高鐵技術經濟

當前，最為重要的就是舉全國之力（中央、地方以及民營），解決好中國高鐵技術創新，藉以推動技術經濟發展進程。電機“架懸”在高速懸掛特性上對拖車構架所帶來的問題應當給與足夠的重視。動車組多次發生故障，均與電機“架懸”有關，為此，我們提出了抗蛇行“軟約束”技術對策。

簡介

技術經濟就是在社會經濟發展過程中以系統分析的觀點尋求高新技術的最佳切入點，這裡有兩個不可或缺的要素：信息和交通，其經濟發展具有明顯的區域特徵，簡稱區域經濟，如長三角、環渤海經濟區等。現代高鐵技術將推動我們社會跨入技術經濟時代。

歷史沿革

在二戰後幾十年的世界經濟發展歷程中不乏先例。在上一世紀70年代末，為了擺脫本國經濟受美國經濟危機的拖累，日本政府積極推進“新幹線”工程建設…，其對社會經濟的拉動效果，可以在鄧小平副總理日本之行的新聞畫面上得到領悟。在上一世紀90年代初，東/西德統一後，北約勢力東擴，其內部出現了類似的經濟結構矛盾。為了縮短經濟結構調整的“痛苦”期，德法等經濟實力強國率先推進歐洲高鐵進程，極大地促進了歐盟經濟出現一個繁榮期。

前景

在我國改革開放後，國內經濟迅速進入“恢復時期”。其後，中央與地方政府大力推進“高速公路”建設，中國經濟很快進入了“快速增長期”。當前，在國際金融危機的外部環境下，為了拉動國內經濟成長，中國政府再次提出了以“中國高鐵”為核心的一攬子投資規劃，以加快邁向技術經濟發展的步伐，實現新型工業化的建設目標。 今年下半年將有550億資金投入京滬高鐵建設，這充分表明了我國政府的堅定意志。但是，對中國高鐵建設存在種種擔憂或懷疑是很正常的，主要表現在以下3個方面：對社會經濟的拉動效果及投資回收問題；高鐵技術的創新性問題；高鐵運行的安全性問題。

在大約30年之前，我還是吉林工業大學的一名大學生。當我的老師談到我國第一條高速公路（瀋大高速）建設投資時，做了這樣一個比喻：高速公路是以當時最大面額50元人民幣“鋪成”的。但今天我們看到的高速公路網：西南地區“橫跨天塹”、杭州灣“跨海大橋”…。過去，我們都很羨慕美國東海岸從紐約到波斯頓的“經濟帶”，現在中國大陸也有了像長三角、珠三角這樣的真正區域經濟，由此可見其長期的投資效益與回報。對於高鐵建設來講，即使是“績優股”也不能期待立刻回報，何況京滬高鐵這樣宏大的工程建設項目。 我想與大家一起回顧大約1000年之前（宋末），中國人已經開始採用“活字印刷術”進行“多文化交流與融合”了。但是，大約在其300年後德國人進行了技術改進後，發明了“鉛字印刷機械”，成為世界歷史上重大人類發明之一。這裡引用最近溫總理對默克爾的一段談話：“如果你給我一個蘋果，我給你一個蘋果，每人都只有一隻蘋果；而如果你給我一種思想、我給你一種思想，我們每人擁有的就是兩種思想。”因此，中國高鐵建設也是世界高鐵創新工作的重要組成部分之一。 簡言之，對於CRH3動車組（見右圖）的京滬高鐵套用來講，具有如下

特點

一是無砟軌道系統

其博格板是鋼筋混凝土預製件，作為鋼軌承載台，具有高平順等優點，但也存在抗剪強度低等不足，因而需要控制車軸橫向力（Lateral Track-shift Force）等指標。

二是輪軌接觸的等效錐度趨高

等效錐度是指在輪對蛇行一個周期內輪軌接觸錐度的等效均值（如同交流220V電壓）。CRH3動車組車輪採用S1002CN曲線踏面，在輪對蛇行幅值3mm時，其名義等效錐度0.16。但是，2003年修訂的UIC515規定高鐵的等效錐度許用值0.15。那么，考慮到輪軌磨合、穩定磨耗和镟修之前的磨耗規律，我們正在探索高速輪軌關係的新規律。

三是薩克斯（SACHS）抗蛇行減振器

薩克斯（SACHS）抗蛇行減振器的冗餘設計（每架四個）。CRH3動車組轉向架採用德國薩克斯公司製造的抗蛇行減振器，其工作原理類似於“同步油缸”，阻尼特性和系統剛度對稱性非常好。抗蛇行減振器是安裝在車體與轉向架構架之間，約束轉向架的搖頭運動，防止轉向架過早出現蛇行。根據軌道車輛橫向穩定性分析理論，在高速輪軌關係空間記憶體在兩個不穩定區域：即低速低錐度的車體不穩定區域和高速高錐度的轉向架不穩定區域。由此可見，CRH3動車組採用了這樣的輪軌關係對策：重點強調高速高錐度的穩定性提高，而以快速起步來避免二次蛇行。

四是電機架懸方式

這是牽引電機的轉向架構架懸掛方式的簡稱。目前，對於動車組動力轉向架，電機懸掛方式有兩種：架懸或體懸（是牽引電機的車體底部懸掛的簡稱）。架懸方式存在這樣一點不足：即動力與拖動轉向架的構架簧上質量（相當於一系鋼簧的參振質量）存在差異，大約2T。這將導致拖車構架垂向加速度形成比較強烈的（10～30）Hz寬頻頻響特徵，並在輪軌接觸不利的條件下容易引起拖車構架的側滾振動。由於拖車(動車組車廂編號02/07)的車載設備重量比較大，其抗側滾扭桿剛度增大了約38%。因此，拖車構架側滾振動有可能引起拖車（02/07）的抗側滾扭桿諧振，並造成拖車（02/07）車輪的滾動接觸疲勞問題（RCF, Rolling Contact Fatigue）。 這就是今年春運期間發生的振動報警故障主要原因。由於滾動接觸疲勞造成車輪踏面磨耗嚴重，甚至形成非常有害的下凹型磨耗踏面，進一步導致抗蛇行減振器“卸荷”。同樣，由於架懸原因使拖車構架垂向加速度形成了上述高頻寬頻頻響特徵，一旦“卸荷”發生拖車（02/07）構架橫向加速度急劇增大（主要為30Hz左右的高頻成份）。

五是提出抗蛇行軟約束技術對策

確保京滬高鐵380km/h運行安全。首先，薩克斯公司推薦了兩種端節點徑向剛度：70MN/m或17MN/m，即所謂形式上的硬約束或軟約束。其次，由於“流變”特性的複雜性，我們根據京津高鐵測試數據提出並驗證了寬頻帶吸能抗蛇行減振器假設模型（文獻）。依據這一假設模型，我們進一步成功地解釋了構架振動報警故障的原因（見特點四）。最後，根據客運專線的小位移攝動特點，利用彈簧-阻尼單元頻響特性及串聯剛度的影響規律，發現轉向架蛇行振盪能量是可以得到控制的，並制訂了技術實施細則。 綜上所述，基於寬頻帶吸能抗蛇行減振器假設模型，我們可以證實：高速轉向架的安全穩定性裕度是可調控的。因此，我們完全有可能實現京滬高鐵380km/h的安全運營。

最後

，讓我們一起分享未來50年的軌道交通格局：城市軌道交通（Metro）將在今後10年時間裡迎來快速增長時期；高速鐵路客運（HSR）將形成 “四縱四橫”網路格局；準高速（主要指能夠在既有線路運行的擺式列車，Tilting Trainset）將給西南和西北地區的百姓出行帶來“福祉”。重載技術（Heavy Haul）將支持經濟“大動脈”的低成本流動；現有鐵路網將有效地解決目前存在的公路物流壓力，未來將採用成熟的高速磁浮技術實現“綠色城市物流”（Green City Logistics）。 跨入高鐵技術經濟時代需要青年人的勵志與奮鬥。現代青年人應當充分認識到自己事業生涯與社會經濟發展的聯繫，努力學習實踐，掌握先進的理論與技術，提高自身的業務能力，成為德才兼備的祖國建設者。

2010.7.30 於大連