蛇行运动对铁道车辆平稳性的影响探究

汤俊秀

[摘 要]随着我国铁路事业的快速发展，人们对乘坐铁路的舒适性、平稳性要求越来越高。为了研究蛇行运动对铁道车辆运行平稳性的影响，本文根据蛇行运动的特点，首先仿真了转向架蛇行运动模态和车体固有振动模态，又从不同时域分析了不同速度车辆的平稳性，以及蛇行运动对车辆平稳性的影响的因素进行总结，旨在提高车辆运行的稳定性，提高铁道车辆的舒适度。

[关键词]蛇行运动;铁道车辆;平稳性;模态

[中图分类号]U270.11 [文献标识码]A

车体、构架、轮对以及它们之间的悬挂装置组成了铁道车辆的振动系统。由自由振动论可得出车辆固有的振动模态，与外界的输入没有关系。外部激扰频率与车辆固有频率接近时，就会影响乘坐的舒适性，影响乘客舒适性的原因有两个，一个是轨道不平，另一个就是轮轨之间的特殊性，即使车辆平稳行驶也会引起轮对的蛇行运动，轨道的不平对车辆稳定性的影响研究颇多，对于蛇行运动自激振动对铁路车辆的平稳性研究较少，本文就重点研究蛇行运动对车辆平稳性的影响。

1 蛇行运动的特性

由于铁路车辆轮对有锥度的缘故，给它一个初始激扰，轮对就会围绕中心线一边发生横移一边摇头前进，如同蛇的运动，称之为蛇行运动。即使车辆在平直的轨道上运行也会产生蛇行运动，这是因为它是由车辆内部非振动能量转化为持续的激振力。轮对踏面有锥度是引起蛇行运动的条件。自激振动源于车辆的牵引力，蛇行运动的有无是由车辆的停走决定的。由车辆动力学系统可得出，当轮对确定以后自由轮对蛇行运动的影响主要是车辆运行速度，车辆的运行速度越大它的蛇行运动频率就越大。对于刚性转向架来说它和自由轮对是一样的，都是随速度增大蛇行运动频率增大，在实际的车辆运行中这两种结构都是不存在的，实际的车辆运行中使用的是弹性定位转向架，它的蛇行运动频率介于自由轮对与刚性转向架之间，它也是随速度的增加蛇行频率不断增大。由以上可看出，蛇行运动的最大特点就是跟车辆速度有关。车辆系统中的自振是和车辆速度无关的，在某个匀速时段内蛇行运动的频率和车辆某个自振频率接近时就会产生共振，影响乘坐的舒适性。

2 车辆振动模态分析

车辆乘坐的舒适性与车体悬挂振动模态有很大关系，车体固有的悬挂振动模态有六种，包括车体伸缩横摆、浮沉、测滚、点头与摇头。我们坐过火车的都能感到车体的伸缩对车辆的平稳性影响不大，因为车体的横摆与测滚一直耦合在一块的，横摆与侧滚同向振动就会形成下心滚摆，反向振动就会上心摆动。一般只研究五种常见振动模态，即，车体上下心滚摆，摇头、浮沉与点头，上下心滚摆与摇头对车体稳定影响较大，浮沉与点头对垂直方向平稳影响较大。由于车辆轮轨的特殊性，转向架的蛇行运动也能引起车体振动模态。这样由前后转向架引起的上心摆动和摇头振动与车体自身的上心摆动和摇头振动有可能耦合在一起，对车辆平稳性有很严重的影响。

在某个时速段内，前后转向架正反相蛇行运动频率与车体固有上心滚摆与摇头振动的频率较接近，这樣造成共振，就会引起横向晃动的程度加大，使得车辆运行横向不平稳。转向架的蛇行运动对车体上心滚摆与摇头振动模态影响较大，针对这两种模态给予分析：由车体上心滚摆模态与速度的研究图表分析可得出，车体固有上心滚摆频率与速度没有太大关系，在一定时速段的时候前后转向轮上心滚摆与车体固有上心滚摆发生共振。车体固有上心滚摆在共振区有少量下降，但是前后转向轮蛇行运动引起上心滚摆模态阻尼比以共振区为界线，共振之前，前后转向轮阻尼比随速度变化，超过共振区以后，阻尼比随速度增加而减小，大于一定时速后，阻尼比为负数，说明前后转向架同相蛇行运动引起的上心滚摆模态在该时速下就失稳了。由车体摇头振动模态与速度图表研究分析可得，车体固有的摇头振动频率与速度也没关系，时速在一定时速时转向架反相蛇行引起摇头振动与车体固有摇头发生共振。还可以得出车体固有上心滚摆阻尼比没有太大波动，而前后转向架反相蛇行所引起的车体摇头振动阻尼比与速度的关系以共振为界线，共振前成正比关系，超过共振速度与阻尼比成反比关系，当大于一定时速时，阻尼比为负数时，说明前后转向架反相蛇行引起的车体摇头振动模态下在该速下已经失稳。

3 车辆运行的稳定性分析

由研究表明，车辆横向平稳性随车辆运行速度的增加不是呈递增趋势。前后转向架同反相蛇行引起车体上心滚摆和摇头振动与车体上固有的上心滚摆和摇头运动产生共振时，对车辆的横向稳定性有很大影响，当增大到一定时速时，车辆横向平稳性指标就会急剧增大。车辆垂直方向平稳性随车辆速度增大而增加，即使转向架的蛇行运动发生失稳，垂直向的平稳性不会有很大变化，这说明转向架蛇行运动对车辆垂直向平稳性影响小，这个模态分析的结果是一致的。由以上的研究我们可以得到几点结论：首先转向架的蛇行效率随车辆速度增加而直线上升，而车体固有振动频率与速度无关，两者有共振的现象是不可避免的。由于车速的不断增大，在某一时速内转向架蛇行运动频率与车体上心滚摆自振率接近时，前后转向架同相蛇行引起车体上心滚摆与车体固有上心滚摆发生共振，这样对该速度段的横向平稳性将会有很大影响。其次，当转向架蛇行运动频率与车体摇头自振频率接近时，前后转向架反相蛇行引起车体摇头振动与车体固有摇头振动发生共振，这样也会恶化车辆的横向平稳性。最后就是转向架的蛇行运动对车辆垂直性稳定性影响较小。由于蛇行运动对车辆的稳定性影响比较大，人们对此也比较重视，一般的措施就是经过优化参数来提高转向架蛇行运动的临界速度，来保证车辆的稳定性。但是转向架蛇行运动与车体固有的上心滚摆与摇头振动的共振对车辆的稳定性也有较大影响，本文提出这个重要的问题，希望以后车辆设计的技术人员能多从这方面优化设计。

[参考文献]

[1] 池茂儒，张卫华，曾京，等.蛇行运动对铁道车辆平稳性的影响[J].振动工程学报，2008（06）.