提速機車車輛橫向運動穩定性研究及應用

薛 鵬

（中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，河北 高碑店 074000）

1 機車車輛橫向運動穩定性

在鐵路運輸事業中，如何提升軌道上運行車輛的穩定性和安全性一直是一個非常重要的問題。如果機車車輛的穩定性無法得到保障，就更不必說其安全性以及其他的動力學性能了。機車車輛的穩定性通常包括了靜態平衡穩定性以及動態穩定性。所謂的靜態平衡穩定性，主要包括了車輛在裝置上的穩定性、輪對抗脫軌穩定性等方面的內容，在分析的過程中通常是以靜力平衡條件來確定的，屬于靜態穩定問題；而動態穩定性通常指的是車在軌道上運行時引起的運動穩定性，在分析的過程中往往需要建立運動方程來進行確定，判斷其是否穩定。

2 提速機車車輛存在的橫向運動穩定性問題

為了更好地滿足廣大人民群眾的出行要求，為我國經濟發展貢獻更多的力量，鐵路部門在機車車輛技術裝備上進行不斷的努力，研發出了提速機車車輛，機車車輛的運行速度也因此獲得了提升。但是由于動態環境在不斷地惡化，機車車輛已經呈現出了一定程度的運行性能惡化的問題，部分關鍵零部件的可靠性下降得比較明顯，已經對車輛的安全運行造成了一定的威脅，其中的橫向運動穩定性差的問題表現得尤為突出，使得整車動力學性能逐漸惡化，限制了鐵路運輸事業的進一步發展。

隨著機車車輛的不斷提速，車輛已經出現了橫向晃動的問題，當時速超過一定限度時，車輛的橫向動力學性能就會超過安全規范，此時的車輛對外部刺激以及自身參數變化的敏感度會大大提升，運用部門對于車輛晃動問題有著更為敏感的反映。

3 機車車輛參數對橫向運動穩定性的影響分析

機車車輛在軌道上運行是一個復雜的過程，這個過程是會受到多方面因素影響，這些影響有來自車輛本身的，也有來自軌道方面的，同時，這兩方面的影響還相互滲透。機車車輛在運行的過程中，一旦出現運動穩定性喪失的情況，不僅其平穩性得不到保證，還會導致輪軌間的相互作用更加激烈，嚴重的甚至有可能導致脫軌情況的出現，使得機車車輛的運動部件磨損加劇，還會引發嚴重磨損情況，對軌道造成嚴重的破壞。

對機車車輛橫向運動穩定性進行研究，主要是從蛇形運動的理解速度、分叉特性以及混沌運動等幾個方面入手。在研究過程中，非線性理解速度是對機車車輛橫向運動穩定性進行評價的主要指標，對其造成影響的因素主要包括車輛懸掛特征、軌面污染以及軌下結構等幾個方面。在實際的運行過程中，車輛自身系統對橫向運動穩定性造成影響的主要因素包括了以下幾個方面，需要進行特別的關注。第一，想要不降低非線性臨界速度，需要選用合適的踏面，確保踏面不會因運行里程增加而出現巨大的變化。在開展設計工作時，一定要嚴格的遵循輪軌接觸理論，以此來確保機車車輛運行的穩定性。第二，選擇合適的一系懸掛定位剛度。在保證不影響牽引力正常發揮的前提條件下，進行參數優化，保證運行穩定性的同時還要兼顧曲線通行性能。第三，增設抗蛇形減振器，將蛇形減振器的阻尼特性進行充分的發揮。在保證車輛運行穩定性以及曲線通行性能的前提下，對蛇形減振器阻尼特性進行合理的選擇。

4 提速機車橫向運動穩定性研究及應用

4.1 提速機車前期研究

隨著長交線路的不斷出現，提速機車運行的穩定性也受到了一定的影響，這些問題是必須要及時地進行解決的。傳統的解決方式是對車輛設計方案進行改進，之后再試制樣車進行試驗，這樣一來不僅會花費大量的時間和費用，也會對鐵路提速進程造成一定的影響。因此，工作人員一定要積極的借鑒國內外的先進經驗，加快技術研究，充分的利用動力學理論，對這一問題進行系統的研究和改進，爭取在不對機車結構進行較大的改動，通過優化懸掛系數等方式來提升機車在直線路段運行過程中的穩定性和舒適性，并對曲線通過性能進行兼顧，這樣才能夠全面保證機車車輛運行過程中的橫向穩定性。

4.2 懸掛系數對機車橫向運動穩定性的影響分析

4.2.1 一系懸掛定位剛度的影響

根據相關研究數據表明，軸箱拉桿的定位剛度是會對機車的橫向運動穩定性造成一定的影響的。首先，一系縱向剛度對機車性能的影響。經過研究試驗表明，一系縱向剛度對于機車運行過程中的平穩性是有著非常重要的影響的，并且存在著一個最佳剛度值。其次，一系橫向剛度對機車性能的影響。經過相關研究試驗表明，對一系橫向剛度值進行不斷地增加，能夠有效地提升機車的運行舒適性，并且其效果會有一個峰值，在之后增加橫向剛度值所能起到的效果就變得沒有那么明顯。需要注意的是，當一系橫向剛度值過大時，會對機車的曲線通過性能產生不利的影響，相關工作人員一定要進行全面的考慮，對剛度值進行合理的設置。

4.2.2 抗蛇形減振器的影響

通常情況下，機車車輛是有四個抗蛇形減振器的，隨著車輛運行速度的提升，如果有減振器失效，車輛的橫線振動會加劇，并且與減振器失效數量成正相關的關系，因此，相關工作人員一定要特別重視抗蛇形減振器對橫向振動所產生的影響。從整體情況上來看，機車車輛橫向位移數值時會隨著抗蛇形減振器阻尼的增加而減少的，但也有極少數的情況下，位移數值是有可能隨著阻尼增加而略微增大的。

4.2.3 二系橫向阻尼的影響

相關研究數據表明，采用有效的方式和方法降低二系橫向阻尼參數，會使得機車車輛的橫向振動變得更為激烈；而增加二系橫向阻尼值，則是使機車車輛的橫向振動情況變得緩和。但是需要注意的是，持續的增加阻尼值，最終能夠對車體及構架橫向振動所起到的抑制效果是會出現逐漸衰退的情況的。如圖1、圖2所示。

圖1 車體橫向位移量隨速度變化

圖2 構架橫向位移量隨速度變化

4.2.4 二系橫向剛度的影響

從整體上來看，機車車體以及構架的橫向振動位移情況會隨著二系橫向剛度值的降低而逐漸減小的，兩者呈現出正相關的關系。因此，采用適當的方法來降低二系橫向剛度不僅能夠有效地降低車體在運行過程中產生的橫向運動位移最大值，還能夠有效地降低機車構架在某一速度范圍內的橫向擺振情況。但是需要注意的是，當機車車輛的運行速度在一個比較高范圍內時，采用有效的手段降低二系橫向剛度則是會導致構架橫向振動出現略微的上升，此時的橫向位移的增幅則是比較小的。如圖3、圖4所示。

圖3 車體橫向位移量隨速度變化

圖4 構架橫向位移量隨速度變化

5 結語

提速機車車輛系統在運行的過程中出現失穩的情況將會對其運行品質產生非常重要的影響，使其運行的平穩性大打折扣，嚴重的甚至會導致脫軌情況的出現。工作人員一定要做好研究工作，采用有效的方法來提升機車車輛系統運行的穩定性，切實保障廣大人民群眾的生命和財產安全。