对如何提高动车组车辆系统稳定性方法的探究

摘 要：车辆系统稳定性包含了运行平稳和临界速度两个方面，在正常运行时，系统不能发生失稳现象。车辆失稳会产生剧烈的蛇形运动，影响车辆的运行，对轨道产生剧烈的作用力，甚至会导致脱轨现象。文章主要对如何提高车辆稳定性采用的方法进行初步的探究。

关键词：动车车辆；稳定性；轴箱刚度；减振器；空气弹簧

中图分类号：U266 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）20-0013-02

车辆系统稳定性包含了运行平稳和临界速度两个方面，在正常运行时，系统不能发生失稳现象。车辆失稳会产生剧烈的蛇形运动，影响车辆的运行，对轨道产生剧烈的作用力，甚至会导致脱轨现象。因此，车辆系统稳定性具有重要的作用，对车辆系统稳定性方法的探究非常重要。

1 车辆系统稳定性的特征

车辆系统稳定性是车辆系统动力学性能非常重要的一个方面，它包含静态平衡稳定性和动态稳定性两大类。在车辆工程中所讨论的车体在弹簧上的抗倾覆稳定性及轮对抗脱轨稳定性等，一般是从静力平衡条件来确定，因此属于静态稳定的范畴。动态稳定性通常称为运动稳定性，则必须从运动方程或其解的特征来判断。车辆达到静态稳定和运动稳定，尤其是动车组车辆，才能提高列车运行的速度。

动车组车辆在运行中，车辆保持平稳，才能保证乘客乘坐车辆的舒适性。一般车辆在运行中会由于轨道接缝不连续，车辆自身产生的激扰等原因，导致车辆系统振动，这种振动会给乘客乘坐的舒适度带去一定的影响。

动车组车辆在理想的平直轨道上运行时，在特定的条件下，如轮对具有一定的定位刚度，各悬挂参数匹配适当，在某一速度范围内运行，这时所产生的蛇行运动的振幅是随着时间的延续而衰减的；但当车辆的运行速度超过某一临界数值时，产生一种称为不稳定的蛇行运动，此时它们的振幅随着时间的延续而不断地扩大，使轮对左右摇摆直到轮缘碰撞钢轨，对于转向架或车体，则出现大振幅的剧烈振动，车辆就失去平稳。高速车辆的蛇行运动失稳后，不仅会使车辆的运行性能恶化，旅客的舒适度下降，作用在车辆各零部件上的动载荷增大，并且将使轮对严重地打击钢轨，损伤车辆及线路，甚至会造成脱轨事故。蛇行运动是机车车辆以及动车组实现高速运行的一大障碍。因此，车辆系统稳定性，必须考虑蛇行运动现象，车辆的运行速度可以容许超过共振的临界速度，而绝对不能超过蛇行运动的临界速度，即车辆在蛇行的振型中，只有一个振型的幅值在此速度下既不扩大也不衰减呈等幅稳态振动，而其他振型呈衰减振动。

2 提高车辆系统稳定性方法

从车辆角度出发，可应用以下几种方法提高车辆系统的稳定性。

2.1 合理选择轴箱定位刚度

由图1垂向平稳性与纵向刚度和图2横向平稳性与横向刚度的数据关系可知较大的刚度有利于提高车体的稳定性，选择合理的刚度可以提高列车运行的平稳性。

由图3纵向刚度与临界速度和图4横向刚度与纵向刚度关系可知轴向定位刚度的选择对转向架蛇行运动临界速度起着决定性的影响，在纵向定位刚度小于10MN/m时，增大纵向定位刚度可使得临界速度大幅度提高。可见较大的刚度有利于提高车体的稳定性。但是，一方面，车体通常在运行一段时期后定位装置的性能会有所下降（如数年后橡胶性能的变化），转向架仍应保持较高的临界速度值；另一方面，由于垂向和纵向定位刚度的增大，车轮的轮轨横向力越大，车轮的脱轨系数、轮对冲角和磨耗功率也越大，不利于车体的曲线通过，垂向刚度的不合理取值会导致车体垂向振动的恶化，影响乘客乘坐的舒适性。

2.2 抗蛇行减振器和横向减振器的设置

车体与转向架之间增加回转阻尼，可以有效控制和抑制车辆的蛇行运动。通过设置抗蛇行减振器和横向减振器来达到增加回转阻尼的目的，从而，避免车辆提速后振动加剧导致乘客乘坐舒适度降低的情况的发生。除此之外，车辆车体和转向架之间合理的阻尼设置可大幅度提高车辆系统的临界速度，使得车辆系统运行稳定性得到改善。

由于高速列车运行的特殊性，车辆系统的临界速度不可过多依靠蛇行减振器的设置，一旦减振器失效，车辆运行的安全性和平稳会受到严重影响。

2.3 空气弹簧的合理运用

空气弹簧结构简单，有利于车体轻量化发展。其弹簧非线性特性使刚度随载荷的变化而变化，有利于控制空重车稳定性。空气弹簧可吸收由构架传给车体的高频振动，同时具有良好的隔音性能，适宜于维持高速列车较好的室内环境，给乘客一个相对安静的旅程。

空气弹簧的三维方向承受荷载能力使其具有良好的水平变位能力，中央悬挂采用空气弹簧能够满足车辆系统的曲线通过能力。

随着我国高速铁路的发展，车辆系统的动力学性能要求也越来越高，如何提高车辆系统的稳定性是研制车辆的一个关键点。如何提高车辆系统的临界速度，又要保证车辆一定的曲线通过能力，从车体角度出发，可以通过寻找合适的轴箱定位刚度来提高车辆运行的临界速度；在车体和转向架间通过设置抗蛇行减振器和横向减振器的方式来提高车辆运行稳定性；抓住空气弹簧的优点来有效提高车辆运行环境和稳定性。除了这些方式，还可以通过车辆轻量化的实现、车轮踏面形状的选择、转向架轴距的延长等方法来提高车辆稳定性。

参考文献：

[1] 池茂儒,张卫华,曾京,等.高速客车转向架悬挂参数分析[J].大连交通大学学报,2007,(3).

[2] 曾京,邬平波.高速列车的稳定通[J].运输工程学报,2005,(6).

[3] 马卫华,宋荣荣,罗世辉.轴向悬挂系统参数对高速动车动力性能的影响[J].内燃机车,2009,(9).

[4]冈本勋.新干线高速动车稳定性提高[J].国外内燃机车,1996,(3).