基于抗蛇行减振器失效工况的高速转向架稳定性分析

朴明伟，孔维刚，刘通，兆文忠

(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)

0 引言

对于CRH3动车组转向架来讲，车轮踏面选用S1002CN，其轮轨接触锥度趋高，因而抗蛇行减振器采用了冗余设计，即每架4个抗蛇行减振器.因此，抗蛇行减振器失效对高速转向架稳定性的影响受到业内专家的重视.文献［1］采用轮对蛇行分叉理论，系统分析了抗蛇行减振器端节点径向刚度对车辆临界速度的影响.文献［2-3］分别从轮轨匹配特征和轨道不平顺激扰作用的角度，研究了高速轮轨动力作用的特点.在考虑到CRH3动车组转向架所采用的Sachs抗蛇行减振器构造特征情况下，文献［4］提出并验证了宽吸能频带抗蛇行减振器假设模型，进而给出了3种典型踏面的最高商业临界速度.由此可见，从常规的轮轨关系原则(即权衡稳定性与轮轨对中性或导向性)的角度出发，由于CRH3动车组选用S1002CN踏面，很自然要关注抗蛇行减振器的冗余设计问题.

为此，本文以CRH3动车组转向架作为研究对象，采用线性稳定性分析手段定性分析抗蛇行减振器失效对转向架稳定性的影响程度，并以非线性动态仿真形式进行验证，进而确定构架振动报警识别的可行性.

1 线性稳定性分析

线性稳定性分析是指:①在特定的轮轨接触条件下(如名义等效锥度λeN=0.16)，将整车非线性系统模型进行线性化处理;②采用根轨迹方法得到整车结构模态极点的变化轨迹，称为根轨迹图;③一般以临界阻尼5%作为裕度来确定线性临界速度，即最小模态阻尼≥5%.

根据CRH3动车组转向架的构造特点，见图1，以两种轮轨接触条件进行计算:新轮轨接触(λeN=0.16)和磨耗轮轨接触(λeN=0.40).在每种轮轨接触条件之下，进行了多种抗蛇行减振器失效工况分析.由于篇幅有限，这里给出了两种失效工况对比:正常工况和失效工况1(即后位转向架右侧上位的1个抗蛇行减振器失效).

图1 CRH3车组的动车/拖车转向架

1.1 动车转向架

图2和图3分别给出了在新轮轨接触和磨耗轮轨接触条件下动车根轨迹对比，由此可见:

(1)在新轮轨接触条件下，与正常工况相比，失效工况1主要表现:①车体侧滚模态对转向架蛇行模态的牵连作用有所减轻;②随车速提高，转向架蛇行模态极点趋于某一点，而电机吊架横移模态极点则趋于失稳，特别是后位电机吊架的横移模态阻尼有明显的降低.

(2)在磨耗轮轨接触条件下，失效工况1则主要表现为后位电机吊架横移振动失稳的可能性增大.考虑到电机吊架的非线性约束(如吊架减振器和间隙止挡等)，电机吊架横向振动将对转向架稳定性构成影响，如车轴横向力急剧增大等.

图2 基于新轮轨接触的动车根轨迹对比(λeN=0.16)

图3 基于磨耗轮轨接触的动车根轨迹对比(λeN=0.40)

1.2 拖车转向架

图4和5分别给出了在新轮轨接触和磨耗轮轨接触条件下拖车根轨迹对比，很显然，失效工况1造成后位转向架蛇行模态阻尼降低，并首先进入失稳状态.

图4 基于新轮轨接触的拖车根轨迹对比(λeN=0.16)

图5 基于磨耗轮轨接触的拖车根轨迹对比(λeN=0.40)

综上所述，失效工况1有两个明显的特征:①拖车转向架的稳定性将受到严重的影响，动车转向架的安全稳定性裕度将有所降低;②在新轮轨接触条件下对转向架稳定性的影响相对比较小，但在磨耗轮轨接触条件下则将是非常严重的.

2 临界速度对比

通过表1与表2的对比可见:对于失效工况1，在新轮轨接触条件下不会对临界状态产生很大的影响，但是，在磨耗轮轨接触条件下将对临界状态产生非常严重的影响，特别是拖车非线性Vcr≈330 km/h.

表1 基于失效工况1的临界速度对比

表2 基于正常工况的临界速度对比

图6 动车(01/08)轮对蛇行临界状态(后位)

图7 拖车(02/07)轮对蛇行临界状态(后位)

图6和图7分别给出了在新轮轨接触和磨耗轮轨接触条件下，动车与拖车轮对蛇行临界状态，即动车轮对呈现“拍振”形式，而拖车轮对则为稳定的“极限环”形式，其幅值随车速提高而增大.

这些临界状态对比充分说明:①在同样的一个抗蛇行减振器失效后，拖车转向架表现为抗蛇行减振器“阻尼逸散作用不足”，主要原因是拖车转向架蛇行模态频率的变化范围比较大;②而动车转向架采用了电机弹性架悬，其蛇行模态频率变化范围比较小，因而抗蛇行减振器仍然能够起到吸收其蛇行振荡能量的作用;③这再次表明轮对蛇行分叉理论的适用性是非常值得商榷的.

3 动态行为评价

3.1 构架横向加速度

表3给出了基于失效工况1的构架横向加速度对比.这一对比表明:由于一个抗蛇行减振器失效，后位转向架的安全稳定性裕度将有所降低，即在新轮轨接触条件下，最高试验速度降低到420 km/h;而在磨耗轮轨接触条件下则为320 km/h.此时，转向架动态行为将表现出“瞬间”蛇行振荡，并造成构架横向加速度的采样均方差“快速”增大.

表3 基于失效工况的构架横向加速度采样均方差Sy m2/s

3.2 车轴横向力

并作为车轴横向力的限定值.表4给出了基于失效工况1的车轴横向力对比.

表4 基于失效工况1的车轴横向力采样均方差s(∑y)2m/kN

从车轴横向力对比可见:①在构架横向加速度接近或达到限定值时，车轴横向力均在其限定值之下，所以，轮轨安全基本上是有保障的;②对于拖车转向架来讲，不仅临界速度有较大幅度的降低，而且车轴横向力也比较高.

3.3 失稳行为

图8和图9给出了失稳时构架横向加速度的频响对比.由此可见:①由于电机吊架的非线性约束(如横向减振器和间隙止挡)，动车转向架的失稳行为已经转换为电机吊架横移模态振动;②拖车转向架失稳时，转向架蛇行振荡频率将有所提高.

图8 动车转向架失稳行为

图9 拖车转向架失稳行为

4 结论

(1)在抗蛇行减振器“失效”后，转向架的安全稳定性裕度将有所降低，主要表现为:动车转向架将以电机吊架横移振动作为其失稳形式，而拖车转向架则以快速蛇行振荡形式表现出来;

(2)以后位转向架的一个抗蛇行减振器失效工况为例(即失效工况1)，在新轮轨接触条件下，“失效”对转向架稳定性的影响相对比较小，试验速度还可以在420 km/h以下，但是磨耗轮轨接触条件下，“失稳”将对转向架稳定性产生严重的影响，如临界速度、构架横向加速度和车轴横向力等均有明显的增大趋势;

(3)幸运的是按照UIC518的规定，在构架横向加速度接近或达到其限定值时，车轴横向力已经有显著的增大，但还没有超限.也就是说，一旦抗蛇行减振器“失效”，在车轴横向力还没有超限之前，构架横向加速度超限并将报警.

［1］曾京，邬平波.减振器橡胶节点刚度对铁道客车系统临界速度的影响［J］.中国铁道科学，2008，29(2):94-98.

［2］孙善超，王成国，李海涛，等.轮/轨接触几何参数对高速客车动力学性能的影响［J］.中国铁道科学，2006，27(5):93-98.

［3］王开云，司道林，陈忠华.高速列车轮轨动态相互作用特征［J］.交通运输工程学报，2008，8(5):15-18.

［4］梁树林，朴明伟，郝剑华，等.基于3种典型踏面的高速转向架稳定性研究［J］.中国铁道科学，2010，31(3):57-63.

［5］UIC Code 518 OR.Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavioursafety-track fatigue-ride quality［S］.2nd edition，Paris:International Union of Railways，2003.