提速機(jī)車車輛橫向運動穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

薛 鵬

（中鐵十六局集團(tuán)鐵運工程有限公司，河北 高碑店 074000）

1 機(jī)車車輛橫向運動穩(wěn)定性

在鐵路運輸事業(yè)中，如何提升軌道上運行車輛的穩(wěn)定性和安全性一直是一個非常重要的問題。如果機(jī)車車輛的穩(wěn)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(xué)性能了。機(jī)車車輛的穩(wěn)定性通常包括了靜態(tài)平衡穩(wěn)定性以及動態(tài)穩(wěn)定性。所謂的靜態(tài)平衡穩(wěn)定性，主要包括了車輛在裝置上的穩(wěn)定性、輪對抗脫軌穩(wěn)定性等方面的內(nèi)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(tài)穩(wěn)定問題；而動態(tài)穩(wěn)定性通常指的是車在軌道上運行時引起的運動穩(wěn)定性，在分析的過程中往往需要建立運動方程來進(jìn)行確定，判斷其是否穩(wěn)定。

2 提速機(jī)車車輛存在的橫向運動穩(wěn)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(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量，鐵路部門在機(jī)車車輛技術(shù)裝備上進(jìn)行不斷的努力，研發(fā)出了提速機(jī)車車輛，機(jī)車車輛的運行速度也因此獲得了提升。但是由于動態(tài)環(huán)境在不斷地惡化，機(jī)車車輛已經(jīng)呈現(xiàn)出了一定程度的運行性能惡化的問題，部分關(guān)鍵零部件的可靠性下降得比較明顯，已經(jīng)對車輛的安全運行造成了一定的威脅，其中的橫向運動穩(wěn)定性差的問題表現(xiàn)得尤為突出，使得整車動力學(xué)性能逐漸惡化，限制了鐵路運輸事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

隨著機(jī)車車輛的不斷提速，車輛已經(jīng)出現(xiàn)了橫向晃動的問題，當(dāng)時速超過一定限度時，車輛的橫向動力學(xué)性能就會超過安全規(guī)范，此時的車輛對外部刺激以及自身參數(shù)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(jī)車車輛參數(shù)對橫向運動穩(wěn)定性的影響分析

機(jī)車車輛在軌道上運行是一個復(fù)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(jī)車車輛在運行的過程中，一旦出現(xiàn)運動穩(wěn)定性喪失的情況，不僅其平穩(wěn)性得不到保證，還會導(dǎo)致輪軌間的相互作用更加激烈，嚴(yán)重的甚至有可能導(dǎo)致脫軌情況的出現(xiàn)，使得機(jī)車車輛的運動部件磨損加劇，還會引發(fā)嚴(yán)重磨損情況，對軌道造成嚴(yán)重的破壞。

對機(jī)車車輛橫向運動穩(wěn)定性進(jìn)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(jī)車車輛橫向運動穩(wěn)定性進(jìn)行評價的主要指標(biāo)，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(jié)構(gòu)等幾個方面。在實際的運行過程中，車輛自身系統(tǒng)對橫向運動穩(wěn)定性造成影響的主要因素包括了以下幾個方面，需要進(jìn)行特別的關(guān)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(xiàn)巨大的變化。在開展設(shè)計工作時，一定要嚴(yán)格的遵循輪軌接觸理論，以此來確保機(jī)車車輛運行的穩(wěn)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(fā)揮的前提條件下，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，保證運行穩(wěn)定性的同時還要兼顧曲線通行性能。第三，增設(shè)抗蛇形減振器，將蛇形減振器的阻尼特性進(jìn)行充分的發(fā)揮。在保證車輛運行穩(wěn)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(jìn)行合理的選擇。

4 提速機(jī)車橫向運動穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

4.1 提速機(jī)車前期研究

隨著長交線路的不斷出現(xiàn)，提速機(jī)車運行的穩(wěn)定性也受到了一定的影響，這些問題是必須要及時地進(jìn)行解決的。傳統(tǒng)的解決方式是對車輛設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，之后再試制樣車進(jìn)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(jìn)程造成一定的影響。因此，工作人員一定要積極的借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗，加快技術(shù)研究，充分的利用動力學(xué)理論，對這一問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究和改進(jìn)，爭取在不對機(jī)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動，通過優(yōu)化懸掛系數(shù)等方式來提升機(jī)車在直線路段運行過程中的穩(wěn)定性和舒適性，并對曲線通過性能進(jìn)行兼顧，這樣才能夠全面保證機(jī)車車輛運行過程中的橫向穩(wěn)定性。

4.2 懸掛系數(shù)對機(jī)車橫向運動穩(wěn)定性的影響分析

4.2.1 一系懸掛定位剛度的影響

根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，軸箱拉桿的定位剛度是會對機(jī)車的橫向運動穩(wěn)定性造成一定的影響的。首先，一系縱向剛度對機(jī)車性能的影響。經(jīng)過研究試驗表明，一系縱向剛度對于機(jī)車運行過程中的平穩(wěn)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(jī)車性能的影響。經(jīng)過相關(guān)研究試驗表明，對一系橫向剛度值進(jìn)行不斷地增加，能夠有效地提升機(jī)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(dāng)一系橫向剛度值過大時，會對機(jī)車的曲線通過性能產(chǎn)生不利的影響，相關(guān)工作人員一定要進(jìn)行全面的考慮，對剛度值進(jìn)行合理的設(shè)置。

4.2.2 抗蛇形減振器的影響

通常情況下，機(jī)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(shù)量成正相關(guān)的關(guān)系，因此，相關(guān)工作人員一定要特別重視抗蛇形減振器對橫向振動所產(chǎn)生的影響。從整體情況上來看，機(jī)車車輛橫向位移數(shù)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(shù)的情況下，位移數(shù)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(guān)研究數(shù)據(jù)表明，采用有效的方式和方法降低二系橫向阻尼參數(shù)，會使得機(jī)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(jī)車車輛的橫向振動情況變得緩和。但是需要注意的是，持續(xù)的增加阻尼值，最終能夠?qū)圀w及構(gòu)架橫向振動所起到的抑制效果是會出現(xiàn)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(gòu)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(jī)車車體以及構(gòu)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(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。因此，采用適當(dāng)?shù)姆椒▉斫档投禉M向剛度不僅能夠有效地降低車體在運行過程中產(chǎn)生的橫向運動位移最大值，還能夠有效地降低機(jī)車構(gòu)架在某一速度范圍內(nèi)的橫向擺振情況。但是需要注意的是，當(dāng)機(jī)車車輛的運行速度在一個比較高范圍內(nèi)時，采用有效的手段降低二系橫向剛度則是會導(dǎo)致構(gòu)架橫向振動出現(xiàn)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(gòu)架橫向位移量隨速度變化

5 結(jié)語

提速機(jī)車車輛系統(tǒng)在運行的過程中出現(xiàn)失穩(wěn)的情況將會對其運行品質(zhì)產(chǎn)生非常重要的影響，使其運行的平穩(wěn)性大打折扣，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致脫軌情況的出現(xiàn)。工作人員一定要做好研究工作，采用有效的方法來提升機(jī)車車輛系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，切實保障廣大人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。