提速机车车辆横向运动稳定性研究及应用

2019-06-26薛鹏

智能城市 2019年9期

薛鹏

（中铁十六局集团铁运工程有限公司，河北高碑店 074000）

1 机车车辆横向运动稳定性

在铁路运输事业中，如何提升轨道上运行车辆的稳定性和安全性一直是一个非常重要的问题。如果机车车辆的稳定性无法得到保障，就更不必说其安全性以及其他的动力学性能了。机车车辆的稳定性通常包括了静态平衡稳定性以及动态稳定性。所谓的静态平衡稳定性，主要包括了车辆在装置上的稳定性、轮对抗脱轨稳定性等方面的内容，在分析的过程中通常是以静力平衡条件来确定的，属于静态稳定问题；而动态稳定性通常指的是车在轨道上运行时引起的运动稳定性，在分析的过程中往往需要建立运动方程来进行确定，判断其是否稳定。

2 提速机车车辆存在的横向运动稳定性问题

为了更好地满足广大人民群众的出行要求，为我国经济发展贡献更多的力量，铁路部门在机车车辆技术装备上进行不断的努力，研发出了提速机车车辆，机车车辆的运行速度也因此获得了提升。但是由于动态环境在不断地恶化，机车车辆已经呈现出了一定程度的运行性能恶化的问题，部分关键零部件的可靠性下降得比较明显，已经对车辆的安全运行造成了一定的威胁，其中的横向运动稳定性差的问题表现得尤为突出，使得整车动力学性能逐渐恶化，限制了铁路运输事业的进一步发展。

随着机车车辆的不断提速，车辆已经出现了横向晃动的问题，当时速超过一定限度时，车辆的横向动力学性能就会超过安全规范，此时的车辆对外部刺激以及自身参数变化的敏感度会大大提升，运用部门对于车辆晃动问题有着更为敏感的反映。

3 机车车辆参数对横向运动稳定性的影响分析

机车车辆在轨道上运行是一个复杂的过程，这个过程是会受到多方面因素影响，这些影响有来自车辆本身的，也有来自轨道方面的，同时，这两方面的影响还相互渗透。机车车辆在运行的过程中，一旦出现运动稳定性丧失的情况，不仅其平稳性得不到保证，还会导致轮轨间的相互作用更加激烈，严重的甚至有可能导致脱轨情况的出现，使得机车车辆的运动部件磨损加剧，还会引发严重磨损情况，对轨道造成严重的破坏。

对机车车辆横向运动稳定性进行研究，主要是从蛇形运动的理解速度、分叉特性以及混沌运动等几个方面入手。在研究过程中，非线性理解速度是对机车车辆横向运动稳定性进行评价的主要指标，对其造成影响的因素主要包括车辆悬挂特征、轨面污染以及轨下结构等几个方面。在实际的运行过程中，车辆自身系统对横向运动稳定性造成影响的主要因素包括了以下几个方面，需要进行特别的关注。第一，想要不降低非线性临界速度，需要选用合适的踏面，确保踏面不会因运行里程增加而出现巨大的变化。在开展设计工作时，一定要严格的遵循轮轨接触理论，以此来确保机车车辆运行的稳定性。第二，选择合适的一系悬挂定位刚度。在保证不影响牵引力正常发挥的前提条件下，进行参数优化，保证运行稳定性的同时还要兼顾曲线通行性能。第三，增设抗蛇形减振器，将蛇形减振器的阻尼特性进行充分的发挥。在保证车辆运行稳定性以及曲线通行性能的前提下，对蛇形减振器阻尼特性进行合理的选择。

4 提速机车横向运动稳定性研究及应用

4.1 提速机车前期研究

随着长交线路的不断出现，提速机车运行的稳定性也受到了一定的影响，这些问题是必须要及时地进行解决的。传统的解决方式是对车辆设计方案进行改进，之后再试制样车进行试验，这样一来不仅会花费大量的时间和费用，也会对铁路提速进程造成一定的影响。因此，工作人员一定要积极的借鉴国内外的先进经验，加快技术研究，充分的利用动力学理论，对这一问题进行系统的研究和改进，争取在不对机车结构进行较大的改动，通过优化悬挂系数等方式来提升机车在直线路段运行过程中的稳定性和舒适性，并对曲线通过性能进行兼顾，这样才能够全面保证机车车辆运行过程中的横向稳定性。

4.2 悬挂系数对机车横向运动稳定性的影响分析

4.2.1 一系悬挂定位刚度的影响

根据相关研究数据表明，轴箱拉杆的定位刚度是会对机车的横向运动稳定性造成一定的影响的。首先，一系纵向刚度对机车性能的影响。经过研究试验表明，一系纵向刚度对于机车运行过程中的平稳性是有着非常重要的影响的，并且存在着一个最佳刚度值。其次，一系横向刚度对机车性能的影响。经过相关研究试验表明，对一系横向刚度值进行不断地增加，能够有效地提升机车的运行舒适性，并且其效果会有一个峰值，在之后增加横向刚度值所能起到的效果就变得没有那么明显。需要注意的是，当一系横向刚度值过大时，会对机车的曲线通过性能产生不利的影响，相关工作人员一定要进行全面的考虑，对刚度值进行合理的设置。

4.2.2 抗蛇形减振器的影响

通常情况下，机车车辆是有四个抗蛇形减振器的，随着车辆运行速度的提升，如果有减振器失效，车辆的横线振动会加剧，并且与减振器失效数量成正相关的关系，因此，相关工作人员一定要特别重视抗蛇形减振器对横向振动所产生的影响。从整体情况上来看，机车车辆横向位移数值时会随着抗蛇形减振器阻尼的增加而减少的，但也有极少数的情况下，位移数值是有可能随着阻尼增加而略微增大的。

4.2.3 二系横向阻尼的影响

相关研究数据表明，采用有效的方式和方法降低二系横向阻尼参数，会使得机车车辆的横向振动变得更为激烈；而增加二系横向阻尼值，则是使机车车辆的横向振动情况变得缓和。但是需要注意的是，持续的增加阻尼值，最终能够对车体及构架横向振动所起到的抑制效果是会出现逐渐衰退的情况的。如图1、图2所示。

图1 车体横向位移量随速度变化

图2 构架横向位移量随速度变化

4.2.4 二系横向刚度的影响

从整体上来看，机车车体以及构架的横向振动位移情况会随着二系横向刚度值的降低而逐渐减小的，两者呈现出正相关的关系。因此，采用适当的方法来降低二系横向刚度不仅能够有效地降低车体在运行过程中产生的横向运动位移最大值，还能够有效地降低机车构架在某一速度范围内的横向摆振情况。但是需要注意的是，当机车车辆的运行速度在一个比较高范围内时，采用有效的手段降低二系横向刚度则是会导致构架横向振动出现略微的上升，此时的横向位移的增幅则是比较小的。如图3、图4所示。