面对国家需求的高速铁路轮轨关系技术管理原则

1面对国家需求的高速铁路轮轨关系技术管理原则大连交通大学机械工程学院朴明伟国务院讨论通过的CRH新建铁路专线“八纵八横”规划，明确了如下国家铁路交通运输的需求：即以长大干线或长交路跨线运营来打造相邻大中城市4小时经济圈；以客运专线来形成诸如长三角等主要经济区域的2小时经济圈；整合普速铁路网资源来构成区际大能力通道。因而对于CRH新建铁路及其运用来讲，目前轮轨关系深化研究必须化繁为简，明确快铁经济运用与高铁稳定安全2项技术管理原则。具体地，快铁经济运用与高铁稳定安全需要明确轮轨关系技术管理的基本原则及其主要研究问题，即在弹性定位约束下轮对自稳定性和转向架不稳定蛇行振荡现象及其超前之后校正，并作为多专业协同创新努力的2个共性技术问题。1高速轮轨技术局限性与快铁经济运用轮轨不连续磨耗是目前CRH高铁运用的技术瓶颈之一，并非风阻或风压。因而车轮自旋蠕滑奇异性应当作为高速轮轨技术局限性的1个主要技术表现形式。由此可见，小蠕滑或小自旋假设不再成立了。从技术经济性的角度来看，无论商业速度如何确定，高铁运用必须考虑线路服役技术条件的不确定性与复杂性。如高铁无砟铁路，双线隧道，明线与暗线交错形成了侧风不稳定问题。气候条件与地理环境是造成轮轨局部蠕滑黏着蜕变的2大因素，特别是轮轨干/湿摩擦是决定微小滑移条件Micro-slip的重要因素之一。但是小蠕滑或小自旋假设及其错误性质就是无视上述具体技术条件的影响或制约，进而“技术冒进”造成了CRH高铁运用的巨大技术经济损失。根据第三介质理论，一片松树叶就可以造成高速车轮踏面产生擦轮斑痕，何况高寒地区钢轨局部冰霜雪影响，甚至大雨形成钢轨轨头表面水膜，高速晃车现象增强了侧风对车体扰动的流固耦合效应，等等。在正常的轨道技术条件下，轮轨接触不连续性是导致轮轨不连续磨耗的主要因素之一。无论不连续光滑的局部下凹型踏面磨耗特征还是双光带踏面磨耗特征，接触点跳动并形成小幅蛇行振荡现象是其共性技术特点之一，并伴随产生车轮自旋蠕滑奇异性，简称轮轨接触的非线性影响。由于踏面制动对车速≤140km/h的制约性，提速（快速客车和快捷货车）转向架动态设计必须兼顾横向与操纵稳定性能。具体地，电子车轮防滑系统WPS提出了小蠕滑或无自旋假设，其工程意义在于提速转向架的稳定裕度以避免产生车轮自旋蠕滑奇异性。在弹性定位约束下轮对自稳定性是提速转向架动态设计的主要研究问题之一。随着车速不断提升，在弹性定位约束下轮对摇头模态产生自激振动。在交替变化的纵向力偶作用下，车轮纵向蠕滑率接近或超过0.01，即轮轨干摩擦的微小位移条件。因而擦轮或擦伤难以避免，甚至有可能造成车轮踏面的表层或浅表层缺陷，进而发生局部剥落。7.23安全检查期间，据统计，京沪高铁开通初期，2型车的车轮踏面局部剥落发生概率远高于3型车的。CRH快铁运用必须遵循其技术经济规律，如极限速度、车辆经济型设计及其结构性技术服务成本等。极限速度是指能够维系轮轨横向动态制衡关系的最高2安全速度，其小于蛇行临界速度。为了兼顾长编列车或动车组的操纵稳定性能，商业速度必须远低于其极限速度，如经济速度（200-250）km/h以合理控制铁路公司的用户总成本。这也是帕勒希提出控制轮轨接触非线性的初衷。快铁经济运用需要多专业协同创新努力，其中，钢轨打磨处理和不落轮镟是快铁经济运用不可或缺的2项辅助技术。从技术经济性角度来讲，快铁经济运用需要控制轮轨接触非线性和实际等效锥度最大值2项负面影响因素。但是与欧洲铁路既有铁路提速的相关经验不同，CRH新建铁路只能采用钢轨预打磨方式以确保高铁稳定安全。2德国ICE3系列转向架创新技术特点及其局限性首先，高速转向架并非快速转向架的简单技术升级，两者存在截然不同的主要研究问题。在早期论文中多次阐述了德国ICE3系列转向架创新技术特点。尽管如此，在CRH新建铁路专线及其运用快速发展的形势下，需要再次强调德国ICE3系列转向架的技术先进性。其次，对于商业速度300/330km/h或更高速度（350/380）来讲，必须更好地解决列车操纵与横向稳定性能以避免磨耗轮轨接触的非线性影响。因而德国ICE3系列转向架具有如下3个突出的技术特点，即轮对强刚性定位约束、抗蛇行冗余设计以及牵引电机弹性架悬。实际上，以转向架不稳定蛇行振荡现象作为主要研究问题，试图以萨克斯抗蛇行减振器新技术来实现滞后或超前校正的自适应控制，即抗蛇行频带吸能机制。但是有必要强调处理好如下3大技术关系是保障高铁运用安全稳定的技术前提：①偏向圆锥形接触的轮轨关系，规避轮轨接触非线性影响，以确保新型抗蛇行减振器的技术可靠性；②在动车转向架蛇行模态与相应的电机横摆模态之间形成了稳健的牵连运动关系，以降低动车转向架不稳定蛇行振荡的参振质量；③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，因而轮轨不连续磨耗与车辆奇异振动两者具有相关性。由于小蠕滑或小自旋假设及其错误性质，形成了“降阻增容”简单技术观点，其严重背离了快铁经济运用原则。同时“形而上学”的简单补强机械观点一再造成技术经济损失，如动力轮对的齿轮箱壳体振裂。3轮轨关系技术管理原则就上述国家需求来讲，当前首要任务是CRH新建铁路专线必须明确其轮轨关系技术管理原则及其相应的主要研究问题。打造相邻大中城市4小时经济圈和整合普速铁路网形成区际大能力通道，其作为2项新的国家需求，“八纵八横”规划得以进一步明确。因而CRH新建铁路专线认真需要面对如下2个主要技术问题：（1）快铁经济运用及其相应的轮轨关系技术管理原则。根据提速货车转向架技术规律，快捷铁路货运需要积极分享快铁经济运用的技术成果。（2）CRH高铁运用需要原创性技术支撑，正确认知高速转向架不稳定蛇行振荡现象及其超前滞后解决方案，名义等效锥度由原始的0.16降低至0.10，更好地实现长达干线或长交路跨线运营。在社会经济转型以及城镇化快速发展形势下，CRH快铁运用需要针对现实3的出行与货运需求。科技创新具有继承性、科学性以及针对性3大属性。小蠕滑或小自旋假设无疑否定了轮对自稳定问题，结果酿成“技术冒进”及其恶果。对于CRH高铁运用来讲，经济效益是其科技创新的第一要务。CRH高铁运用要成为前沿技术探索的实践平台，必须做出其相应的理论方法与技术标准贡献。特别是整车稳定性态分析或整车模态设计，其应当作为提速或高速转向架参数配置的系统研究方法之一。对于CRH新建铁路专线来讲，其轮轨关系研究涉及诸如车辆与客运、工务与钢轨等多专业领域，具有相当繁杂的技术复杂性。但是从新建铁路网与普速铁路网整合角度出发，明确上述管理技术原则及其主要研究问题十分必要。轮对自稳定性以及转向架不稳定蛇行振荡现象是多专业协同创新努力的2项共性技术问题。比如转向架振动报警故障，在早期论文中多次阐述了小幅蛇行振荡现象，其主要技术原因并非轮轨廓形或材料匹配问题，而是线路技术服役条件的复杂性与不确定性。特别是武广高铁，双线隧道，且桥隧比高达64%，明线与暗线交错形成了侧风不稳定问题。若仅仅凭借钢轨打磨处理，的确具有其技术效果，但是治标不治本，转向架振动报警故障还会再次出现。4高速转向架核心技术什么是高速转向架核心技术，目前恐怕没有人讲得清楚。很多人认为，“降阻增容”是快速转向架技术升级的主要技术途径，实际上则带来极大的安全技术风险。结果不得不派遣大量技术人员提供现场服务以防范风险，如偏磨轮对及时镟修纠正等。商业车速、轮轨磨耗以及服役线路是高速列车系统集成稳定鲁棒性能的3大主要因素。垂水尚志，日本铁道技术研究院RTRI主席，最早提出了以下观点：即高速列车对自然因素（如有感地震等）摄动或扰动的鲁棒性。如上所述，CRH高铁运用具有其特殊性。特别是轨道长波不平顺敏感激扰以及侧风对车体摇动是影响列车系统稳定鲁棒性能的2项线路服役重要因素。根据高速转向架安全性设计及其主要研究问题，如何保障抗蛇行技术可靠性才是高速转向架核心技术问题。但是对于德国ICE3系列转向架来讲，十分遗憾，在轮对强刚性定位约束和抗蛇行高频阻抗作用下形成了车体摇头大阻尼特征。结果导致轮轨不连续磨耗与车体奇异振动的相关性。由此可见，抗蛇行参数配置原则及其技术实现才是高速转向架核心技术，如抗蛇行宽频带吸能机制。5结束语面对CRH新建铁路专线快速发展及其国家需求，当前轮轨关系必须明确快铁经济运用与高铁稳定安全2项技术管理原则，并作为多专业协同创新努力的2个共性技术问题加以有效解决。特此需要澄清如下3个主要技术问题：①轮轨不连续磨耗是当前CRH高铁运用的技术瓶颈之一，并非风阻或风压；②CRH快铁运用要更加经济第解决轮对自稳定问题，而快捷铁路货运应当积极分享快铁经济运用的技术成果；③CRH高铁运用需要原创性技术支撑，正确认知高速转向架不稳定蛇行振荡现象及其超前滞后解决方案。于大连2016-07-10