准高铁车辆及5大运用模式

准高铁车辆及5大运用模式大连交通大学机械工程学院朴明伟（教授）为了满足准高铁运用的技术经济性要求，准高铁车辆必须兼顾解决车体与转向架2个不稳定问题，因而其研制必须强调其高技术含量，特别是准高速转向架应当作为高技术转向架的典型范例之一。准高铁车辆泛指商业运行速度（160-250）km/h的动车组或长编列车及其组成的动车或拖车，同时准高铁运用泛指高铁（无砟）线路250km/h，客运专线200km/h，既有干线160km/h，如城际快铁或经济欠发达地区主要城市之间的城际快铁等。在既有线路提速和客运专线运用过程中，有着多种多样的技术探索，但是轮轨磨耗敏感性是其共性技术问题之一。通过轮对定位纵向与横向刚度的最佳比例配置，并以特定的轮对定位结构形式加以技术实现，如拉板轴箱定位方式或叉形转臂辅助连杆定位形式等，准高铁车辆必须彻底解决车体不稳定问题（或称低锥度晃车问题）。与铁路货车运用不同，铁路客车有乘坐舒适性指标要求，特别是车体横向加速度均方差(RMS)2.2不得大于0.5m/s2。因而相关国际标准（如UIC/TSI）规定了常规轨道车辆速度空间，其具有轮轨磨耗敏感性特征，即随着轮轨磨耗，等效锥度增大，相应的最高运行车速明显降低。速度空间是指商业运用的最高速度与镟轮所控制的最大等效锥度之间的关系空间。由此可见，目前准高铁运用并未突破常规车辆的速度极限，即在特定等效锥度的轮轨接触下所允许的最高运行速度。为了控制或克服轮轨磨耗敏感性，准高铁运用通常采用以下几种被动或主动技术管理模式：①日本新干线技术模式为了确保准高铁车辆的稳定性能，日本新干线明确了其修程修制技术要求，即镟轮周期20余万公里、3A修程60万公里以及车辆技术服役寿命15年。很显然，日本新干线运用是被动控制轮轨磨耗敏感性的典型案例之一。日本新干线原始转向架采用了拉板轴箱定位方式，特别强调横向定位刚度，因而消除了车体摇头大阻尼技术特征，前位与后位转向架稳定裕度充裕，彻底解1

决了低锥度晃车问题（如最小等效锥度0.03）。但是这一定位方式也必将导致车轮横向蠕滑力增大，因而带来诸如踏面磨耗率较高等技术经济性问题。尽管经历了多次技改，如与德国DB公司合作，也采用了转臂轴箱定位方式，同时纵向与横向定位刚度也进行了优化设计，但是仍然强调横向定位刚度，消除车体摇头大阻尼对后位转向架稳定性能影响的基本技术特征没有改变。特别是庞巴迪公司制造的Zefiro高速列车，其转向架也回归到这一原始技术特征。由此可，见日系辆的突出技术特点在于其转向架轮对定位的特定方式及踏面磨耗负面影响。为了降低动力车轮牵引系数，日系车辆编组也十分特别，即首尾端车均为拖车，并不是动车。牵引系数是指车轮切向力与轮轨接触斑法向力之比，其中，切向力是车轮纵向与横向蠕滑力的合力。牵引系数将受到轮轨弹性接触极限的制车约，若以动车作为首尾端车，其动力车轮的牵引系数将超过轮轨接触极限，造成表层或浅表层缺陷，并导致车轮踏面局部剥落。因此，由于上述的特有轮对定位方式，牵引动力是制约日系大阻尼抑制蛇行机制的技术局限性是决定日系技术特征之一。根据横向非保守系统的基本观点，蛇行振荡并非固有不变，车速车辆提速的主要技术问题之一。车辆作为准高铁车辆的本质与等效锥度是影响不稳定蛇行振荡的2个主要影响因素。日系车辆转向架改进设计进一步采用了大阻尼抑制蛇行机制。由于纵向与横向定位刚度优化设计，更加接近自导向定位方式，如地铁或城轨车辆转向架，其临界速度通常较低。因而采用大阻尼抑制蛇行机制是必要的，无可厚非。但是蛇行振荡是转向架横移与摇头的合成运动，且摇头运动相对横移的存在相位滞后。特别是在轨道长波不平顺激扰下，转向架摇头相位滞后更加突出，跟随轮对车轴横向力突变（或大毛刺）。因此，在高速轮轨接触下，或轮轨磨耗，等效锥度增大（≥0.25），不稳定蛇行振荡频加快。因此，大阻尼抑制蛇行机制不再奏效了，无法控制跟随轮对车轴横向力。与欧系架构架横向加速度，也不再强调准高速列车的智能化，以降低其制造成本。由此可，见用户总成本TCO增大而车辆制造成本降低，两者相抵，因而日系车辆是准高铁运用的典型车辆形式之一，而且在等效锥度变化范围（0.03–0.25），其车辆不同，日系车辆车载测试无需走行部动态行为安全监测，如转向250km/h稳定性能目前尚无法匹敌。目前中国大陆与中国台湾均引进了日本新干2

线技术。②轮轨接触状态被动控制模式CRH5转向架是摆式转向架的改进设计形式，即将复摇枕机构及电控装置拆除，其它技术特征保留。CRH5转向架具有2个技术特点：一是叉形转臂辅助连杆定位形式；二是车轮选用XP55踏面，其轮缘根部以样条线过渡。为了改善小系采用橡胶堆悬半径曲线通过性能均衡轮缘与踏面磨耗，地铁与城轨转向架一挂，实现了自导向定位方式，即纵向与横向刚度比较接近，且纵向的稍高一些的。与此不同，CRH5转向架的特殊定位方式是转向架的典型迫导向技术实现方式之相比，CRH5转向架轮由此可见，动车组CRH5也是被动控制轮轨磨耗敏感性的典型一。与拉板轴箱定位方式对定位具有其技术的先进性，如。率案例之一。与钢轨CN60KG匹配，踏面XP55具有0.057，轨道窗口宽展，且轮轨接触连续光滑。轨道窗口是指在滚径差限制下轮对所能形成的最大横移幅值。由此可见，在上述轮对定位方式的配合下，车轮轮廓型面优化设计，如XP55踏面，其技术意图在于确保在新车状态下保持十分理害踏面如局部下凹踏面磨耗，以延长镟如下轮轨匹配特征：最小等效锥度想的踏面均匀磨耗特征，避免了有磨耗，轮周期，优化修程修制。请注意2点：一是动车组CRH5运用初期，出现了轮缘严重侧磨现象，其主要原因是客运专线初期建设经验不足。如明线与暗线（隧道）分别采用有砟/无砟道床，因而其结合部需要特殊的技术处理。根据沈阳铁路局的运用经验，目前200km/h运用，-30）万公里，超过了原设计要求的（20-25）万公里。二是CRH5动车组改进体悬技术特征，即牵引电机吊挂在车体地板下面，并通过传动动力传递给动力轮对，且动力转向架，每架1个动力轮对。由此可见，与日辆相比，动车组CRH5的车上簧上质量较大是影响其高速稳定性能的主要负面因素之一。类似技术管理模式还有其它形式，轮轨接触状态的技术参数，如等效锥度，以监控实际轮轨接触状态。再如制订车轮磨耗极限的样板来控制轮轨磨耗敏感影响，或车载测试数据试图在线评估轮轨通过不同线路调转运用，动车组CRH5的镟轮周期可以达到（25设计，保留了电机轴将系车如英国铁路曾经以线路测试数据递推估算3

接触状态，等等。③欧洲铁路既有线路提速运行模式为了改善高速摆式列车的稳定性能，意大利米兰工学院做了抗蛇行/横向主动减振技术装车试验及动态仿真分析对比。曲线通过车体倾摆（1.0–3.0）°，惯性坐标系发生了变化，因而不得不采用2套控制模型或控制器。鉴于切换技术的可行性，实际上横向主动减振技术却得到了应用，即以二系横向减振器作为作动器来实施横向主动减振控制。在曲线通过时车体倾摆，不得不将其切换掉，以横档气缸夹持取而代之。由此可见，尽管车体得到了横向平衡，但是转向架车轴横向力很大，并通常造成钢轨屈曲蛇行变形。以丝杠电子反馈控制取代液压伺服，新型摆式转向架在美国高速列车Acelo得到了应用，其车体倾摆降低至0.5～1.0°。由于复摇枕及其倾摆机构的复杂性，摆式转向架技术可靠性仍然是考察的重点之一。上世纪90年代，都灵工学院最早开展了抗蛇行减振器台架动态试验研究，其试验经验非常值得借鉴。以不断加快的往复运动作为激扰，台架试验给出了动态阻尼与动态刚度曲线，其中，液压刚度和内部泄漏等信息是非常宝贵的。但是必须指出：动态阻尼是一个非常错误的动态概念（详见模式④的抗蛇行频带吸能机制讨论），因而丧失了1次协调解决直线稳定与曲线导向之间矛盾的技术认知机会。养路成本增大是欧洲铁路提速的最值得借鉴经验之一。目前高速摆式列车有3种基本车型，其转向架的技术形式也不尽相同。如意大利ERT系列/动力分散驱动，如上所述，采用迫导向转向架，其主机厂为萨维利亚诺工厂，现被法国ALSTOM公司收购。瑞典X/SJ-2000系列/动力集中驱动，则采用径向转向架，其研发机构为AD-tranz，隶属戴姆勒-奔驰财团。西班牙Talgo，无转向架车辆形式，集成了摆式与铰接式技术，通常被看做未来铁路发展的概念车型，其技术发展尚存在不确定性。Talgo摆式列车曾经被西班牙铁路停运过，现在其主机厂又被庞帕蒂公司收购，目前Talgo摆式列车又恢复了运营。除此之外，欧洲铁路还有2种准高速运用模式：即法国ALSTOM公司研发的高速铰接式列车TGV/TGA和德国西门子公司的ICE系列高速列车（详见模式⑤），特别是TGV/TGA是欧洲之星和Thalys高铁的主力车型之一。应该讲，铰4

接式转向架有其技术独到之处，比如减少转向架数量，进而降低了制造维修成本。但是以下2个技术问题也不得不注意：一是准高铁运用的安全风险，也就是说，一旦发生追尾或脱轨事故，列车车厢将呈现Z字形分布。若车厢侧碰，则必然造成更严重的人员伤亡。当然法国国家铁路网络运营商SNCF/RENFE在TGV/TGA运营管理上十分严格科学，目前尚无重大事故。二是TGV/TGA，其技术创新在于牵引机车的技术先进性。比如TGA，双层车体重心增高，暴露了铰接式转向架的技术问题，即晃车现象。再如韩国高铁KTX，采用了法国TGV技术，其养路成本已经成为其发展的最大制约性因素之一。综上所述，无论摆式还是铰接式转向架技术，其特点在于缩短了准高铁运用的旅行时间或降低了准高铁车辆的制造维修成本。但是晃车现象或车轴横向力增大是其准高速运用的共性技术问题之一，因而养路成本增大是欧洲铁路既有线路提速最值得借鉴的宝贵经验之一。特别遗憾的是最早开展的抗蛇行减振器台架动态试验工作，错过了协调解决直线稳定与曲线导向之间矛盾的1次良机。④德国DB公司ICE快铁模式德国DB公司的ICE快铁模式，即采用西门子公司制造的Verlaro高速列车，实现了主要城市之间的城际快速轨道交通方式，如科恩–法兰克福–柏林。与欧洲既有线路提速模式不同，ICE3系列转向架具有技术创新以克服轮轨磨耗敏感性。因此，德国DB公司ICE快铁模式是克服轮轨磨耗敏感性的主动调控典型案例之一。目前，这一ICE快铁模式已经实现了准高铁或高铁运用的技术输出。如西班牙VerlaroSP，有砟线路实现了300km/h高铁运用。俄罗斯VerlaroRUS，高寒有砟线路，试验速度250km/h，商业运用200km/h。中国VerlaroCN，2种技术形式：一是标准8车动车组，其与ICE快铁运用模式技术性能相当；二是16车长编列车，其与VerlaroSP技术性能相当，无砟线路实现了300km/h高铁运用，因而这2类引进车型统称为欧系车辆。中国高铁运用实践与理论研究表明：欧系车辆的确具有技术创新。特别是ICE3系列转向架具有如下3个主要技术创新特点：一是车轮踏面选用宽轮缘S1002G，与钢轨CN60KG匹配，其最小等效锥度0.166。而UIC518规定：车速280km/h以上的型式试验，其实际等效锥度不得大于0.15。同时为了控制车轮踏5

面磨耗指数，转向架采用了转臂轴箱定位方式，特别强调其纵向定位刚度，120MN/m，而横向的12.5MN/m。二是电机弹性架悬，即牵引电机吊架与转向架构架之间以板簧联接，且实现电机横摆运动以降低蛇行振荡参振质量。三是转向架抗蛇行减振器冗余设计形式，即每架4个，以控制高铁运用安全风险。同时ICE3系列转向架也继承了欧系车辆的传统技术特点：如二系横向悬挂具有“小迟滞低阻抗”特性，保持车体摇头大阻尼技术特征，以确保在高速运行状态下乘坐舒性适技术要求。再如以德系空簧实现了二系垂向“软”悬挂特性，。应当特别强调：日系空簧避免了因轨道小缺陷激扰所造成的车体垂向振动问题并不适用于高速转向架应用。小缺陷是指不平顺波长小于转向架轴距的轨道激扰。由于日系空簧作用，在高速运行状态下，其将造成转向架构架的强波振动响应强调其阻尼孔的阻尼效应，因而在高速轮轨接触下形成了空簧硬悬挂特性。因而日系车辆提速将造成车体垂向加速度响应频带增宽，并导致车下质量共振造成诸如安装吊架开裂等严重事故。而德系空簧则以2个大直径孔作为气囊与辅助气室之间的过流孔，不再强调节流孔阻尼效应。由此可见，ICE快铁运用模式不仅结成了欧系车辆的安全舒技适术特点，同时更加突出了克服轮轨磨耗敏感性的技术穿心。根据横向非保守系统的基本观点，ICE系列转向架技术创新的核心技术问题在于如何实现抗蛇行频带吸能机制。从系统分析的观点出发，抗蛇行频带吸能机制应当作为抗蛇行减振器参数调控的调节机制。如上所述，ICE3系列转向架技术创新的主要技术目的就在于车轮踏面选用S1002G，最小等效锥度0.166，部分牺牲其技术经济性，以试图集中锥度较大，转向架不稳定解决转向架不稳定问题。在高速轮轨接触下，最小等效蛇行振荡加快，因而必须强调抗蛇行减振器的机理模型，即Maxwell模型，以抗蛇行频带吸能机制实现抗蛇行参数调配。由此可见，抗蛇行频带吸能机制是指抗蛇行相位滞后与高频阻抗之间的自调节机制，因而其抗蛇行减振器功能重新定位为：衰减蛇行振荡、控制蛇行幅值及兼顾曲线性能。降低蛇行振荡参振质量是抗蛇行减振器技术实现的重要条件之一。体悬、简单架悬和弹性架悬3种牵引电机吊挂方式对比表明：电机弹性架悬可以减小转向架摇头相位滞后，进而降低跟随轮对车轴横向力。同时中国高铁运用具有特殊性，6

如无砟道床、高架铁路以及气候因素影响。为了在实际300km/h高铁运用中更加强调高速列车稳定鲁棒性能，总结并归纳了基于抗蛇行频带吸能机制的稳定新理论，其核心就在于以抗蛇行频带吸能机制作为抗蛇行参数配置或整定的调节机制来实现转向架优配。抗蛇行动态刚度非线性是抗蛇行减振器技术实现局限性所造成的。为了确保而ICE3必须采用了抗蛇行减振器冗余设计形式。如德国ZF公司制造的Sachs密封元件的技术可靠性，抗蛇行减振器技术实现采取了高频自保机制，因系列转向架抗蛇行减振器，活塞上有1个节流孔，和6个泄流，阀分为2组，以实现压缩腔与反弹腔的双向节流控制。为了缓解压缩腔峰值压力，缸底设有安全阀并向辅助腔泄油。在横向谐振或冲击强迫激扰作用下，辅助腔过压并造成抗蛇行减振器漏油现象。由于辅助腔内设有自膨胀袋，若轻微漏油，则不会影响其线性阻尼特性。但是若频繁强迫激扰，则抗蛇行减振器严重漏油，必将导致安全风险。高铁车辆检修规范也规定：若漏油痕迹超过油缸长度的1/3，则需要更换减振器。高频自保机制是指为了确保密封元件技术可靠性，泄流阀卸荷或安全阀泄漏等所形成的自我保护机制。由此可见，抗蛇行动态刚度非线性是指高频自保机制对理想的抗蛇行动态刚度所造成的非线性影响。根据抗蛇行串联刚度判定原则，制订了抗蛇行软约束调控技术对策。与常规型式试验的1.2倍安全冗余不同，安全稳定裕度是指尽管整车稳定性态和非线性临界速度充分满足要求，但是高铁车辆也必须得到证实其在最高商业速度下具有安全冗余。整车稳定性态是指在镟轮周期内整车跟轨迹图所反映的稳定性质及变化形态。目前型式试验也做了相应修订：即试运行不足30万公里，不得进行新车稳定性能验收的型式试验。从动态仿真对型式试验的互补性角度来讲，以渐进稳定观点进行整车稳定性态分析，以全稳定验证。安全评估是指以UIC518/EN14363所规定的安全值进行走行部非线性动态行为评估，如构架横向加速度和车轴横向力等。有界稳定原则进行走行部动态行为安全评估，进而实现了高铁车辆安转向架安全稳定裕度调控则是指以抗蛇行频带吸能机制作为调节机制，进行抗蛇行参数整定或优配，以改善转向架稳定性能增强高铁运用安全冗余。为了降低抗蛇行动态刚度非线性影响，抗蛇行软约束调控技术是指以如下技术方式来实现抗蛇7

行串联刚度调节：首先应用抗蛇行匹配原则，应用整车稳定性态分析方法，实现抗蛇行参数（如抗蛇行串联刚度与线性阻尼K，C）的最佳配置；然后在抗蛇行减振器台架动态试验配合下，应用抗蛇行串联刚度判定原则，确定抗蛇行减振器液压刚度及端节点橡胶刚度配置，也就是说，通过端节点橡胶刚度调节来实现抗蛇行串联刚度优配。在京沪高速晃车问题解决中，抗蛇行软约束技术得到了实际工程应用。现场调研、线路试验即动态仿真综合分析表明：抗蛇行软约束具有技术优势。如在（2-3）个镟轮周期内连续保持踏面均匀磨耗，其镟轮周期平均磨耗率低于0.20mm/十万公里抗蛇行软约束调控技术对策更加强低抗蛇行动态刚度非线性影响如上所述，德国ICE快铁模式成功获得了准高铁或锥度0.166，仍然是其主要的技术经济性指标之一。特别是准高速运用，其技术性难以与日系车辆匹敌。在经济镟修踏面选用研究中，线路试验表明：欧系车辆转向架的最小锥度不得小于0.166，否则将出现晃车现象。由此可见，降低最小等效锥度消除地锥度晃车现象是改善ICE快铁模式技术经济性的关键所在。⑤我国既有线路提速及城际快铁运用模式路6次大提速（≤160km/h），基本依靠自主技术，也尝试过引进术，如广深线，租赁X-2000高速摆式列车。而时速≥200km/h，也是做了自主研发的积极尝试，如蓝剑和长白山号列车分别进行了线路试验或试运行。应该讲试为今后的准高铁车辆研制积累了宝贵经验。在中国准高铁技术引进方面，有2个典型案例：一是如上所述。由此可见，与减振器模型仿真及非线性研究不同，调抗蛇行减振器对车辆系统的性能匹配，以降。高铁运用，但是最小等效经济我国铁技，这些积极尝，日本新干线技术引进，如CRH2A；二是庞巴迪与青岛四方合资BST