高铁车辆稳定运行的安全冗余.pdf

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1、高铁车辆稳定运行的安全冗余大连交通大学朴明伟（教授）安全冗余是指在轮轨磨耗、冰雪阻塞以及尾流扰动等诸多摄动影响下确保高铁车辆（或者高速列车）稳定运行的安全裕度。在高铁网络运用的新形势下，必须科学地认知高铁运用的安全风险，以制订相应的应对技术对策。严格意义讲，安全冗余这一术语外延很宽泛。就整个高铁运营系统而言，安全冗余将受到来自于诸如信号控制、轨道线路以及制动距离等综合因素影响。但是，从持续稳定安全运行角度来讲，高铁车辆的如下2个特殊性将成为影响安全冗余的直接因素：即轮轨磨耗敏感性和高速车体摇头大

2、阻尼。同时，线路服役条件通常造成某种形式的摄动影响，如尾流扰动等。高速列车稳定鲁棒性能是指在诸如尾流扰动等摄动影响下高速列车系统应当具备确保动态行为安全性的镇定能力。为此，本文将从如下3个方面来阐述安全冗余内涵：即轮轨磨耗敏感性、车体摇头大阻尼以及高速列车鲁棒稳定性能。一、轮轨磨耗敏感性轮轨磨耗敏感性是指磨耗轮轨接触对转向架稳定裕度的敏感影响。从横向非保守系统的基本观点出发，转向架稳定裕度是指转向架蛇行运动模态阻尼大小，即零阻尼为临界状态，一般不得小于5%。也就是说，按照欧系车辆技术标准体系，轮

3、对定位一般采用迫导向定位方式，特别是纵向定位刚度相当高。因而在轮轨接触蛇行振荡过程中，主要表现为转向架摇头运动。在接近或达到最高商业速度时转向架出现摇头模态振动，称为转向架不稳定谐振，其频率亦称为不稳定谐振频率。从高铁运用的安全监管角度，对转向架构架横向加速度进行必要的在线监测，其阈值称为构架横向加速度安全极限。在欧洲铁路提速技术探索中，严重的经济性问题是最值得借鉴的经验之一。尽管日本新干线开创了高铁运用的新纪元，但是就其车辆装备技术水平而言，仍然属于既有线路提速的技术范畴。比如新干线长编列车采

4、用“14动+2拖”编组形式，其主要原因有二：一是蛇行振荡参振质量很大，车轴横向力也很大；二是车轴横向力大必然导致牵引系数难以控制，不得不增加动力轮对数量以平均降低其牵引力。因为轮轨接触是一个典型的切向接触问题，牵引系数是影响轮轨弹性接触极限的重要因素之一。若牵引系数过大，则将造成诸如踏面表层或浅表层裂纹。因此，基于风阻平衡的“扩容”单纯论绝对不可取，因为稳定性是保障高铁运用安全的唯一首要条件，否则违背这一规律必将付出巨大的经济代价。修程修制也是目前新干线运营所面临的重要经济性问题之一。根据相关国

5、际标准（如UIC518和EN14363）规定：对于新车性能验收的型式试验，其试验轨道轮轨匹配的等效锥度有明确技术要求，即车速（280-350）km/h，等效锥度不得大于0.15，而车速（250-280）km/h，等效锥度也不得大于0.25。由此可见，新干线修程修制仅能够达到如下技术指标：以不落轮镟方式将等效锥度控制在0.25以下，镟轮修程仅为20余万公里。因此，由于日本新干线运用存在难以解1决的轮轨磨耗问题，中国高铁绝不能沿用新干线运用模式，必须通过技术与理论创新来开创中国高铁事业。综上所述，高

6、铁运用必须首先以技术创新来克服轮轨磨耗敏感性，如对德国西门子公司ICE3系列转向架，采用了电机弹性架悬；车轮踏面选用S1002G，其等效锥度0.166，等等。根据高速转向架的上述技术创新特点，在长距离高铁运用经验基础上，总结并归纳了抗蛇行频带吸能新理论。降低蛇行振荡参振质量是高速转向架设计的基本原则。如基于新干线引进技术的技改转向架，也试图采用抗蛇行频带吸能技术，即每架4个抗蛇行减振器。但是，较大车轴横向力的持续作用将造成抗蛇行减振器严重漏油。为此，试图以防尘罩来掩盖这一振动失效重大安全风险隐患

7、，同时这也违背了铁道部高铁车辆目视检查的相关规定。抗蛇行动态刚度非线性是由于抗蛇行频带吸能的技术实现局限性所造成的。所谓频带吸能就是以串联的刚度与阻尼形式来形成最佳的机械阻抗，其耗散阻抗在某一频带内最高，因而达到特定频带振动能量吸收的最佳效果。耗散阻抗是指机械阻抗的虚数部分，主要取决于串联阻尼与即绕频率的大小；相应地，蓄能阻抗则是指机械阻抗的实数部分，主要取决于串联刚度与激扰频率的大小。但是随着激扰频率的提高，动态刚度（或称为机械阻抗）也在不断增大，并以串联刚度作为其极限值。在技术实现上，抗蛇行

8、减振器通常为粘性减振器，其中，泄流阀和安全阀具有泄流特性，油缸密封所能够承受的油压也是有限的。如德国ZF公司所制造的Sachs抗蛇行减振器，活塞上泄流阀对称布置，横向谐振造成其卸荷；根据峰值压力缓解特性，横向冲击也会造成缸底安全阀向辅助腔内泄油。当横向冲击造成持续泄油，辅助腔过压导致抗蛇行减振器漏油。由于采用了自膨胀袋等必要的补求技术措施，轻微漏油不会影响到线性阻尼特性。但是严重漏油则会造成安全风险，因为“零飘”将直接影响到其线性阻尼特性，造成转向架稳定裕度降低，甚至失稳（即构架横向加速度超过安