跨入高铁技术经济新时代

m_w_piao

技术经济就是在社会经济发展过程中以系统分析的观点寻求高新技术的最佳切入点，这里有两个不可或缺的要素：信息和交通，其经济发展具有明显的区域特征，简称区域经济，如长三角、环渤海经济区等。现代高铁技术将推动我们社会跨入技术经济时代。
       在二战后几十年的世界经济发展历程中不乏先例。在上一世纪70年代末，为了摆脱本国经济受美国经济危机的拖累，日本政府积极推进“新干线”工程建设…，其对社会经济的拉动效果，可以在邓小平副总理日本之行的新闻画面上得到领悟。在上一世纪90年代初，东/西德统一后，北约势力东扩，其内部出现了类似的经济结构矛盾。为了缩短经济结构调整的“痛苦”期，德法等经济实力强国率先推进欧洲高铁进程，极大地促进了欧盟经济出现一个繁荣期。
       在我国改革开放后，国内经济迅速进入“恢复时期”。其后，中央与地方政府大力推进“高速公路”建设，中国经济很快进入了“快速增长期”。当前，在国际金融危机的外部环境下，为了拉动国内经济增长，中国政府再次提出了以“中国高铁”为核心的一揽子投资规划，以加快迈向技术经济发展的步伐，实现新型工业化的建设目标。
       今年下半年将有550亿资金投入京沪高铁建设，这充分表明了我国政府的坚定意志。但是，对中国高铁建设存在种种担忧或怀疑是很正常的，主要表现在以下3个方面：对社会经济的拉动效果及投资回收问题；高铁技术的创新性问题；高铁运行的安全性问题。
       在大约30年之前，我还是吉林工业大学的一名大学生。当我的老师谈到我国第一条高速公路（沈大高速）建设投资时，做了这样一个比喻：高速公路是以当时最大面额50元人民币“铺成”的。但今天我们看到的高速公路网：西南地区“横跨天堑”、杭州湾“跨海大桥”…。过去，我们都很羡慕美国东海岸从纽约到波斯顿的“经济带”，现在中国大陆也有了像长三角、珠三角这样的真正区域经济，由此可见其长期的投资效益与回报。对于高铁建设来讲，即使是“绩优股”也不能期待立刻回报，何况京沪高铁这样宏大的工程建设项目。
       我想与大家一起回顾大约1000年之前（宋末），中国人已经开始采用“活字印刷术”进行“多文化交流与融合”了。但是，大约在其300年后德国人进行了技术改进后，发明了“铅字印刷机械”，成为世界历史上重大人类发明之一。这里引用最近温总理对默克尔的一段谈话：“如果你给我一个苹果，我给你一个苹果，每人都只有一只苹果；而如果你给我一种思想、我给你一种思想，我们每人拥有的就是两种思想。”因此，中国高铁建设也是世界高铁创新工作的重要组成部分之一。
简言之，对于CRH3动车组（见右图）的京沪高铁应用来讲，具有如下特点：一是无砟轨道系统，其博格板是钢筋混凝土预制件，作为钢轨承载台，具有高平顺等优点，但也存在抗剪强度低等不足，因而需要控制车轴横向力（Lateral Track-shift Force）等指标。
二是轮轨接触的等效锥度趋高。等效锥度是指在轮对蛇行一个周期内轮轨接触锥度的等效均值（如同交流220V电压）。CRH3动车组车轮采用S1002CN曲线踏面，在轮对蛇行幅值3mm时，其名义等效锥度0.16。但是，2003年修订的UIC515规定高铁的等效锥度许用值0.15。那么，考虑到轮轨磨合、稳定磨耗和镟修之前的磨耗规律，我们正在探索高速轮轨关系的新规律。
三是萨克斯（SACHS）抗蛇行减振器的冗余设计（每架四个）。CRH3动车组转向架采用德国萨克斯公司制造的抗蛇行减振器，其工作原理类似于“同步油缸”，阻尼特性和系统刚度对称性非常好。抗蛇行减振器是安装在车体与转向架构架之间，约束转向架的摇头运动，防止转向架过早出现蛇行。根据轨道车辆横向稳定性分析理论，在高速轮轨关系空间内存在两个不稳定区域：即低速低锥度的车体不稳定区域和高速高锥度的转向架不稳定区域。由此可见，CRH3动车组采用了这样的轮轨关系对策：重点强调高速高锥度的稳定性提高，而以快速起步来避免二次蛇行。
四是电机架悬方式，这是牵引电机的转向架构架悬挂方式的简称。目前，对于动车组动力转向架，电机悬挂方式有两种：架悬或体悬（是牵引电机的车体底部悬挂的简称）。架悬方式存在这样一点不足：即动力与拖动转向架的构架簧上质量（相当于一系钢簧的参振质量）存在差异，大约2T。这将导致拖车构架垂向加速度形成比较强烈的（10～30）Hz宽带频响特征，并在轮轨接触不利的条件下容易引起拖车构架的侧滚振动。由于拖车(动车组车厢编号02/07)的车载设备重量比较大，其抗侧滚扭杆刚度增大了约38%。因此，拖车构架侧滚振动有可能引起拖车（02/07）的抗侧滚扭杆谐振，并造成拖车（02/07）车轮的滚动接触疲劳问题（RCF, Rolling Contact Fatigue）。
这就是今年春运期间发生的振动报警故障主要原因。由于滚动接触疲劳造成车轮踏面磨耗严重，甚至形成非常有害的下凹型磨耗踏面，进一步导致抗蛇行减振器“卸荷”。同样，由于架悬原因使拖车构架垂向加速度形成了上述高频宽带频响特征，一旦“卸荷”发生拖车（02/07）构架横向加速度急剧增大（主要为30Hz左右的高频成份）。
五是提出抗蛇行软约束技术对策，确保京沪高铁380km/h运行安全。首先，萨克斯公司推荐了两种端节点径向刚度：70MN/m或17MN/m，即所谓形式上的硬约束或软约束。其次，由于“流变”特性的复杂性，我们根据京津高铁测试数据提出并验证了宽频带吸能抗蛇行减振器假设模型（文献[8]）。依据这一假设模型，我们进一步成功地解释了构架振动报警故障的原因（见特点四）。最后，根据客运专线的小位移摄动特点，利用弹簧-阻尼单元频响特性及串联刚度的影响规律，发现转向架蛇行振荡能量是可以得到控制的，并制订了技术实施细则。
综上所述，基于宽频带吸能抗蛇行减振器假设模型，我们可以证实：高速转向架的安全稳定性裕度是可调控的。因此，我们完全有可能实现京沪高铁380km/h的安全运营。
最后，让我们一起分享未来50年的轨道交通格局：城市轨道交通（Metro）将在今后10年时间里迎来快速增长时期；高速铁路客运（HSR）将形成 “四纵四横”网络格局；准高速（主要指能够在既有线路运行的摆式列车，Tilting Trainset）将给西南和西北地区的百姓出行带来“福祉”。重载技术（Heavy Haul）将支持经济“大动脉”的低成本流动；现有铁路网将有效地解决目前存在的公路物流压力，未来将采用成熟的高速磁浮技术实现“绿色城市物流”（Green City Logistics）。
跨入高铁技术经济时代需要青年人的励志与奋斗。现代青年人应当充分认识到自己事业生涯与社会经济发展的联系，努力学习实践，掌握先进的理论与技术，提高自身的业务能力，成为德才兼备的祖国建设者。

2010.7.30 于大连

基于3种典型踏面的高速转向架稳定性研究，中国铁道科学，2010，31（3）：57-63