蛇行運動對鐵道車輛平穩(wěn)性的影響探究

湯俊秀

[摘 要]隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，人們對乘坐鐵路的舒適性、平穩(wěn)性要求越來越高。為了研究蛇行運動對鐵道車輛運行平穩(wěn)性的影響，本文根據(jù)蛇行運動的特點，首先仿真了轉(zhuǎn)向架蛇行運動模態(tài)和車體固有振動模態(tài)，又從不同時域分析了不同速度車輛的平穩(wěn)性，以及蛇行運動對車輛平穩(wěn)性的影響的因素進(jìn)行總結(jié)，旨在提高車輛運行的穩(wěn)定性，提高鐵道車輛的舒適度。

[關(guān)鍵詞]蛇行運動;鐵道車輛;平穩(wěn)性;模態(tài)

[中圖分類號]U270.11 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

車體、構(gòu)架、輪對以及它們之間的懸掛裝置組成了鐵道車輛的振動系統(tǒng)。由自由振動論可得出車輛固有的振動模態(tài)，與外界的輸入沒有關(guān)系。外部激擾頻率與車輛固有頻率接近時，就會影響乘坐的舒適性，影響乘客舒適性的原因有兩個，一個是軌道不平，另一個就是輪軌之間的特殊性，即使車輛平穩(wěn)行駛也會引起輪對的蛇行運動，軌道的不平對車輛穩(wěn)定性的影響研究頗多，對于蛇行運動自激振動對鐵路車輛的平穩(wěn)性研究較少，本文就重點研究蛇行運動對車輛平穩(wěn)性的影響。

1 蛇行運動的特性

由于鐵路車輛輪對有錐度的緣故，給它一個初始激擾，輪對就會圍繞中心線一邊發(fā)生橫移一邊搖頭前進(jìn)，如同蛇的運動，稱之為蛇行運動。即使車輛在平直的軌道上運行也會產(chǎn)生蛇行運動，這是因為它是由車輛內(nèi)部非振動能量轉(zhuǎn)化為持續(xù)的激振力。輪對踏面有錐度是引起蛇行運動的條件。自激振動源于車輛的牽引力，蛇行運動的有無是由車輛的停走決定的。由車輛動力學(xué)系統(tǒng)可得出，當(dāng)輪對確定以后自由輪對蛇行運動的影響主要是車輛運行速度，車輛的運行速度越大它的蛇行運動頻率就越大。對于剛性轉(zhuǎn)向架來說它和自由輪對是一樣的，都是隨速度增大蛇行運動頻率增大，在實際的車輛運行中這兩種結(jié)構(gòu)都是不存在的，實際的車輛運行中使用的是彈性定位轉(zhuǎn)向架，它的蛇行運動頻率介于自由輪對與剛性轉(zhuǎn)向架之間，它也是隨速度的增加蛇行頻率不斷增大。由以上可看出，蛇行運動的最大特點就是跟車輛速度有關(guān)。車輛系統(tǒng)中的自振是和車輛速度無關(guān)的，在某個勻速時段內(nèi)蛇行運動的頻率和車輛某個自振頻率接近時就會產(chǎn)生共振，影響乘坐的舒適性。

2 車輛振動模態(tài)分析

車輛乘坐的舒適性與車體懸掛振動模態(tài)有很大關(guān)系，車體固有的懸掛振動模態(tài)有六種，包括車體伸縮橫擺、浮沉、測滾、點頭與搖頭。我們坐過火車的都能感到車體的伸縮對車輛的平穩(wěn)性影響不大，因為車體的橫擺與測滾一直耦合在一塊的，橫擺與側(cè)滾同向振動就會形成下心滾擺，反向振動就會上心擺動。一般只研究五種常見振動模態(tài)，即，車體上下心滾擺，搖頭、浮沉與點頭，上下心滾擺與搖頭對車體穩(wěn)定影響較大，浮沉與點頭對垂直方向平穩(wěn)影響較大。由于車輛輪軌的特殊性，轉(zhuǎn)向架的蛇行運動也能引起車體振動模態(tài)。這樣由前后轉(zhuǎn)向架引起的上心擺動和搖頭振動與車體自身的上心擺動和搖頭振動有可能耦合在一起，對車輛平穩(wěn)性有很嚴(yán)重的影響。

在某個時速段內(nèi)，前后轉(zhuǎn)向架正反相蛇行運動頻率與車體固有上心滾擺與搖頭振動的頻率較接近，這樣造成共振，就會引起橫向晃動的程度加大，使得車輛運行橫向不平穩(wěn)。轉(zhuǎn)向架的蛇行運動對車體上心滾擺與搖頭振動模態(tài)影響較大，針對這兩種模態(tài)給予分析：由車體上心滾擺模態(tài)與速度的研究圖表分析可得出，車體固有上心滾擺頻率與速度沒有太大關(guān)系，在一定時速段的時候前后轉(zhuǎn)向輪上心滾擺與車體固有上心滾擺發(fā)生共振。車體固有上心滾擺在共振區(qū)有少量下降，但是前后轉(zhuǎn)向輪蛇行運動引起上心滾擺模態(tài)阻尼比以共振區(qū)為界線，共振之前，前后轉(zhuǎn)向輪阻尼比隨速度變化，超過共振區(qū)以后，阻尼比隨速度增加而減小，大于一定時速后，阻尼比為負(fù)數(shù)，說明前后轉(zhuǎn)向架同相蛇行運動引起的上心滾擺模態(tài)在該時速下就失穩(wěn)了。由車體搖頭振動模態(tài)與速度圖表研究分析可得，車體固有的搖頭振動頻率與速度也沒關(guān)系，時速在一定時速時轉(zhuǎn)向架反相蛇行引起搖頭振動與車體固有搖頭發(fā)生共振。還可以得出車體固有上心滾擺阻尼比沒有太大波動，而前后轉(zhuǎn)向架反相蛇行所引起的車體搖頭振動阻尼比與速度的關(guān)系以共振為界線，共振前成正比關(guān)系，超過共振速度與阻尼比成反比關(guān)系，當(dāng)大于一定時速時，阻尼比為負(fù)數(shù)時，說明前后轉(zhuǎn)向架反相蛇行引起的車體搖頭振動模態(tài)下在該速下已經(jīng)失穩(wěn)。

3 車輛運行的穩(wěn)定性分析

由研究表明，車輛橫向平穩(wěn)性隨車輛運行速度的增加不是呈遞增趨勢。前后轉(zhuǎn)向架同反相蛇行引起車體上心滾擺和搖頭振動與車體上固有的上心滾擺和搖頭運動產(chǎn)生共振時，對車輛的橫向穩(wěn)定性有很大影響，當(dāng)增大到一定時速時，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)就會急劇增大。車輛垂直方向平穩(wěn)性隨車輛速度增大而增加，即使轉(zhuǎn)向架的蛇行運動發(fā)生失穩(wěn)，垂直向的平穩(wěn)性不會有很大變化，這說明轉(zhuǎn)向架蛇行運動對車輛垂直向平穩(wěn)性影響小，這個模態(tài)分析的結(jié)果是一致的。由以上的研究我們可以得到幾點結(jié)論：首先轉(zhuǎn)向架的蛇行效率隨車輛速度增加而直線上升，而車體固有振動頻率與速度無關(guān)，兩者有共振的現(xiàn)象是不可避免的。由于車速的不斷增大，在某一時速內(nèi)轉(zhuǎn)向架蛇行運動頻率與車體上心滾擺自振率接近時，前后轉(zhuǎn)向架同相蛇行引起車體上心滾擺與車體固有上心滾擺發(fā)生共振，這樣對該速度段的橫向平穩(wěn)性將會有很大影響。其次，當(dāng)轉(zhuǎn)向架蛇行運動頻率與車體搖頭自振頻率接近時，前后轉(zhuǎn)向架反相蛇行引起車體搖頭振動與車體固有搖頭振動發(fā)生共振，這樣也會惡化車輛的橫向平穩(wěn)性。最后就是轉(zhuǎn)向架的蛇行運動對車輛垂直性穩(wěn)定性影響較小。由于蛇行運動對車輛的穩(wěn)定性影響比較大，人們對此也比較重視，一般的措施就是經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)來提高轉(zhuǎn)向架蛇行運動的臨界速度，來保證車輛的穩(wěn)定性。但是轉(zhuǎn)向架蛇行運動與車體固有的上心滾擺與搖頭振動的共振對車輛的穩(wěn)定性也有較大影響，本文提出這個重要的問題，希望以后車輛設(shè)計的技術(shù)人員能多從這方面優(yōu)化設(shè)計。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等.蛇行運動對鐵道車輛平穩(wěn)性的影響[J].振動工程學(xué)報，2008（06）.