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1、 第二节 激起车辆振动的原因前言前言 . 车辆运行时产生的振动对其走行部分和其他重要零部件的车辆运行时产生的振动对其走行部分和其他重要零部件的强度、运行平稳性和稳定性有着重要的和决定性的影响。要强度、运行平稳性和稳定性有着重要的和决定性的影响。要研究车辆在运行中的振动特性，就需要对引起车辆振动的原研究车辆在运行中的振动特性，就需要对引起车辆振动的原因即激振源进行分析。因即激振源进行分析。. 研究结果表明，车辆轮对沿钢轨运行时呈现出复杂的运动，研究结果表明，车辆轮对沿钢轨运行时呈现出复杂的运动，这种偏离了直线的轮对运动就是引起车辆振动的主要激振源。这种偏离了直线的轮对运动就是引起车辆振动的主要激
2、振源。. 由于轮轨间相互作用力的大小、轮对运动和车辆振动特性由于轮轨间相互作用力的大小、轮对运动和车辆振动特性都与轨道特性直接有关，因此，首先需要了解轨道的构造特都与轨道特性直接有关，因此，首先需要了解轨道的构造特性性 一一. 铁路轨道构造的特性铁路轨道构造的特性轨道组成轨道组成: 铁路轨道由钢轨、轨枕、联结零铁路轨道由钢轨、轨枕、联结零件、道床及道岔等组成。件、道床及道岔等组成。轨道的作用轨道的作用: 引导列车运行，同时直接承受引导列车运行，同时直接承受由车轮传来的机车车辆的重量并把它传布由车轮传来的机车车辆的重量并把它传布给路基或桥隧建筑物。铁路轨道的一般横给路基或桥隧建筑物。铁路轨道的一
3、般横断面如图断面如图13所示所示 铁路轨道的横断面 轨道：轨道： 铁路轨道可以分为直线轨道和曲线轨道，又可分为木枕轨道铁路轨道可以分为直线轨道和曲线轨道，又可分为木枕轨道和混凝土轨枕轨道，并且有普通轨道和无缝轨道之分。和混凝土轨枕轨道，并且有普通轨道和无缝轨道之分。 钢轨：钢轨： 钢轨的横断面为工字形。它由轨头、轨腰和轨底三部分组成。钢轨的横断面为工字形。它由轨头、轨腰和轨底三部分组成。为改善轮轨的接触条件、减小滚动阻力及提高钢轨抗压陷和耐为改善轮轨的接触条件、减小滚动阻力及提高钢轨抗压陷和耐磨能力，轨头部分大而厚，轨面平滑，并具有和轮箍断面相适磨能力，轨头部分大而厚，轨面平滑，并具有和轮箍断
4、面相适应的轮廓。我国标准钢轨的长度定为应的轮廓。我国标准钢轨的长度定为12.5米及米及25米两种。钢轨米两种。钢轨类型以每米重量的公斤数表示。目前我国铁路上采用的钢轨主类型以每米重量的公斤数表示。目前我国铁路上采用的钢轨主要有要有50公斤、公斤、43公斤及公斤及38公斤三种公斤三种,以后又开发了以后又开发了60,75公斤的公斤的重轨。对于有缝轨道，钢轨接头处用鱼尾板及螺栓进行联结，重轨。对于有缝轨道，钢轨接头处用鱼尾板及螺栓进行联结，以保持轨线的连续，并预留轨缝以适应钢轨热然冷缩的需要。以保持轨线的连续，并预留轨缝以适应钢轨热然冷缩的需要。近日，攀钢1300MPa级75kg/mPG4在线热处理
5、钢轨工业批量试制顺利完成，这标志着攀钢第四代钢轨研发工作已取得了圆满成功。同时，攀钢开发生产的1300MPa75kg/mPG4在线热处理钢轨创造了重量最大、强度最高两个世界之最，成为攀钢第一个注册商标的钢轨品种。从此，在攀钢钢轨发展史上又掀开了崭新的一页。当今，世界铁路正向高速、重载的方向不断发展，对钢轨使用性能也提出了更高要求。国外高强度钢轨供不应求，美国每年要从日本进口大批1280MPa级DHH370S钢轨，其他国家通过国际招标，每年也要进口大量该级别钢轨。在我国7.2万公里铁路运营里程中，其中1/3为曲线段，半径为300至400m的曲线占相当大的比重。在此类线路上，钢轨磨损严重，使用寿命
6、短，无法满足铁路发展需要。上世纪末，铁道部多次向国内钢轨生产企业发出强烈呼吁，开发抗拉强度为1280MPa的珠光体钢轨，满足我国铁路发展需要。在此背景下，攀钢于2019年开始进行1300MPa级在线热处理钢轨开发，经过查阅大量国内外文献，反复论证，最终确立了适合攀钢自身特点的技术开发思路。2019年，攀钢启动“1300MPa级重载钢轨开发课题研究，同年9月提出工业试验方案并顺利通过相关部门论证，随即进行了1炉工业试验。2019年，攀钢开发生产的1300MPa级重载钢轨通过铁道部上道论证，随后，攀钢生产的近1000吨60kg/mPG4钢轨在国内4个铁路局小半径弯道进行了铺路试验。2019年，在出
7、口钢轨技术条件交流中，攀钢将美标、欧洲EN标准、中国铁标的钢轨提供给用户选择，用户在重载线路上一致选择订购PG4钢轨。2019年，攀钢开发生产出的1300MPa75kg/mPG4在线热处理钢轨，经过多方论证和铺试验表明，其使用寿命达到PD3热轧钢轨的2.7倍以上、U75V在线热处理钢轨的1倍以上，产品性能明显优于国内其他钢轨。因此，攀钢PG4钢轨凭借其良好的品质和市场信誉，获得了国内最重载、世界最高运量大秦线的钢轨订单。(2019.8)钢轨的长度：钢轨的长度：以往钢轨每根长度为以往钢轨每根长度为12.5米，线路上铺设的钢轨是用米，线路上铺设的钢轨是用夹板连接起来的，每夹板连接起来的，每12.5
8、米就有一个接头，这个接头不仅米就有一个接头，这个接头不仅限制了火车的运行速度，而且轨头和车轮极易损伤，影响限制了火车的运行速度，而且轨头和车轮极易损伤，影响寿命。寿命。60年代初中国铁路开始采用长度为年代初中国铁路开始采用长度为25米的钢轨，长米的钢轨，长度增加一倍，接头减少了度增加一倍，接头减少了50。为了彻底解决钢轨接头的弊端，借鉴外国铁路的经验，为了彻底解决钢轨接头的弊端，借鉴外国铁路的经验，于于1957年开始研究无缝线路。年开始研究无缝线路。1965年开始组建焊轨队，全年开始组建焊轨队，全面研发钢轨焊接技术、焊接材料、焊接设备以及焊接后的面研发钢轨焊接技术、焊接材料、焊接设备以及焊接后
9、的长轨运输工具。长轨运输工具。1987年已经开始使用四层长轨列车运送和回收长度为年已经开始使用四层长轨列车运送和回收长度为200米的钢轨。至此长度为米的钢轨。至此长度为2公里至公里至3公里的无缝线路技术公里的无缝线路技术已经成熟。已经成熟。1993年在大秦线铺设年在大秦线铺设75千克千克/米重型轨共计米重型轨共计18公里并公里并且跨越车站的超长无缝线路；且跨越车站的超长无缝线路；1994年在北京、天津间铺设年在北京、天津间铺设60千克千克/米重型轨近米重型轨近20公里并且跨越车站的超长无缝线路。公里并且跨越车站的超长无缝线路。中国铁路已经有了完全自主知识产权的超长无缝线路技术。中国铁路已经有了
10、完全自主知识产权的超长无缝线路技术。用手上的这个按钮控制30个吊绳同时起吊500m长钢轨。 车轮与钢轨：车轮与钢轨： 由于车轮踏面具有斜度，因此钢轨不应垂直铺设，而应使轨底有一由于车轮踏面具有斜度，因此钢轨不应垂直铺设，而应使轨底有一向内倾斜的坡度。我国铁路轨底坡过去规定和车轮踏面斜率一样是向内倾斜的坡度。我国铁路轨底坡过去规定和车轮踏面斜率一样是1：20，现已改用，现已改用1:40。 轨枕：轨枕： 轨枕承受来自钢轨的各向压力，并将其传布于道床，同时有效地保轨枕承受来自钢轨的各向压力，并将其传布于道床，同时有效地保持轨道的轨距、方向和位置。一般线路上每公里铺设的轨枕根数是：持轨道的轨距、方向和
11、位置。一般线路上每公里铺设的轨枕根数是：木枕分木枕分1840、1760、1680三档；混凝土轨枕分三档；混凝土轨枕分1760、1680、1600三三档。在线路的加强地段例如在半径小于档。在线路的加强地段例如在半径小于600米的曲线上，按每公里的标米的曲线上，按每公里的标准数再增加准数再增加80根。为保证道床捣固方便，每公里铺设的轨枕不得超过根。为保证道床捣固方便，每公里铺设的轨枕不得超过1920根。根。 道床：道床： 道床是轨枕的基础，其作用是传布轨枕载荷到面积较大的路基面上，道床是轨枕的基础，其作用是传布轨枕载荷到面积较大的路基面上，阻止轨枕移动及排除地表水。我国铁路主要的道床材料是碎石和经
12、过阻止轨枕移动及排除地表水。我国铁路主要的道床材料是碎石和经过筛选的卵石。筛选的卵石。 轨道的弹性不均匀：轨道的弹性不均匀： 由轨枕传给道床的静、动载荷相当大，因此道床由轨枕传给道床的静、动载荷相当大，因此道床将产生永久变形。同时在不同的轨枕下面，其永久将产生永久变形。同时在不同的轨枕下面，其永久变形的程度也不同，从而在钢轨、轨枕和道床之间变形的程度也不同，从而在钢轨、轨枕和道床之间形成了间隙，由于在各个轨枕处的间隙是不等的，形成了间隙，由于在各个轨枕处的间隙是不等的，因而在轨道的不同点作用同一轮重时其下沉量是不因而在轨道的不同点作用同一轮重时其下沉量是不同的，这就形成了轨道的弹性不均匀。同的
13、，这就形成了轨道的弹性不均匀。二二.引起车辆垂直振动的激振源引起车辆垂直振动的激振源 激振源分类: 引起车辆在垂直方向振动的原因是多方面的，按激振源的性质可将其分为个别突然的、周期性的和随机性的三类。 1个别突然性的激振源 线路建筑沿长度方向的物理性质不固定会产生局部病害，如线路在冬季时的冻涨、道床质量不均匀和路基松紧程度不一产生的凹陷等。轮对通过道岔时及通过线路的个别偶然性的病害时产生突然的起伏。 车轮经过上述线路局部短促不平时将激起车辆的自由振动。 虽然这种线路不平是个别出现的，但遇到大的不平度时会激起车辆大振幅的垂直和横向自由振动，影响列车的平稳运行。此外，由于列车的突然起动和制动也会引
14、起车辆的纵向和垂直自由振动。 2 周期性的激振源周期性的激振源 钢轨接头处的下沉，车轮的踏面擦伤，轮重不均衡和轮轴偏心都属于周期性激振源。 在有缝线路上，接头是钢轨的薄弱环节。由于鱼尾板的抗弯刚度不足，致使轮对经过接头区域时，弹性下沉量大. 3随机性的激振源随机性的激振源轨道的几何不平：轨道的几何不平： 图图17中的曲线中的曲线ABC表示无列车通过时轨顶面表示无列车通过时轨顶面的不平，这称为轨道的几何不平顺。造成轨道几何不的不平，这称为轨道的几何不平顺。造成轨道几何不平顺的主要原因是钢轨顶面的不均匀磨耗及道床和路平顺的主要原因是钢轨顶面的不均匀磨耗及道床和路基的永久变形。基的永久变形。轨道的动
15、力不平顺：轨道的动力不平顺： 图图17中的曲线中的曲线A1B1C1表示列车通过时轨顶面表示列车通过时轨顶面的不平，这称为轨道的动力不平顺。造成轨道动力不的不平，这称为轨道的动力不平顺。造成轨道动力不平顺的主要原因是钢轨基础沿长度方向上的弹性不均平顺的主要原因是钢轨基础沿长度方向上的弹性不均匀。匀。三三.引起车辆横向振动的激振源引起车辆横向振动的激振源1.激振源分类激振源分类: 2. 引起车辆横向振动的激振源也可分引起车辆横向振动的激振源也可分为个别突然性的、周期性的和随机性的三为个别突然性的、周期性的和随机性的三类，其中起主要作用的是周期性激振源。类，其中起主要作用的是周期性激振源。 2. 车
16、辆的横向振动车辆的横向振动: 车辆沿直线轨道运行时，车体车辆沿直线轨道运行时，车体和转向架在横向水平平面内一面和转向架在横向水平平面内一面作横摆运动，一面作摇头运动。作横摆运动，一面作摇头运动。运行轨迹不是直线而是某一波状运行轨迹不是直线而是某一波状曲线曲线. 车辆的这种横摆运动和车辆的这种横摆运动和摇头运动的组合运动即为横向振摇头运动的组合运动即为横向振动动(蛇行运动蛇行运动)，这是由于车轮踏，这是由于车轮踏面具有斜度和轮轨间存在着复杂面具有斜度和轮轨间存在着复杂的动力作用而引起的。的动力作用而引起的。3. 轮对的蛇行运动：轮对的蛇行运动： 产生原因产生原因: 由于车轮踏面具有斜率，轮缘与钢
17、轨侧面之间有由于车轮踏面具有斜率，轮缘与钢轨侧面之间有间隙，因此，压装于同一车轴上的左右两个车轮就间隙，因此，压装于同一车轴上的左右两个车轮就会以不同的滚动直径与轨面接触和滚动。由于两轮会以不同的滚动直径与轨面接触和滚动。由于两轮的滚动行程不等而使轮对轴线偏移，这样又改变了的滚动行程不等而使轮对轴线偏移，这样又改变了车轮的滚动直径，使轮对又偏向另一侧，车轮的滚动直径，使轮对又偏向另一侧， 于是轮对于是轮对在前进的同时还作周期性的左右运动，轮轴中心的在前进的同时还作周期性的左右运动，轮轴中心的运动轨迹成为一条周期为运动轨迹成为一条周期为T的波形曲线，这就称为轮的波形曲线，这就称为轮对的蛇行运动。
18、如图对的蛇行运动。如图111所示所示 轮对的蛇行运动方程轮对的蛇行运动方程: 在图在图112中，车轮滚动圆半径为中，车轮滚动圆半径为r。，踏面。，踏面斜率为斜率为，左右滚动圆的间距为，左右滚动圆的间距为2b , 轮对离开轮对离开中间位置的偏移量为中间位置的偏移量为y.描述轮轴中心作几何蛇行运动的微分方程式描述轮轴中心作几何蛇行运动的微分方程式: 在图111中，令LW为单轮对蛇行运动波长，y。为轮对横向最大偏移量，并取初始条件为：X=0时，y=0；X= LW /4时，y=y。,则上述方程的解为:因=Vt ，并令=phv , 则上述的解可写成:此处为轮对蛇行运动的圆频率，则蛇行运动的频率为蛇行运动
19、的周期为 T，因 Ph V T =2，则轮对蛇行运动的波长 结论：结论： 由上可见由上可见, 蛇行运动的规律与车轮踏面斜率、车轮蛇行运动的规律与车轮踏面斜率、车轮半径和滚动圆间距等参数有关半径和滚动圆间距等参数有关, 其频率还与运行速度其频率还与运行速度成正比成正比. 一般转向架的蛇行运动波长比单个自由轮对一般转向架的蛇行运动波长比单个自由轮对的要长，其频率则比单个自由轮对的低的要长，其频率则比单个自由轮对的低. 例子例子: 我国主型客车转向架轮对的我国主型客车转向架轮对的2r。=0.915米，米，2b=1.493米米, =1/20, 2l 1=2.4米米,可计算出可计算出 L w=16.4，
20、 L t=31米。实测到的转向架蛇行米。实测到的转向架蛇行运动波长则介于运动波长则介于 L w与与L t之间，之间，视轮对轴箱定位刚度的大小而不视轮对轴箱定位刚度的大小而不同。轮对蛇行运动振幅同。轮对蛇行运动振幅y 0实际上实际上也在运行中有所变化。也在运行中有所变化。图图113可见：可见： 轮对蛇行运动频率和运行速度之间呈线性关系，轮对蛇行运动频率和运行速度之间呈线性关系，这与上述理论分析的结果是一致的。但实测频率的这与上述理论分析的结果是一致的。但实测频率的数值则介于自由轮对与刚性定位转向架的理论值之数值则介于自由轮对与刚性定位转向架的理论值之间，这是因为该转向架的轮对与构架的联系既不是间
21、，这是因为该转向架的轮对与构架的联系既不是自由的又不是刚性定位的，而是弹性定位的。自由的又不是刚性定位的，而是弹性定位的。图图114可见：可见： 该转向架轮对蛇行运动的振幅在所测范围内与运该转向架轮对蛇行运动的振幅在所测范围内与运行速度关系不大，其值在行速度关系不大，其值在34毫米之间。毫米之间。 以上研究的局限性： 以上研究是从纯滚动几何运动学来讨论蛇行运动的，没有考虑物体惯性力和轮轨接触力的作用。研究结果表明，车辆运行速度不很高时，实际蛇行运动频率与几何蛇行频率的变化规律基本相符。但运行速度比较高时蛇行运动就要复杂得多了，此时就必须考虑动力作用的因素，这也将在以后进行讨论。 引起车辆横向振
22、动的其它因素：引起车辆横向振动的其它因素： 除了由轮对蛇行运动引起车辆横向周期性的振动除了由轮对蛇行运动引起车辆横向周期性的振动之外，轨道的水平不平顺和方向不平顺也会引起车之外，轨道的水平不平顺和方向不平顺也会引起车辆横向振动。辆横向振动。轨道的水平不平顺：轨道的水平不平顺： 由于轨道左右轮轨接触点的高度差而形成的轨面由于轨道左右轮轨接触点的高度差而形成的轨面不平称为水平不平顺，轨道的水平不平顺会引起车不平称为水平不平顺，轨道的水平不平顺会引起车辆左右晃动即滚摆振动。辆左右晃动即滚摆振动。 轨道的方向不平顺：轨道的方向不平顺： 轨道在轨顶横向平面内的左右波状不平称为方向轨道在轨顶横向平面内的左右波状不平称为方向不平顺，轨道的方向不平顺会引起车辆的摇摆动。不平顺，轨道的方向不平顺会引起车辆的摇摆动。
