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高速轉(zhuǎn)向架非線性與高鐵車輛安全穩(wěn)定性裕度

文檔作者：樸明偉梁樹林方照根兆文忠文檔來(lái)源： 1．大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2．長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月04日
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第32卷，第3期
2 0 1 1年5月
中 國(guó) 鐵 道 科 學(xué)
CHINA RAILW AY SCIENCE
Vo1．32 NO．3
M ay， 2011
文章編號(hào)：1001—4632(2011)03—0086—07
高速轉(zhuǎn)向架非線性與高鐵車輛安全穩(wěn)定性裕度
樸明偉 ，梁樹林 ，方照根 ，兆文忠
(1．大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028；2．長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062)
摘要：以高速輪軌關(guān)系空間為邊界條件，分析高速轉(zhuǎn)向架的非線性穩(wěn)定性、拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性和
抗蛇行高頻卸荷機(jī)制，并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將提高高鐵車輛穩(wěn)定性裕度的主要途徑歸納為2種抗蛇行模式，即大阻
尼抑制蛇行和抗蛇行吸能頻帶。但大阻尼抑制蛇行將帶來(lái)降低車體橫向平穩(wěn)性和惡化輪軌磨耗等諸多負(fù)面影響。
因此，針對(duì)構(gòu)架振動(dòng)報(bào)警等高鐵應(yīng)用的新問題，提出基于抗蛇行吸能頻帶的安全穩(wěn)定性裕度調(diào)控方案，并在臺(tái)
架試驗(yàn)基礎(chǔ)上制訂了抗蛇行軟約束的積極對(duì)策，仿真預(yù)期結(jié)果表明其完全可以保障380 km·h 運(yùn)營(yíng)速度下高鐵
車輛的安全穩(wěn)定性裕度。
關(guān)鍵詞：高速轉(zhuǎn)向架；非線性；安全穩(wěn)定性裕度；踏面磨耗；抗蛇行減振器
中圖分類號(hào)：U266：U260．331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
安全穩(wěn)定性裕度指高鐵車輛應(yīng)用所必須具備的
安全余量，而高鐵(磨耗)輪軌接觸和轉(zhuǎn)向架將對(duì)
其產(chǎn)生非常敏感的非線性影響。因此，必須結(jié)合高
鐵運(yùn)營(yíng)實(shí)踐來(lái)論證安全穩(wěn)定性裕度的可調(diào)控性，并
制定積極有效和具有可操作性的技術(shù)對(duì)策。
隨著對(duì)高速轉(zhuǎn)向架非線性認(rèn)知的不斷加深，
Polach[1]最早提出了超臨界分叉的動(dòng)態(tài)行為安全性
問題，即輪對(duì)小幅蛇行運(yùn)動(dòng)，而構(gòu)架橫向加速度未
達(dá)到安全極限。Alfi~ 。]研究了影響穩(wěn)定性的其他2
個(gè)因素：①磨耗輪軌接觸的匹配特征；②牽引電機(jī)
的彈性架懸。曾京_4]指出了抗蛇行減振器節(jié)點(diǎn)徑向
剛度是影響車輛臨界速度的敏感參數(shù)之一。文獻(xiàn)
E5-l提出并驗(yàn)證了寬吸能頻帶抗蛇行減振器模型，
進(jìn)而制定了提高車速減輕側(cè)磨的改進(jìn)方案，目前這
一改進(jìn)方案已經(jīng)得到京津和武廣高鐵應(yīng)用的驗(yàn)證。
由于高鐵輪軌磨耗及特征演變，高速輪軌關(guān)系空問
必須作為高速轉(zhuǎn)向架應(yīng)用的邊界條件，同時(shí)，高鐵
車輛安全穩(wěn)定性裕度及其可調(diào)控性研究也要通過某
些非線性敏感環(huán)節(jié)的調(diào)整(如抗蛇行吸能頻帶)來(lái)
改變其穩(wěn)定性態(tài)，進(jìn)而將高速轉(zhuǎn)向架的非線性行為
控制在安全極限以下。
為此，本文結(jié)合國(guó)產(chǎn)動(dòng)車組的應(yīng)用，首先討論
高速轉(zhuǎn)向架3大非線性；進(jìn)一步分析抗蛇行模式，
闡述安全穩(wěn)定性裕度內(nèi)涵；按照抗蛇行吸能頻帶調(diào)
收稿日期：2010-08-10；修訂日期：2011—02—13
項(xiàng)目基金：“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAFO1AO1)
作者簡(jiǎn)介：樸明偉(1962一)，男，遼寧鞍山人，教授。
控機(jī)制，提出抗蛇行軟約束技術(shù)對(duì)策，并通過動(dòng)態(tài)
仿真驗(yàn)證預(yù)期結(jié)果。
l 高速轉(zhuǎn)向架3大非線性
高速輪軌關(guān)系空間是指輪對(duì)蛇行幅值為3 mm
時(shí)的等效錐度 ≤ 0．4和運(yùn)營(yíng)車速 ≤ 450
km·h啊。?？紤]到牽引電機(jī)彈性架懸、兩系懸掛設(shè)
計(jì)形式和黏性減振器元件構(gòu)造(如Sacks抗蛇行減
振器)，高速轉(zhuǎn)向架非線性問題非常突出。為此，
從穩(wěn)定性角度出發(fā)，首先討論非線性穩(wěn)定性、拖車
構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性和抗蛇行高頻卸荷機(jī)制3個(gè)典
型非線性。
1．1 非線性穩(wěn)定性
Alfi[。]認(rèn)為彈性架懸的牽引電機(jī)相當(dāng)于1個(gè)吸
能振子，且在其橫擺模態(tài)的特定頻率范圍內(nèi)，適度
降低對(duì)角安裝于構(gòu)架與電機(jī)底盤問的減振器阻尼，
有益于提高車輛穩(wěn)定性裕度。
前期研究表明：動(dòng)車與拖車轉(zhuǎn)向架具有截然不
同的穩(wěn)定性態(tài)。穩(wěn)定性態(tài)是指整車根軌跡曲線所反
映的穩(wěn)定性質(zhì)和變化形態(tài)。新裝輪對(duì)(踏面為
S1002CN， eN一0．16)和磨耗輪對(duì)( eN：0．40)
的動(dòng)車根軌跡如圖1所示。由圖1可知：動(dòng)車轉(zhuǎn)向
架蛇行模態(tài)頻率很小，大約為2～3 Hz，甚至形成
第3期 高速轉(zhuǎn)向架非線性與高鐵車輛安全穩(wěn)定性裕度 87
了“自穩(wěn)定”性態(tài)，這解釋了Alfi的“振子吸收
能量”觀點(diǎn)。
新裝輪對(duì)的拖車根軌跡曲線如圖2所示。由圖
2可知：拖車轉(zhuǎn)向架蛇行頻率將隨車速的升高而增
大，在磨耗輪軌接觸下有可能達(dá)到6～7 Hz。
5．OO
3．75
料2．5O
囂
1．25
0
電機(jī)吊架橫移橫態(tài)
行
， ， ／ ／
一體
Io．o 1o．o 30．o 50．o 70．o
相對(duì)阻尼／％
(a)新車輪 N：0．16
8,0
6．o
旃4．0
2．0
0
褂
一態(tài) ：
、 一． ' = 。
10 0 10．0 30．0 50．0
相對(duì)阻尼／％
(b)磨耗后車輪九N=0．40
圖1 動(dòng)車根軌跡曲線
70．O
圖2 拖車根軌跡曲線(新車輪 。 一O．16)
隨著輪對(duì)等效錐度的增大，動(dòng)車車體側(cè)滾模態(tài)
趨于“自穩(wěn)定”性態(tài)(見圖1)，因而“二次蛇行”
也逐漸消失。計(jì)算表明拖車也具有類似的規(guī)律。因
此適度輪軌磨合有助于消除二次蛇行。
1．2 拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性
CRH。動(dòng)車組拖車和動(dòng)車的一系懸掛參數(shù)相
同，而拖車轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架簧上質(zhì)量和構(gòu)架點(diǎn)頭慣矩
與動(dòng)車轉(zhuǎn)向架有很大的差異。多種工況的整車模態(tài)
分析表明：拖車構(gòu)架點(diǎn)頭模態(tài)阻尼接近或超過
6O 。這種拖車構(gòu)架點(diǎn)頭高阻尼將帶來(lái)點(diǎn)頭遲滯非
線性行為。構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性行為是指因點(diǎn)頭遲
滯非線性造成軸箱上方測(cè)量的構(gòu)架垂向加速度頻譜
響應(yīng)與空簧橡膠座處測(cè)量的明顯不同。
動(dòng)車與拖車的構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性行為對(duì)比如
圖3所示。由圖3可知：在軸箱上方和空簧橡膠座
測(cè)量的構(gòu)架垂向加速度頻譜響應(yīng)差異較小，表明動(dòng)
車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯ql~4,；拖車兩者差異很大，表明拖
車轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭遲滯非線性大。拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非
線性將積聚相當(dāng)大的能量使構(gòu)架產(chǎn)生扭曲彈性振
動(dòng)。
頻率／Hz
(a)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架
圖3 動(dòng)車與拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性行為
( 一350 km ·h一 )
拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性行為主要表現(xiàn)為：
①軸箱上方測(cè)量的構(gòu)架垂向加速度形成了1O～3O
Hz的寬頻帶響應(yīng)；② 構(gòu)架則以扭曲彈性振動(dòng)來(lái)釋
放部分能量，并有可能引發(fā)高階結(jié)構(gòu)振動(dòng)，見圖3
(b)。
由于構(gòu)架橫擺、搖頭和側(cè)滾模態(tài)頻率都在上述
寬頻帶(10~30 Hz)響應(yīng)的頻域范圍內(nèi)，因而拖
一 NZ． ∞． 一～Q 越 最厘 霉 一 N Hl ．7Ⅲ_)、日 刪最匠
中國(guó)鐵道科學(xué) 第32卷
車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性還將導(dǎo)致如下現(xiàn)象：一旦抗
蛇行減振器卸荷，構(gòu)架橫擺、搖頭和側(cè)滾模態(tài)就會(huì)
發(fā)生耦合振動(dòng)，并造成拖車構(gòu)架產(chǎn)生橫向顫振。
UIC5 1 5規(guī)定，不穩(wěn)定頻帶(Instability Frequencyband)
是指在車輛軌道運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架實(shí)際蛇行振
蕩的監(jiān)控頻帶，注意切莫與構(gòu)架蛇行模態(tài)頻率混
淆。
由此可見，構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性是高速懸掛系
統(tǒng)設(shè)計(jì)的難題之一，目前國(guó)內(nèi)外還沒有有效的解決
方案。為此，對(duì)拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性及其動(dòng)態(tài)
行為(如構(gòu)架扭曲振動(dòng)和卸荷顫振)必須有清楚的
認(rèn)識(shí)。
1．3 高頻卸荷機(jī)制
必須從如下2個(gè)方面理解Sacks抗蛇行減振器
的非線性行為。
(1)流變特性是指介于固體與液體之間的物質(zhì)
力學(xué)特性。與眾多的同類型黏性減振器相比，
Sacks抗蛇行減振器的流變特性非常理想。根據(jù)樣
本資料，在溫度等環(huán)境因素?cái)z動(dòng)下，其阻尼特性曲
線仍然保持非常理想的對(duì)稱性和性能參數(shù)特征。
(2)高頻卸荷機(jī)制是指在高頻激擾作用下抗蛇
行減振器通過安全閥卸荷保護(hù)其內(nèi)部液壓密封元
件。通常，減振器試驗(yàn)是基于準(zhǔn)靜態(tài)原則建立的。
如由示功圖得到準(zhǔn)靜態(tài)工作點(diǎn)(相對(duì)速度和阻尼
力)，進(jìn)而繪制阻尼特性曲線，因而卸荷力和卸荷
速度作為標(biāo)定參數(shù)。隨著高鐵的發(fā)展，抗蛇行減振
器臺(tái)架上的頻譜響應(yīng)變得十分重要。從小攝動(dòng)位移
激擾的施加角度看，也不得不考慮抗蛇行減振器正
常工作頻率的上限閾值，這一閾值稱為卸荷頻率。
綜上所述，在不同的輪軌磨耗特征下，高速轉(zhuǎn)
向架可能表現(xiàn)出不同的非線性動(dòng)態(tài)行為。如對(duì)于中
央輕微的下凹型磨耗踏面來(lái)說(shuō)，局部密貼接觸將引
起接觸點(diǎn)跳動(dòng)進(jìn)而造成拖車構(gòu)架的橫向顫振。因而
需要在實(shí)踐中不斷加深對(duì)高速轉(zhuǎn)向架非線性的認(rèn)
識(shí)，以正確認(rèn)識(shí)安全穩(wěn)定性裕度。
2 安全穩(wěn)定性裕度內(nèi)涵
穩(wěn)定性裕度(如相位裕度等)是衡量非線性系
統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是指車
輛非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性(如臨界速度)和動(dòng)態(tài)行為安
全性(如構(gòu)架橫向加速度和車軸橫向力)的綜合評(píng)
價(jià)。這也是許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的通用做法，如
EN】4363，UIC518／515和FRA 49CFR238等。
對(duì)于高速轉(zhuǎn)向架應(yīng)用而言，安全穩(wěn)定性裕度具
有如下內(nèi)涵。
2．1 輪軌磨耗對(duì)穩(wěn)定性的敏感非線性影響
Polach曾進(jìn)行了2種典型高鐵輪軌磨耗特征
對(duì)穩(wěn)定性及行為安全影響的對(duì)比研究_1]。這2種典
型的高鐵輪軌磨耗特征是在輪對(duì)蛇行幅值為3 mm
處等效錐度曲線分別呈現(xiàn)遞增和遞減變化。根據(jù)輪
對(duì)蛇行分叉理論，前者對(duì)應(yīng)亞臨界分叉，并在達(dá)到
臨界速度時(shí)構(gòu)架橫向加速度也剛好達(dá)到安全極限；
而后者則為超臨界分叉，在車輛速度達(dá)到臨界速度
前，輪對(duì)小幅值蛇行，且輪對(duì)蛇行幅值隨車速逐步
增大，但構(gòu)架橫向加速度并未達(dá)到安全極限。所
以，Polach認(rèn)為在超臨界分叉下臨界速度被“低
估”了。但是，考慮到高速轉(zhuǎn)向架自身菲線性，
Polach的上述觀點(diǎn)值得深入探討。
有2種典型的輪軌接觸類型【2]：圓錐接觸和密
貼接觸。在相同的輪對(duì)橫移小攝動(dòng)下，圓錐接觸的
接觸點(diǎn)連續(xù)變化，而密貼接觸則出現(xiàn)明顯的接觸點(diǎn)
跳動(dòng)。對(duì)于300 km·h 及以上高速轉(zhuǎn)向架應(yīng)用來(lái)
講，在直線和大曲線(曲線半徑≥7 000 m)的線
路條件下，車輪踏面通常形成中央輕微下凹型磨耗
的特征，并與鋼軌構(gòu)成了局部密貼接觸。因此，局
部密貼接觸是高鐵輪軌磨耗的常見現(xiàn)象之一，其主
要表現(xiàn)為接觸點(diǎn)跳動(dòng)并形成輪對(duì)小幅蛇行。
接觸點(diǎn)跳動(dòng)將引起拖車構(gòu)架蛇行模態(tài)的耦合振
動(dòng)，進(jìn)而造成對(duì)抗蛇行減振器的高頻擾動(dòng)，導(dǎo)致高
頻卸荷。由于拖車構(gòu)架點(diǎn)頭遲滯非線性，抗蛇行減
振器卸荷將誘發(fā)構(gòu)架搖頭、橫移和側(cè)滾模態(tài)的耦合
振動(dòng)，造成拖車構(gòu)架橫向顫振(該橫向顫振模態(tài)的
主頻為6．7 Hz)，并發(fā)出振動(dòng)報(bào)警，但此時(shí)拖車轉(zhuǎn)
向架的車軸橫向力并未達(dá)到穩(wěn)定安全極限。
顯然Folach忽略了高速轉(zhuǎn)向架的非線性動(dòng)態(tài)
行為。盡管構(gòu)架振動(dòng)報(bào)警也存在一些偶然因素，如
變電車(即裝有受電弓和變壓器的車輛)的抗側(cè)滾
扭桿剛度比其他車型的車輛大38 ，或故障段與
正常段鋼軌材質(zhì)差異等，但是高鐵輪軌磨耗及特征
演變與轉(zhuǎn)向架非線性動(dòng)態(tài)行為是密切相關(guān)的。因
此，對(duì)于在特定線路發(fā)生的特殊問題(如振動(dòng)報(bào)
警)，需要就高速轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性裕度進(jìn)行必要的調(diào)
控。
2．2 2種抗蛇行方式
隨著輪對(duì)等效錐度的增大，高鐵車輛將形成車
體和轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定區(qū)域。為了提高轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性
裕度，有2種抗蛇行模式：一是大阻尼抑制蛇行；
第3期 高速轉(zhuǎn)向架非線性與高鐵車輛安全穩(wěn)定性裕度 89
二是抗蛇行吸能頻帶。
2．2．1 大阻尼抑制蛇行
大阻尼抑制蛇行模式具有3個(gè)特點(diǎn)：①踏面選
用及輪對(duì)定位基本上采用傳統(tǒng)形式，如DT200系
列轉(zhuǎn)向架采用彈性拉板或轉(zhuǎn)臂定位形式；②為了彌
補(bǔ)因大阻尼抑制蛇行模式帶來(lái)的橫向平穩(wěn)性影響，
不得不采用被動(dòng)或(半)主動(dòng)橫向減振技術(shù)，如
CRH 轉(zhuǎn)向架的橫向減振器線性阻尼大約是CRH。
的2倍(每架)；③ 輪軌磨耗相當(dāng)嚴(yán)重，且無(wú)法實(shí)
施報(bào)警等安全措施。因此，大阻尼抑制蛇行模式是
1種消極的安全對(duì)策。
2．2．2 抗蛇行吸能頻帶
CRH。轉(zhuǎn)向架有2個(gè)構(gòu)造特征：S1002CN為
寬輪緣踏面(輪緣加寬3．5 mm)和抗蛇行減振器
采用了冗余設(shè)計(jì)方式(每架4個(gè))。這2個(gè)構(gòu)造特
征隱含了抗蛇行吸能頻帶模式的如下特點(diǎn)：① 轉(zhuǎn)向
架穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在輪對(duì)的高等效錐度區(qū)域，
因而輪對(duì)縱向定位剛度達(dá)到了120 MN ·m ；
② 維持CRH。轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性不但要依靠輪軌蠕滑
與激擾增益的制衡關(guān)系，而且還要通過抗蛇行吸能
頻帶及時(shí)吸收蛇行振蕩能量， 因而CRH。轉(zhuǎn)向架
采用了具有“低阻抗小遲滯”特性的橫向懸掛；③
為了確保高鐵運(yùn)營(yíng)的安全性，采用了諸多安全措
施，如抗蛇行減振器冗余設(shè)計(jì)和構(gòu)架振動(dòng)報(bào)警等。
由此可見，抗蛇行吸能頻帶是1種積極的安全對(duì)
策。
根據(jù)京津高鐵的跟蹤測(cè)試結(jié)果，經(jīng)輪軌磨合
后，S1102CN踏面進(jìn)入穩(wěn)定磨耗期(大約在40萬(wàn)
km之前)。盡管此時(shí) 達(dá)到0．3左右，但列車運(yùn)
行仍然保持優(yōu)良的乘坐舒適性。相反，LMA踏面
更換試驗(yàn)表明：在輪對(duì)等效錐度很低時(shí)，車輛運(yùn)行
平穩(wěn)性卻較低，甚至出現(xiàn)通過道岔時(shí)的失穩(wěn)現(xiàn)象。
2．3 高鐵輪軌磨耗特征
Alfi對(duì)踏面磨耗極限的研究表明【。。：高鐵輪軌
存在2種磨耗形式：① 均勻磨耗，其等效錐度曲線
遞增變化；② 中央輕微下凹磨耗，導(dǎo)致局部密貼接
觸造成接觸點(diǎn)跳動(dòng)，進(jìn)而形成輪對(duì)小幅蛇行。因?yàn)?
接觸點(diǎn)跳動(dòng)有可能造成拖車轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)的耦合
振動(dòng)，因而無(wú)法界定踏面的磨耗極限。為此，Alfi
提出了基于等效錐度曲線積分的踏面磨耗極限確定
方法。
Kevin指出l6]：車輪踏面下凹磨耗將造成空載
或輕載貨車的車體橫向振動(dòng)，而并非形成所想象的
蛇行失穩(wěn)。這項(xiàng)研究結(jié)論間接地證實(shí)了2．1節(jié)論述
的構(gòu)架振動(dòng)報(bào)警原因的分析結(jié)論。
無(wú)論常規(guī)鐵路還是高速鐵路，其車輛應(yīng)用的實(shí)
踐經(jīng)驗(yàn)都表明：要重視輪軌磨耗特征的調(diào)查研究，
嚴(yán)格控制有害輪軌磨耗(如輪對(duì)偏磨)，并以適當(dāng)
的安全穩(wěn)定性裕度作為原則來(lái)制定針對(duì)常見輪軌磨
耗特征(如車輪踏面下凹磨耗)的鏇輪制度。
3 基于抗蛇行吸能頻帶的調(diào)控方案
相對(duì)大阻尼抑制蛇行模式，抗蛇行吸能頻帶方
式不僅是一種積極的技術(shù)對(duì)策，而且也為安全穩(wěn)定
性裕度的可調(diào)控性提供了手段。
3．1 抗蛇行軟約束調(diào)控
在小攝動(dòng)位移激擾的假設(shè)條件下，抗蛇行減振
器系統(tǒng)可以看作1個(gè)彈簧和1個(gè)阻尼串聯(lián)單元，其
總剛度稱為串聯(lián)剛度；以串聯(lián)剛度作為可變參數(shù)，
可以得到其頻響特性曲線，如圖4所示。圖中，K
為彈簧剛度。
80．0
j 60．0
髻40．0
20．0
— 0
頻率小Z
(a)幅頻響應(yīng)
頻率／Hz
fb)相頻響應(yīng)
圖4 彈簧一阻尼串聯(lián)單元頻率響應(yīng)特性
動(dòng)態(tài)剛度是指上述串聯(lián)單元阻抗力與激擾位移
幅值之比。彈簧蓄能剛度與阻尼耗散剛度形成的復(fù)
剛度的倒數(shù)的幅角稱為相位l5J。動(dòng)態(tài)剛度可以劃分
為如下3個(gè)頻段：① 大阻尼低頻段，其相位接近
9O。，此時(shí)動(dòng)態(tài)剛度很小，以兼顧準(zhǔn)靜態(tài)曲線通過
性能；② 高頻卸荷段，相位接近0。，此時(shí)動(dòng)態(tài)剛
度接近串聯(lián)剛度，但為了保護(hù)液壓密封元件，實(shí)行
高頻卸荷；③ 吸能頻帶，介于兩者之間，其相位響
應(yīng)曲線的斜率較大。該吸能頻帶位置由松弛時(shí)間的
倒數(shù)確定，松弛時(shí)間是指串聯(lián)阻尼與剛度之比。
德國(guó)ZF Sachs AG推薦2種端節(jié)點(diǎn)徑向剛度
17或7O MN·m 供選用。Sachs抗蛇行減振器的
特性具有非常獨(dú)特的對(duì)稱性，且其液壓動(dòng)態(tài)剛度很
中國(guó)鐵道科學(xué) 第32卷
大。液壓動(dòng)態(tài)剛度指抗蛇行減振器迫使活塞泄流閥
開啟并產(chǎn)生微小位移時(shí)的動(dòng)態(tài)剛度。ZF Sachs AG
的臺(tái)架試驗(yàn)表明：在合理的抗蛇行阻尼和較高的液
壓動(dòng)態(tài)剛度條件下，由于抗蛇行軟約束(如端節(jié)點(diǎn)
剛度17 MN·m )可以補(bǔ)償小位移攝動(dòng)，活塞泄
流閥關(guān)閉，抗蛇行減振器液壓動(dòng)態(tài)剛度相當(dāng)大，串
聯(lián)剛度接近端節(jié)點(diǎn)徑向剛度之半；而抗蛇行硬約束
(如端節(jié)點(diǎn)剛度70 MN·m )將迫使其活塞產(chǎn)生
微小位移，串聯(lián)剛度則接近液壓動(dòng)態(tài)剛度。由此可
見，抗蛇行軟約束調(diào)控簡(jiǎn)便可行的。
3．2 改進(jìn)方案及仿真分析
原方案：抗蛇行減振器線性阻尼為330
kN·S·1TI～，卸荷力為10 kN，在抗蛇行硬約束
下，液壓動(dòng)態(tài)剛度調(diào)節(jié)至大約4 MN·rn～ 。改進(jìn)
方案：抗蛇行減振器線性阻尼440 kN ·S·in一，
卸荷力大約10 kN，液壓動(dòng)態(tài)剛度很大，抗蛇行軟
約束(端節(jié)點(diǎn)剛度l6 MN·m )。
情況1：車輪踏面為S1002CN，軌道采用
1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距和60 kg·rn_1鋼軌。情況2：
車輪踏面為L(zhǎng)M 踏面，采用1 427 mm 軌距和60
kg·in 鋼軌。由情況1模擬新輪軌接觸，由此時(shí)
JleN一0．16；情況2模擬磨耗輪軌情況，此時(shí) 一
0．43。情況1和情況2的等效錐度曲線如圖5所
示。
以動(dòng)車(MC01／08)和拖車(TC02／07)為研
究對(duì)象，進(jìn)行如下3方面的對(duì)比分析。
3．2．1 臨界速度對(duì)比
原方案和改進(jìn)方案時(shí)動(dòng)車和拖車的臨界速度分
l_3
1．0
萎。一7
0·4
O．】
一侑 l
? ． 情況2
／
，． ／
-_l ? ? ? 一 ／ ／
一
一
一一一
／
／
O O．002 0．0O4 0．o06 0．008 O．O1
輪對(duì)蛇行幅值，m
圖5 2種極端的輪軌接觸情況
別見表1。這里需要說(shuō)明2點(diǎn)：①隨著輪軌磨耗，輪
對(duì)等效錐度增大，輪對(duì)對(duì)中性能增強(qiáng)，因而非線性
臨界速度大于線性臨界速度；② 電機(jī)底盤的非線性
約束(如構(gòu)架與電機(jī)底盤間對(duì)角安裝的減振器卸荷
和中央安裝的橫擋橡膠剛度等)增強(qiáng)了上述臨界速
度的變化趨勢(shì)，如對(duì)于改進(jìn)方案，動(dòng)車非線性臨界
速度在磨耗輪軌接觸下有較大幅度的提升。
表1 臨界速度 km·h
3．2．2 動(dòng)態(tài)行為安全性評(píng)價(jià)對(duì)比
原方案和改進(jìn)方案的動(dòng)態(tài)行為安全性評(píng)價(jià)見表
2。由表2可知，改進(jìn)方案的安全穩(wěn)定性裕度得到
了全面的提高，完全能夠滿足高鐵的安全穩(wěn)定性裕
度要求。
表2 原方案和改進(jìn)方案構(gòu)架橫向加速度采樣均方差 1TI·s一。
注：①方框內(nèi)的加速度表示該加速度值已經(jīng)超過相應(yīng)的限定值；②拖車構(gòu)架橫向加速度限定值5．25 m·s ；動(dòng)車構(gòu)架橫向加速度限定
值為5．45 ITI·s一。
3．2．3 安全極限工況性態(tài)及危害程度評(píng)估
安全極限工況是指構(gòu)架橫向加速度接近或達(dá)到
安全極限值的運(yùn)行工況。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)車輛型式試
驗(yàn)規(guī)定的2個(gè)安全極限為：① 構(gòu)架橫向加速度；②
第3期 高速轉(zhuǎn)向架非線性與高鐵車輛安全穩(wěn)定性裕度
車軸橫向力，其安全極限為車軸橫向力最大允許值
的一半，也稱為穩(wěn)定安全極限值。
型式試驗(yàn)是指新設(shè)計(jì)或改進(jìn)設(shè)計(jì)軌道車輛的性
能驗(yàn)收試驗(yàn)。車輛在直線或大曲線運(yùn)行時(shí)，只要輪
對(duì)縱向定位剛度足夠大，構(gòu)架橫向加速度一般首先
達(dá)到其安全極限。
圖6為原方案在安全極限工況下構(gòu)架橫向加速
度頻譜分析。
0 10
．0 20 0 30．0 40．0 50．0
頻率／Hz
6 原方案拖車構(gòu)架橫向加速度頻譜響應(yīng)特征
由圖6可知，原方案構(gòu)架橫向加速度過早達(dá)到
安全極限的主要原因有2個(gè)：① 對(duì)應(yīng)于不穩(wěn)定頻帶
的蛇行諧振峰值增長(zhǎng)過快；② 蛇行諧振進(jìn)一步造成
構(gòu)架側(cè)滾振動(dòng)出現(xiàn)峰值響應(yīng)，并有抗側(cè)滾扭桿的伴
隨扭振。因?yàn)橥宪嚍樽冸娷?，抗?cè)滾扭桿剛度比其
他車型的車輛大38 ，因此，抗側(cè)滾扭桿扭振使
車輪載荷產(chǎn)生交變附加載荷，車輪萌生滾動(dòng)接觸疲
勞(RCF)的可能性增大了(根據(jù)測(cè)量，變電車車
輪踏面磨耗大約是鄰車的2倍)。
圖7為改進(jìn)方案在安全極限工況下構(gòu)架橫向加
速度頻譜分析。由圖7可知：當(dāng)拖車運(yùn)行速度為
400 km·h 時(shí)，轉(zhuǎn)向架蛇行諧振峰值最大；當(dāng)拖
車運(yùn)行速度為420 km·h 時(shí)，構(gòu)架發(fā)生橫擺顫振
并導(dǎo)致橫向減振器進(jìn)入卸荷狀態(tài)。這種安全極限工
況性態(tài)的危害程度是最低的。因此，改進(jìn)方案的安
全穩(wěn)定性裕度有了明顯提高，其主要原因在于通過
抗蛇行軟約束調(diào)控，抗蛇行吸能頻帶移向高頻位
置，及時(shí)吸收了蛇行振蕩能量。
3．5『 一280km h一-
3．0 L 1 — 300 kin·h一‘
一
改進(jìn)方案的仿真結(jié)果再次表明：對(duì)于提高安全
穩(wěn)定性裕度來(lái)講，抗蛇行軟約束技術(shù)對(duì)策是積極有
效的、且具有可操作性的。
4 結(jié)束語(yǔ)
(1)系統(tǒng)地討論了高速轉(zhuǎn)向架三大非線性和安
全穩(wěn)定性裕度內(nèi)涵，并通過2種抗蛇行模式對(duì)比，
提出了基于抗蛇行吸能頻帶的調(diào)控方案，進(jìn)而在臺(tái)
架試驗(yàn)基礎(chǔ)上制訂了抗蛇行軟約束技術(shù)對(duì)策。
(2)從高速轉(zhuǎn)向架非線性角度分析，抗蛇行吸
能頻帶方式是提高高鐵車輛安全穩(wěn)定裕度的積極對(duì)
策，而大阻尼抑制蛇行則是消極的，應(yīng)通過技術(shù)改
造逐步廢止大阻尼抑制蛇行模式。
(3)針對(duì)在高鐵上應(yīng)用的問題，如構(gòu)架振動(dòng)報(bào)
警，本文在故障原因分析基礎(chǔ)上，提出了抗蛇行軟
約束技術(shù)對(duì)策，動(dòng)態(tài)仿真表明其完全能夠保障高鐵
運(yùn)營(yíng)的安全穩(wěn)定性裕度要求。
(4)還應(yīng)進(jìn)一步考慮提高卸荷力對(duì)卸荷頻率的
影響， 以實(shí)現(xiàn)抗蛇行寬頻帶吸能理念。
參 考 文 獻(xiàn)
POLACH 0．Application of Nonlinear Stability Analysis in Railway Vehicle Industry[c]／／Proceeding of the Eu—
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The Non。·Linearity of High·_Speed Bogie and the Safety Stability
M argin of High—Speed Railway Vehicles
PIAO M ingwei ，LIANG Shulin。，F(xiàn)ANG Zhaogen ，ZHAO W enzhong
(1．Machinery Engineering School，Dalian Jiaotong University，Dalian Liaoning l16028，China；
2．Changchun Railway Vehicles Limited Company，Changchun Jilin 130062，China)
Abstract：For the application space of high—speed W／R contact relations，the following three major nonlinearities
of high—speed bogies were discussed，namely，the nonlinear stability，the hysteresis nonlinearity of
trailer frame pitching and the anti——hunting blow-off mechanism in high frequency．According to the practi—-
cal experiences，the main means for improving the safety stability margin of high—speed rolling stock were
concluded into two anti—hunting modes，i．e．，the over—damped hunting repression and the anti—hunting ab—
sorbing band．But the over-damped hunting repression will have such negative effects as lowering the later—
al ride comfort and worsen the W ／R contact wear，etc．For the new problems of bogie frame vibration a—
larms in HSR (high～speed railway)operations，the adj ustment and control plan for improving the safety
stability margin was therefore presented based on the anti—hunting absorbing band．The active strategy of
anti—hunting soft—constraint was formulated on the foundation of the test rig measurement．The simulation
expected results show that the safety stability margin of 380 km ·h～ HSR operation can be guaranteed．
Key words： High-speed bogie；Nonlinearity；Safety stability margin；Tread wear；Anti—hunting damper
? ? ? ? 】 (
(責(zé)任編輯成棣)
(上接第85頁(yè))
用耐久性高強(qiáng)混凝土和大直徑螺旋肋鋼絲，合理布筋。研制出的45～50 ra·s 高風(fēng)速橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱具有結(jié)
構(gòu)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、便于施工等優(yōu)越性能，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)，為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，在西格
線電氣化鐵路上使用狀況良好，2010年4月通過了河北省科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)中心組織的技術(shù)鑒定。
3 電氣化鐵路接觸網(wǎng)300，350和400咖【II外直徑大容量環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土支柱
隨著電氣化鐵路的不斷發(fā)展，對(duì)支柱的要求也越來(lái)越高，要求支柱能夠承受較大的荷載，因此需要提高支柱的承載
力、剛度及抗裂性。為此在現(xiàn)有350和400 rain外直徑支柱截面形式不變的情況下，研制更大容量的支柱，并增加外直徑
為300 rnnl的混凝土支柱。由于截面小、容量大的要求，研制中選用了耐久性高強(qiáng)混凝土和大直徑螺旋肋鋼絲，以提高支
柱的抗裂能力和承載能力，并采用部分預(yù)應(yīng)力理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既保持支柱一定的強(qiáng)度，又減少混凝土預(yù)應(yīng)力，避免裂
(下轉(zhuǎn)第l16頁(yè))

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