鐵道車輛蛇行穩定性主動控制綜述

摘 要：隨著我國交通運輸業的不斷發展，交通運輸載體也都在發展中有了較大的變革，交通運輸行業的發展正處于一個日新月異的階段。在鐵路運輸方面的發展，可謂是涉及到很多方面，鐵路運輸不僅方便了人們的日常交通，在我國國民經濟發展中也占有非常重要的地位，這就要從多方面去加強鐵道部門的管理。在鐵道車輛中蛇形運動的穩定性是一個非常重要的情況，蛇形運動的頻率可以與鐵道車輛的運行速度互相融合，互相疊加，也提高了車輛的運行頻率。鐵路部門為了更好地改善車輛的運行狀態，正在采取相應的措施讓車輛與蛇形共振速度保持一致。

關鍵詞：鐵道車輛 蛇行穩定性 主動控制 控制算法 測量系統

Summarization of Active Control of Railway Vehicle Snaking Stability

Li Jiangli

Abstract：With the continuous development of China's transportation industry， transportation carriers have also undergone major changes in their development. The development of the transportation industry is in a stage of rapid change. The development of railway transportation can be said to involve many aspects. Railway transportation not only facilitates people's daily transportation， but also plays a very important role in the development of China's national economy. This requires strengthening the management of railway departments from many aspects. The stability of the serpentine movement in railway vehicles is a very important situation. The frequency of serpentine movement can be integrated with the running speed of the railway vehicle and superimposed on each other， which also improves the running frequency of the vehicle. To better improve the running state of the vehicles， the railway department is taking corresponding measures to keep the speed of the vehicles consistent with the serpentine resonance.

Key words：railway vehicle， hunting stability， active control， control algorithm， measurement system

1 引言

在現代高速鐵道車輛系統中，不同的車輛運行在不同的線路上，在運行線路中有很多的曲線，車輛通過這些曲線時都具有非常良好的舒適性。車輛在發展的過程中，遵守的基本原則就是高速。但是車輛的高速運行也會使車輪和軌道之間產生特有的情況，隨著車速不斷地提高，車輛在運行中產生的能量，就很容易使車輛處于一個蛇形運行的狀態。所以鐵路部門正在加大對車輛蛇形穩定性的管理和控制，在車輛的運行速度范圍內去考慮車輪踏面錐度的變化。

2 蛇行運行的特性

蛇行運動狀態的形成原理也是鐵道車輛在運行中固有的特點，是由于鐵路車輛運行中車輪踏面有錐度，高效的速度給了車軸一個動力，車輪就會對中心線發生橫移和轉向的變化，整個車輛就會出現橫向移動和側向移動的狀態前進，就像蛇的運動。就算車輛是在普通平整的軌道上行駛，由于軌道與車輛內部的震動能量頻率不一樣，而且可以互相轉換出現特有的能量，也會產生蛇行運動的狀態。蛇行運動的原因是由于車輛在動力學系統中逐漸產生的，與車輛的起動和停止沒有關系，影響蛇行運動的主要是車輛的運行速度。如果離心運動越明顯，車輛的運行速度就越快，頻率就越大。在實際的運行狀態中，車輛都是應用彈性定位轉向所實現的。雖然速度不斷地在增加，蛇行頻率運行的狀態也在不斷增加，在車輛運行過程中，系統的自振和車速關系很小，在某個蛇行運行的均速中，它的運行頻率和自振頻率都會產生共鳴。

3 車輛震動的模態分析

3.1 適用于研制控制器的穩定性控制

車輛在運行的過程中產生蛇行的運行狀態，主要由于車輪的特殊關系產生。所以設計人員可以通過改變車輪對外對內的受力情況，去提高蛇形運動的穩定性。操作人員可以根據車輪和車軸之間的距離，找到合適的連接方式，將這二者之間的區別分辨出來，同時控制策略和控制方法都有所不同。對于懸掛式的穩定性控制主要是改變車輛的曲線通行，改變車輪的受力情況。在我國鐵道車輛發展的歷史中，傳統的車輪也有自己的發展優勢。在車輛中懸掛的主動控制是由蛇行運動完成的，設計人員為了能進一步的改變蛇形運動在車輛中存在的穩定性，所以就以函數的形式設計出了多種的運動方程。

3.2 基于陀螺阻尼器的穩定性控制

有位專業的設計師在最早是運用陀螺力來控制車輪在軌道運行中對蛇行運動的整體狀態，也設計了一個陀螺的結構。整體是由陀螺和內部支架還有外部支架還有所支撐的彈簧所組成，設計師在對陀螺點頭運動中將蛇性穩定性的策略和措施加入進去，也增加了陀螺的轉速。在運行的過程中，車輛的車輪在運行中如果速度過低的話也會使車輛在蛇形行駛中失去穩定性。所以設計人員應該合理的去設計陀螺的旋轉速度，要設計好陀螺的外觀，要求陀螺的穩定性達到要求，車輪在轉動中通過曲線運動也會產生離心力的作用效果。在車輛運行中，由于車輪支撐的彈簧速度的原因沒有辦法進行正常的工作，就會給車輛的動力驅動器增加一定的困難。最新的研發將新型的穩定性加入到對整個車輛的控制，主要利用的是轉向架作為陀螺的阻尼器，控制好運行的速度。

4 控制策略設計

4.1 對單輪進行控制分析

設計人員在對單輪系統進行控制時，不斷地加大阻尼器的穩定性，也加大了對軸輪的控制。主要是通過兩種方法去獲取阻輪的施加動力。首先就是將各個車與行駛速度構成正比的橫向力，這種方法可以對驅動器有一個更好的保證，也能更好地提高其穩定性。另外就是控制器的采用方法，在不同原理技術和車輪之間去增加一個合適的搖頭阻尼。要合理的控制穩定性，還要將高頻率的穩定性融入進去。我國經濟的發展離不開鐵路交通運輸的影響，但是在鐵路交通運輸中還存在著一系列不可避免的問題，鐵路部門要想更好地保障鐵路運輸，提高運輸的質量和效率。就要加大對車輛各方面的調控。

4.2 對鐵道車輛設計分析方案

鐵道車輛由于涉及到的方面比較廣泛，而且應用起來比較麻煩，所以理論性比較復雜。在鐵道車輛設計方案中，對阻尼值的運算是一項非常謹慎的工作，這些人員要根據合理的數據分析，要增加車輛行駛過程中的穩定性，還要將值加入進去進行引導，控制好鐵道車輛的最初速度。利用一些其他的設計模型和設計理念來進行分析和評價，將這些專業性的理論知識去反映車輛的動力學性能。還要根據實際情況和具體要求去模擬車輛在使用中的條件，就非線性車輛與線性車輛的模型進行對比和調整，得出最終的調試結果。同時，技術人員還要在操作人員試驗車輛開始之前，為整個模擬的條件和環境該出合理的應用價值，管理員要從復雜的線性模型中去完善對車道車輪的控制策略與方案。

4.3 蛇形運動的分類

蛇行運動的狀態還可以分為兩種狀態。一種蛇形運動是一次，主要表現的是車輛在車道運行狀態的過程中，速度適中，而且屬于搖頭運動，穩定性較高。在車道運行的過程中等效錐度比較低，運行的頻率和車體的整體狀態比較接近，所以會使出現劇烈的橫向移動或者是搖頭運動。然后就是所了解的二次蛇形，操作人員要想避免二次蛇行運動的發生，讓車恢復到原先的狀態，就要去降低車的速度，讓車的速度合理化，這樣可以恢復車輛的穩定性。在車輪磨損的后期，車輪會出現一些復雜的問題。而且當時的錐度比較高，會導致蛇行頻率與車體的形態近似相同，車輛在車道上行駛的過程中會出現強烈的抖動現象，這就是稱作二次蛇行運動。這兩者蛇形運動的關系有所不同，在數據參數上存在著一些矛盾。管理人員在設計的過程中，根據一次蛇行運動的缺點，正在逐漸地提高研究的效果和蛇形運動中的穩定性能，也逐漸開發出二次蛇行穩定性運動的控制性能方法。

5 車輛運行的穩定態分析

根據現在我國的科學家對車道蛇行穩定性運動的研究分析表明，車輛在運行的過程中橫向平穩的移動，是根據車輛行駛的速度去改變自身的運行狀態，它在運行中的平穩性不是成遞增的形式出現的。研究學者表明，反向蛇形運動可以通過改變車的整體速度和整體運行狀態去控制搖頭震動。 同時對車輛的橫向運動也造成了一些影響。如果操作人員在行車過程中增大速度時橫向運動就會逐漸變得劇烈，穩定性能就會有所影響。與此同時，車輛在垂直方面的平穩性能也但隨著車的速度逐漸增大。如果車輛在這時期是轉彎的話，會出現蛇行運動，會發生穩定性缺失的情況，但是垂直方向的穩定性不會有劇烈的變化。這些研究成果都表現了蛇行運動對車輛的垂直方向的穩定性影響性能頗微弱。同時轉向蛇行運動效率隨著車輛在運行中的速度不斷地增加而處于上升的狀態，在不斷地發生著變化。因為車速是不定的，隨著車速的不斷的改變，蛇行運動的頻率也與車輪上的傳動軸頻率逐漸地接近，效果逐漸地相似。會產生共振的現象。這種現象都對這個速度段的車道行駛造成了一些影響，車到了穩定性出現了一些變化。設計專家也提出了抗蛇行減震器的研發，由于受到減震器內部的油態所影響時，減震器在運行的過程中出現頻率過高的彈簧反應。根據這些研究的情況，科學技術人員正在擴大對蛇行運動狀態穩定性的控制，也為鐵道交通在未來的發展中奠定了良好的基礎。

6 結語

根據上面我們所說的，鐵路交通在我國的經濟發展中舉足輕重，也是我國在運輸貿易中的一個重要的核心內容。鐵道車輛在運行的過程中，隨著速度在不斷的變化，會出現一系列不可避免地故障，尤其是蛇行運動狀態，這些情況都需要鐵路部門相關技術管理人員加以重視，不斷的將制度方案去完善，不斷地去提高管理措施和策略。根據鐵道車輛在運行中出現的蛇行運動狀態這篇文章進行了具體分析和具體調整，同時，專家管理人員也根據蛇形運動狀態去提出一些良好的控制措施。設計人員設計了一款抗蛇行減震器，這種機械設備可以通過小幅度的震動效果使車體增加更強的穩定性，為鐵路運輸行業的發展奠定了良好的基礎。

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作者簡介

李江利：（1971.10—），男，漢族，河南許昌人，大學本科。鐵道車輛專業。