第二節(jié)激起車輛振動的原因第一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一一.鐵路軌道構(gòu)造的特性軌道組成:

鐵路軌道由鋼軌、軌枕、聯(lián)結(jié)零件、道床及道岔等組成。軌道的作用:引導列車運行，同時直接承受由車輪傳來的機車車輛的重量并把它傳布給路基或橋隧建筑物。鐵路軌道的一般橫斷面如圖1—3所示第二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一鐵路軌道的橫斷面第三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一軌道：

鐵路軌道可以分為直線軌道和曲線軌道，又可分為木枕軌道和混凝土軌枕軌道，并且有普通軌道和無縫軌道之分。

鋼軌：

鋼軌的橫斷面為工字形。它由軌頭、軌腰和軌底三部分組成。為改善輪軌的接觸條件、減小滾動阻力及提高鋼軌抗壓陷和耐磨能力，軌頭部分大而厚，軌面平滑，并具有和輪箍斷面相適應的輪廓。我國標準鋼軌的長度定為12.5米及25米兩種。鋼軌類型以每米重量的公斤數(shù)表示。目前我國鐵路上采用的鋼軌主要有50公斤、43公斤及38公斤三種,以后又開發(fā)了60,75公斤的重軌。對于有縫軌道，鋼軌接頭處用魚尾板及螺栓進行聯(lián)結(jié)，以保持軌線的連續(xù)，并預留軌縫以適應鋼軌熱然冷縮的需要。第四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一近日，攀鋼1300MPa級75kg/mPG4在線熱處理鋼軌工業(yè)批量試制順利完成，這標志著攀鋼第四代鋼軌研發(fā)工作已取得了圓滿成功。同時，攀鋼開發(fā)生產(chǎn)的1300MPa75kg/mPG4在線熱處理鋼軌創(chuàng)造了重量最大、強度最高兩個世界之最，成為攀鋼第一個注冊商標的鋼軌品種。從此，在攀鋼鋼軌發(fā)展史上又掀開了嶄新的一頁。當今，世界鐵路正向高速、重載的方向不斷發(fā)展，對鋼軌使用性能也提出了更高要求。國外高強度鋼軌供不應求，美國每年要從日本進口大批1280MPa級DHH370S鋼軌，其他國家通過國際招標，每年也要進口大量該級別鋼軌。在我國7.2萬公里鐵路運營里程中，其中1/3為曲線段，半徑為300至400m的曲線占相當大的比重。在此類線路上，鋼軌磨損嚴重，使用壽命短，無法滿足鐵路發(fā)展需要。上世紀末，鐵道部多次向國內(nèi)鋼軌生產(chǎn)企業(yè)發(fā)出強烈呼吁，開發(fā)抗拉強度為1280MPa的珠光體鋼軌，滿足我國鐵路發(fā)展需要。第五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一在此背景下，攀鋼于2002年開始進行1300MPa級在線熱處理鋼軌開發(fā)，經(jīng)過查閱大量國內(nèi)外文獻，反復論證，最終確立了適合攀鋼自身特點的技術(shù)開發(fā)思路。2004年，攀鋼啟動“1300MPa級重載鋼軌開發(fā)”課題研究，同年9月提出工業(yè)試驗方案并順利通過相關(guān)部門論證，隨即進行了1爐工業(yè)試驗。2005年，攀鋼開發(fā)生產(chǎn)的1300MPa級重載鋼軌通過鐵道部上道論證，隨后，攀鋼生產(chǎn)的近1000噸60kg/mPG4鋼軌在國內(nèi)4個鐵路局小半徑彎道進行了鋪路試驗。2006年，在出口鋼軌技術(shù)條件交流中，攀鋼將美標、歐洲EN標準、中國鐵標的鋼軌提供給用戶選擇，用戶在重載線路上一致選擇訂購PG4鋼軌。2008年，攀鋼開發(fā)生產(chǎn)出的1300MPa75kg/mPG4在線熱處理鋼軌，經(jīng)過多方論證和鋪試驗表明，其使用壽命達到PD3熱軋鋼軌的2.7倍以上、U75V在線熱處理鋼軌的1倍以上，產(chǎn)品性能明顯優(yōu)于國內(nèi)其他鋼軌。因此，攀鋼PG4鋼軌憑借其良好的品質(zhì)和市場信譽，獲得了國內(nèi)最重載、世界最高運量－－大秦線的鋼軌訂單。(2008.8)第六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一鋼軌的長度：以往鋼軌每根長度為12.5米，線路上鋪設(shè)的鋼軌是用夾板連接起來的，每12.5米就有一個接頭，這個接頭不僅限制了火車的運行速度，而且軌頭和車輪極易損傷，影響壽命。60年代初中國鐵路開始采用長度為25米的鋼軌，長度增加一倍，接頭減少了50％。為了徹底解決鋼軌接頭的弊端，借鑒外國鐵路的經(jīng)驗，于1957年開始研究無縫線路。1965年開始組建焊軌隊，全面研發(fā)鋼軌焊接技術(shù)、焊接材料、焊接設(shè)備以及焊接后的長軌運輸工具。

1987年已經(jīng)開始使用四層長軌列車運送和回收長度為200米的鋼軌。至此長度為2公里至3公里的無縫線路技術(shù)已經(jīng)成熟。

1993年在大秦線鋪設(shè)75千克/米重型軌共計18公里并且跨越車站的超長無縫線路；1994年在北京、天津間鋪設(shè)60千克/米重型軌近20公里并且跨越車站的超長無縫線路。中國鐵路已經(jīng)有了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超長無縫線路技術(shù)。第七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一用手上的這個按鈕控制30個吊繩同時起吊500m長鋼軌。第八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一車輪與鋼軌：

由于車輪踏面具有斜度，因此鋼軌不應垂直鋪設(shè)，而應使軌底有一向內(nèi)傾斜的坡度。我國鐵路軌底坡過去規(guī)定和車輪踏面斜率一樣是1：20，現(xiàn)已改用1:40。

軌枕：

軌枕承受來自鋼軌的各向壓力，并將其傳布于道床，同時有效地保持軌道的軌距、方向和位置。一般線路上每公里鋪設(shè)的軌枕根數(shù)是：木枕分1840、1760、1680三檔；混凝土軌枕分1760、1680、1600三檔。在線路的加強地段例如在半徑小于600米的曲線上，按每公里的標準數(shù)再增加80根。為保證道床搗固方便，每公里鋪設(shè)的軌枕不得超過1920根。

道床：

道床是軌枕的基礎(chǔ)，其作用是傳布軌枕載荷到面積較大的路基面上，阻止軌枕移動及排除地表水。我國鐵路主要的道床材料是碎石和經(jīng)過篩選的卵石。

第九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一軌道的彈性不均勻：

由軌枕傳給道床的靜、動載荷相當大，因此道床將產(chǎn)生永久變形。同時在不同的軌枕下面，其永久變形的程度也不同，從而在鋼軌、軌枕和道床之間形成了間隙，由于在各個軌枕處的間隙是不等的，因而在軌道的不同點作用同一輪重時其下沉量是不同的，這就形成了軌道的彈性不均勻。第十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一二.引起車輛垂直振動的激振源

激振源分類:

引起車輛在垂直方向振動的原因是多方面的，按激振源的性質(zhì)可將其分為個別突然的、周期性的和隨機性的三類。第十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一

1．個別突然性的激振源

線路建筑沿長度方向的物理性質(zhì)不固定會產(chǎn)生局部病害，如線路在冬季時的凍漲、道床質(zhì)量不均勻和路基松緊程度不一產(chǎn)生的凹陷等。輪對通過道岔時及通過線路的個別偶然性的病害時產(chǎn)生突然的起伏。車輪經(jīng)過上述線路局部短促不平時將激起車輛的自由振動。雖然這種線路不平是個別出現(xiàn)的，但遇到大的不平度時會激起車輛大振幅的垂直和橫向自由振動，影響列車的平穩(wěn)運行。此外，由于列車的突然起動和制動也會引起車輛的縱向和垂直自由振動。第十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一2．周期性的激振源

鋼軌接頭處的下沉，車輪的踏面擦傷，輪重不均衡和輪軸偏心都屬于周期性激振源。在有縫線路上，接頭是鋼軌的薄弱環(huán)節(jié)。由于魚尾板的抗彎剛度不足，致使輪對經(jīng)過接頭區(qū)域時，彈性下沉量大.

第十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一3．隨機性的激振源第十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一軌道的幾何不平：

圖1—7中的曲線ABC表示無列車通過時軌頂面的不平，這稱為軌道的幾何不平順。造成軌道幾何不平順的主要原因是鋼軌頂面的不均勻磨耗及道床和路基的永久變形。

軌道的動力不平順：

圖1—7中的曲線A1B1C1表示列車通過時軌頂面的不平，這稱為軌道的動力不平順。造成軌道動力不平順的主要原因是鋼軌基礎(chǔ)沿長度方向上的彈性不均勻。第十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一三.引起車輛橫向振動的激振源激振源分類:

引起車輛橫向振動的激振源也可分為個別突然性的、周期性的和隨機性的三類，其中起主要作用的是周期性激振源。第十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一2.車輛的橫向振動:

車輛沿直線軌道運行時，車體和轉(zhuǎn)向架在橫向水平平面內(nèi)一面作橫擺運動，一面作搖頭運動。運行軌跡不是直線而是某一波狀曲線.車輛的這種橫擺運動和搖頭運動的組合運動即為橫向振動(蛇行運動)，這是由于車輪踏面具有斜度和輪軌間存在著復雜的動力作用而引起的。第十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一3.輪對的蛇行運動：

產(chǎn)生原因:

由于車輪踏面具有斜率，輪緣與鋼軌側(cè)面之間有間隙，因此，壓裝于同一車軸上的左右兩個車輪就會以不同的滾動直徑與軌面接觸和滾動。由于兩輪的滾動行程不等而使輪對軸線偏移，這樣又改變了車輪的滾動直徑，使輪對又偏向另一側(cè)，于是輪對在前進的同時還作周期性的左右運動，輪軸中心的運動軌跡成為一條周期為T的波形曲線，這就稱為輪對的蛇行運動。如圖1—11所示

第十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一第十九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一輪對的蛇行運動方程:

在圖1—12中，車輪滾動圓半徑為r。，踏面斜率為λ，左右滾動圓的間距為2b,

輪對離開中間位置的偏移量為y.

描述輪軸中心作幾何蛇行運動的微分方程式:

第二十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一在圖1—11中，令LW為單輪對蛇行運動波長，y。為輪對橫向最大偏移量，并取初始條件

為：X=0時，y=0；X=LW/4時，y=y。,則上述方程的解為:

第二十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一因χ=V·t，并令ω=phv,則上述的解可寫成:

第二十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一此處ω為輪對蛇行運動的圓頻率，則蛇行運動的頻率為

第二十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一蛇行運動的周期為T，因PhVT=2π，則輪對蛇行運動的波長第二十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一結(jié)論：

由上可見,蛇行運動的規(guī)律與車輪踏面斜率、車輪半徑和滾動圓間距等參數(shù)有關(guān),其頻率還與運行速度成正比.一般轉(zhuǎn)向架的蛇行運動波長比單個自由輪對的要長，其頻率則比單個自由輪對的低.

第二十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一例子:

我國主型客車轉(zhuǎn)向架輪對的2r。=0.915米，2b=1.493米,λ=1/20,2l1=2.4米,可計算出Lw=16.4，Lt=31米。實測到的轉(zhuǎn)向架蛇行運動波長則介于Lw與Lt之間，視輪對軸箱定位剛度的大小而不同。輪對蛇行運動振幅y0實際上也在運行中有所變化。第二十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一圖1—13可見：

輪對蛇行運動頻率和運行速度之間呈線性關(guān)系，這與上述理論分析的結(jié)果是一致的。但實測頻率的數(shù)值則介于自由輪對與剛性定位轉(zhuǎn)向架的理論值之間，這是因為該轉(zhuǎn)向架的輪對與構(gòu)架的聯(lián)系既不是自由的又不是剛性定位的，而是彈性定位的。

圖1—14可見：

該轉(zhuǎn)向架輪對蛇行運動的振幅在所測范圍內(nèi)與運行速度關(guān)系不大，其值在3～4毫米之間。第二十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一第二十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期一

以上研究的局限性：

以上研究是從純滾動幾何運動學來討論蛇行運動的，沒有考慮物體慣性力和輪軌接觸力的作用。研究結(jié)果表明，車輛運行速度不很高時，實際蛇行運動頻率與幾何蛇行頻率的變化規(guī)律基本相符。但運行速度比較高時蛇行運動就要復雜得多了，此時就必須考慮動力作用的因素，這也將在