两会观摩-了不起的高铁之共振问题

两会观摩：了不起的高铁之共振问题大连交通大学机械工程学院 昨天晚上5集宣传片了不起的高铁播放结束，其中，对共振问题（第2集）的解释太精彩了，令人难忘。其次，为了体面出行，每年1千亿美金投资，这一代价或许太大了：与普速铁路的硬座票价提高了近（3 - 5）倍；这样的票价尚不足运营维护成本的1/3。现在各路局想尽各种办法，扭亏增效，如部分车厢出租给快递公司。 针对新建铁路“八纵八横”规划的技术目标，即以长大高铁干线或长交路跨线运营来创新构建高铁经济走廊，要认真审视日本新干线、德国ICE快铁以及法铁TGV专线技术模式及其技术特点，进而确立中国高速铁路的创新发展技术模式。因此，在新建铁路快速发展的形势下，应当应当明确如下宣传基调：高铁车辆运用管理以及维护维修究竟解决了什么关键技术问题，进而形成了何种核心技术。（准）静态设计采用开环系统分析观点，即在小蠕滑或无自旋错误假设下，孤立看待整备车辆系统的振动响应和轮轨磨耗问题。进而形成了对高速轮轨技术的片面认识，时而乐观冒进，把降阻增容视为灵丹妙药；时而悲观保守，把轮轨不连续磨耗问题视为“癌症”。若技术决策失误会增大铁路投资风险，或转嫁到物流成本，进而造成国家经济命脉的大“哽塞”，其负面影响远远大于房地产泡沫。在这种情节下共振的精彩解释可以理解。需要注意：按照构造速度的定义，提速转向架动态设计需要形成经济型与安全型设计理念，明确车体与转向架结构设计的强度安全边界条件（或称动荷安全性），以快铁经济运用和高铁稳定安全作为高速轮轨技术管理的基本原则，创新构建高铁经济走廊，进而实现降本降费、扭亏增效的经营目标。构造速度，顾名思义，就是将横向与纵向动力学的稳定性能和车体与转向架设计的结构强度两者作为边界条件，进而确定车辆运行的最高时速。据日本铁道技术研究院RTRI的科研通讯报道，当车速大于250 km/h时，如图1所示，铝合金车体会出现横向与垂向弹性振动，其主频分别为12.3 Hz和9.5 Hz。图1 日本新干线铝合金车体弹性振动及其对舒适性影响日本新干线试验列车，FasTech 360，其铝合金车体的车下质量（如牵引变流器）吊挂模态频率提高了约2 Hz。尽管如此，根据日系空簧及其热力学非线性影响，铝合金车体仍然存在垂向弹性振动现象。根据试验测试分析，如图5b所示，铝合金车体的横向弹性振动与抗蛇行减振器的高频阻抗作用相互关联，且抗蛇行减振器的安装高度对横向弹性振动的谐振幅值有影响。转向架经济型设计具有其技术局限性。在气囊与辅助气室之间设置节流孔，约（12 - 16）mm，如图2所示，日系空簧具有较强的热力学非线性影响4。尽管如此，对于地铁或城轨转向架来讲，日系空簧对车体形成了3/4点支承，进而可以省去抗侧滚扭杆装置和二系垂向减振器。图2 德系与日系空簧悬挂动态刚度特性对比但是随着车速提高，激扰频率加快，空簧动态刚度迅速变硬，因而在铝合金车体与走行部之间形成了约束内力的相关激励，进而造成了诸如牵引变流器垂向共振以及安装吊架开裂安全事故。具体地，根据日系空簧动态刚度特性，铝合金车体与走行部之间形成了垂向相关激励，进而激发牵引变流器吊挂模态振动，其与轨道下部结构无关，如轨道板定尺或轨道不平顺的敏感波长等。最近RTRI公开了车下质量振动台架试验及其测试结果1。如图3所示，以集中质量及连接梁作为替代车下质量的模拟物。在相同的安装条件下，如图4所示，选用刚性与弹性2种支承方式，其中，以大阻尼橡胶垫块作为弹性支承（见图4c）。图3 RTRI车下质量振动台架试验图4 车下质量刚性与弹性支承对比按照240 km/h的模拟激扰，这一台架试验研究有如下3点主要成果：在（5 - 20）Hz范围内，21点地板测试频响分析并未发现车体低频弹性模态被激发振动，如图5a所示，因而大阻尼橡胶支承并未形成明显的技术优势。图5 台架振动试验结果对比分析有趣的是替代车下质量的模拟物，其纵向、横向以及垂向加速度均方差对比表明：大阻尼橡胶支承的技术优势在于纵向与横向减振（见图5b），并非垂向减振。具体地，橡胶垫块的垂向刚度远远大于纵向或横向的。按照减振垫机理，弹性支承可以实现对车下质量有源振动的隔振效果。如在替代模拟物上施加约30 Hz激扰，车体地板产生相应的谐振，其幅值得到了很大程度的衰减。相对而言，德系空簧的热力学非线性影响得到了显著削弱，因为在气囊与辅助气室之间设置2个通气孔，约（60 - 70）mm（见图2）。因而对于德系车辆，如Velaro高速列车，采用了车下质量橡胶吊挂技术，以确保铝合金车体的30年技术服役寿命要求。根据IEC61373的规定，如图6所示，有以下2种橡胶吊挂形式：当车下质量1 250 kg时，采用圆锥型橡胶堆，且螺栓预紧（见图6a）；当车下质量大于1 250 kg时，则采用带有前后斜面的橡胶块，且自重楔紧（见图6b）。图6 德国Velaro高速列车的车下质量橡胶吊挂形式以德国Velaro高速列车作为技术原型，某新研制高寒车改变了车下质量橡胶吊挂参数，试图实现垂向减振的技术目标。车下质量跟踪测试发现：如图7和图8所示，牵引变流器发生了横向窜动，并导致铝合金车体产生横向抖振现象2。图7 某新研制高寒车车下质量跟踪测试图8 车上横向加速度3个典型的样本过程（时速300 km/h）基于跟踪测试数据的频响特征分析表明：如图9所示，车下质量出现了横向耦合共振，约9.3 Hz，并造成了铝合金车体产生横向高频弹性振动，约（280 - 290）Hz。这无疑构成了对铝合金车体技术服役寿命的负面影响。图9 基于线路跟踪测试的车上与车下横向加速度频响特征分析针对上述车下质量吊挂参数设计，如图10所示，进一步给出了轮轨磨耗对铝合金车体及车下质量的横向振动影响3。无论铝合金车体地板还是车下质量，其垂向加速度并未构成对乘坐舒适性影响。但是车下质量的横向振动及其动荷效应则对铝合金车体的30年技术服役寿命造成了不容忽视的负面影响。图10 轮轨磨耗对铝合金车体及车下质量的横向加速度影响（250 km/h）由此可见，台架试验、线路试验以及模型仿真3者分析结论具有不一致性：1）台架滚振试验不能完全取代线路试验。在车下质量横向振动上，台架试验与模型仿真给出了彼此矛盾的结论，其主要原因在于铝合金车体及其辅助部件的科氏加速度及陀螺惯性作用，其次是轮轨磨耗的非线性影响。具体地，对于整备车辆来讲，其振动行为研究应当突破结构动力学几何空间研究域的局限性，而是要在广义空间内进行大位移非线性系统模型仿真或线路试验测试。2）快铁经济运用优先原则。快铁经济运用优先原则就是要尽可能排除轮轨磨耗的非线性影响。在上述前提条件下，日系空簧热力学非线性影响造成了车体与走行部之间约束内力的相关激励作用，并导致诸如牵引变流器等车下质量产生垂向耦合共振。根据台架对比试验分析，大阻尼橡胶吊挂的技术措施是合理的，但是垂向刚度必须远远大于横向刚度，且遵守经济速度运用原则，即车轮磨耗经济性、转向架经济型设计以及经济速度。需要注意：转向架经济型设计具有其技术局限性，因而经济速度要根据整备车辆的构造速度来确定，且受到轮对服役安全性和车下质量耦合共振及其动荷效应2个主要因素制约，因而整备车辆技术服役寿命仅有15年，相应的折旧率较高。若提速运用，结构性技术服务成本剧增，因而用户总成本TCO难以承受。3）高铁稳定安全。高速转向架动态设计必须正确处理如下3大技术关系：高速轮轨关系。按照快铁经济运用与高铁稳定安全技术要求，科学制订高速轮轨关系的技术管理原则，且形成对钢轨磨耗的互补性，以降低运用维护成本（如钢轨打磨处理成本）。接口耦合关系。在动车转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态之间要形成合理稳健的牵连运动关系，尽量消除侧风对车体扰动的流固耦合效应负面影响。鉴于抗侧滚扭杆动荷效应及其对车轮磨耗的负面影响，这一牵连运动关系亦称为接口耦合关系。刚柔耦合关系。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，因而高速转向架动态设计必须留有较为充裕的安全稳定裕度，以避免车轮型面形成有害的踏面磨耗，预防轮轨接触磨耗的不连续问题。从振动响应的角度出发，上述横向耦合关系亦称为刚柔耦合关系。综上所述，除轮轨、弓网以及流固3大耦合效应外，整备车辆系统内部尚存在车体对转向架的接口耦合关系以及刚柔耦合关系。因而轻量化车体减振技术的有效性，其主要取决于转向架经济型与安全型设计及其创新技术特点。参考文献：1 Ken-ichiro AIDA, Takahiro TOMIOKA, Tadao TAKIGAMI, Yuki AKIYAMA, Hiroyuki SATO, Reduction of Carbody Flexural Vibration by the High-damping Elastic Support of Under-floor Equipment J, Qua