邵澤展

（中國鐵路西安局集團有限公司，西安 710054）

根據(jù)我國鐵路運輸和經(jīng)營發(fā)展需求，為了提高既有線鐵路運輸服務(wù)品質(zhì)，充分利用既有線鐵路的運輸資源和機客車檢修資源，近幾年我國依托既有快速客運電力機車和25T型客車技術(shù)成功研制了多個型號的160 km/h動力集中動車組，包括短編與長編、直車體與鼓形車體160 km/h動力集中動車組、雙源動力集中動車組等。160 km/h動力集中動車組具有成本低、運用范圍廣、時間經(jīng)濟價值高、可釋放樞紐和線路能力等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)機輛一體化運行、維修且能雙向駕駛，并且借鑒了動力分散動車組的乘務(wù)人員配置，有效節(jié)約了人力和經(jīng)濟成本［1-4］。

160 km/h動力集中動車組的動力學(xué)性能對于運輸安全、乘坐品質(zhì)、檢修維護經(jīng)濟性都具有重要影響［5-6］。與動力分散動車組相比，動力集中動車組的技術(shù)平臺、運用環(huán)境、牽引配置都存在較大差異，因此面臨的動力學(xué)問題也會與之有所不同。文中歸納的動力集中動車組主要的動力學(xué)問題包括3個方面：

（1）動力車直線晃車問題：160 km/h動力集中動車組動力車在直線工況速度級試驗期間曾出現(xiàn)明顯的晃車現(xiàn)象，車體橫向振動加速度存在周期性波動，雖然這一問題未對其運行安全性產(chǎn)生明顯影響，但明顯降低了司乘人員的乘坐舒適性［7］。

（2）動力車尾部頂推運行安全性問題：短編動力集中動車組通過一端動力車、一端控制車的方式首次實現(xiàn)了動力集中列車的雙向駕駛，雙源動力集中動車組通過一端電力動力車、一端內(nèi)燃動力車的方式解決了電氣化鐵路和非電氣化鐵路的混合運輸問題，這些編組方式都會出現(xiàn)動力車在列車尾部頂推的運行方式。該動力車尾部頂推運行方式會使動力車與拖車間車鉤處于受壓狀態(tài)，車鉤在縱向壓力作用下如果發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，便會對車體產(chǎn)生一定的橫向分力，對列車運行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

（3）單線隧道通過列車尾部動力學(xué)性能問題：動力集中動車組在隴海線高速通過單線隧道時曾出現(xiàn)尾部動力車和拖車橫向晃動現(xiàn)象，車體橫向振動加速度呈現(xiàn)出低頻周期性波動，直接影響動車組橫向運行平穩(wěn)性。這些動力學(xué)問題會在一定程度上影響動力集中動車組的順利開行和安全平穩(wěn)運行，國內(nèi)科研工作者圍繞這些問題開展了理論與試驗研究工作，并提出了切實可行的解決措施與方案［5-10］。

針對動力車直線晃車問題，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司（鐵科院集團有限公司）開展了深入的試驗與理論研究工作，采用動力學(xué)仿真計算復(fù)現(xiàn)了動力車晃車現(xiàn)象，借助模態(tài)分析法進行了晃車問題機理研究，明確了晃車問題的產(chǎn)生原因和影響因素［6，8-10］。對于動力車尾部頂推運行安全性問題，楊豆豆等［4-5］建立了機電耦合動力學(xué)模型，研究了動力車頭部牽引和尾部頂推運行方式下動力學(xué)性能的差異。

在梳理總結(jié)動力集中動車組主要動力學(xué)問題的基礎(chǔ)上，詳細介紹了圍繞這些問題開展的專項試驗研究和計算分析工作，明確了動力車直線晃車問題的產(chǎn)生原因、作用機理和影響因素，試驗研究了動力車尾部頂推運行安全性和單線隧道通過列車尾部動力學(xué)性能問題，為動力集中動車組的安全平穩(wěn)運行提供了技術(shù)支撐。

1 動力車直線晃車問題試驗研究與計算分析

某動力集中動車組進行動力學(xué)正線試驗期間，動力車運行速度大于140 km/h后在直線線路上出現(xiàn)了明顯的車體橫向晃動現(xiàn)象，其動力學(xué)響應(yīng)波形和頻譜如圖1所示。動力車車體橫向振動加速度存在頻率約1.1 Hz的明顯周期性波動，并帶動輪軌橫向力出現(xiàn)同頻率的小幅波動。雖然該動力車晃車問題對動車組運行安全性影響較小，但會使車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)明顯增大，降低乘坐舒適性。

圖1 動力車直線工況晃車波形圖和頻譜圖

針對該動力車直線晃車問題，鐵科院集團有限公司聯(lián)合主機廠調(diào)整軸箱拉桿和抗蛇行減振器關(guān)節(jié)剛度、車輪踏面狀態(tài)、抗蛇行減振器安裝角度等參數(shù)，開展了多次專項動力學(xué)試驗［8-10］，測試分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和車輪踏面狀態(tài)下的動力車動力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果分析表明：

（1）軸箱拉桿和抗蛇行減振器關(guān)節(jié)剛度優(yōu)化可以一定程度上減弱動力車橫向晃動幅值，但未能從根本上解決晃車問題。

（2）動力車車輪采用等效錐度較大的磨耗踏面時，車體晃車現(xiàn)象顯著減弱甚至消失，表明車輪等效錐度具有明顯影響作用。

（3）動力車抗蛇行減振器安裝角度減小后，車體晃車明顯減弱?？梢妱恿囍本€運行晃車問題與輪軌等效錐度和抗蛇行減振器安裝角度有直接關(guān)系，在大的抗蛇行減振器安裝角度和小的輪軌等效錐度條件下，會出現(xiàn)車體蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。

除試驗研究外，張志超等還建立了動力車動力學(xué)計算模型，采用仿真計算方法對該問題進行了深化研究［6，10］。動力學(xué)模型細化了軸箱裝置、電機驅(qū)動機構(gòu)的模擬，并考慮了減振器、軸箱拉桿關(guān)節(jié)剛度的非線性特性，如圖2所示，模型正確性通過準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)試驗各工況的動力車晃車現(xiàn)象得以驗證。此后，基于該具有較高可靠性的動力車動力學(xué)模型，采用系統(tǒng)模態(tài)分析方法研究了動力車晃車問題的作用機理和影響因素。系統(tǒng)每一階模態(tài)都會有模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼比，模態(tài)阻尼比主要表征對應(yīng)模態(tài)的穩(wěn)定性，模態(tài)阻尼比數(shù)值越大說明對應(yīng)模態(tài)收斂性越好，相反模態(tài)阻尼比小于0或接近0說明對應(yīng)的模態(tài)已經(jīng)發(fā)散失穩(wěn)或收斂很慢，容易引起晃車。動力車車體模態(tài)阻尼比隨輪軌等效錐度、抗蛇行減振器安裝角度的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯圀w二階蛇行的模態(tài)阻尼比在輪軌等效錐度很小、抗蛇行減振器安裝角度很大時為負值，并且會隨著輪軌等效錐度的增大、抗蛇行減振器安裝角度的減小而逐漸增大，表明該模態(tài)在輪軌等效錐度較小、抗蛇行減振器安裝角度較大時會出現(xiàn)發(fā)散失穩(wěn)或收斂很慢的現(xiàn)象，此時該模態(tài)的固有頻率約在0.8～1.2 Hz范圍內(nèi)，這與試驗中動力車出現(xiàn)晃車時的車體橫向振動加速度主頻相吻合。由此可判斷動力車的晃車問題是由該動力車的阻尼比較低的車體二階蛇行模態(tài)所引發(fā)的，也即抗蛇行減振器安裝角度過大引起的動力車低等效錐度下的車體二階蛇行運動失穩(wěn)。

圖2 動力車動力學(xué)分析模型

圖3 車體模態(tài)阻尼比變化曲線圖

在此基礎(chǔ)上，還借助動力學(xué)計算研究了動力車結(jié)構(gòu)參數(shù)對其車體橫向平穩(wěn)性的影響規(guī)律。動力車車體橫向平穩(wěn)指標(biāo)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化曲線如圖4所示，隨著軸箱拉桿縱向剛度的減小、一系彈簧橫向剛度的增大、二系橫向減振器阻尼的增大，動力車車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸減小，有利于提高其運行平穩(wěn)性。

圖4 動力車車體橫向平穩(wěn)指標(biāo)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化曲線圖

基于上述作用機理和影響因素分析，最終給出了科學(xué)合理的動力車直線晃車問題結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方案，其有效性也得到了試驗驗證。需要指出的是，雖然該動力車直線晃車問題得到了徹底解決，但隨著動力集中動車組的長期運用，車輪薄輪緣踏面旋修、車輪踏面磨耗等都會改變輪軌接觸狀態(tài)，從而有可能還會出現(xiàn)車體或構(gòu)架的橫向失穩(wěn)問題，因此應(yīng)該加強動力集中動車組的長期跟蹤測試，掌握車輪磨耗演變規(guī)律，制定科學(xué)合理的修程修制。

2 動力車尾部頂推運行安全性研究

160 km/h動力集中動車組（短編）通過一端動力車、另一端控制車的方式，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了動力集中列車的雙向駕駛，突破了動力車位于頭部牽引的固有模式。當(dāng)控制車在主控位運行時，動力車通過尾部頂推方式為列車提供動力，這種動力車尾部頂推運行方式對優(yōu)化運營組織、解決實際運輸問題具有重要意義。雙源動力集中動車組通過一端電力動力車、一端內(nèi)燃動力車模式解決電氣化鐵路和非電氣鐵路的混合運輸問題，同樣會出現(xiàn)動力車尾部頂推運行方式。動力車尾部頂推運行方式會使動力車與拖車間車鉤處于受壓狀態(tài)，車鉤在縱向壓力作用下如果發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，便會對車體產(chǎn)生一定的橫向分力，直接影響動車組運行穩(wěn)定性。這種情況下，動力車牽引功率的大小、車鉤穩(wěn)定能力以及列車縱向沖動等因素都會對其動力學(xué)性能和運行安全性產(chǎn)生一定影響。

首先采用動力學(xué)計算方法研究動力車尾部頂推方式對列車動力學(xué)性能的影響，建立9編組動力集中動車組動力學(xué)模型，其中尾部動力車、與其相鄰2節(jié)拖車車輛采用三維動力學(xué)模型，其余拖車車輛均采用具有1個自由度的單質(zhì)點模型，尾部動力車與相鄰?fù)宪囍g采用密接式車鉤連接，如圖5所示。計算結(jié)果表明：

圖5 動力車尾部頂推動力學(xué)分析模型

（1）壓鉤力作用下，動力車與相鄰?fù)宪囬g密接式車鉤在曲線上會出現(xiàn)“八”字形水平偏轉(zhuǎn)，R300 m曲線上車鉤水平轉(zhuǎn)角能夠控制在4°以內(nèi)。

（2）縱向壓鉤力對動力車輪軌作用力和運行安全性指標(biāo)影響較小，而對相鄰?fù)宪嚲哂幸欢ㄓ绊懽饔谩?/p>

除此以外，還通過正線線路試驗研究了動力車尾部頂推運行安全性問題。該動力車尾部頂推研究試驗在隴海線元龍—寶雞上行線區(qū)段開展，主要測試尾部頂推動力車與相鄰?fù)宪嚨妮嗆壛Α⒄駝蛹铀俣扰c位移、車鉤力等動力學(xué)響應(yīng)。試驗區(qū)段內(nèi)包含多個R300 m小半徑曲線，試驗運行速度60～70 km/h；且部分車站還進行了12號道岔側(cè)線通過試驗，通過速度42～45 km/h。動力車尾部頂推時車鉤力隨里程的分布散點圖如圖6所示，不同運行方式時車鉤水平轉(zhuǎn)角隨線路曲率的分布散點圖如圖7所示。可以看出，車鉤力大多數(shù)區(qū)段數(shù)值都在100 kN以內(nèi)，僅在幾個上坡區(qū)段出現(xiàn)明顯增大的壓鉤力，最大值達到364 kN；車鉤水平轉(zhuǎn)角主要受線路曲率影響，在R300 m小半徑曲線區(qū)段大都控制在3°以內(nèi)，在12號道岔側(cè)向通過時都能達到4°～5°。在這樣的縱向力作用和車鉤偏轉(zhuǎn)水平下，動力車和相鄰?fù)宪嚨倪\行安全性指標(biāo)數(shù)值總體上未見明顯異常，僅在局部小半徑曲線地段疊加較大壓鉤力和車鉤偏轉(zhuǎn)角的綜合作用下，輪軌橫向作用力會略有影響。

圖6 車鉤力隨線路里程分布散點圖

圖7 車鉤水平轉(zhuǎn)角隨線路曲率變化散點圖

典型位置動力車尾部頂推和尾部惰性2種運行方式下動力車、相鄰?fù)宪囕嗇S橫向力的對比散點圖如圖8、圖9所示。動力車尾部頂推時該位置會出現(xiàn)明顯增大的壓鉤力，車鉤水平轉(zhuǎn)角基本保持不變，動力車輪軸橫向力出現(xiàn)小幅增大，而相鄰?fù)宪?軸（前進方向第1軸）輪軸橫向力也出現(xiàn)一定幅度的增大。這說明縱向頂推力在車鉤發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)后所產(chǎn)生的橫向分力會對動力車及相鄰?fù)宪嚨妮嗆壸饔卯a(chǎn)生一定影響作用，但影響程度在正常范圍內(nèi)。

圖8 動力車輪軸橫向力變化散點圖

圖9 拖車輪軸橫向力變化散點圖

3 單線隧道通過列車尾部動力學(xué)性能分析

目前我國單線隧道大多位于如隴海線、襄渝線這樣的既有線，以及160 km/h速度級新建線路，而這些線路恰恰是160 km/h動力集中動車組的運營線路，因此動力集中動車組通過單線隧道的情況會較為普遍。單線隧道截面積較小，動車組通過時會產(chǎn)生明顯空氣動力學(xué)效應(yīng)，容易引起列車晃車問題。隴海線寶雞—元龍下行線存在多個單線隧道，動力集中動車組（短編、鼓形車體）在該區(qū)段高速通過單線隧道時就曾出現(xiàn)尾部動力車和拖車晃車現(xiàn)象，使其車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)數(shù)值明顯增大。正因如此，某動力集中動車組在該區(qū)段專門進行了單線隧道通過列車尾部動力學(xué)性能研究試驗，測試了單線隧道通過時列車的動力學(xué)、空氣動力學(xué)響應(yīng)，分析了二者之間的耦合關(guān)聯(lián)性。

動車組單線隧道時動車組橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、車外壓差的最大值見表1。動力車頭部牽引和尾部頂推2種運行方式通過單線隧道時的動車組動力學(xué)響應(yīng)波形如圖10、圖11所示。綜合分析可知：

圖11 動力車尾部頂推通過單線隧道時動力學(xué)響應(yīng)波形圖

表1 單線隧道通過動車組動力學(xué)響應(yīng)最大值列表

（1）動力車在尾部通過單線隧道時，動力車及相鄰?fù)宪囓圀w兩側(cè)壓力都會明顯減小，且左右壓差會出現(xiàn)波長25～40 m的周期性波動，使其車體橫向振動加速度也出現(xiàn)周期性波動，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)數(shù)值明顯增大；而動力車在頭部通過單線隧道時，動力車及相鄰?fù)宪囓圀w兩側(cè)壓力都會明顯增大，但左右壓差未出現(xiàn)周期性波動，車體橫向振動加速度未出現(xiàn)周期性波動。

（2）對于同一個單線隧道，隨著通過速度的提高，動力車及相鄰?fù)宪囓囃鈮翰钪饾u增大，其車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸增大。

（3）隨著隧道長度的增大，動力車及相鄰?fù)宪囓圀w兩側(cè)壓差明顯增大，其車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)也逐漸增大。

4 結(jié)論及展望

綜述了動力集中動車組涉及運行安全性和平穩(wěn)性的動力學(xué)問題，主要包括動力車直線晃車、動力車尾部頂推方式運行安全性、單線隧道通過列車尾部動力學(xué)性能3個問題，詳細介紹了圍繞這些動力學(xué)問題開展的專項試驗研究和計算分析工作，明確了這些動力學(xué)問題的產(chǎn)生原因、作用機理和影響因素，為動力集中動車組的安全平穩(wěn)運營、可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支撐。針對上述3個動力學(xué)問題的主要結(jié)論如下：

（1）動力車直線晃車問題是由抗蛇行減振器安裝角度過大引起的動力車低等效錐度下的車體二階蛇行運動失穩(wěn)，通過抗蛇行減振器安裝角度、軸箱拉桿和抗蛇行減振器關(guān)節(jié)剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化可以給出科學(xué)合理的解決方案。

（2）動力車尾部頂推方式下，壓鉤力對動力車及相鄰?fù)宪嚨倪\行安全性指標(biāo)影響較小；小半徑曲線且較大壓鉤力作用時，動力車及相鄰?fù)宪嚨妮嗆墮M向作用力會有所增大；動力車與拖車間密接式車鉤受壓穩(wěn)定性良好，車鉤水平轉(zhuǎn)角主要受線路曲線半徑影響。

（3）單線隧道通過時，動車組尾部動力車及拖車車體兩側(cè)壓差和車體橫向振動都會出現(xiàn)周期性波動，使車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)明顯增大；并且車體兩側(cè)壓差和車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著通過速度和隧道長度的增大都會逐漸增大。

160 km/h動力集中動車組作為我國復(fù)興號高鐵戰(zhàn)略的重要組成部分，正處于快速發(fā)展階段，后續(xù)還會研制更多型號、更高速度級的動力集中動車組。未來動力集中動車組所面臨的動力學(xué)相關(guān)問題將遠不止于此，隨著速度的提高和運營時間的累積，會不斷有新的動力學(xué)問題出現(xiàn)。比如，盡管動力車直線晃車問題已經(jīng)得到解決，但隨著運營里程的增長，由車輪磨耗、薄輪緣旋修引起的等效錐度變化將會使動車組出現(xiàn)穩(wěn)定性降低甚至失穩(wěn)的問題，這就需要采用長期跟蹤的方式開展進一步研究。動力車尾部頂推方式從目前試驗情況來看對列車安全性影響不大，但隨著運用條件的變化和牽引能力的提高，縱向車鉤力與車鉤動態(tài)響應(yīng)也會發(fā)生改變，該問題應(yīng)該持續(xù)關(guān)注。