一種抗蛇行寬頻帶吸能機制實現方法及轉向架參數優化配置方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高速轉向架抗蛇行減振器選型及其參數配置方法，即采用必要的技術 措施來實現抗蛇行寬頻帶吸能機制，部分恢復轉向架自導向能力，滿足長交路跨線運用要 求。具體地，低頻結構阻尼與高頻阻抗作用，兩者必須形成2種減振技術的互補性，進而以 自適應控制方式來實現對轉向架不穩定蛇行振蕩現象的超前滯后校正，克服現有高速轉向 架對輪配技術條件制約性。
【背景技術】
[0002] 從高速列車系統集成的角度出發，高速轉向架必須采用動態設計方法，以抗蛇行 寬頻帶吸能機制來施行對ICE3轉向架原型實質性技改，以轉變高鐵客專發展模式，增強高 鐵建設與運用的可持續性發展能力。
[0003] 具體理由如下：就現代軌道車輛來講，動態設計方法包括以下3大技術要素：①由 于軌道車輛閉環系統，因而車輪蠕滑具有準靜態與動態2種成份，其中，車輪自旋蠕滑及其 對橫向蠕滑力效應，是高速輪軌技術的主要制約性因素之一；②鑒于高速輪軌技術的上述 局限性，形成了如下2個基本不穩定問題：即車輪自穩定性問題與轉向架不穩定蛇行振蕩 現象；③在線路服役環境下高速列車系統集成應當具有穩定魯棒性能，具體地，車體與走行 部之間必須實現橫向解耦。
[0004] 閉環系統分析觀點是動態設計方法的主要技術特征之一，即快速與高速軌道車輛 的系統響應對相應的車輪蠕滑所形成的反饋影響。威金斯首先提出了車輪自旋蠕滑概念， 并構建了輪軌橫向動態制衡關系，即車輪自旋蠕滑所產生的橫向蠕滑力與重力剛度所形成 的恢復力之間具有動平衡關系。同時也指出：與縱向或橫向蠕滑不同，車輪自旋蠕滑對橫向 蠕滑力效應，其不再具有飽和曲線特征。具體地，在縱向與橫向蠕滑為零的前提條件下，當 車輪自旋蠕滑< 0. 6時，其對橫向蠕滑力效應呈現線性遞增趨勢，但是當大于0. 6時，則將 快速衰減。
[0005] 根據對車輪自旋蠕滑動態成份-d/i(其準靜態成份可忽略）的不同處理觀點， 形成了以下2種輪對定位約束方式：即輪對彈性與剛性定位約束。d為輪對搖頭角速度，而 i則為車速。
[0006] 以ICE3轉向架作為技術原型，動態仿真表明：極限速度與輪對縱向定位剛度，兩 者之間具有關聯性。當輪對縱向定位剛度120MN/m時，如超高速轉向架優配，極限速度接近 600km/h;當輪對縱向定位剛度降低至35MN/m時，如長編與高速轉向架優配，極限速度則也 降低至480km/h。兩者極限速度具有以下共性技術特征：即車輪自旋蠕滑最大值達到或超 過0.6。在輪對縱向力偶作用下，前者形成了車輪縱向黏滑振動現象；而后者則形成了車輪 瞬間打滑現象，或持續打滑。
[0007] 同理，快速轉向架，輪對彈性定位約束，其極限速度必將進一步降低。否則，若強 制提速，則將對輪對服役安全性造成負面影響，如擦輪或擦傷，并造成踏面表層或淺表層缺 陷。因此，降阻增容等簡單技術觀點難以實現快速轉向架的技術升級。換言之，高速轉向架 并非快速轉向架的簡單技術升級，因為兩者具有截然不同的主要研究問題。
[0008] 由此可見，隨著車速要求的不斷提高，車輪自旋蠕滑及其對橫向蠕滑力效應也在 不斷增強，因而逐漸暴露了高速輪軌技術局限性。對于常規軌道客車車輛，車體與走行部之 間橫向解耦，且有車體與轉向架2個不穩定問題。而對于快速與高速轉向架設計來講，則需 考慮如何正確處理以下2個基本不穩定問題，即輪對自穩定問題與轉向架不穩定蛇行振蕩 現象。
[0009] 上述2個基本不穩定問題的提出，其主要依據在于能否保障車體與走行部之間的 低頻牽連運動關系，約（1. 0 - 2. 0)Hz。根據EN13802規定，抗蛇行減振器有2類臺架試驗， 即串聯試驗獲得準靜態阻尼特性，如線性阻尼以及卸荷速度（力）等；而動態試驗則在微小 幅值位移激擾下得到抗蛇行動態特性，如動態阻尼系數、動態剛度以及相位滯后等。布魯尼 認為：①準靜態阻尼特性不能正確地反映抗蛇行減振器的實際裝車特性；②而抗蛇行減振 器裝車特性則更多地表現為其動態特性；③在微小幅值位移激擾（ASImm)的前提條件下， 抗蛇行動態特性具有Maxwell模型的可回歸性。具體地，ETR系列擺式轉向架，實際不穩定 蛇行振蕩頻率可達（4. 0 - 8. 0)Hz，相應的動態阻尼系數遠低于其標定值，每架約540kN?s/ mX2,而抗蛇行高頻阻抗作用則接近于其液壓剛度，每架約16. 3MN/mX2。
[0010] 如上所述，在車輪自旋蠕滑及其對橫向蠕滑力效應的負面影響下，快速轉向架，輪 對彈性定位約束，其設計需特別考慮對輪對自穩定問題的經濟解決，即①在鋼軌打磨與輪 對鏇修等輔助技術支持下，實際輪軌接觸偏向于局部密貼型接觸的極端情況，車輪型面具 有輪緣與踏面磨耗均衡性特征；②在車體與走行部之間低頻牽連運動關系下，抗蛇行減振 器需充分利用其準靜態阻尼特征，即所謂大阻尼抑制蛇行機制。一旦磨耗輪軌形成局部密 貼型接觸，即局部接觸曲率半徑相同或接近，將產生小幅蛇行振蕩現象。由于不穩定蛇行振 蕩頻率較低，帕勒希所提出的小幅蛇行安全論成立。由此可見，快速轉向架技術性質決定了 快鐵必須經濟運用。
[0011] 而高鐵運用則特別強調其安全冗余。如歐洲鐵路通用技術條件TSI規定：當抗蛇 行減振器的50 %功能失效，或空簧爆裂（突然失氣），列車必須以原速行駛至下一站維修處 理，以避免對后續列車正點率造成任何影響。
[0012] 在蛇行振蕩參振質量降低的前提條件下，高速轉向架，如ICE3系列，以轉向架不 穩定蛇行振蕩現象作為其設計的主要研究問題，其具有以下3個創新技術特點：①電機彈 性架懸，且可實現相對轉向架構架的橫擺運動；②抗蛇行冗余設計形式，即每架4個抗蛇行 減振器；③輪對（強）剛性定位約束，其縱向與橫向定位剛度120/12. 5MN/m。具體地，在蛇 行振蕩參振質量降低的技術前提下，以轉向架不穩定蛇行振蕩現象作為主要研究問題，且 在抗蛇行頻帶吸能機制的配合下，理論上確保了轉向架高速性能。
[0013] 但是實際上可以證明：輪對（強）剛性定位約束和抗蛇行高頻阻抗作用，既是蛇行 振蕩參振質量降低的2項必要技術條件，同時也是橫向振動耦合機制形成的2個重要技術 因素。由此可見，ICE3轉向架原型也存在其設計缺陷，即憑借抗蛇行頻帶吸能機制，僅實現 了對轉向架不穩定蛇行振蕩現象的超前校正，部分喪失了轉向架自導向能力，且形成了對 輪配技術條件制約性，即所謂高鐵客專發展模式。
[0014] 由于ICE3轉向架原型的上述設計缺陷，實際輪軌磨耗將對轉向架橫向穩定性能 形成所謂的一次性敏感影響。高速轉向架，如ICE3系列，車輪型面選用寬輪緣S1002G踏 面，輪緣增厚3. 5_。實際輪軌接觸偏向于圓錐型接觸的極端情況，以避免輪軌接觸的非線 性影響，因而小幅蛇行安全論不再成立。如在動車組原配下，商業速度超過了其適應速度范 圍，車輪型面形成了局部下凹型磨耗特征，進而造成轉向架構架振動報警。
[0015] 與局部密貼型接觸不同，圓錐型接觸具有以下技術特征：即鋼軌走行光帶寬展且 偏向于軌距角一側（即測量軌距的鋼軌內側）。經輪軌磨合后，實際鋼軌走行光帶則更加偏 向于軌距角且有所收窄。因此，ICE3轉向架原型存在對輪配技術條件制約性，其包含了以 下3點技術內涵：
[0016] ①高鐵運用不得不采用客運專線發展模式。具體地，由于心盤旁承接口關系，鐵路 貨車難以實現車體與走行部橫向解耦。因而為了改善貨車轉向架自導向能力，實際輪軌接 觸也具有圓錐型接觸特征，如名義等效錐度取〇. 10,其在軌距角一側所形成的累計鋼軌磨 耗，將對高速轉向架橫向穩定性能構成了實質性影響。
[0017] ②必須定期進行鋼軌打磨以預防滾動接觸疲勞失效。如德國ICE快鐵，鋼軌預打 磨，其目標廓型，在軌距角一側，最大打磨量僅為（〇. 3 - 0. 5)_，以適當縮窄鋼軌走行光帶， 避免軌距角一側形成如同細絲般裂紋。因而在動車組轉向架原配下，其名義等效錐度降低 至0. 10,商業速度不得不降低至（200-250)km/h。目前德國DB公司僅在科恩至法蘭克福路 段保留客運專線模式，短時最高速度可達300km/h。
[0018] ③隨著車速要求不斷提高，ICE3轉向架原型對輪配技術條件制約性也越來越突 出。如西班牙高鐵AVE，其采用以下3種車型，即Talg〇、Veral〇以及TGV。在長編轉向架原 配下，德國制造的VeraloSP車型，僅在馬德里至巴薩羅那的有砟鐵路線路上，平原地貌，總 里程約621km，實現了 300km/h以上的高鐵運用。
[0019] 而中國CRH，目前高鐵商業運營里程，約8 000km，且具有如下線路服役的特殊性， 如橋隧比例較高，氣候特征變化明顯等。因而側風不穩定問題十分突出，其主要表現為以下 2個方面：
[0020] ①橫向振動耦合機制是現有高鐵車輛振動行為的基本規律。以抗蛇行高頻阻抗作 用作為相關激勵，車體與走行部之間形成了橫向耦合關系。因而不得不采用車下質量橡膠 吊掛方式以降低車體橫向參振質量。在上述橫向振動耦合機制下現有高鐵車輛具有振動行 為的奇異性，如牽引變流器橫向耦合共振或電機橫擺瞬間顫振等。
[0021] ②結構性技術服務成本劇增。特別是在側風對車體擾動下，如山區線路，明線與暗 線交錯，外流場突變導致高速車現象。線路試驗分析表明：電機橫擺奇異性與高速晃車現 象，兩者具有關聯性。根據軌道車輛閉環系統的研究觀點，高速晃車必將對車輪蠕滑產生反 饋影響，進而部分路段形成了累計鋼軌磨耗，且對轉向架橫向穩定性能產生了所謂的二次 性敏感影響。若抗蛇行減振器統購T70,其液壓剛度過強，上述二次性敏感影響范圍將進一 步擴大。因而輪對鏇修或鋼軌預打磨，其技術服務成本劇增。
[0022] 由此可見，由于德國ICE3轉向架原型存在設計缺陷，客運專線并非保障高鐵運用 穩定安全的充要條件。結合中國高鐵運用的特殊性，對ICE3轉向架原型實質性技改具有必 要性與迫切性。
【發明內容】
[0023] 鑒于上述理論與技術問題的提出，本發明的目的是要提供一種抗蛇行寬頻帶吸能 機制實現方法及轉向架參數優化配置方法，其通過新型抗蛇行減振器T60與T70的組合應 用，引入了低頻結構阻尼與高頻阻抗作用，并通過抗蛇行參數優配（即串聯剛度與線性阻 尼），形成2種減振技術的互補性，使其具有超前滯后校正的相似性；利用這一相似性，應用 高速轉向架動態設計方法來制訂長編轉向架優配方案，使得其對應的名義等效錐度降低至 0. 10,且滿足了長交路跨線運用技術需求。
[0024] 為了實現上述目的，本發明的技術方案包括以下2個部分：即抗蛇行寬頻帶吸能 機制構建及其技術實現方法；轉向架部分參數優化配置方法。
[0025] (1)抗蛇行寬頻帶吸能機制及其技術實現方法
[0026] 本發明采