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[车辆工程] 漫谈铁路车辆振动问题

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发表于 2020-5-25 09:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本文会讲一些车辆工程的基础概念,粗略科普了关于车辆振动的知识。下次当你在站台上候车时,看着对面车厢底下那堆零件儿就有点概念,不白当一次车迷。当然本文也适合进阶级别的研究者,本科机械/车辆专业的童鞋们看看也会学一些新东西。文中如有错误欢迎指正,共同探讨。

一、振动的产生以及减振的必要性

说起车辆的振动问题,所有带轱辘在地上滚的玩意都逃不了。因为地面是不平的,而轮子是沿着地面轮廓滚动的,轮子的转心(车轴)与地面(轨道)轮廓线平行。那么车轴走过的路线就不可能是一条直线,有曲线就存在加速度和力,这样振动就会产生。这是最最基本的垂向振动原理,这个原理适用于一切带轮子在地面上滚动的东西。
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而铁路车辆与其他车辆不同之处在于它独特的导向机制。(火车的轮对与一般轮子不一样,它与轨道接触的表面是带有锥度的,这样当轮对偏向钢轨一侧时,偏向的那一侧滚动半径加大,导致整个轮对自动向偏移方向的反方向调整)
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其导向机制可使轮对沿着轨道的方向前进,但有两个副作用:1、直线轨道由于误差原因是不直的,这样导向机制就会使轮对沿着这些不直的方向前进,车轴行进是一条曲线而不是直线。2、如果轮对不处于直线轨道的正中心,则轮对天生、自发的蛇形前进(该运动曲线为正弦波,波长跟轮对锥度平方根成反比)
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以上这两个原因导致了独特的横向振动,由于导向原理的不同导致横向振动在其他带轱辘的载具中不如轨道车辆突出。

说完了振动产生的原因,讲讲为啥要减少这些振动。

1、保证安全。(通过脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向/垂向力、颠覆系数等判定)过大的振动对车辆运行安全会造成严重的影响,是制约提速的关键因素,相信大家都好理解。这里主要防范轨道不平顺造成的振动和蛇形运动失稳(失稳;振动幅度随前进不停扩大的蛇形运动)造成的振动

2、坐着舒服,卖更贵的票价捞钱(通过车体横向/垂向加速度、平稳性指标等判定),其中说明一下舒适度的指标不仅跟最大加速度有关系,跟加速度的变化率也有关系,好比开车转方向盘回轮太快会让人觉得甩得慌。人体对低频(小于10Hz)频率振动比较敏感,需要注意这些频率的衰减。高频一些的振动(主要是波磨或者车体弹性振动造成)会让车厢里挂衣钩、行李架这些玩意不停出声儿,很烦。

3、减少设备损伤。过大的振动会对簧下/簧间设备产生损伤。比如减震器漏油,橡胶件儿融胶、构架裂纹等等损坏。
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二、一些酷酷的装备
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车辆悬挂系统很大部分就是为减振而生。现代轨道车辆的悬挂(铁路口儿叫走行部)基本是由转向架构成,转向架是一个两轴或者多轴小车车,车体坐♂在两个(也有多个)小车车上面。振动基本上是由轨道传递通过车轮传给转向架,再由转向架传给车体。转向架的作用不仅是减振,今天我们只谈关于衰减振动的部分。

1、弹簧
一般转向架有俩垂向弹簧,和一个横向“弹簧”,现代转向架横向弹簧和其一个垂向弹簧是一个部件。俩垂向弹簧分别是一系弹簧和二系弹簧。一系弹簧位于轴箱与构架之间,二系弹簧位于构架和车体之间。垂向弹簧显而易见,其作用就是为了缓和来自垂向的振动。但二系横向“弹簧”在不同转向架上结构不太一样,有些不是传统意义上的弹簧,但其弹性原件的本质是一样的。横向“弹簧”意义在于缓和来自横向的振动,而且!!!其参数决定很大一部转向架蛇形临界的速度(能跑多快的天花板)相当重要。
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2、轴箱定位(严格意义算弹簧)
火车由于其特殊的导向机制,出现了一个其他带轱辘载具没有的东西------轴箱定位。轴箱定位是一种特殊弹性元件(导框爷爷被除名),轮子通过橡胶/拉板等一些奇奇怪怪的家伙固定在转向架上。在减振的作用里充当了第一道防线,非常之重要。其刚度直接决定了蛇形临界速度和车辆运行的平稳性。
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3、阻尼器(减震器、减震筒)
阻尼器是一个充满油的活塞筒,安装端两头一相对运动就霍拢里头的阻尼油,迫使油液从一些小孔里流过,起到提供阻尼的作用。弹簧负责吸收振动,把冲击的动能变成弹簧的弹性势能。但能量不会凭空消失,需要用阻尼器把这些能量变成热能耗散出去。阻尼器一般和弹簧并联安装,起到耗散能量的作用。一般有一系、二系垂向阻尼器,二系横向阻尼器,跟弹簧成双成对。但铁路车辆有一个独特的玩意儿在其他载具上没有的,这就是抗蛇行阻尼器。他的出现还是因为蛇形运行的原因。为蛇形运动提供阻尼,增加蛇形运行临界速度。
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4、一些乱七八糟的玩意
因为车辆限界、安全性的原因,车辆相对于轨道的位移不能过大,因此需要一些限位止挡来限制车辆位移。这些止挡具有很强的非线性特征,这些玩意对车辆振动性能会有影响。比如209HS型转向架在环铁进行动力学试验时候就出现因为横向弹性止挡间隙不够,导致硬性接触恶化动力学性能。
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三、减振的策略

减振要就是用好手里的牌(弹簧、阻尼器),通过调整参数来最大限度发挥他们吸收振动的能力。一组好的参数可以用一堆烂牌(空间小挠度小,结构落后)产生很高的性能。比如schlieren型转向架。相反,咳咳,一堆三无(无摇枕,无摇动台,无吊杆)架子都得瑟瑟发抖。
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1、弹簧刚度,车体质量,固有频率
多数振动是由一定周期性滴,频率是振动重要特征,外界输入振动的频率如果离系统固有频率越接近则振动传递率越高,一旦外界输入频率与固有频率相同则发生共振,振幅无限增大直至系统完蛋(无阻尼状态下),由固有频率公式f=根号下k/m可得出,车辆的质量越大 弹簧刚度越小自振频率越低。高频率振动所产生的加速度比较大,所以为了避免产生较大加速度,一般车辆系统固有频率较低。

2、阻尼
阻尼是系统的另一个影响因素,正是由于阻尼的存在,使得共振时系统的振幅不会无限增大,撤去外界激振后系统能够迅速恢复稳定。而且阻尼系数越大,共振时振动越小,系统恢复稳定状态越快。但同时阻尼系数增大造成了高频率激扰状态下的振动传递率(因为阻尼系数就是力关于频率的函数)所以,阻尼器一般有其固定的卸荷系数,即在一定速度下阻力不再随活塞速度(频率)增加而增加。阻尼系数的设定是车辆减振重要的一环。

3、阻尼比
这是阻尼的一种更加直观的描述方式,它是阻尼系数和临界阻尼系数的比值。因为他把把系统整体因素都考虑进去,所以比阻尼系数能更好描述系统的阻尼状态。阻尼比<0则系统为振幅扩大、失稳状态,阻尼比>0则系统受到激扰后不处于发散状态。阻尼比的规律和阻尼一样,一般铁路车辆阻尼比在10%左右。对于公路车辆而言,越是竞技(赛车)类的阻尼比越大。大客、大货车经常能看到在高速公路上不停鬼畜振动,都是阻尼比相对较低的锅。


4、模态
一种模态对应了一种振动的方式,这种方式是从自由度角度来讲的。比如车体具有点头、浮沉、侧摆,摇头等模态。一种模态对应了一种阻尼比,阻尼比要与模态一起用,一眼便知该种振动状态下的系统稳定性。有一些振动只会影响某些个模态,要特别注意这些振动和对应模态之间的关系。
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5、簧下/簧上质量
由于振动一般是由轨道直接传递给车轮,之间不经过悬挂减振,所以振动的能量与车轮有直接关系。根据上一段对固有频率描述也得知簧上质量越大固有频率会越低,而且外界激扰产生振动加速度越小。所以该怎么办明眼人都懂。另外提一下,蛇形运行与簧下/上质量也有直接关系。
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四、垂向振动的衰减

由第一章的介绍我们知道车辆垂向振动的产生主要是因为轨道不平顺。其实这事儿也不尽然,由于轮对擦伤,轮对偏心等因素,也会在垂向产生周期性振动。垂向振动的频率分布比较广,这就得让我们全频防御。漏掉低频会影响舒适型,稳定性。漏掉高频会造成噪声、零部件松动,波磨轨道损伤等等问题。

1、簧下高频振动
这种振动是机理最为复杂,研究不甚透彻的部分。轮对多边形,钢轨波磨成因都与其有关系。轮轨噪声也是由其直接引起。由于轮对与钢轨的紧密接触,而且频率相近,很容易造成轮对与轨枕(轨道系统)的共振。这种振动的衰减不能光靠改善车辆系统的因素,得用车辆-轨道耦合动力学来解决。对于车辆而言,主要是增加弹簧橡胶垫儿,降噪车轮儿等方式吸收振动。
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2、常用频率振动
由于轨道水平、高低,三角坑等常见不平顺产生的振动。考验悬挂一系二系刚度匹配,阻尼系数匹配的时刻到了。

(1)一二系悬挂刚度比
由于车辆空间位置、车钩高度的关系,一二系总挠度不可能做的很大,换句话说总刚度不可能很低。这样一二系悬挂刚度比例很重要。现在客车一般选比在3:1左右,一系总刚度是二系刚度的三倍。如果一二系刚度调整不好,造成一系二系固有频率相近,则低频振动会恶化。如果俩刚度差的太多,则会造成高频振动恶化。

(2)一二系悬挂阻尼系数
由于刚度不可能太低,所以从阻尼系数下手比较方便。阻尼的一般规律上一章已经说过,根据目标运行速度及性能调整即可。需要注意的是一系阻尼系数过大会造成构架加速度大,车体加速度也大,二系阻尼一般较一系的小。而且最好采用单向大阻尼系数减振器,即可以减少来自轨道的冲击又可以迅速衰减振动。二系阻尼器有条件可以用空气弹簧节流孔代替以简化结构。

(3)簧下质量
俗话说:簧下一公斤、簧上十公斤。簧下死重对于车辆允许平稳性绝无好处,新干线车辆五十年发展簧下质量几乎减少了一半。簧下质量大小跟电机悬挂方式、轮对重量等有关系。

(4)牵引拉杆造成垂向振动的传导
转向架构架的振动包括了点头振动,转向架牵引拉杆座的位置应在构架重心上,使得转向架点头振动的转动中心尽可能与牵引拉杆座重合。同时牵引拉杆座儿橡胶垫刚度取值应合理。
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五、横向振动衰减

横向振动是铁路车辆一种特殊的振动,其对舒适性和运行平稳性影响巨大。

1、蛇形运动
蛇形运动是自由轮对天生具有的性质,理论上如果没有弹性定位的轮对只要速度不为零(不考虑重力刚度),该轮对就是失稳的、振幅不断扩大的!!!也就是说人家天生放荡不羁爱自由。由于这种骚货的特性,一般车辆在速度达到一定值后便会失稳(车辆失稳速度分为线性临界速度和非线性临界速度,其中非线性临界速度与轨道激扰有关系。也就是说同样的车辆在好的轨道上非线性临界速度可能大于在差的轨道上)该速度就是蛇形临界速度,车辆原则上不能超过临界速度运行。蛇形运动是铁路车辆专属的振动,也是制约车辆运行速度的关键。(蛇形运动失稳主要表现为两次蛇形运动失稳。第一次速度较低的失稳也称车体蛇形是当转向架蛇形频率与车体下心滚摆/摇头模态频率相近时,由于该模态阻尼比不够大造成的蛇形失稳。而速度较高时的失稳也称转向架蛇形,是转向架自身蛇形模态阻尼比不够大)

提高蛇形稳定性的办法是加装抗蛇行减振器,合理设置一系轴箱定位刚度使之与二系刚度匹配,当然轮对踏面锥度也十分关键。这些参数的调整基本上是在一定范围之内定位刚度(一系、二系)越大、越硬♂临界速度会高一些。但是物极必反,太硬反而会造成临界速度下降,而且对运行平稳性(对不平顺抗激扰能力)、曲线通过性不友好。所以各个定位刚度、悬挂参数的选取至关重要。(一般以一系纵向5MN/M水平为界,过小的定位刚度/阻尼/过大轮对锥度易引起二次蛇形失稳。过大的定位刚度/阻尼/过小轮对锥度会加剧转向架蛇形与车体上心滚摆模态、摇头模态的耦合,造成一次蛇形失稳)说来说去,还是悬挂参数的匹配,因为要考虑的方面很多比如橡胶的老化问题、阻尼器的失效问题等等,单就选取参数一件事就体现了平衡、取舍的理念。

2、抗横向不平顺激扰能力
根据上两章的固有频率原理,二系横向刚度应当选取的小一些为好(鞭尸cw200,sw160)
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同时配以合理的阻尼系数(根据车辆运行工况),同时硬注意止挡限位的行程,避免频繁硬接触恶化性能。一系定位横向刚度从平稳性角度也不能过高,但从抗蛇行角度不能太低。这个矛盾利用一系横向和纵向刚度的比例解决。(纵向/横向刚度在3左右)

3、主动/半主动悬挂的应用
单独把这一块拎出来是因为这一块是未来发展的方向。在结构上已经趋于统一的现在轨道车辆,更多研究投入在有源控制悬挂上。半主动悬挂消耗能量少,结构相对简单但减振效果不如全主动悬挂。全主动悬挂需要作动器,消耗能量较大。目前采用比较普遍的是天棚阻尼器式半主动悬挂。(天棚阻尼器是指理想状态下安装在地面与车辆之间的阻尼器,计算机通过计算让二系横向阻尼器产生相应与天棚阻尼等效的阻尼力)该半主动悬挂可以最多减少百分之二十右横向加速度。目前新干线N700A已经正式采用全主动悬挂和半主动悬挂混搭的方式,重点提高高等车厢舒适度(资本主义的臭恶气息)。值得注意的是,全主动悬挂在增加舒适度的同时会造成车辆运行安全恶化。

六、减振措施与其他车辆性能的冲突

1、抗侧滚刚度较低
值得注意的是二系悬挂横向垂向刚度降低以后造成的抗测滚刚度降低现象,针对这种情况欧系车一般采用加装抗侧滚扭杆,而日系车一般加宽空气弹簧横向间距。这么选择是因为日本和欧洲限界不同,日本的策略更加简洁,也是日系车一大优点。
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2、曲线通过性与稳定性冲突
由于高速车辆一般需要较高的蛇形临界速度,故一系横向纵向定位刚度普遍在3~10MN/M之间。较高的定位刚度会在曲线时阻止轮对处于径向位置,加大蠕滑力/率,轮轨侧磨也会变得严重。为了解决这个矛盾,人们想出来了许多有意思的想法,比如径向转向架、RHC系统等等。当然高速车辆运行的环境决定了其通过小半径曲线里程一般不会太多,因此,曲线通过问题不是主要矛盾。
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3、低垂向刚度造成的高度问题
为了降低垂向刚度,二系的挠度一般会做的很大。但对于载客量较大的车辆来说,空重车重量差异较大,这将导致空重车动力学性能有较大不同、车辆空重车车钩高度差别大等问题。二系采用空气弹簧则这个问题可以得到解决。

七、感慨一下

从火车发明之日起,减振问题就一直是必须解决的(火箭号就加装了钢板弹簧减少了振动,为赢得跟马车的比赛奠定了基础)。随着六十年代之后大规模的高速铁路建设,高速度、高运行品质的车辆便是一直所需的。其中解决了振动问题(主要是横向振动问题),才有了初代高速列车的诞生。
横向对比其他车辆,铁路车辆的横向振动问题是其独有的。随着速度的提高,振动问题愈加严重。解决振动问题可以说是工程问题中一个典型;利用有限的条件,最大程度达到所要求的目标。减振不仅是一门技术,更是一门艺术。当然就算不研究那么多,美腿也是很棒的!

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