基于抗蛇行频带吸能机制的高速转向架动态设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高速转向架动态设计方法，特别是抗蛇行频带吸能机制、抗蛇行参数 优配及其技术实现方式。具体地，针对ICE3原型的技术特点及其局限性，以转向架不稳定 蛇行振荡现象作为其主要研宄问题，根据抗蛇行匹配原则，制订抗蛇行参数优配方案，且采 取必要的相关技术措施，以减轻抗蛇行高频阻抗作用的负面影响。
【背景技术】
[0002] 高速转向架必须采用动态设计观点，以转向架不稳定蛇行振荡现象作为其主要研 宄问题，正确认知ICE3系列转向架的创新技术特点及其局限性。为了确保现阶段高铁运用 的安全冗余，根据抗蛇行频带吸能机制，通过抗蛇行参数整定，以达到转向架统一优配的技 术目标。
[0003] 与快速转向架不同，高速转向架必须采用动态设计观点。快速转向架，轮对弹性定 位约束，车轮型面选用低磨耗型踏面，且具有轮缘与踏面磨耗的均衡性。为了解决轮对自稳 定问题，以抗弯或抗剪刚度作为整定参数，因而具有以下3个较为突出的技术特征：①在车 体与走行部之间形成了低频牵连运动关系，约（1. 〇 - 2. 0)Ηζ，因而无车体摇头大阻尼特征； ②实际轮轨接触偏向于局部密贴型接触的极端情况，且小幅蛇行安全论成立；③通常采用 大阻尼抑制蛇行机制，因而轮轨磨耗敏感性则是其共性技术问题之一。
[0004] 动态设计观点绝不能忽视车轮自旋蠕滑及其对横向蠕滑力效应，其相当于负阻尼 作用，并造成了轮对蛇行的自激振荡行为，即所谓的轮对自稳定问题。由此可见，轮对自稳 定问题是快速转向架设计的主要研宄问题之一，其可采用准静态或动态2种观点来制订其 技术对策。
[0005] 高速转向架并非快速转向架的简单技术升级版。实际车速和等效锥度是影响蛇行 振荡频率的2个敏感因素。若轮轨磨耗造成蛇行振荡频率加快，大阻尼抑制蛇行机制则不 再奏效了。当蛇行振荡频率达到（4. 0-8.0)时，一般认为具有蛇行失稳的安全风险。根据 nC518或EN14363规定，必须对走行部实施车载安全监测与预警，如转向架构架横向加速 度。因此，以铁路专线（如日本新干线或法铁TGV专线）作为前提技术条件，快铁运用通常 采用以下技术经济对策：即以经济型轨道车辆的产品寿命周期低成本LCC来换取控制用户 总成本TCO的技术空间，特别是结构性技术服务成本不容忽视，如钢轨预防性与维修性打 磨，或不落轮镟以及3A修程等。
[0006] 为了克服轮轨磨耗敏感性，高速转向架通常采用轮对刚性定位约束，且以降低蛇 行振荡的参振质量作为其设计的首要原则。车轮型面采用宽轮缘踏面，如宽轮缘S1002G，以 便经济镟修。实际轮轨接触偏向于圆锥型接触的极端情况，因而小幅蛇行安全论不再成立。
[0007] ICE3系列转向架具有其技术创新特点，动车转向架采用电机弹性架悬，且可实现 相对转向架构架的横摆运动。在动车转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态之间形成了牵 连运动关系，实现了参振质量的降低。进而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。因此，转向架不稳定蛇行振荡现象是高速转向架设计的主要研宄问题之 O
[0008] 但是ICE3原型设计，其抗蛇行高频阻抗作用的负面影响非常突出。根据抗蛇行减 振器台架动态试验，在小位移摄动假设条件下，抗蛇行动态特性具有Maxwell模型的可回 归性。如ETR系列摆式转向架，轮对弹性定位约束，纵向定位刚度约13MN/m，每架抗蛇行液 压刚度很高，约16MN/mX2。相比之下，ICE3原型设计，轮对（强）刚性定位约束，纵向与横 向定位刚度120/12. 5MN/m，如长编转向架原配，每架抗蛇行液压刚度高达18MN/mX4。
[0009] 目前高铁运用存在以下2个主要技术问题：
[0010] ①对轮配技术条件制约性。德国ICE快铁专线，钢轨60E2,轨底坡1:40,平均商业 速度200km/h，短时最高速度300km/h，通过钢轨预打磨和不落轮镟技术，实际等效锥度控 制在（0. 10 - 0. 25)。而中国高铁CRH，商业速度（300-330) km/h，目前实际等效锥度控制在 (0.16-0.35)以内。也就是说，车速要求越高，抗蛇行串联刚度参数配置越大，因而形成了 抗蛇行高频阻抗作用对名义等效锥度的制约性，简称对轮配技术条件制约性。
[0011] ②横向振动耦合机制及其危害性影响。以抗蛇行高频阻抗作用作为相关激励，形 成了车体与走行部之间的横向耦合关系，其耦合强度取决于整备车体的横向参振质量，因 而采用了车下质量橡胶吊挂形式，以确保铝合金车体30年技术服役寿命要求。
[0012] 在横向振动耦合机制的主导下现有高铁车辆具有振动行为奇异性。比如动车组转 向架原配，其存在转向架稳定裕度不充裕问题，且具有局部下凹型踏面磨耗特征。在极端情 况下，以小幅蛇行振荡作为独立激励，造成较大车下质量（如牵引变流器）横向耦合共振。
[0013] 再如长编转向架原配则存在高速列车稳定鲁棒性问题，其抗蛇行高频阻抗作用增 强，结果车体摇头大阻尼特征更加突出，需特别防范侧风稳定性问题及其危害性影响。如 部分长编列车调转山区线路运用，多隧道通过，造成电机横摆瞬间颤振，其加速度的最大采 样值高达l〇g，且具有上行下行的可重复性。尤其是电机横摆奇异性，其具有极高的安全风 险，因为线路试验测试分析表明：高速晃车现象与电机横摆颤振之间具有相关性，两者的谐 振主频十分接近，进而侧风对车体扰动的流固耦合效应得到了增强。
[0014] 由此可见，从动态设计观点出发，应当正确看待ICE3创新技术的局限性。具体地， 在主要研宄问题技术处理上，ICE3原型设计仅凭借超前校正，部分丧失了转向架自导向能 力。
[0015] 现阶段高铁运用必须正确处理以下3大技术关系以科学规避安全风险：
[0016] ①必须保持（接近）圆锥型接触的轮轨关系，且满足以下对轮配技术条件制约性， 即0.16。换言之，在特定的铁路专线轮配技术条件下，实施钢轨预打磨，其目标廓型 必须采用钢轨CN60KG标准廓型。
[0017] ②在动车转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态之间，必须形成合理的牵连运动 关系，既要降低参振质量以保障动车转向架的高速性能，同时也要顾及电机吊架及其减振 器的结构疲劳安全与技术可靠性。
[0018] ③以抗蛇行高频阻抗作用作为相关激励，在车体与走行部之间形成了横向耦合关 系，或者说，横向振动耦合机制是现有高铁车辆振动行为的基本规律，因为ICE3转向架原 型设计存在以下相互制约的技术条件，即轮对（强）刚性定位约束和抗蛇行高频阻抗作用， 是蛇行振荡参振质量降低的2个必要技术条件，同时也是横向振动耦合机制形成的2个主 要技术因素。
[0019] 总之，鉴于ICE3原型存在设计缺陷，现阶段高铁运用必须更加强调高速列车的鲁 棒稳定性能，统一实现转向架优配。从未来高铁发展的可持续性角度来看，对ICE3原型的 实质性技改具有必要性与紧迫性。
【发明内容】
[0020] 本发明正是鉴于上述理论与技术问题而提出的，其目的在于提供一种基于抗蛇行 频带吸能机制的高速转向架动态设计方法，并根据抗蛇行匹配原则，采取必要的技术措施， 制订转向架抗蛇行参数优配方案（简称转向架优配）及其技术实现方式。
[0021] 本发明为解决上述问题提出的技术方案是：以转向架不稳定蛇行振荡现象作为主 要研宄问题，高铁车辆（整车或车组）被看作1个闭环系统，其特征在于：高铁车辆动态响 应行为具有对车轮蠕滑的反馈影响，因而高速轮轨技术具有其