朴明伟，刘德柱，郭强，兆文忠



德国ICE快铁运用及其对轮配技术条件制约性

朴明伟1，刘德柱1，郭强1，兆文忠2

(1 大连交通大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116028； 2大连交通大学 交通运输工程学院, 辽宁 大连 116028)

由于ICE3转向架原型存在对轮配技术条件制约性，因而必须依靠原创性技术创新来转变客运专线发展模式.以长编转向架优配作为技改范例，应用抗蛇行宽频带吸能机制，实现了对转向架不稳定蛇行振荡现象的超前滞后校正，部分恢复了转向架自导向能力，克服了对轮配技术条件制约性,即名义等效锥度降低至0.10.如何实现车体与走行部横向解耦应当作为快捷与高速货车转向架的主要创新要素之一.若无抗蛇行减振器，则必须保障旁承摩擦及其回转阻力矩的稳定性，以降低结构性技术服务成本.参照Y37转向架及其TGV客货混用成功经验，合理确定快捷与高速货运的轮配技术条件，进而实现客货混用的“高速度低影响”技术目标.

客运专线；名义等效锥度；横向解耦；长编转向架；快捷货车转向架

0 引言

德国ICE快铁运用存在对轮配技术条件制约性，即实际等效锥度不得低于0.10，即所谓客运专线.结合中国高铁建设与发展需求，必须正确认知ICE3转向架原型创新技术特点及其局限性，有必要以原始技术创新来转变客运专线发展模式，扩大铁路投资收益.

根据轮轨蠕滑理论，轮对自稳定问题与转向架不稳定蛇行振荡现象，是快速与高速转向架设计的2个基本不稳定问题.从动态设计观点出发，不得忽视快铁与高铁车辆响应对轮轨蠕滑的反馈影响，因而车轮蠕滑具有准静态与动态2种成份[1-3].在轮对弹性定位约束下，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，是造成轮对蛇行自激振荡的主要原因之一，简称轮对自稳定问题.结合ETR系列摆式转向架横向稳定性能要求，Polach指出[4]： EN13802规定了抗蛇行减振器的2类性能试验，即准静态阻尼特性与台架动态特性，尽管如此，在大幅值低频循环激扰下获得的阻尼特性，其不适合定义抗蛇行减振器装车动态性能.而在微小幅值的位移激扰下，A≤ 1 mm，台架动态特性具有Maxwell模型的可回归性，即激扰频率越快，抗蛇行高频阻抗变得越来越突出，而动态阻尼却在不断降低.在电机体悬、简单与弹性架悬3种电机吊挂方式对比研究中，Alfi发现[5]：电机弹性架悬，且实现相对转向架构架的横向摆动，可以降低转向架不稳定蛇行振荡的参振质量，进而降低摇头运动相对横移的相位滞后，有利于控制跟随轮对的车轴横向力.从钢轨专业技术角度出发，Schoech更加明确了法铁TGV与德国ICE的钢轨打磨技术条件[6]，特别是ICE快铁运用及其对轮配技术制约性，即平均商业速度200 km/h，短时最高速度300 km/h，通过钢轨预打磨，无论新镟或磨耗踏面，实际等效锥度控制必须严格在(0.10 ～0.13)，最大值0.15.相对而言，法铁TGV则采用钢轨预防性与维修性2种打磨方式，其实际等效锥度则控制在(0.03 ～0.13).

结合中国高铁CRH实践[7 - 8]，本文主要探究ICE3转向架原型及其对轮配技术条件制约性，并以抗蛇行宽频带吸能机制作为原始技术创新，制订长编转向架优配方案，为实现长交路跨线运营或快捷与高速货运提供技术支持.

1 对轮配技术条件制约性

德国ICE3系列转向架具有其创新技术特点，如轮对(强)刚性定位约束、电机弹性架悬以及抗蛇行冗余设计形式等.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.

但是在主要研究问题处理上，ICE3转向架原型存在设计缺陷，即采用新型抗蛇行减振器T60或T70，以自适应控制方式仅仅实现了对转向架不稳定蛇行振荡现象的超前或滞后校正，因而部分丧失了转向架自导向能力，并形成了对轮配技术条件制约性，且实际车速要求越高，对轮配的制约性越强.如中国CRH高铁，车速300～330 km/h，转向架优配研究表明：其实际等效锥度不得低于0.16.

与西班牙高铁AVE不同，中国高铁CRH运用具有其特殊性，如无砟轨道，高架铁路，且桥隧比例较大，以及气候特征变化明显等.特别是轨道长波不平顺激扰和侧风对车体扰动，应当作为影响目前高铁运用稳定安全的2大负面因素.尤其是河西走廊和东北大部，季风多发地区，以及南岭山区，桥隧比例较高，高铁运用需要特别防范侧风稳定性问题及其危害性影响.

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，其耦合强度与车体横向参振质量有关，因而采用了车下质量弹性吊挂形式[7 - 8].横向振动耦合机制是目前高铁车辆振动行为的基本规律，并造成其结构性技术服务成本增大，其主要有以下2个方面表现：

(1)抗蛇行减振器统购T70后，由于动力轮对齿轮箱壳体补强，钢轨局部磨耗的二次敏感性影响成为了车体与走行部横向耦合作用的主要负面影响形式之一.特别是山区线路，明线与暗线交错，钢轨局部磨耗尤为突出，轮对镟修的技术效果越来越不明显.因而镟轮修程也由原来的30余万公里降低至10 ～15 万公里.

(2)同时擦轮或擦伤累计形成车轮多边磨问题，其已经成为长交路跨线运营的主要技术问题之一.由于线路养护管理差异，如钢轨未进行预打磨，或钢轨预打磨目标廓型未统一规范，车轮多边磨问题呈现爆发式增长趋势，进而导致严重的振动噪声问题，如轴箱盖振动松脱或司机室噪声超限等.

客运专线并非保障高铁运用稳定安全的充要技术条件.在理论与实践上可以充分证明：德国ICE3转向架原型存在设计缺陷，且形成了轮配条件制约性、钢轨磨耗敏感性以及横向振动耦合机制3大负面影响[8 - 9].德国ICE快铁也正在逐步转变其客专运营模式.实际上也仅有科恩至法兰克福一段，设计时速300 km/h，客专运营模式.而2006年新建的纽伦堡至因戈尔施塔特，设计时速300 km/h，则允许轻型货运车辆运用.对于其它线路，如设计时速250 ～280 km/h，也允许夜间货运.

随着中国CRH铁路建设的快速发展，“专车专线”运营模式不可能满足PPP(公私联合)融资需求. 西班牙高铁AVE采用德国制造的Veralo SP，马德里至巴塞罗那，约540 km，平原地貌，路堤线路，专车专线运营模式. 但是中国社会经济具有区域性发展特征，特别是城镇化进程迅猛发展，长交路跨线运营需求正在迅速形成.因此，中国CRH需要以原创新技术来实施对ICE3转向架原型的实质性技改，逐步转变客专运营模式，增强铁路建设的可持续发展能力，积极促进中国社会经济的转型升级.

2 长编转向架解决方案

在钢轨预打磨统一其目标廓型的技术前提下，如60N(对称打磨)，长编(列车)转向架优配必须满足如下强制性的轮配技术要求：即名义等效锥度降低至0.10.

以ICE3转向架作为技术原型，通过新型抗蛇行减振器T60/T70的组合应用及其参数优配，长编转向架采用抗蛇行宽频带吸能机制，引入结构阻尼约束减振技术，以弥补ICE3原型的设计缺陷，其特征在于：

(1)根据长交路跨线运用的技术需求，应用动态设计方法，制订长编转向架优配方案，以实现对转向架不稳定蛇行振荡的超前滞后校正，部分恢复了转向架自导向能力，名义等效锥度降低至0.10，克服了对轮配技术条件制约性的技术瓶颈.

(2)借用ICE3转向架原型的抗蛇行冗余设计形式，形成新型抗蛇行减振器T60与T70组合应用方式，如图1所示.为了兼容大阻尼抑制蛇行机制和抗蛇行频带吸能机制，借用抗蛇行软约束或膨胀袋技术，T60要实现低频中心频率的参数配置，fL0=k/C(圆频率)，而T70则要实现高频中心频率的参数配置，fH0=K/c，抗蛇行串联刚度，每架2(K+k)不得低于3X×2，假设动车组转向架原配的抗蛇行串联刚度X.

(a) 频响特性

(b) 低频与高频吸能频

(3)转向架部分参数得到优化，即电机横摆刚度提高至km+20 kN/m，km为ICE3转向架电机横摆刚度原配值；轮对纵向定位刚度，由原始值120 MN/m降低至35 MN/m.

根据上述解决方案，如图2所示，给出了长编转向架优配方案制订的技术路线，动车与拖车非线性临界速度，见表1.

图2 长编转向架优配方案制订的技术路线

表1 动车与拖车非线性临界速度 km/h

3 高速轮轨技术局限性

从技术经济性角度出发，高速轮轨技术局限性应当给予重视，以发挥其最大的社会经济效益.威金斯首先提出了车轮自旋蠕滑并构建了轮轨横向动态制衡关系.根据台架试验数据，特别强调指出[3]：与车轮纵向蠕滑的情况不同，车轮自旋蠕滑及其对横向蠕滑力效应，其不再具有饱和曲线特征.具体地，在纵向与横向蠕滑均为零的前提条件下，当车轮自旋蠕滑≤0.6，其对横向蠕滑效应呈现线性递增关系，但是当 < 0.6时，则快速衰减.

极限速度是指能够维系轮轨横向动态制衡关系的最高安全速度.以ICE3系列转向架作为技术原型，超高速转向架优配选配T70，其动态仿真分析表明：尽管尚存在诸多技术问题，但是其极限速度接近600 km/h[9].而对于转变转向架优配来讲，由于轮对纵向定位刚度降低至35 MN/m，在新车状态下，等效锥度0.10，车速接近480 km/h，车轮自旋蠕滑达到或超过0.6，轮对横向动态失衡，且横向瞬间抖振，车轮纵向蠕滑最大值接近或超过0.01，即线性蠕滑的上限，车轮瞬间打滑的可能性增大.

由此可见，快铁经济运用，其技术本质就是通过不落轮镟或钢轨打磨等辅助技术，在较低等效锥度的轮配条件下，实际轮轨接触偏向于密贴型接触的极端情况，保持车体与走行部之间的低频牵连运动关系，约1.0 ～2.0 Hz，以满足大阻尼抑制蛇行机制的技术条件，因而其经济速度250～280 km/h.而高铁运用则更加强调稳定安全，需要以轮对刚性定位约束来抑制车轮自旋蠕滑及其负面影响，进而突破其极限速度.但是高铁车辆及其结构性技术服务成本也是决定高铁运用经济速度的主要因素之一.对于ICE3转向架原型来讲，在抗蛇行宽频带吸能机制的配合下，轮对纵向定位刚度由120 MN/m降低至35 MN/m，极限速度由600 km/h降低至480 km/h.尽管如此，长编转向架改善或增强了对轨道线路及其服役条件的适应性、友好性以及稳定鲁棒性，进而满足了300 ～330 km/h长交路跨线运营的技术需求.

4 客货混用及其“高速度低影响”技术目标

“高速度低影响”是新建铁路专线实现客货混用的重要技术目标之一，其具有以下3点技术内涵：

(1)通过对ICE3转向架原型的实质性技改，长编与高速转向架，其名义等效锥度降低至0.10，以防止钢轨走行光带向轨距角一侧扩展，进而造成滚动接触疲劳失效，如轨距角一侧产生如同细丝般裂纹；

(2)在钢轨预打磨统一其目标廓型的技术前提条件下，如60 N，快捷与高速货车转向架研发，必须首先保障其横向稳定性能，控制其车轴横向力，避免形成对钢轨磨耗的负面影响；

(3)快捷与高速货车转向架研发，必须控制车轮动荷，参照TSI规范，20 Hz低通滤波的车轮动荷RMS3σ不得大于车轮静载荷的25%.

由此可见，如何实现车体与走行部横向解耦，应当作为快捷与高速货车转向架的主要创新技术之一.若无抗蛇行减振器，则必须保障旁承摩擦及其回转阻力矩的稳定性，以降低结构性技术服务成本.更为重要的是：应当参照Y37转向架及其TGV专线的客货混用成功经验，合理确定快捷与高速货运的轮配条件.特别是既有铁路干线及其客运业务逐步退出的形势下，快捷货车转向架设计应当积极利用密贴型接触轮轨关系的优势技术资源，进而体现经济型设计理念.

5 结论

(1)在当前快铁或高铁网络迅猛发展的形势下，中国CRH必须以原创性技术来转变客运专线发展模式.德国ICE3系列转向架具有其创新技术特点，但也存在其设计缺陷，且形成了轮配条件制约性、钢轨磨耗敏感性以及横向耦合振动耦合机制3大负面影响.因而客运专线并非保障高铁运用稳定安全的充要条件；

(2)以新型抗蛇行减振器T60和T70组合应用方式，分别引入低频结构阻尼和高频阻抗作用，且形成对转向架不稳定蛇行振荡现象的超前滞后校正.以长编转向架优配作为研究对象，适度增强电机横摆刚度，彻底解决侧风不稳定问题，增强对服役条件的稳定鲁棒性；合理降低轮对纵向定位刚度，改善对轨道线路的适应性与友好性；

(3)“高速度低影响”是新建铁路专线实现客货混用的重要技术目标之一.因而必须正确认知ICE3转向架原型创新技术特点及其局限性，以抗蛇行宽频带吸能机制作为原始技术创新，实现对ICE3转向架原型的实质性技改，以满足钢轨预打磨统一其目标廓型的技术需求.同时参照法铁TGV及其客货运用的成功经验，快捷或高速货车转向架设计也应当积极利用密贴型接触轮轨关系的优势技术资源，体现其经济型设计理念，以扩大铁路投资收益率.

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German ICE Rapid Rails and Wheel-Rail Matching Conditionality

PIAO Mingwei1, LIU Dezhu1, GUO Qiang1, ZHAO Wenzhong2

( 1.School of Machinery Engineering , Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China；2. School of Traffic & Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Due to the wheel-rail matching conditionality of ICE3 bogie prototype, the practice mode of dedicated passenger lines must be changed urgently by applying the technical innovations. Taking long-train bogie as technical improvemrnt paradigm, the lead-lag correction to hunting ocillation instability of bogies is realized by applying the anti-hunting absorting wide-band mechanism, and the self-steering ability of bogie can be then recovered partally so as to overcome the wheel-rail matching conditionality, i.e. nominal equilalent conicity is decreased to 0.10. Meanwhile how to decouple laterally between carbody and running gears is one of innovative factors in developing projects of high-speed/rapid freight bogies. If no anti-yaw damper is adopted, the stability of side bearing frictions and resistance moments should be guaranteed correctly. With reference to the Y37 freight bogie and the successful experiences of TGV passenger-freight mixed mode, the nominal equivalent conicity can be selected rationally for both rapid/high-speed freight rails. So the technical objective of high-speed and low-impact can be achieved therefore for the mixed practices of passenger and freight transportions.

dedicated passenger lines; nominal equivalent conicity; lateral decoupling; long train bogie; rapid freight bogie

1673- 9590(2016)02- 0038- 05

2015-05-14

国家自然科学基金资助项目(60870009)

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