.

对应车辆的非线性数学问题，具有连续振荡的极限环的出现被认为是不稳定的.很多研究者已经关注到非线性车辆系统［7-9］的精确理论解或数值解.然而，发生蛇行失稳特别是小极限环现象在工程应用方面几乎没有引起大的不良影响，因此，实际操作中蛇行稳定性是由相关准则且通过测量信号来评估的.国际铁路联盟518标准中，采用导向力和的均方根值及转向架构架横向加速度的均方根值去评价运行平稳性［10］.当构架横向加速度数值达到8 m/s2且超过连续6个周期、根据实际振荡频率确定滤波带为0.5～10.0 Hz时，数值明显超标.对于长期运营的高速列车，失稳监测装置被广泛安装在转向架构架上.

由蛇行失稳引起的安全性问题也是需要关注的问题.通常，根据国际铁路联盟518标准，使用导向力和、脱轨系数、转向架构架加速度峰值及倾覆系数来评估运行安全性.此外，轮重减载率和轮轴垂向力根据文献［10］确定.

本研究考虑多种轨道激励对分岔图的影响，提出一种在轨道激励加上横向脉冲的方法.根据相关准则，对2类车型蛇行失稳评估进行比较，对极限环失稳后的安全性进行评估.因此，分别确定2类车型的安全域，且对具有磨耗型踏面车辆的蛇行失稳评估和运行平稳性评估进行探讨，在全面滚动振动试验台上进行平稳性测试，比较不同准则并验证仿真结果.

1轨道激励的影响

1.1建模

考虑到车辆系统的非线性特性，本研究在SIMPACK中建立了具有不同形式分岔图类型的车辆系统多体动力学模型，如图1所示.选取2种典型高速列车车辆，即具有低锥度车轮踏面、软一系悬挂和摩擦型抗蛇行减振器的车辆A及具有高锥度车轮踏面、刚性一系悬挂和阻尼型抗蛇行减振器的车辆B.把车辆模型视作多刚体系统，基于参数测试结果，考虑悬挂系统的非线性.每节拖车有44个独立自由度，每个轮对有4个独立自由度，每个轴箱转臂有1个独立自由度，每个连接杆有1个独立自由度，每个转向架构架有6个独立自由度，每个车体有6个自由度.

1.2非线性临界速度的计算

众所周知，高速列车普遍存在亚临界分岔和超临界分岔，如图2所示.线性临界速度VA能够由线性方法确定或在没有轨道激励的情况下通过提高速度确定，而非线性临界速度VB可以在蛇行失稳后通过降低速度获得.稳定性测试或计算工具中，实际临界速度VC主要由测量轨道不平顺确定.本研究提出了一种在轨道激励中加入横向脉冲的方法，在此基础上评估车辆的蛇行稳定性和运行安全性.非线性临界速度通过在初始失稳状态下降低速度來获得，如图3所示.在考虑新/磨耗型踏面的情况下，分别对车辆A和车辆B的非线性临界速度进行了计算.

1.3轨道激励对分岔图的影响

考虑轨道激励对分岔图的影响，包括平滑轨道、轮对在横向或摇头方向的横向位移、车体横向脉冲、测量轨道激励、附加横向脉冲的测量轨道激励及失稳后降低速度.

如图4所示，轨道激励对分岔图有很大的影响.对于有亚临界分岔形式的车辆A，在平滑轨道作用下的临界速度似乎高于轨道激励作用下的临界速度，而附加横向脉冲的测量轨道不平顺致使临界速度更接近非线性临界速度.对于超临界分岔形式的车辆B，极限环幅值几乎没有差别.

2蛇行失稳准则

在工程操作上采用轮轴力或转向架构架加速度来评估蛇行稳定性.根据极限环振幅、构架横向加速度均方根值及导向力和的多种标准，对蛇行失稳评估进行比较.

为了预测车辆稳定性，定义规范化百分比，即实际值与极限值的比值，以比较不同失稳准则，如图5所示.

此处考虑多种条件，如具有新/磨耗型踏面的车辆A及具有新/磨耗型踏面的车辆B.从图5可知，随着速度增加，规范化指数逐渐增加.对于具有新踏面的车辆A，取决于极限环的临界速度低于基于测量信号的临界速度，而转向架构架加速度峰值将导致最高临界速度.对于具有磨耗型踏面的车辆A，根据全部准则，临界点将降低到某个更低的速度.对于具有新踏面的车辆B，取决于极限环的临界速度低于基于测量信号的临界速度，其中基于测量信号的安全域偏高.对于具有磨耗型踏面的车辆B，由极限环可知，临界点将会降低到某个更低的速度，而基于测量信号的安全裕度仍然很高，由测量的磨耗型踏面决定.3失穩后的安全性评估

为了预测失稳后的车辆运行安全性，同样也定义规范化百分比，即实际值与极限值的比值，以比较不同的安全系数，如图6所示.从图6可知，随着速度的增加，规范化的安全系数逐渐增加.对于具有亚临界分岔的车辆A，在恶劣的轨道不平顺情况下，发生大幅度失稳将显著地提高安全系数.而对于具有超临界分岔的车辆B，小极限环振荡将不会引起安全性问题.对于此2种车辆，磨耗型踏面将降低运行安全性，而这也取决于所选择的磨耗型踏面.

4台架试验

为了验证计算得出的结论，在全滚动振动试验台上进行稳定性测试.高速列车在初始条件下的临界速度相对较高.本研究在抗蛇行减振器失效的情况下进行测试，分析基于不同测试信号的准则，例如轮对的横向振幅、20 Hz低通滤波的导向力和及3～9 Hz带通滤波的转向架构架加速度.此3个准则都是基于我国国标的，并且由于运行速度不连续，因此在本研究中不对均方根值进行比较.

从图7可知，在210 km/h的速度下，极限环的出现并不会立即影响导向力和及转向架构架的加速度.随着速度增加到230 km/h，转向架构架加速度会连续6次以上超过8 m/s2，而导向力和总在安全限值内.

5结论

为考虑悬挂系统的非线性特性，在SIMPACK中建立车辆系统多体动力学模型.本研究主要讨论了2种典型车辆分岔形式，分别考虑新/磨耗型踏面的情形，并且在车辆A和车辆B处于失稳的初始状态下通过降低速度进行非线性临界速度的计算.本研究得出的结论如下：

1）提出了用轨道激励加上横向脉冲的方法来计算分岔图.

2）根据相关准则，对蛇行失稳评估进行比较得出：取决于极限环的临界速度低于基于测量信号的临界速度，而对于具有新踏面的车辆A和车辆B，转向架构架加速度的峰值使得车辆达到最高临界速度.此外，对于具有磨耗型踏面的车辆，其临界点将下降到某个更低的速度.

3）分别对失稳后的运行安全性进行探讨.对于具有亚临界分岔形式的车辆A，在恶劣的轨道不平顺情况下，发生大幅度失稳将显著地提高安全系数.但是，对于具有超临界分岔形式的车辆B，小极限环振荡不会导致安全问题.对于这2种车辆，磨耗型踏面将降低运行安全性，但这也取决于所选择的磨耗型踏面.

4）对去掉抗蛇行减振器的高速列车进行滚动试验台测试，以比较不同准则下的蛇行失稳和运行安全性，可以发现：在210 km/h速度下，极限环的出现将不会立即影响导向力和及转向架构架的加速度；随着速度增加到230 km/h，转向架构架加速度将连续6次以上超过8 m/s2，而导向力和总在安全限值内.

参考文献：

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［10］中國铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，中国铁道科学研究集团有限公司标准计量研究所.机车车辆动力学性能评定及试验鉴定贵方：GB/T 5599-2019［S］.北京：中国标准出版社，2019.（实习编辑：黄爱明）

Research on Hunting Bifurcation Type and Evaluation Method for High-Speed Vehicles

SONG Degang 1，DONG Hao 2，3，WEI Lai4，LI Zhiguo1，GONG Haibin 1 ，XIAO Yunpeng5

（1.Technology Center，CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China;

2.Institute for Advanced Study，Chengdu University，Chengdu 610106，China;

3.Technology and Innovation Center，CRRC Meishan Co.，Ltd.，Meishan 620032，China;

4.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;

5.Passenger Train Division，Qingdao CRRC Sifang Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

Abstract：

This paper focuses on the research of hunting instability criteria for two bifurcation types of vehicles.Firstly，the influence of track excitations on bifurcation graph is considered and a method of applying track excitation added with lateral impulse is proposed.Then，according to various criteria including the amplitude of limit cycles，RMS value of bogie frame acceleration and RMS value of the sum of guiding force，the hunting instability assessment is compared.The safety assessment of two vehicles after limit cycle instability is conducted.Thus，the safety domain of two vehicles can be determined respectively.Besides，the hunting instability and running safety assessment for worn wheel profile vehicles are also studied.Finally，the stability tests on full scale roller rig are conducted to compare different criteria and validate the simulation result.

Key words：

high-speed vehicle;hunting bifurcation;evaluation method;running safety;stability test