基于抗蛇行頻帶吸能機(jī)制的高速轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高速轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，特別是抗蛇行頻帶吸能機(jī)制、抗蛇行參數(shù) 優(yōu)配及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。具體地，針對(duì)ICE3原型的技術(shù)特點(diǎn)及其局限性，以轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定 蛇行振蕩現(xiàn)象作為其主要研宄問題，根據(jù)抗蛇行匹配原則，制訂抗蛇行參數(shù)優(yōu)配方案，且采 取必要的相關(guān)技術(shù)措施，以減輕抗蛇行高頻阻抗作用的負(fù)面影響。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速轉(zhuǎn)向架必須采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，以轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定蛇行振蕩現(xiàn)象作為其主要研 宄問題，正確認(rèn)知ICE3系列轉(zhuǎn)向架的創(chuàng)新技術(shù)特點(diǎn)及其局限性。為了確?，F(xiàn)階段高鐵運(yùn)用 的安全冗余，根據(jù)抗蛇行頻帶吸能機(jī)制，通過抗蛇行參數(shù)整定，以達(dá)到轉(zhuǎn)向架統(tǒng)一優(yōu)配的技 術(shù)目標(biāo)。
[0003] 與快速轉(zhuǎn)向架不同，高速轉(zhuǎn)向架必須采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)?？焖俎D(zhuǎn)向架，輪對(duì)彈性定 位約束，車輪型面選用低磨耗型踏面，且具有輪緣與踏面磨耗的均衡性。為了解決輪對(duì)自穩(wěn) 定問題，以抗彎或抗剪剛度作為整定參數(shù)，因而具有以下3個(gè)較為突出的技術(shù)特征：①在車 體與走行部之間形成了低頻牽連運(yùn)動(dòng)關(guān)系，約（1. 〇 - 2. 0)Ηζ，因而無車體搖頭大阻尼特征； ②實(shí)際輪軌接觸偏向于局部密貼型接觸的極端情況，且小幅蛇行安全論成立；③通常采用 大阻尼抑制蛇行機(jī)制，因而輪軌磨耗敏感性則是其共性技術(shù)問題之一。
[0004] 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)絕不能忽視車輪自旋蠕滑及其對(duì)橫向蠕滑力效應(yīng)，其相當(dāng)于負(fù)阻尼 作用，并造成了輪對(duì)蛇行的自激振蕩行為，即所謂的輪對(duì)自穩(wěn)定問題。由此可見，輪對(duì)自穩(wěn) 定問題是快速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的主要研宄問題之一，其可采用準(zhǔn)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)2種觀點(diǎn)來制訂其 技術(shù)對(duì)策。
[0005] 高速轉(zhuǎn)向架并非快速轉(zhuǎn)向架的簡單技術(shù)升級(jí)版。實(shí)際車速和等效錐度是影響蛇行 振蕩頻率的2個(gè)敏感因素。若輪軌磨耗造成蛇行振蕩頻率加快，大阻尼抑制蛇行機(jī)制則不 再奏效了。當(dāng)蛇行振蕩頻率達(dá)到（4. 0-8.0)時(shí)，一般認(rèn)為具有蛇行失穩(wěn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù) nC518或EN14363規(guī)定，必須對(duì)走行部實(shí)施車載安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警，如轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速 度。因此，以鐵路專線（如日本新干線或法鐵TGV專線）作為前提技術(shù)條件，快鐵運(yùn)用通常 采用以下技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)策：即以經(jīng)濟(jì)型軌道車輛的產(chǎn)品壽命周期低成本LCC來換取控制用戶 總成本TCO的技術(shù)空間，特別是結(jié)構(gòu)性技術(shù)服務(wù)成本不容忽視，如鋼軌預(yù)防性與維修性打 磨，或不落輪鏇以及3A修程等。
[0006] 為了克服輪軌磨耗敏感性，高速轉(zhuǎn)向架通常采用輪對(duì)剛性定位約束，且以降低蛇 行振蕩的參振質(zhì)量作為其設(shè)計(jì)的首要原則。車輪型面采用寬輪緣踏面，如寬輪緣S1002G，以 便經(jīng)濟(jì)鏇修。實(shí)際輪軌接觸偏向于圓錐型接觸的極端情況，因而小幅蛇行安全論不再成立。
[0007] ICE3系列轉(zhuǎn)向架具有其技術(shù)創(chuàng)新特點(diǎn)，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架采用電機(jī)彈性架懸，且可實(shí)現(xiàn) 相對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺運(yùn)動(dòng)。在動(dòng)車轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)與相應(yīng)的電機(jī)橫擺模態(tài)之間形成了牽 連運(yùn)動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了參振質(zhì)量的降低。進(jìn)而在抗蛇行頻帶吸能機(jī)制的配合下理論上確保了 轉(zhuǎn)向架高速性能。因此，轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定蛇行振蕩現(xiàn)象是高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的主要研宄問題之 O
[0008] 但是ICE3原型設(shè)計(jì)，其抗蛇行高頻阻抗作用的負(fù)面影響非常突出。根據(jù)抗蛇行減 振器臺(tái)架動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，在小位移攝動(dòng)假設(shè)條件下，抗蛇行動(dòng)態(tài)特性具有Maxwell模型的可回 歸性。如ETR系列擺式轉(zhuǎn)向架，輪對(duì)彈性定位約束，縱向定位剛度約13MN/m，每架抗蛇行液 壓剛度很高，約16MN/mX2。相比之下，ICE3原型設(shè)計(jì)，輪對(duì)（強(qiáng)）剛性定位約束，縱向與橫 向定位剛度120/12. 5MN/m，如長編轉(zhuǎn)向架原配，每架抗蛇行液壓剛度高達(dá)18MN/mX4。
[0009] 目前高鐵運(yùn)用存在以下2個(gè)主要技術(shù)問題：
[0010] ①對(duì)輪配技術(shù)條件制約性。德國ICE快鐵專線，鋼軌60E2,軌底坡1:40,平均商業(yè) 速度200km/h，短時(shí)最高速度300km/h，通過鋼軌預(yù)打磨和不落輪鏇技術(shù)，實(shí)際等效錐度控 制在（0. 10 - 0. 25)。而中國高鐵CRH，商業(yè)速度（300-330) km/h，目前實(shí)際等效錐度控制在 (0.16-0.35)以內(nèi)。也就是說，車速要求越高，抗蛇行串聯(lián)剛度參數(shù)配置越大，因而形成了 抗蛇行高頻阻抗作用對(duì)名義等效錐度的制約性，簡稱對(duì)輪配技術(shù)條件制約性。
[0011] ②橫向振動(dòng)耦合機(jī)制及其危害性影響。以抗蛇行高頻阻抗作用作為相關(guān)激勵(lì)，形 成了車體與走行部之間的橫向耦合關(guān)系，其耦合強(qiáng)度取決于整備車體的橫向參振質(zhì)量，因 而采用了車下質(zhì)量橡膠吊掛形式，以確保鋁合金車體30年技術(shù)服役壽命要求。
[0012] 在橫向振動(dòng)耦合機(jī)制的主導(dǎo)下現(xiàn)有高鐵車輛具有振動(dòng)行為奇異性。比如動(dòng)車組轉(zhuǎn) 向架原配，其存在轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度不充裕問題，且具有局部下凹型踏面磨耗特征。在極端情 況下，以小幅蛇行振蕩作為獨(dú)立激勵(lì)，造成較大車下質(zhì)量（如牽引變流器）橫向耦合共振。
[0013] 再如長編轉(zhuǎn)向架原配則存在高速列車穩(wěn)定魯棒性問題，其抗蛇行高頻阻抗作用增 強(qiáng)，結(jié)果車體搖頭大阻尼特征更加突出，需特別防范側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性問題及其危害性影響。如 部分長編列車調(diào)轉(zhuǎn)山區(qū)線路運(yùn)用，多隧道通過，造成電機(jī)橫擺瞬間顫振，其加速度的最大采 樣值高達(dá)l〇g，且具有上行下行的可重復(fù)性。尤其是電機(jī)橫擺奇異性，其具有極高的安全風(fēng) 險(xiǎn)，因?yàn)榫€路試驗(yàn)測(cè)試分析表明：高速晃車現(xiàn)象與電機(jī)橫擺顫振之間具有相關(guān)性，兩者的諧 振主頻十分接近，進(jìn)而側(cè)風(fēng)對(duì)車體擾動(dòng)的流固耦合效應(yīng)得到了增強(qiáng)。
[0014] 由此可見，從動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)當(dāng)正確看待ICE3創(chuàng)新技術(shù)的局限性。具體地， 在主要研宄問題技術(shù)處理上，ICE3原型設(shè)計(jì)僅憑借超前校正，部分喪失了轉(zhuǎn)向架自導(dǎo)向能 力。
[0015] 現(xiàn)階段高鐵運(yùn)用必須正確處理以下3大技術(shù)關(guān)系以科學(xué)規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)：
[0016] ①必須保持（接近）圓錐型接觸的輪軌關(guān)系，且滿足以下對(duì)輪配技術(shù)條件制約性， 即0.16。換言之，在特定的鐵路專線輪配技術(shù)條件下，實(shí)施鋼軌預(yù)打磨，其目標(biāo)廓型 必須采用鋼軌CN60KG標(biāo)準(zhǔn)廓型。
[0017] ②在動(dòng)車轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)與相應(yīng)的電機(jī)橫擺模態(tài)之間，必須形成合理的牽連運(yùn)動(dòng) 關(guān)系，既要降低參振質(zhì)量以保障動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的高速性能，同時(shí)也要顧及電機(jī)吊架及其減振 器的結(jié)構(gòu)疲勞安全與技術(shù)可靠性。
[0018] ③以抗蛇行高頻阻抗作用作為相關(guān)激勵(lì)，在車體與走行部之間形成了橫向耦合關(guān) 系，或者說，橫向振動(dòng)耦合機(jī)制是現(xiàn)有高鐵車輛振動(dòng)行為的基本規(guī)律，因?yàn)镮CE3轉(zhuǎn)向架原 型設(shè)計(jì)存在以下相互制約的技術(shù)條件，即輪對(duì)（強(qiáng)）剛性定位約束和抗蛇行高頻阻抗作用， 是蛇行振蕩參振質(zhì)量降低的2個(gè)必要技術(shù)條件，同時(shí)也是橫向振動(dòng)耦合機(jī)制形成的2個(gè)主 要技術(shù)因素。
[0019] 總之，鑒于ICE3原型存在設(shè)計(jì)缺陷，現(xiàn)階段高鐵運(yùn)用必須更加強(qiáng)調(diào)高速列車的魯 棒穩(wěn)定性能，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架優(yōu)配。從未來高鐵發(fā)展的可持續(xù)性角度來看，對(duì)ICE3原型的 實(shí)質(zhì)性技改具有必要性與緊迫性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明正是鑒于上述理論與技術(shù)問題而提出的，其目的在于提供一種基于抗蛇行 頻帶吸能機(jī)制的高速轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)抗蛇行匹配原則，采取必要的技術(shù)措施， 制訂轉(zhuǎn)向架抗蛇行參數(shù)優(yōu)配方案（簡稱轉(zhuǎn)向架優(yōu)配）及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。
[0021] 本發(fā)明為解決上述問題提出的技術(shù)方案是：以轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定蛇行振蕩現(xiàn)象作為主 要研宄問題，高鐵車輛（整車或車組）被看作1個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：高鐵車輛動(dòng)態(tài)響 應(yīng)行為具有對(duì)車輪蠕滑的反饋影響，因而高速輪軌技術(shù)具有其