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［摘要］隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)乘坐鐵路的舒適性、平穩(wěn)性要求越來越高。為了研究蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)鐵道車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響，本文根據(jù)蛇行運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，首先仿真了轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)模態(tài)和車體固有振動(dòng)模態(tài)，又從不同時(shí)域分析了不同速度車輛的平穩(wěn)性，以及蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響的因素進(jìn)行總結(jié)，旨在提高車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高鐵道車輛的舒適度。

［關(guān)鍵詞］蛇行運(yùn)動(dòng)；鐵道車輛；平穩(wěn)性；模態(tài)

車體、構(gòu)架、輪對(duì)以及它們之間的懸掛裝置組成了鐵道車輛的振動(dòng)系統(tǒng)。由自由振動(dòng)論可得出車輛固有的振動(dòng)模態(tài)，與外界的輸入沒有關(guān)系。外部激擾頻率與車輛固有頻率接近時(shí)，就會(huì)影響乘坐的舒適性，影響乘客舒適性的原因有兩個(gè)，一個(gè)是軌道不平，另一個(gè)就是輪軌之間的特殊性，即使車輛平穩(wěn)行駛也會(huì)引起輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng),軌道的不平對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響研究頗多，對(duì)于蛇行運(yùn)動(dòng)自激振動(dòng)對(duì)鐵路車輛的平穩(wěn)性研究較少，本文就重點(diǎn)研究蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響。

1蛇行運(yùn)動(dòng)的特性

由于鐵路車輛輪對(duì)有錐度的緣故，給它一個(gè)初始激擾，輪對(duì)就會(huì)圍繞中心線一邊發(fā)生橫移一邊搖頭前進(jìn)，如同蛇的運(yùn)動(dòng)，稱之為蛇行運(yùn)動(dòng)。即使車輛在平直的軌道上運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)樗怯绍囕v內(nèi)部非振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為持續(xù)的激振力。輪對(duì)踏面有錐度是引起蛇行運(yùn)動(dòng)的條件。自激振動(dòng)源于車輛的牽引力，蛇行運(yùn)動(dòng)的有無是由車輛的停走決定的。由車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可得出，當(dāng)輪對(duì)確定以后自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的影響主要是車輛運(yùn)行速度，車輛的運(yùn)行速度越大它的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率就越大。對(duì)于剛性轉(zhuǎn)向架來說它和自由輪對(duì)是一樣的，都是隨速度增大蛇行運(yùn)動(dòng)頻率增大，在實(shí)際的車輛運(yùn)行中這兩種結(jié)構(gòu)都是不存在的，實(shí)際的車輛運(yùn)行中使用的是彈性定位轉(zhuǎn)向架，它的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率介于自由輪對(duì)與剛性轉(zhuǎn)向架之間，它也是隨速度的增加蛇行頻率不斷增大。由以上可看出，蛇行運(yùn)動(dòng)的最大特點(diǎn)就是跟車輛速度有關(guān)。車輛系統(tǒng)中的自振是和車輛速度無關(guān)的，在某個(gè)勻速時(shí)段內(nèi)蛇行運(yùn)動(dòng)的頻率和車輛某個(gè)自振頻率接近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，影響乘坐的舒適性。

2車輛振動(dòng)模態(tài)分析

車輛乘坐的舒適性與車體懸掛振動(dòng)模態(tài)有很大關(guān)系，車體固有的懸掛振動(dòng)模態(tài)有六種，包括車體伸縮橫擺、浮沉、測滾、點(diǎn)頭與搖頭。我們坐過火車的都能感到車體的伸縮對(duì)車輛的平穩(wěn)性影響不大，因?yàn)檐圀w的橫擺與測滾一直耦合在一塊的，橫擺與側(cè)滾同向振動(dòng)就會(huì)形成下心滾擺，反向振動(dòng)就會(huì)上心擺動(dòng)。一般只研究五種常見振動(dòng)模態(tài)，即，車體上下心滾擺，搖頭、浮沉與點(diǎn)頭，上下心滾擺與搖頭對(duì)車體穩(wěn)定影響較大，浮沉與點(diǎn)頭對(duì)垂直方向平穩(wěn)影響較大。由于車輛輪軌的特殊性，轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)也能引起車體振動(dòng)模態(tài)。這樣由前后轉(zhuǎn)向架引起的上心擺動(dòng)和搖頭振動(dòng)與車體自身的上心擺動(dòng)和搖頭振動(dòng)有可能耦合在一起，對(duì)車輛平穩(wěn)性有很嚴(yán)重的影響。在某個(gè)時(shí)速段內(nèi)，前后轉(zhuǎn)向架正反相蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車體固有上心滾擺與搖頭振動(dòng)的頻率較接近，這樣造成共振，就會(huì)引起橫向晃動(dòng)的程度加大，使得車輛運(yùn)行橫向不平穩(wěn)。轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車體上心滾擺與搖頭振動(dòng)模態(tài)影響較大，針對(duì)這兩種模態(tài)給予分析：由車體上心滾擺模態(tài)與速度的研究圖表分析可得出，車體固有上心滾擺頻率與速度沒有太大關(guān)系，在一定時(shí)速段的時(shí)候前后轉(zhuǎn)向輪上心滾擺與車體固有上心滾擺發(fā)生共振。車體固有上心滾擺在共振區(qū)有少量下降，但是前后轉(zhuǎn)向輪蛇行運(yùn)動(dòng)引起上心滾擺模態(tài)阻尼比以共振區(qū)為界線，共振之前，前后轉(zhuǎn)向輪阻尼比隨速度變化,超過共振區(qū)以后，阻尼比隨速度增加而減小，大于一定時(shí)速后，阻尼比為負(fù)數(shù)，說明前后轉(zhuǎn)向架同相蛇行運(yùn)動(dòng)引起的上心滾擺模態(tài)在該時(shí)速下就失穩(wěn)了。由車體搖頭振動(dòng)模態(tài)與速度圖表研究分析可得，車體固有的搖頭振動(dòng)頻率與速度也沒關(guān)系，時(shí)速在一定時(shí)速時(shí)轉(zhuǎn)向架反相蛇行引起搖頭振動(dòng)與車體固有搖頭發(fā)生共振。還可以得出車體固有上心滾擺阻尼比沒有太大波動(dòng)，而前后轉(zhuǎn)向架反相蛇行所引起的車體搖頭振動(dòng)阻尼比與速度的關(guān)系以共振為界線，共振前成正比關(guān)系，超過共振速度與阻尼比成反比關(guān)系，當(dāng)大于一定時(shí)速時(shí)，阻尼比為負(fù)數(shù)時(shí)，說明前后轉(zhuǎn)向架反相蛇行引起的車體搖頭振動(dòng)模態(tài)下在該速下已經(jīng)失穩(wěn)。

3車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性分析

由研究表明，車輛橫向平穩(wěn)性隨車輛運(yùn)行速度的增加不是呈遞增趨勢(shì)。前后轉(zhuǎn)向架同反相蛇行引起車體上心滾擺和搖頭振動(dòng)與車體上固有的上心滾擺和搖頭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生共振時(shí)，對(duì)車輛的橫向穩(wěn)定性有很大影響，當(dāng)增大到一定時(shí)速時(shí)，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)就會(huì)急劇增大。車輛垂直方向平穩(wěn)性隨車輛速度增大而增加，即使轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)發(fā)生失穩(wěn)，垂直向的平穩(wěn)性不會(huì)有很大變化，這說明轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛垂直向平穩(wěn)性影響小，這個(gè)模態(tài)分析的結(jié)果是一致的。由以上的研究我們可以得到幾點(diǎn)結(jié)論：首先轉(zhuǎn)向架的蛇行效率隨車輛速度增加而直線上升，而車體固有振動(dòng)頻率與速度無關(guān)，兩者有共振的現(xiàn)象是不可避免的。由于車速的不斷增大，在某一時(shí)速內(nèi)轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車體上心滾擺自振率接近時(shí)，前后轉(zhuǎn)向架同相蛇行引起車體上心滾擺與車體固有上心滾擺發(fā)生共振，這樣對(duì)該速度段的橫向平穩(wěn)性將會(huì)有很大影響。其次，當(dāng)轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車體搖頭自振頻率接近時(shí)，前后轉(zhuǎn)向架反相蛇行引起車體搖頭振動(dòng)與車體固有搖頭振動(dòng)發(fā)生共振，這樣也會(huì)惡化車輛的橫向平穩(wěn)性。最后就是轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛垂直性穩(wěn)定性影響較小。由于蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛的穩(wěn)定性影響比較大，人們對(duì)此也比較重視，一般的措施就是經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)來提高轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)的臨界速度，來保證車輛的穩(wěn)定性。但是轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)與車體固有的上心滾擺與搖頭振動(dòng)的共振對(duì)車輛的穩(wěn)定性也有較大影響，本文提出這個(gè)重要的問題，希望以后車輛設(shè)計(jì)的技術(shù)人員能多從這方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]池茂儒,張衛(wèi)華,曾京,等.蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)鐵道車輛平穩(wěn)性的影響[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2008(06).

作者:湯俊秀 單位:湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院