机车转向架颤振现象及其危害

　　提速和高速化是我国目前铁路发展的方向，制动是其重要技术之一。随着列车运行速度的提高，其动态环境急剧恶化，如轮轨间动力作用加剧、高速弓网受流问题复杂化、空气动力作用加剧、要求牵引制动功率猛增和具有高的运动稳定性等等，使机车系统动力学的研究面临着许多新的研究课题。

　　随着机车运行速度的不断提高，为减小列车对轨道的动力作用及降低运行和制造成本，需对机车车体及转向架构架等进行轻量化设计，如果转向架构架及其制动系统结构的设计不合理，在实际运用中会使机车在低速制动工况下出现颤振现象。

　　1  制动工况下机车颤振现象及其危害

　　制动工况下的颤振表现为，机车在低速(速度低于20 km／h)、没有周期性外力作用下实施制动时闸瓦与车轮踏面或闸片与制动盘之间的剧烈振动。该振动同时还引起转向架构架发生强烈振动，通过弹簧和减振器及其它连接装置又传递给车体，激起车体及其内部各种元器件的各阶模态振动，对机车和转向架破坏极大。该振动属自激振动，其振动频率在100～200 Hz之间，通常称作颤振。机车制动时的颤振是一种非常有害的高频振动，该振动对车体内设备、转向架零部件、制动系统产生较大的破坏作用，恶化了机车的运行平稳性，危害乘务员的身心健康，伴随颤振产生的刺耳尖叫声使铁道沿线的噪声污染加重，使机车不能平稳停车。随着环境问题日益受到重视，对车外噪声的要求越来越严格，这是机车设计中急需解决的问题。

　　由于结构设计上的原因，目前国内有些机车存在严重颤振问题。我们研究小组曾对某型机车的颤振问题进行过测试分析，其结果表明，颤振频率发生在130～150 Hz之间。

　　根据我们初步分析研究表明：机车颤振的发生与制动过程的非线性制动力和机车的动态结构特性及其相互作用都有关系。将闸瓦与车轮踏面、制动闸片和制动盘的摩擦自激振动引起的机车系统振动机理研究清楚，对于减少列车对环境的噪声污染、提高机车的使用寿命、提高列车的运行品质具有十分重要的意义。

　　目前国内外对机车颤振的认识尚停留在较低水平，有关机车颤振的研究文献也非常少，急需从理论上弄清其机理，从根本上杜绝颤振的出现。

　　2  机车制动工况下颤振机理初步分析

　　由于机车制动工况下颤振是在施加制动力的情况下才出现，同时在闸瓦和轮对踏面之间有摩擦力存在，因此可认为该颤振属摩擦型颤振，也称作摩擦噪声。摩擦颤振机理一般认为是摩擦力-相对滑动速度关系的负斜率机理(也称粘滑机理)。

　　任何闸瓦均应具有适当的摩擦系数，必须使列车在一定制动率范围内，在规定的距离内停车，即使在潮湿及冬季气候条件下，摩擦系数也应衰减少，并能够保证制动距离的要求。目前大部分国家仍以铸铁作为主要闸瓦制动摩擦材料，铸铁闸瓦随着含磷量增加，摩擦系数逐渐提高，特别是高速区段摩擦系数衰减少也能够保证制动距离的要求。当含磷量为2．5％～3％时，摩擦系数趋于稳定。图1所示为含磷量与铸铁闸瓦瞬时摩擦系数关系[2]。由图1可看到，随着机车运行速度的不断提高，闸瓦和车轮间的摩擦系数逐渐下降，即当制动压力一定时摩擦力与车轮踏面和闸瓦相对滑动速度呈现负斜率特性。这种特性符合摩擦颤振发生的基本要求。

 

 

　　对相互滑动的两个表面来说，当滑动表面之一有某种弹性自由度的时候，该表面的运动有时不是连续的，而是断断续续的，这种断断续续的运动称之为粘着-滑动运动，其显著特点是摩擦力的变化波形为锯齿波，其发生的原因通常认为是静摩擦系数大于动摩擦系数。通过对粘着．滑动的理论研究和试验验证，已取得公认的结论^[3]：存在一临界滑动临界速度V_cr，当摩擦面相对滑动速度小于该速度时粘滑振动才会发生，当摩擦面相对速度大于该速度时粘滑振动消失。该理论最早被提出作为摩擦颤振的激发机理，粘滑振动发生在低速和润滑条件不是很好的情况下。一个摩擦系统有一个对应的粘滑运动发生的临界速度。

　　针对机车制动系统，设制动块质量(含闸瓦、闸瓦托、单元制动机)为m，支撑刚度(制动座等效刚度)为k，车轮踏面线速度为，制动块速度为曲,二者相对位移和相对速度分别为z=v-v₀，。车轮和制动块振动系统如图2所示。

　

　　根据图1闸瓦摩擦系数实测数据分析并对其进行平滑处理，可得在闸瓦和车轮踏面制动摩擦面之间的摩擦力ф与摩擦面之间的相对滑动速度 之间的关系如图3所示。在摩擦副滑动开始后，摩擦力会随着相对滑动速度的上升而下降，在原点附近的阻尼特性具有负阻尼性质，位移较大时转化为正阻尼。