铁道铁车辆运行平稳性的研究分析.docx

          铁道铁车辆运行平稳性的研究分析                    Summary本文以对影响地铁车辆走行部平稳性的分析为切入点，提出了优化地铁车辆走行部运行时的平稳性，保障列车车辆运行舒适度的措施和建议在研究时，通过深入细致的数据分析和现场调研，结合地铁车辆实际，首先对列车实际运行平稳性的现状进行了分析，通过建立预测模型对地铁车辆走行部运行时的平稳性进行预测，揭示列车运行时震动和晃动过大影响乘客乘坐列车舒适度，阐述提高列车平稳性的必要性Keys：车辆走行部；平稳性；分析研究；前言随着列车运行速度的提高,其动态运行环境发生了质的变化,对行车安全性和平稳性提出了更加苛刻的要求,使车辆系统面临着许多新的动力学研究课题[1]，当今世界铁路运输业蓬勃发展，中国铁路交通发展迅猛21世纪，中国铁路逐渐跨入以“高速客运，重载货运”为特征的新时代随着铁路现代化的发展，传统的运输系统将不断面临许多新难题：行车速度越高，安全问题越突出；既要保证高速列车不倾覆、不脱轨，又要保证机车车辆运行平稳、舒适；车辆在运行过程中产生各种振动，影响旅客乘坐的舒适性和装运货物的完整性所以铁道车辆运行的平稳性是非常重要的，列车客流的更大和速度的更高会对车辆有所影响。

铁道车辆在受到影响后势必会对乘客乘坐的舒适性和安全性造成影响，现有的技术渐渐的在失去保证舒适和安全的能力，不能更好的满足乘客对舒适与安全的需求因此，在新形势下，有必要研究铁道车辆的运行平稳性能，使得列车运行更加能满足当今社会对公共交通工具的要求1造成铁道车辆运行振动过大的因素分析1.1轨道线路对列车运行振动的影响各种振动是影响车辆运行品质的主要因素，影响振动的因素分为以下四个1.1.1与轨道有关的激振因素钢轨接头处的轮轨冲击由接头处速度方向变化引起的冲量S（1）q：簧下质量△V：速度变化量：接触时速度θ：前后轮轨接触点与轮心所张的角1.1.2轨道的垂向变形轨头处的垂向变形大于轨道中间的垂向变形（10%－15%），在有缝轨道上轮轨接触点轨迹用半个正弦波简化：（2）2:一根钢轨的端部与中部下沉量之差:轨条长度t:自某初始位置经历的时间V：车辆运行速度2.1.3轨道的局部不平顺轨道的局部不平顺包含轨道超高、顺波、横向变化、曲率半径变化、轨距变化、通过叉辙、局部磨损、局部隆起或下沉、温度引起的涨轨等1.1.4轨道的随机不平顺不平顺：实际轨道中心线与理想轨道中心线的偏差没有确定形式的不平顺，而只能用数学统计的方法来描述的情况，一般分为四种：（1）水平不平顺在直线区段，铁路两股钢轨顶面不可能保持完全水平，而有一定的偏差，这个偏差称为水平不平顺。

2）轨距不平顺铁路实际轨距与名义轨距之间有一定的偏差，称为轨距不平顺3）高低不平顺轨道中心线上下的不平顺称为高低不平顺产生这类不平顺的原因：路基捣固坚实程度、扣件松动、钢轨磨耗等轨道的不平顺与构造结构影响了列车运行的平稳性能1.2轮对对列车运行振动的影响车轮偏心、车轮不均重、车轮踏面擦伤、锥形踏面轮对的蛇行运动等车轮的偏差会对车辆产生很大振动，达到一定界限是会对列车平稳性产生很大影响，在此我们分析蛇形运动对列车的影响[2]由于铁道车辆的轮对具有一定锥度，只要有一个初始激扰，轮对就会围绕轨道中心线一边横移一边摇头向前运动，就像蛇的运动状态一样，所以形象地称之为蛇行运动即使车辆在理想平直的轨道上运行，轮对并未受到来自轨道的激扰也同样能产生蛇行运动，它是车辆系统内部的非振动能量转换为持续激振力而引起的一种取决于轮对自身条件的自激振动铁道车辆轮对踏面具有一定锥度是产生蛇行运动的条件，其自激振动能量来自于机车牵引力，只要车辆停止运动，蛇行运动也就自然停止对于自由轮对来说，其蛇行运动频率[3]，为（3）式中为车轮踏面的等效锥度；为轮对左右滚动圆横向跨距之半(m)；为轮对标称滚动圆半径(m)；V为车辆运行速度(m·S)，从式(1)可以看,出，当车辆轮对确定后，自由轮对蛇行运动频率主要取决于车辆的运行速度，随着车辆运行速度的增大而增大。

对于刚性转向架(轮对与构架之间的定位刚度趋于无穷大)来说，其蛇行运动频率[3]为（4）式中为转向架的固定轴距之半(m)，其他符号同式(3)从式(4)可以看出，刚性转向架的蛇行运动频率也随着车辆运行速度的增大而增大在实际车辆中，自由轮对和刚性转向架都是不存在的，构架和轮对之间通常是用弹性元件连接起来的，称之为弹性定位转向架弹性定位转向架的蛇行运动频率介于自由轮对蛇行运动频率和刚性转向架的蛇行运动频率之间，具体数值跟定位刚度的大小有关，可以用一个简单公式来表示（5）式中为弹性定位转向架蛇行运动频率系数从式(4)可以看出，弹性定位转向架的蛇行运动频率也随着车辆运行速度的增大而成正比增大蛇行运动的最大特点就是它的振动频率随着车辆运行速度的增大而增大，而车辆系统的自振频率是和车辆运行速度是基本无关的，这样在某个速度段，蛇行运动频率就有可能和车辆系统的某个自振频率接近，从而产生共振，恶化车辆的运行稳定性1.3载荷对列车运行振动的影响随着偏载的增大,车辆的整体平稳性逐渐变差,纵向偏载将引起车辆前后端的平稳性产生较大的差距,而横向偏载引起车辆前后端平稳性产生的差距较小现在我们以中国常见的空气弹簧四点控制支撑客车为例来建立车辆的偏载模型[4]。

假定无偏载车体的重心就在车体的几何形心上,那么偏载车体的重心就会在图1车体几何中心周围的阴影区域内变化,v为车速偏载除了会引起轮载和车体转动惯量发生变化外,还会引起空气弹簧的刚度发生变化关于偏载状态下轮载和车体转动惯量的计算比较简单,本文主要对偏载状态下空气弹簧刚度的计算进行必要的交待为了计算车体偏载状态下各空气弹簧的刚度,必须先求出偏载状态下各空气弹簧的载荷假定由于偏载引起车体重心偏离几何中心的坐标为(x,y),则可列出以下力矩平衡方程式中:为车体的质量;g为重力加速度;为前后空气弹簧纵向跨距之半;为左右空气弹簧横向跨距之半;为车体前端2个空气弹簧的垂向载荷;为车体右侧2个空气弹簧的垂向载荷图1车体重心偏移根据式(6)和式(7)可得进一步可推出车体后端2个空气弹簧的垂向载荷和车体左侧2个空气弹簧的垂向载荷分别为这样可得到支撑车体4个空气弹簧的载荷分别为式中:为车体前左空气弹簧的垂向载荷;为车体前右空气弹簧的垂向载荷;为车体后左空气弹簧的垂向载荷;为车体后右空气弹簧的垂向载荷实际上,转向架左右侧的空气弹簧是通过差压阀连接起来的,所以转向架左右空气弹簧的载荷必须满足以下约束条件式中：为差压阀工作压差值对应的载荷。

如果根据式(12)～(15)计算出来的空气弹簧载荷值满足式(16)和式(17)的约束条件,那么式(12)～(15)计算出来的值就是空气弹簧的实际载荷如果不满足约束条件,那么差压阀就会调整转向架左右侧空气弹簧的载荷由于无偏载时空气弹簧的垂向载荷为：（18）所以4个空气弹簧的垂向载荷增量为：（19）式中:i分别为FL、FR、TL、TR,分别代表车体前左、前右、后左和后右这样在偏载状态下4个空气弹簧的刚度分别为式中:、分别为无偏载时空气弹簧的垂向等效动刚度和横向等效动刚度;、分别为偏载状态下空气弹簧的垂向等效动刚度和横向等效动刚度;、分别为空气弹簧垂向和横向刚度增益系数由于偏载引起了车体转动惯量和空气弹簧刚度的变化,所以车辆振动加速度也会发生相应变化,这将影响车辆的运行平稳性1.4悬挂系统对列车运行振动的影响随着速度的提高，客车车体的轻量化能够有效降低轮轨之间的作用力，并且能够节省大量的制造成本但车体轻量化往往会导致车体刚度不足，引起车体振动恶化，旅客乘座舒适度下降以CRH3型动车组的车下设备采用不同的联接方式对车体弹性振动以及设备悬挂刚度对车辆平稳性的影响为例[5]，我们重点分析车下五种设备的悬挂刚度变化。

这五种车下设备分布形式如图2所示图中①代表牵引变流器;②代表变流器冷却单元;③代表变压器冷却单元;④代表牵引变压器;⑤代表废排单元图2车下设备布置示意图我们选定车体中部地板面来考察整车的垂向平稳性指标和横向平稳性指标，直线轨道上的运行速度设定为200km/h和300km/h两个速度等级通过高速动车刚柔祸合动力学模型的仿真计算得出下图图3牵引变压器悬挂刚度对对平稳性的影响（运行速度：上线为300km/h，下线为200km/h）图4牵引变流器悬挂刚度对对平稳性的影响（运行速度：上线为300km/h，下线为200km/h）图5牵引变压器冷却单元悬挂刚度对对平稳性的影响（运行速度：上线为300km/h，下线为200km/h）图6牵引变流器冷却单元悬挂刚度对对平稳性的影响（运行速度：上线为300km/h，下线为200km/h）2提高提到车辆运行稳定性的对策2.1对轨道线路改造2.1.1使用重型钢轨钢轨必须具有足够的强度、韧性和耐磨性能如果钢轨发生断裂和破损，将危及行车安全钢轨的断裂和破损多数发生于有缺陷的轨头、轨头与轨腰连接处以及螺栓孔周围等处钢轨断裂处一般有疲劳源，断裂呈脆性状态钢轨生产时如有未切净的残余缩孔或有害偏析，使用时也可能造成轨腰劈裂。

除承受车轮的垂直作用力外，钢轨在曲线路段还承受车辆的离心力，在直线路段,还承受车辆蛇形运动所产生的横向力此外,轨道还承受温度变化所产生的轴向拉力或压力，以及轨面不平或车轮扁瘢而产生的簧下质量振动的惯性力等，使钢轨产生挠屈和弯矩在列车重复荷载作用下，会引起轨道部件的疲劳伤损，以及磨耗的积累和轨道残余变形的积累因此在轨道结构设计时，除考虑机车车辆的轴重、行车速度等参数外，还应考虑运输量，并考虑轨道设备的承载能力和轨道使用状态等因素，这样才能设计出最佳的轨道因此我们选择钢轨时考虑钢轨的大量使用过程中的稳定性，不易变形、耐磨、耐疲劳等特性然后重型钢轨的使用时相对庆幸钢轨更加的稳定性客运高速、货运重载、客货分线是我国铁路的主要发展方向，经过六次大面积提速后，我国主要干线铺设的60kg／m钢轨无缝线路已不适应运输形势发展的需要我国在钢轨轨型方面主要有50、60和75kg／m，缺少70kg／m左右的钢轨以货运为主的美国铁路主要采用132RE(65．47kg／m)和136RE(67．75kg／m)的钢轨，美国新货车轴重约30t以上，占美国货车总量的65％；铝合金敞车、高边车等大型专用车辆轴重为35t，68kg／m钢轨在重载线路上使用状态良好，因此，68kg／m钢轨铺设使用技术已较为成熟[6]。

2.1.2使用无缝线路钢轨接头受力特点接头破坏了轨道的连续性，表现在：轨缝、折角、台阶列车在冲击过程中会对首先会对对钢轨、轨枕、道床、路基都有破坏作用，在此也会对列车产生激振，破坏列车运行的稳定性无缝线路也叫长钢轨线路就是把若干根标准长度的钢轨经焊接成为1000～2000m而铺设的铁路线路通常是在焊轨厂将无孔标准轨焊接成200～500m的轨条，再运到现场就地焊接后铺设铺设无缝线路后产生的激振就会减小，可延长钢轨使用寿命，减少养护维修劳力和材料，减少列车运行能耗，最终达到是列车增加列车运行稳定的特性与普通线路相比，无缝线路在其长钢轨段内消灭了轨缝，从而消除了车轮对钢轨接头的冲击，使得列车运行平稳，旅客舒适，延长了线路设备和机车车辆的使用寿命，减少了线路养护维修工作量，并能适应高速行车的要求，是轨道现代化的发展方向2.1.3对钢轨进行定期检修打磨随着我国铁路运输事业的不断发展，主要干线的列车重量和行车密度的不断增加，大规模客运专线的建设,高速铁路又好又快向纵深发展,而且由于我国铁路客货混跑、行车。