一种抗蛇行宽频带吸能机制实现方法及转向架参数优化配置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高速转向架抗蛇行减振器选型及其参数配置方法，即采用必要的技术 措施来实现抗蛇行宽频带吸能机制，部分恢复转向架自导向能力，满足长交路跨线运用要 求。具体地，低频结构阻尼与高频阻抗作用，两者必须形成2种减振技术的互补性，进而以 自适应控制方式来实现对转向架不稳定蛇行振荡现象的超前滞后校正，克服现有高速转向 架对轮配技术条件制约性。
【背景技术】
[0002] 从高速列车系统集成的角度出发，高速转向架必须采用动态设计方法，以抗蛇行 宽频带吸能机制来施行对ICE3转向架原型实质性技改，以转变高铁客专发展模式，增强高 铁建设与运用的可持续性发展能力。
[0003] 具体理由如下：就现代轨道车辆来讲，动态设计方法包括以下3大技术要素：①由 于轨道车辆闭环系统，因而车轮蠕滑具有准静态与动态2种成份，其中，车轮自旋蠕滑及其 对横向蠕滑力效应，是高速轮轨技术的主要制约性因素之一；②鉴于高速轮轨技术的上述 局限性，形成了如下2个基本不稳定问题：即车轮自稳定性问题与转向架不稳定蛇行振荡 现象；③在线路服役环境下高速列车系统集成应当具有稳定鲁棒性能，具体地，车体与走行 部之间必须实现横向解耦。
[0004] 闭环系统分析观点是动态设计方法的主要技术特征之一，即快速与高速轨道车辆 的系统响应对相应的车轮蠕滑所形成的反馈影响。威金斯首先提出了车轮自旋蠕滑概念， 并构建了轮轨横向动态制衡关系，即车轮自旋蠕滑所产生的横向蠕滑力与重力刚度所形成 的恢复力之间具有动平衡关系。同时也指出：与纵向或横向蠕滑不同，车轮自旋蠕滑对横向 蠕滑力效应，其不再具有饱和曲线特征。具体地，在纵向与横向蠕滑为零的前提条件下，当 车轮自旋蠕滑< 0. 6时，其对横向蠕滑力效应呈现线性递增趋势，但是当大于0. 6时，则将 快速衰减。
[0005] 根据对车轮自旋蠕滑动态成份-d/i(其准静态成份可忽略）的不同处理观点， 形成了以下2种轮对定位约束方式：即轮对弹性与刚性定位约束。d为轮对摇头角速度，而 i则为车速。
[0006] 以ICE3转向架作为技术原型，动态仿真表明：极限速度与轮对纵向定位刚度，两 者之间具有关联性。当轮对纵向定位刚度120MN/m时，如超高速转向架优配，极限速度接近 600km/h;当轮对纵向定位刚度降低至35MN/m时，如长编与高速转向架优配，极限速度则也 降低至480km/h。两者极限速度具有以下共性技术特征：即车轮自旋蠕滑最大值达到或超 过0.6。在轮对纵向力偶作用下，前者形成了车轮纵向黏滑振动现象；而后者则形成了车轮 瞬间打滑现象，或持续打滑。
[0007] 同理，快速转向架，轮对弹性定位约束，其极限速度必将进一步降低。否则，若强 制提速，则将对轮对服役安全性造成负面影响，如擦轮或擦伤，并造成踏面表层或浅表层缺 陷。因此，降阻增容等简单技术观点难以实现快速转向架的技术升级。换言之，高速转向架 并非快速转向架的简单技术升级，因为两者具有截然不同的主要研究问题。
[0008] 由此可见，随着车速要求的不断提高，车轮自旋蠕滑及其对横向蠕滑力效应也在 不断增强，因而逐渐暴露了高速轮轨技术局限性。对于常规轨道客车车辆，车体与走行部之 间横向解耦，且有车体与转向架2个不稳定问题。而对于快速与高速转向架设计来讲，则需 考虑如何正确处理以下2个基本不稳定问题，即轮对自稳定问题与转向架不稳定蛇行振荡 现象。
[0009] 上述2个基本不稳定问题的提出，其主要依据在于能否保障车体与走行部之间的 低频牵连运动关系，约（1. 0 - 2. 0)Hz。根据EN13802规定，抗蛇行减振器有2类台架试验， 即串联试验获得准静态阻尼特性，如线性阻尼以及卸荷速度（力）等；而动态试验则在微小 幅值位移激扰下得到抗蛇行动态特性，如动态阻尼系数、动态刚度以及相位滞后等。布鲁尼 认为：①准静态阻尼特性不能正确地反映抗蛇行减振器的实际装车特性；②而抗蛇行减振 器装车特性则更多地表现为其动态特性；③在微小幅值位移激扰（ASImm)的前提条件下， 抗蛇行动态特性具有Maxwell模型的可回归性。具体地，ETR系列摆式转向架，实际不稳定 蛇行振荡频率可达（4. 0 - 8. 0)Hz，相应的动态阻尼系数远低于其标定值，每架约540kN?s/ mX2,而抗蛇行高频阻抗作用则接近于其液压刚度，每架约16. 3MN/mX2。
[0010] 如上所述，在车轮自旋蠕滑及其对横向蠕滑力效应的负面影响下，快速转向架，轮 对弹性定位约束，其设计需特别考虑对轮对自稳定问题的经济解决，即①在钢轨打磨与轮 对镟修等辅助技术支持下，实际轮轨接触偏向于局部密贴型接触的极端情况，车轮型面具 有轮缘与踏面磨耗均衡性特征；②在车体与走行部之间低频牵连运动关系下，抗蛇行减振 器需充分利用其准静态阻尼特征，即所谓大阻尼抑制蛇行机制。一旦磨耗轮轨形成局部密 贴型接触，即局部接触曲率半径相同或接近，将产生小幅蛇行振荡现象。由于不稳定蛇行振 荡频率较低，帕勒希所提出的小幅蛇行安全论成立。由此可见，快速转向架技术性质决定了 快铁必须经济运用。
[0011] 而高铁运用则特别强调其安全冗余。如欧洲铁路通用技术条件TSI规定：当抗蛇 行减振器的50 %功能失效，或空簧爆裂（突然失气），列车必须以原速行驶至下一站维修处 理，以避免对后续列车正点率造成任何影响。
[0012] 在蛇行振荡参振质量降低的前提条件下，高速转向架，如ICE3系列，以转向架不 稳定蛇行振荡现象作为其设计的主要研究问题，其具有以下3个创新技术特点：①电机弹 性架悬，且可实现相对转向架构架的横摆运动；②抗蛇行冗余设计形式，即每架4个抗蛇行 减振器；③轮对（强）刚性定位约束，其纵向与横向定位刚度120/12. 5MN/m。具体地，在蛇 行振荡参振质量降低的技术前提下，以转向架不稳定蛇行振荡现象作为主要研究问题，且 在抗蛇行频带吸能机制的配合下，理论上确保了转向架高速性能。
[0013] 但是实际上可以证明：轮对（强）刚性定位约束和抗蛇行高频阻抗作用，既是蛇行 振荡参振质量降低的2项必要技术条件，同时也是横向振动耦合机制形成的2个重要技术 因素。由此可见，ICE3转向架原型也存在其设计缺陷，即凭借抗蛇行频带吸能机制，仅实现 了对转向架不稳定蛇行振荡现象的超前校正，部分丧失了转向架自导向能力，且形成了对 轮配技术条件制约性，即所谓高铁客专发展模式。
[0014] 由于ICE3转向架原型的上述设计缺陷，实际轮轨磨耗将对转向架横向稳定性能 形成所谓的一次性敏感影响。高速转向架，如ICE3系列，车轮型面选用宽轮缘S1002G踏 面，轮缘增厚3. 5_。实际轮轨接触偏向于圆锥型接触的极端情况，以避免轮轨接触的非线 性影响，因而小幅蛇行安全论不再成立。如在动车组原配下，商业速度超过了其适应速度范 围，车轮型面形成了局部下凹型磨耗特征，进而造成转向架构架振动报警。
[0015] 与局部密贴型接触不同，圆锥型接触具有以下技术特征：即钢轨走行光带宽展且 偏向于轨距角一侧（即测量轨距的钢轨内侧）。经轮轨磨合后，实际钢轨走行光带则更加偏 向于轨距角且有所收窄。因此，ICE3转向架原型存在对轮配技术条件制约性，其包含了以 下3点技术内涵：
[0016] ①高铁运用不得不采用客运专线发展模式。具体地，由于心盘旁承接口关系，铁路 货车难以实现车体与走行部横向解耦。因而为了改善货车转向架自导向能力，实际轮轨接 触也具有圆锥型接触特征，如名义等效锥度取〇. 10,其在轨距角一侧所形成的累计钢轨磨 耗，将对高速转向架横向稳定性能构成了实质性影响。
[0017] ②必须定期进行钢轨打磨以预防滚动接触疲劳失效。如德国ICE快铁，钢轨预打 磨，其目标廓型，在轨距角一侧，最大打磨量仅为（〇. 3 - 0. 5)_，以适当缩窄钢轨走行光带， 避免轨距角一侧形成如同细丝般裂纹。因而在动车组转向架原配下，其名义等效锥度降低 至0. 10,商业速度不得不降低至（200-250)km/h。目前德国DB公司仅在科恩至法兰克福路 段保留客运专线模式，短时最高速度可达300km/h。
[0018] ③随着车速要求不断提高，ICE3转向架原型对轮配技术条件制约性也越来越突 出。如西班牙高铁AVE，其采用以下3种车型，即Talg〇、Veral〇以及TGV。在长编转向架原 配下，德国制造的VeraloSP车型，仅在马德里至巴萨罗那的有砟铁路线路上，平原地貌，总 里程约621km，实现了 300km/h以上的高铁运用。
[0019] 而中国CRH，目前高铁商业运营里程，约8 000km，且具有如下线路服役的特殊性， 如桥隧比例较高，气候特征变化明显等。因而侧风不稳定问题十分突出，其主要表现为以下 2个方面：
[0020] ①横向振动耦合机制是现有高铁车辆振动行为的基本规律。以抗蛇行高频阻抗作 用作为相关激励，车体与走行部之间形成了横向耦合关系。因而不得不采用车下质量橡胶 吊挂方式以降低车体横向参振质量。在上述横向振动耦合机制下现有高铁车辆具有振动行 为的奇异性，如牵引变流器横向耦合共振或电机横摆瞬间颤振等。
[0021] ②结构性技术服务成本剧增。特别是在侧风对车体扰动下，如山区线路，明线与暗 线交错，外流场突变导致高速车现象。线路试验分析表明：电机横摆奇异性与高速晃车现 象，两者具有关联性。根据轨道车辆闭环系统的研究观点，高速晃车必将对车轮蠕滑产生反 馈影响，进而部分路段形成了累计钢轨磨耗，且对转向架横向稳定性能产生了所谓的二次 性敏感影响。若抗蛇行减振器统购T70,其液压刚度过强，上述二次性敏感影响范围将进一 步扩大。因而轮对镟修或钢轨预打磨，其技术服务成本剧增。
[0022] 由此可见，由于德国ICE3转向架原型存在设计缺陷，客运专线并非保障高铁运用 稳定安全的充要条件。结合中国高铁运用的特殊性，对ICE3转向架原型实质性技改具有必 要性与迫切性。
【发明内容】
[0023] 鉴于上述理论与技术问题的提出，本发明的目的是要提供一种抗蛇行宽频带吸能 机制实现方法及转向架参数优化配置方法，其通过新型抗蛇行减振器T60与T70的组合应 用，引入了低频结构阻尼与高频阻抗作用，并通过抗蛇行参数优配（即串联刚度与线性阻 尼），形成2种减振技术的互补性，使其具有超前滞后校正的相似性；利用这一相似性，应用 高速转向架动态设计方法来制订长编转向架优配方案，使得其对应的名义等效锥度降低至 0. 10,且满足了长交路跨线运用技术需求。
[0024] 为了实现上述目的，本发明的技术方案包括以下2个部分：即抗蛇行宽频带吸能 机制构建及其技术实现方法；转向架部分参数优化配置方法。
[0025] (1)抗蛇行宽频带吸能机制及其技术实现方法
[0026] 本发明采