高鐵車輛穩(wěn)定運(yùn)行的安全冗余.pdf

《高鐵車輛穩(wěn)定運(yùn)行的安全冗余.pdf》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、高鐵車輛穩(wěn)定運(yùn)行的安全冗余大連交通大學(xué)樸明偉（教授）安全冗余是指在輪軌磨耗、冰雪阻塞以及尾流擾動(dòng)等諸多攝動(dòng)影響下確保高鐵車輛（或者高速列車）穩(wěn)定運(yùn)行的安全裕度。在高鐵網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用的新形勢(shì)下，必須科學(xué)地認(rèn)知高鐵運(yùn)用的安全風(fēng)險(xiǎn)，以制訂相應(yīng)的應(yīng)對(duì)技術(shù)對(duì)策。嚴(yán)格意義講，安全冗余這一術(shù)語(yǔ)外延很寬泛。就整個(gè)高鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)而言，安全冗余將受到來(lái)自于諸如信號(hào)控制、軌道線路以及制動(dòng)距離等綜合因素影響。但是，從持續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行角度來(lái)講，高鐵車輛的如下2個(gè)特殊性將成為影響安全冗余的直接因素：即輪軌磨耗敏感性和高速車體搖頭大

2、阻尼。同時(shí)，線路服役條件通常造成某種形式的攝動(dòng)影響，如尾流擾動(dòng)等。高速列車穩(wěn)定魯棒性能是指在諸如尾流擾動(dòng)等攝動(dòng)影響下高速列車系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備確保動(dòng)態(tài)行為安全性的鎮(zhèn)定能力。為此，本文將從如下3個(gè)方面來(lái)闡述安全冗余內(nèi)涵：即輪軌磨耗敏感性、車體搖頭大阻尼以及高速列車魯棒穩(wěn)定性能。一、輪軌磨耗敏感性輪軌磨耗敏感性是指磨耗輪軌接觸對(duì)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度的敏感影響。從橫向非保守系統(tǒng)的基本觀點(diǎn)出發(fā)，轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度是指轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)模態(tài)阻尼大小，即零阻尼為臨界狀態(tài)，一般不得小于5%。也就是說(shuō)，按照歐系車輛技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，輪

3、對(duì)定位一般采用迫導(dǎo)向定位方式，特別是縱向定位剛度相當(dāng)高。因而在輪軌接觸蛇行振蕩過(guò)程中，主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向架搖頭運(yùn)動(dòng)。在接近或達(dá)到最高商業(yè)速度時(shí)轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)搖頭模態(tài)振動(dòng)，稱為轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定諧振，其頻率亦稱為不穩(wěn)定諧振頻率。從高鐵運(yùn)用的安全監(jiān)管角度，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度進(jìn)行必要的在線監(jiān)測(cè)，其閾值稱為構(gòu)架橫向加速度安全極限。在歐洲鐵路提速技術(shù)探索中，嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題是最值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)之一。盡管日本新干線開(kāi)創(chuàng)了高鐵運(yùn)用的新紀(jì)元，但是就其車輛裝備技術(shù)水平而言，仍然屬于既有線路提速的技術(shù)范疇。比如新干線長(zhǎng)編列車采

4、用“14動(dòng)+2拖”編組形式，其主要原因有二：一是蛇行振蕩參振質(zhì)量很大，車軸橫向力也很大；二是車軸橫向力大必然導(dǎo)致?tīng)恳禂?shù)難以控制，不得不增加動(dòng)力輪對(duì)數(shù)量以平均降低其牽引力。因?yàn)檩嗆壗佑|是一個(gè)典型的切向接觸問(wèn)題，牽引系數(shù)是影響輪軌彈性接觸極限的重要因素之一。若牽引系數(shù)過(guò)大，則將造成諸如踏面表層或淺表層裂紋。因此，基于風(fēng)阻平衡的“擴(kuò)容”單純論絕對(duì)不可取，因?yàn)榉€(wěn)定性是保障高鐵運(yùn)用安全的唯一首要條件，否則違背這一規(guī)律必將付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。修程修制也是目前新干線運(yùn)營(yíng)所面臨的重要經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題之一。根據(jù)相關(guān)國(guó)

5、際標(biāo)準(zhǔn)（如UIC518和EN14363）規(guī)定：對(duì)于新車性能驗(yàn)收的型式試驗(yàn)，其試驗(yàn)軌道輪軌匹配的等效錐度有明確技術(shù)要求，即車速（280-350）km/h，等效錐度不得大于0.15，而車速（250-280）km/h，等效錐度也不得大于0.25。由此可見(jiàn)，新干線修程修制僅能夠達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：以不落輪鏇方式將等效錐度控制在0.25以下，鏇輪修程僅為20余萬(wàn)公里。因此，由于日本新干線運(yùn)用存在難以解1決的輪軌磨耗問(wèn)題，中國(guó)高鐵絕不能沿用新干線運(yùn)用模式，必須通過(guò)技術(shù)與理論創(chuàng)新來(lái)開(kāi)創(chuàng)中國(guó)高鐵事業(yè)。綜上所述，高

6、鐵運(yùn)用必須首先以技術(shù)創(chuàng)新來(lái)克服輪軌磨耗敏感性，如對(duì)德國(guó)西門子公司ICE3系列轉(zhuǎn)向架，采用了電機(jī)彈性架懸；車輪踏面選用S1002G，其等效錐度0.166，等等。根據(jù)高速轉(zhuǎn)向架的上述技術(shù)創(chuàng)新特點(diǎn)，在長(zhǎng)距離高鐵運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)并歸納了抗蛇行頻帶吸能新理論。降低蛇行振蕩參振質(zhì)量是高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)的基本原則。如基于新干線引進(jìn)技術(shù)的技改轉(zhuǎn)向架，也試圖采用抗蛇行頻帶吸能技術(shù)，即每架4個(gè)抗蛇行減振器。但是，較大車軸橫向力的持續(xù)作用將造成抗蛇行減振器嚴(yán)重漏油。為此，試圖以防塵罩來(lái)掩蓋這一振動(dòng)失效重大安全風(fēng)險(xiǎn)隱患

7、，同時(shí)這也違背了鐵道部高鐵車輛目視檢查的相關(guān)規(guī)定?？股咝袆?dòng)態(tài)剛度非線性是由于抗蛇行頻帶吸能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)局限性所造成的。所謂頻帶吸能就是以串聯(lián)的剛度與阻尼形式來(lái)形成最佳的機(jī)械阻抗，其耗散阻抗在某一頻帶內(nèi)最高，因而達(dá)到特定頻帶振動(dòng)能量吸收的最佳效果。耗散阻抗是指機(jī)械阻抗的虛數(shù)部分，主要取決于串聯(lián)阻尼與即繞頻率的大??；相應(yīng)地，蓄能阻抗則是指機(jī)械阻抗的實(shí)數(shù)部分，主要取決于串聯(lián)剛度與激擾頻率的大小。但是隨著激擾頻率的提高，動(dòng)態(tài)剛度（或稱為機(jī)械阻抗）也在不斷增大，并以串聯(lián)剛度作為其極限值。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，抗蛇行

8、減振器通常為粘性減振器，其中，泄流閥和安全閥具有泄流特性，油缸密封所能夠承受的油壓也是有限的。如德國(guó)ZF公司所制造的Sachs抗蛇行減振器，活塞上泄流閥對(duì)稱布置，橫向諧振造成其卸荷；根據(jù)峰值壓力緩解特性，橫向沖擊也會(huì)造成缸底安全閥向輔助腔內(nèi)泄油。當(dāng)橫向沖擊造成持續(xù)泄油，輔助腔過(guò)壓導(dǎo)致抗蛇行減振器漏油。由于采用了自膨脹袋等必要的補(bǔ)求技術(shù)措施，輕微漏油不會(huì)影響到線性阻尼特性。但是嚴(yán)重漏油則會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)椤傲泔h”將直接影響到其線性阻尼特性，造成轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定裕度降低，甚至失穩(wěn)（即構(gòu)架橫向加速度超過(guò)安