郑州市轨道交通有限公司
摘要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。
关键词：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、行车密度大、客运提速、货运重载、行车条件恶劣，货车对轨道结构破坏严重，特别是对钢轨表面易造成伤损。钢轨踏面纵向波形磨损层出不穷；轨面擦伤及剥离有增无减，以及小半径曲线的侧磨十分突出。针对此等损伤，用钢轨打磨列车对在线钢轨进行打磨维修与养护是行之有效的，不仅能显著地延长钢轨的寿命，还能改善线路质量，确保列车的安全运行。
2.2对列车设备的检修与工艺控制
车辆在作段级检修时，可以从以下几个方面来解决由于车辆结构方面的原因引起车辆振动的问题[8]，从而改善车辆运行平稳性，提高旅客乘坐的舒适性。
2.2.1加强油压减振器的检修与工艺控制
油压减振器装用于车辆上需控制振动的部位，现车辆上采用的类型有轴箱油压减振器、二系垂向油压减振器、二系横向油压减振器、抗蛇行油压减振器。轴箱油压减振器装用在车辆的一系悬挂装置上，可减小轴箱与转向架构架之间的垂向振动，衰减构架相对于轮对的点头振动。二系垂向油压减振器用于控制车体与转向架之间的点头振动和浮沉振动，该减振器与二系弹簧元件并联，可加大减振器的横向间距，有利于控制车体的测滚振动。二系横向油压减振器用于控制车体相对于转向架之间的横向振动，也即横摆和摇头振动。抗蛇行油压减振器用来抑制转向架的蛇行运动。在中央悬挂系统中采用圆柱螺旋弹簧的车辆，其悬挂系统结构较复杂，运行速度也较低，车体与转向架之间的振动，大部分是经过摇动台装置来衰减，由二系油压减振器衰减的振动，相对来说较少。而二系悬挂系统采用空气弹簧装置的车辆，由于空气弹簧垂向静挠度较大，车体侧滚振动加剧，对控制车体侧滚振动的二系垂向油压减振器的作用力必然加剧，作用频率必然增高。从而油压减振器的性能必须更加完善，在段级检修时必须加强检查、检修和试验。特别是25T型新型车辆，其采用的是无摇动台、摇枕结构，直接由空气弹簧支承车体，对于油压减振器的检修工艺要求则必须更加严格，阻尼系数选用也必须更加合理。才能保证车辆运行平稳性指标和旅客乘坐舒适性。
2.2.2加强车辆轮对的检修与工艺控制
自(84)辆技字100号“关于LM型车轮踏面推广工作的安排”和辆技(1986)32号“关于公布LM踏面外形、检查样板图纸的通知”发布以来，车辆轮对磨耗形踏面(LM)得到了广泛的应用，已经取代了标准型踏面。磨耗形踏面可明显减少轮与轨的磨耗、减少车轮磨耗过限后修复成原形时旋切掉的材料、延长了使用寿命，减少换轮、旋轮的检修工作量。另外磨耗形踏面可减少轮轨接触应力，即能保证车辆直线运行的横向稳定，有利于曲线通过。故现已大部采用数控车轮车床来旋削车轮磨耗形踏面和轮缘，使踏面及轮缘的外形和光洁度得到了质的提高，旋削检修时间也大为缩短。另外依据运装货车(1999)266号“关于公布《铁路客车盘形制动轮对组装技术条件(试行)》及盘形制动轮对车轴图纸的通知”的要求，盘形制动轮对车轮踏面及轮缘加修后，需进行动平衡检验，结果应满足第3．3．7的要求。轮对残余不平衡值≤759．m，随着25T型车投入使用，25T型车辆盘形制动轮对残余不平衡值将修改为509．m。轮对残余不平衡值的减小，一方面可减小轮轨问的冲击，减小车辆的振动，提高车辆运行平稳性；另一方面，可提高支承部件(滚动轴承)的使用寿命。随着铁道车辆转向架结构设计日趋简单，为保证运行平稳性要求，故对于车辆轮对的检修与工艺控制更须严格。
2.2.3加强铁道车辆空气弹簧悬挂装置的检修与工艺控制
铁道车辆采用空气弹簧作为二系悬挂系统，具有许多优点。第一，空气弹簧可以选择较低的刚度值，以降低车辆的自振频率；第二，空气弹簧具有非线性特性，可根据车辆振动性能的需要，设计成具有比较理想的弹性特性曲线；第三，空气弹簧的刚度随载荷而改变，从而保持空、重车时车体的自振频率几乎相等，使空、重车不同状态的运行平稳性接近；第四，空气弹簧和高度控制阀并用时，可按车体在不同载荷下，保持车辆地板面距轨面的高度不变；第五，同一空气弹簧可以同时承受三维方向的载荷，利用空气弹簧的横向弹性特性，可代替传统的转向架摇动台装置，从而简化结构，减轻自重；第六，在空气弹簧本体和附加空气室之间设有适宜的节流孔，可代替垂向安装的油压减振器；第七，空气弹簧具有良好的吸收高频振动和隔音性能。铁道车辆在作段级检修时，加强空气弹簧、高度准控制阀及差压阀的检修就显得尤为重要。如25T型新型车辆取消了摇动台和摇枕，直接采用面580的小曲囊式高柔性空气弹簧支承车体，其横向变位可达±l10mm，车辆通过曲线是依靠空气弹簧的水平变位实现转向功能，并且其回转阻力不宜过大，以防止车辆产生较大的侧向力而增大轮轨磨耗。综上所述，在空气弹簧悬挂装置的检修与工艺标准的掌握上应更趋于严格。
2.2.4加强缓冲器的检修与工艺控制
缓冲器是车钩缓冲装置的组成部分，用来缓和列车运行中由于机车牵引力的变化或启动、加速、制动及调车作业时车辆相互碰撞而引起的纵向冲击和振动。铁路客车所使用的l号、G1型及弹性胶泥缓冲器等，对于延长车辆纵向冲击力的增长时间、减缓冲击力的增长速度、降低冲击力的数值具有非常明显的作用。从而也须加强缓冲器的检修与工艺控制。
2.3对载荷分布的控制
不同形式偏载对车辆前后端平稳性的影响程度是有区别的,纵向偏载将引起车辆前后端的平稳性产生较大的差距,而横向偏载将引起车辆前后端平稳性产生的差距较小;偏载对车辆平稳性的总体影响规律是重载端的平稳性会变好,而轻载端的平稳性会变差,因而无论各种形式的偏载都会引起车辆整体平稳性的下降;为了提高车辆的整体平稳性,应尽量减小车辆的各种偏载,尤其应严格控制车辆的纵向偏载。客车的偏载现象不太严重，若是想严格控制列车运行的稳定性，则合理布局座位与铺位就可以更好的控制偏载现象；对于货车，由于在重量的关系，造成偏载的现象时有发生，因此在作运载计划时，应提前规划编组，提前计划货物分布等，是的货车载荷均匀合理分布，是列车平稳的硬性，同时也不对车载设备和轨旁设备产生坏的影响。
3结束语
随着时代进步，对列车的稳定运行的要求越来越重要，列车速度不断在提高，人们对出行的安全要求也不断在提高，因此本文在对以往的铁道车辆运行时产生的一些影响安全运行的问题进行剖析与探讨，从理论与实际的结合中，得出一些结论，解决了铁道列车运行时由于技术上的缺陷产生的不稳定现象，和对列车设备以及轨旁设备造成损害的影响，从根本上解决列车安全运行的的问题，从铁道车辆本体与承重体轨面之间的振动以及运行时的损害也切入点，逐步逐项解决，进而在提高铁道运输效率的同时提高列车运行的稳定性，保证人们的安全出行。
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