對如何提高動車組車輛系統穩定性方法的探究

摘 要：車輛系統穩定性包含了運行平穩和臨界速度兩個方面，在正常運行時，系統不能發生失穩現象。車輛失穩會產生劇烈的蛇形運動，影響車輛的運行，對軌道產生劇烈的作用力，甚至會導致脫軌現象。文章主要對如何提高車輛穩定性采用的方法進行初步的探究。

關鍵詞：動車車輛；穩定性；軸箱剛度；減振器；空氣彈簧

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

車輛系統穩定性包含了運行平穩和臨界速度兩個方面，在正常運行時，系統不能發生失穩現象。車輛失穩會產生劇烈的蛇形運動，影響車輛的運行，對軌道產生劇烈的作用力，甚至會導致脫軌現象。因此，車輛系統穩定性具有重要的作用，對車輛系統穩定性方法的探究非常重要。

1 車輛系統穩定性的特征

車輛系統穩定性是車輛系統動力學性能非常重要的一個方面，它包含靜態平衡穩定性和動態穩定性兩大類。在車輛工程中所討論的車體在彈簧上的抗傾覆穩定性及輪對抗脫軌穩定性等，一般是從靜力平衡條件來確定，因此屬于靜態穩定的范疇。動態穩定性通常稱為運動穩定性，則必須從運動方程或其解的特征來判斷。車輛達到靜態穩定和運動穩定，尤其是動車組車輛，才能提高列車運行的速度。

動車組車輛在運行中，車輛保持平穩，才能保證乘客乘坐車輛的舒適性。一般車輛在運行中會由于軌道接縫不連續，車輛自身產生的激擾等原因，導致車輛系統振動，這種振動會給乘客乘坐的舒適度帶去一定的影響。

動車組車輛在理想的平直軌道上運行時，在特定的條件下，如輪對具有一定的定位剛度，各懸掛參數匹配適當，在某一速度范圍內運行，這時所產生的蛇行運動的振幅是隨著時間的延續而衰減的；但當車輛的運行速度超過某一臨界數值時，產生一種稱為不穩定的蛇行運動，此時它們的振幅隨著時間的延續而不斷地擴大，使輪對左右搖擺直到輪緣碰撞鋼軌，對于轉向架或車體，則出現大振幅的劇烈振動，車輛就失去平穩。高速車輛的蛇行運動失穩后，不僅會使車輛的運行性能惡化，旅客的舒適度下降，作用在車輛各零部件上的動載荷增大，并且將使輪對嚴重地打擊鋼軌，損傷車輛及線路，甚至會造成脫軌事故。蛇行運動是機車車輛以及動車組實現高速運行的一大障礙。因此，車輛系統穩定性，必須考慮蛇行運動現象，車輛的運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動的臨界速度，即車輛在蛇行的振型中，只有一個振型的幅值在此速度下既不擴大也不衰減呈等幅穩態振動，而其他振型呈衰減振動。

2 提高車輛系統穩定性方法

從車輛角度出發，可應用以下幾種方法提高車輛系統的穩定性。

2.1 合理選擇軸箱定位剛度

由圖1垂向平穩性與縱向剛度和圖2橫向平穩性與橫向剛度的數據關系可知較大的剛度有利于提高車體的穩定性，選擇合理的剛度可以提高列車運行的平穩性。

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系可知軸向定位剛度的選擇對轉向架蛇行運動臨界速度起著決定性的影響，在縱向定位剛度小于10MN/m時，增大縱向定位剛度可使得臨界速度大幅度提高。可見較大的剛度有利于提高車體的穩定性。但是，一方面，車體通常在運行一段時期后定位裝置的性能會有所下降（如數年后橡膠性能的變化），轉向架仍應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、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致車體垂向振動的惡化，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置

車體與轉向架之間增加回轉阻尼，可以有效控制和抑制車輛的蛇行運動。通過設置抗蛇行減振器和橫向減振器來達到增加回轉阻尼的目的，從而，避免車輛提速后振動加劇導致乘客乘坐舒適度降低的情況的發生。除此之外，車輛車體和轉向架之間合理的阻尼設置可大幅度提高車輛系統的臨界速度，使得車輛系統運行穩定性得到改善。

由于高速列車運行的特殊性，車輛系統的臨界速度不可過多依靠蛇行減振器的設置，一旦減振器失效，車輛運行的安全性和平穩會受到嚴重影響。

2.3 空氣彈簧的合理運用

空氣彈簧結構簡單，有利于車體輕量化發展。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定性。空氣彈簧可吸收由構架傳給車體的高頻振動，同時具有良好的隔音性能，適宜于維持高速列車較好的室內環境，給乘客一個相對安靜的旅程。

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的曲線通過能力。

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

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