车辆蛇形运动稳定性及运行振动分析

车辆蛇形运动稳定性及运行振动分析

1、车辆蛇形运动稳定性

具有一定他面形状的轨道轮对即使沿着平直轨道运转，受到微小激扰后就会产生一种振幅保持现状或继续增大直道轮缘受到约束的特有运动，此时轮对向前滚动一面横向往摆动，一面又绕铅锤中心来回转动，其轮对中心轨迹呈波浪形，称蛇形运动，当激扰消失而剧烈的蛇形运动不能收敛时，则称蛇行失稳。表面上轮对并未受到钢轨的纵向或横向位移激振，实际上这是一种自激振动，试论对对钢轨的相对运动产生了内部激振力，由这种激振力维持轮对相对运动，由机车牵引力提供的非振动能量由于轮轨间的自激机制转换为蛇形运动的能量。当车辆运行到某速度时车辆系统中的阻尼无法消耗这种能量。蛇形运动就失稳，该速度就称为蛇形失稳临界速度，轮轨间的蛇形运动是由等效斜率的踏面产生的，这种踏面避免轮对的轮缘始终贴靠在轨侧运动而采取的自动取中措施，正是这种取中的能力在一定条件下转化为失稳的动力。在纯粘着滚动假设条件下，由锥形踏面轮对与钢轨间的几何关系可以推导出一个无约束自由轮对的蛇形运动频率W w及波长L w的公式，之后又推出了轴距为2L w的刚性二轴结构转向架的蛇形波长L t及蛇形频率W t的相关公式。W w = 2πv/L w，L w =2πbr×1/λe2, W t =2πv/L t，影响蛇形运动因素很多，主要有以下几个，1轮对定位刚度，2轮对踏面等效斜率λe，3蠕滑系数，4转向架固定轴距，5中央悬挂装置。

2、车辆运行振动分析

车辆垂直振动，城市轨道车辆的转向架通常采用二系悬挂，力求在有限的空间获得柔性，研究表明，车辆的两个自由度简化的垂直振动系统有两个自振频率，低频P1与总静挠度f st有关，而高频P2除与静挠度有关外，还与刚度及车体质量和簧上部分质量之比有关。低频对应的振动型为车体与构架做相同振动，而高频振动对应车体与构架做反向振动，车体以低频振动为主，而构架则以高频振动为主干线客车及地铁轻轨车辆的两系垂直总挠度通常均在160mm以上。当中央系采用空气弹簧时，空气弹簧空气有弹簧的静挠度值可达200mm—300mm 。因此，车辆低频振动一般在1Hz左右，使车辆具有良好的隔振性能，减缓了轮轨冲击力对车体的影响。当车辆在中央及轴箱弹簧悬挂处并联阻尼器后，阻尼可以吸收车辆振动能量以衰减振动，具有阻尼的简化系统同样有两个自振频率，并各自对应一定的型，在阻尼不大的情况下，它们的自振频率和振型均与无阻尼系统的自振频率和振型相似。设置阻尼可以衰减车辆振动，一般阻尼设置在静挠度较大的中央悬挂，以有效设置车体振动，通过分析不同阻尼及一、二系弹簧静挠度比下的车体响应加速度振幅与激振频率的关系，可得到阻尼过大可以有力的抑制低频共振区的振动，但是车体高频振动加速度反而增大。阻尼过小则低频共振峰突起，而高频振动不大。

2、车辆横向振动

由于车辆要通过道岔、曲线。车辆本身又具有蛇形特性，为了减缓车体在横向平面内的振动，车体与转向架之间在横向也设置了柔软的悬挂装置，通常采用摇动台结构，近20年来在地铁上大量采用了橡胶堆和空气弹簧的无摇动台悬挂方式。5-13图，如果不路车体摇头，忽略构架重量，车体在横断面内的振动可以简化为一个两自由度的系统。这个两自由度横向振动系统具有两个自振频率及各自对应的阵型。计算表明，低频对应的是一个下心滚摆阵型，而高频自振则对应是上心滚摆，分析表明车体滚摆自振频率随横向刚度K y减小而下降，一般在设计车辆使希望降低K y和K z值以提高车辆平稳性，但是这些值太小使会产生车体在簧上的稳定性问题，车体会在大的激励之下过度的偏离弹簧的支撑中心，以致侧倾无法。当悬挂系统为对称布置时，车体摇头振动时可简化为单自由度系统。