對如何提高動(dòng)車組車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性方法的探究

摘 要：車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性包含了運(yùn)行平穩(wěn)和臨界速度兩個(gè)方面，在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。車輛失穩(wěn)會產(chǎn)生劇烈的蛇形運(yùn)動(dòng)，影響車輛的運(yùn)行，對軌道產(chǎn)生劇烈的作用力，甚至?xí)?dǎo)致脫軌現(xiàn)象。文章主要對如何提高車輛穩(wěn)定性采用的方法進(jìn)行初步的探究。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車車輛；穩(wěn)定性；軸箱剛度；減振器；空氣彈簧

中圖分類號：U266 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0013-02

車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性包含了運(yùn)行平穩(wěn)和臨界速度兩個(gè)方面，在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。車輛失穩(wěn)會產(chǎn)生劇烈的蛇形運(yùn)動(dòng)，影響車輛的運(yùn)行，對軌道產(chǎn)生劇烈的作用力，甚至?xí)?dǎo)致脫軌現(xiàn)象。因此，車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要的作用，對車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性方法的探究非常重要。

1 車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的特征

車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性是車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能非常重要的一個(gè)方面，它包含靜態(tài)平衡穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性兩大類。在車輛工程中所討論的車體在彈簧上的抗傾覆穩(wěn)定性及輪對抗脫軌穩(wěn)定性等，一般是從靜力平衡條件來確定，因此屬于靜態(tài)穩(wěn)定的范疇。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性通常稱為運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，則必須從運(yùn)動(dòng)方程或其解的特征來判斷。車輛達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，尤其是動(dòng)車組車輛，才能提高列車運(yùn)行的速度。

動(dòng)車組車輛在運(yùn)行中，車輛保持平穩(wěn)，才能保證乘客乘坐車輛的舒適性。一般車輛在運(yùn)行中會由于軌道接縫不連續(xù)，車輛自身產(chǎn)生的激擾等原因，導(dǎo)致車輛系統(tǒng)振動(dòng)，這種振動(dòng)會給乘客乘坐的舒適度帶去一定的影響。

動(dòng)車組車輛在理想的平直軌道上運(yùn)行時(shí)，在特定的條件下，如輪對具有一定的定位剛度，各懸掛參數(shù)匹配適當(dāng)，在某一速度范圍內(nèi)運(yùn)行，這時(shí)所產(chǎn)生的蛇行運(yùn)動(dòng)的振幅是隨著時(shí)間的延續(xù)而衰減的；但當(dāng)車輛的運(yùn)行速度超過某一臨界數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生一種稱為不穩(wěn)定的蛇行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)它們的振幅隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷地?cái)U(kuò)大，使輪對左右搖擺直到輪緣碰撞鋼軌，對于轉(zhuǎn)向架或車體，則出現(xiàn)大振幅的劇烈振動(dòng)，車輛就失去平穩(wěn)。高速車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)后，不僅會使車輛的運(yùn)行性能惡化，旅客的舒適度下降，作用在車輛各零部件上的動(dòng)載荷增大，并且將使輪對嚴(yán)重地打擊鋼軌，損傷車輛及線路，甚至?xí)斐擅撥壥鹿?。蛇行運(yùn)動(dòng)是機(jī)車車輛以及動(dòng)車組實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的一大障礙。因此，車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性，必須考慮蛇行運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，車輛的運(yùn)行速度可以容許超過共振的臨界速度，而絕對不能超過蛇行運(yùn)動(dòng)的臨界速度，即車輛在蛇行的振型中，只有一個(gè)振型的幅值在此速度下既不擴(kuò)大也不衰減呈等幅穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，而其他振型呈衰減振動(dòng)。

2 提高車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性方法

從車輛角度出發(fā)，可應(yīng)用以下幾種方法提高車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 合理選擇軸箱定位剛度

由圖1垂向平穩(wěn)性與縱向剛度和圖2橫向平穩(wěn)性與橫向剛度的數(shù)據(jù)關(guān)系可知較大的剛度有利于提高車體的穩(wěn)定性，選擇合理的剛度可以提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性。

由圖3縱向剛度與臨界速度和圖4橫向剛度與縱向剛度關(guān)系可知軸向定位剛度的選擇對轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度起著決定性的影響，在縱向定位剛度小于10MN/m時(shí)，增大縱向定位剛度可使得臨界速度大幅度提高?？梢娸^大的剛度有利于提高車體的穩(wěn)定性。但是，一方面，車體通常在運(yùn)行一段時(shí)期后定位裝置的性能會有所下降（如數(shù)年后橡膠性能的變化），轉(zhuǎn)向架仍應(yīng)保持較高的臨界速度值；另一方面，由于垂向和縱向定位剛度的增大，車輪的輪軌橫向力越大，車輪的脫軌系數(shù)、輪對沖角和磨耗功率也越大，不利于車體的曲線通過，垂向剛度的不合理取值會導(dǎo)致車體垂向振動(dòng)的惡化，影響乘客乘坐的舒適性。

2.2 抗蛇行減振器和橫向減振器的設(shè)置

車體與轉(zhuǎn)向架之間增加回轉(zhuǎn)阻尼，可以有效控制和抑制車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)。通過設(shè)置抗蛇行減振器和橫向減振器來達(dá)到增加回轉(zhuǎn)阻尼的目的，從而，避免車輛提速后振動(dòng)加劇導(dǎo)致乘客乘坐舒適度降低的情況的發(fā)生。除此之外，車輛車體和轉(zhuǎn)向架之間合理的阻尼設(shè)置可大幅度提高車輛系統(tǒng)的臨界速度，使得車輛系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善。

由于高速列車運(yùn)行的特殊性，車輛系統(tǒng)的臨界速度不可過多依靠蛇行減振器的設(shè)置，一旦減振器失效，車輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)會受到嚴(yán)重影響。

2.3 空氣彈簧的合理運(yùn)用

空氣彈簧結(jié)構(gòu)簡單，有利于車體輕量化發(fā)展。其彈簧非線性特性使剛度隨載荷的變化而變化，有利于控制空重車穩(wěn)定性?？諝鈴椈煽晌沼蓸?gòu)架傳給車體的高頻振動(dòng)，同時(shí)具有良好的隔音性能，適宜于維持高速列車較好的室內(nèi)環(huán)境，給乘客一個(gè)相對安靜的旅程。

空氣彈簧的三維方向承受荷載能力使其具有良好的水平變位能力，中央懸掛采用空氣彈簧能夠滿足車輛系統(tǒng)的曲線通過能力。

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能要求也越來越高，如何提高車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性是研制車輛的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。如何提高車輛系統(tǒng)的臨界速度，又要保證車輛一定的曲線通過能力，從車體角度出發(fā)，可以通過尋找合適的軸箱定位剛度來提高車輛運(yùn)行的臨界速度；在車體和轉(zhuǎn)向架間通過設(shè)置抗蛇行減振器和橫向減振器的方式來提高車輛運(yùn)行穩(wěn)定性；抓住空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)來有效提高車輛運(yùn)行環(huán)境和穩(wěn)定性。除了這些方式，還可以通過車輛輕量化的實(shí)現(xiàn)、車輪踏面形狀的選擇、轉(zhuǎn)向架軸距的延長等方法來提高車輛穩(wěn)定性。

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