項永志，王立華

（1.543002 廣西壯族自治區(qū) 梧州市 梧州學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院；2.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

鐵路線路分為有砟和無砟兩種形式。有砟軌道以其良好的減振、排水、易維修等優(yōu)點，被廣泛用于世界各國的鐵路線路。新鋪設(shè)或大修后的有砟軌道，道砟的密實度低導(dǎo)致道床的橫向阻力小，給列車快速運行帶來嚴重的安全隱患。為了保證行車安全，列車必須低速行駛，給繁忙的鐵路運輸帶增加了沉重負擔(dān)。有砟軌道動力穩(wěn)定技術(shù)就是為了解決這一問題而發(fā)展起來的,開展有砟軌道動力穩(wěn)定技術(shù)的設(shè)備主要是軌道動力穩(wěn)定車（簡稱穩(wěn)定車）。

20 世紀60 年代中期，國外高速鐵路和重載鐵路發(fā)展迅猛，各國鐵路大量采用大型養(yǎng)路機械；到80 年代初期，奧地利普拉塞-陶依爾（Plasser &Theurer）公司研制出了DGS-62N 型穩(wěn)定車，開啟了有砟軌道動力穩(wěn)定作業(yè)的序幕。由于技術(shù)保密等原因，有關(guān)穩(wěn)定車的技術(shù)研究鮮見報道。

國內(nèi)從1983 年起，鐵道部陸續(xù)從國外采購了搗固車、清篩機、配砟整形車和穩(wěn)定車等大型養(yǎng)路機械，并組織形成了以昆明中國鐵建高新裝備股份有限公司為主體，其他眾多鐵路科研單位參加的大型養(yǎng)路機械攻關(guān)聯(lián)合體。1993 年5 月，我國成功試制出第一臺穩(wěn)定車，型號為WD-320，應(yīng)用于線路道床的穩(wěn)定作業(yè)[1]。穩(wěn)定車總圖如圖1 所示。

圖1 WD-320 動力穩(wěn)定車總圖Fig.1 General drawing of WD-320 track dynamic stabilizer

1 穩(wěn)定車概述

穩(wěn)定車是集機、電、液、氣和微機控制于一體的自行式大型養(yǎng)路機械[1]，用于快速提高新建或大修后鐵路線路的橫向阻力和道床的整體穩(wěn)定性，為取消或縮短鐵路線路作業(yè)后的列車慢行時間創(chuàng)造條件，這對高速、重載和大運量的鐵路運輸意義重大。

1.1 穩(wěn)定車穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)組成

穩(wěn)定裝置是穩(wěn)定車工作裝置的核心部件，結(jié)構(gòu)包括2 只垂直油缸、1 個激振器、2 個夾鉗輪、4只夾鉗油缸、2 只水平油缸和4 個走形輪等零部件，穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of stabilizer unit

1.2 穩(wěn)定裝置工作原理

穩(wěn)定裝置工作時，在車體牽引力下低速走行，在夾鉗油缸、水平油缸共同作用下，夾鉗輪和走行輪一起夾緊鐵軌，三者連成一體。然后，液壓馬達驅(qū)動帶偏心輪的激振器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生水平方向的振動力，振動力通過夾鉗輪和走行輪綜合傳遞給鐵軌，進而傳遞給軌枕和道砟，使得道砟顆粒產(chǎn)生受迫振動。同時，垂直油缸產(chǎn)生垂直下壓力通過走行輪施加在2 根鐵軌上，使軌道均勻下沉。在垂直下壓力和水平振動力的綜合作用下道砟顆粒相互填充、密實，提高道砟顆粒間的摩擦力和嵌制力，增強道床的橫向阻力和整體穩(wěn)定性，保證列車高速行車安全。

2 穩(wěn)定車結(jié)構(gòu)改造方面的研究進展

在穩(wěn)定車、穩(wěn)定裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進行了系統(tǒng)研究。程立[2]采用實驗結(jié)果與定性分析相結(jié)合，對WD-320 型穩(wěn)定車橫向平穩(wěn)性指標接近限定值的現(xiàn)象進行了深入分析，得出轉(zhuǎn)向架心盤距和整車偏載的增加、XJJ-60K 型金屬橡膠減振器減振性能不穩(wěn)定是上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，提出消除整車偏載、更換車輪輪緣踏面為磨耗型的改進措施；吳汶濱[3]介紹了WD-320 穩(wěn)定裝置箱體底板斷裂的實際情況，分析了引起裂紋的原因，從結(jié)構(gòu)、材料和焊接方法方面給出了改進措施；李勝[4]指出了早期國產(chǎn)化穩(wěn)定車的車軸齒輪箱發(fā)生損壞的原因，提出了通過改進穩(wěn)定車的齒輪副來減少車軸齒輪箱發(fā)生損壞的方案，并進行了新齒輪副的試制和檢測，投產(chǎn)后新方案滿足實際工程需要；杜利偉[5]指出了早期國產(chǎn)化穩(wěn)定裝置出現(xiàn)箱體底板開裂、滾輪軸斷裂和滾輪軸軸承損壞的現(xiàn)象，分析了造成這些現(xiàn)象的原因，并且提出了通過增加箱體底板厚度、增大枕梁上的滾輪軸孔、增加滾輪軸的總體直徑和更換對應(yīng)的滾輪軸軸承的改進方案，采用該方案后較好地解決了上述問題；朱興良[6]等對我國先后引進的3 批DGS-62N 型穩(wěn)定車的激振器結(jié)構(gòu)進行了對比和分析，提出了改進的新結(jié)構(gòu)。

在穩(wěn)定車的穩(wěn)定作業(yè)控制和控制系統(tǒng)優(yōu)化方面有學(xué)者進行了深入的研究。張紅梅[7]從穩(wěn)定車作業(yè)時的掛擋控制原理上進行了分析，指出了導(dǎo)致穩(wěn)定車作業(yè)時的掛擋缺陷的原因，并且提出了改進方案和注意事項；馬占川[8]指出了穩(wěn)定車穩(wěn)定頭垂直下壓力控制系統(tǒng)中穩(wěn)定車的走行速度與垂直下壓力的邏輯控制關(guān)系，分析了這種邏輯控制關(guān)系下引發(fā)的垂直下壓力控制系統(tǒng)的缺陷，提出了取消下壓力閉環(huán)控制、調(diào)整下壓力范圍和作業(yè)時手動調(diào)節(jié)下壓力的改進方案，達到較好的穩(wěn)定作業(yè)效果；孟曉亮[9]分析了穩(wěn)定車車輪擦傷的主要原因為機車滑行，提出了防擦輪預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案，經(jīng)過裝機試驗得出新方案，改善了原有缺陷，滿足工程需要；劉永建[10]結(jié)合軌道穩(wěn)定車WD-320 的工作特點，對其作業(yè)時的計算機控制系統(tǒng)進行了分析，指出了控制系統(tǒng)存在“總線接觸不良、LED 方式下參數(shù)調(diào)整繁瑣、系統(tǒng)資源占用嚴重等”缺陷，給出了改進法案，沒有裝機實驗，其實際效果無法體現(xiàn)。

3 穩(wěn)定車在多剛體動力學(xué)方面的研究進展

在穩(wěn)定車、穩(wěn)定裝置振動數(shù)學(xué)模型的建立方面進行了研究。曹昆山[11]建立了穩(wěn)定車運行時的數(shù)學(xué)模型，對其運行時的橫向穩(wěn)定性進行了計算，指出通過調(diào)整部分結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效地提高穩(wěn)定車運行時的失穩(wěn)臨界速度；孫建英[12]建立了穩(wěn)定裝置振動系統(tǒng)簡單模型，分析了激振力與激振頻率、偏心塊質(zhì)量、偏心塊偏心距等因素之間的定性關(guān)系。

對作業(yè)工況下穩(wěn)定車、穩(wěn)定裝置的重要零部件的動力學(xué)特性進行了深入研究。劉光偉[13]等估算了金屬橡膠彈簧本構(gòu)參數(shù)，建立了某型穩(wěn)定車金屬橡膠彈簧的有限元模型，對該模型施加正弦激勵后，分別單獨改變動力幅值和頻率，得到彈簧常數(shù)|K*|都呈現(xiàn)非線性增長的結(jié)論；李勝軍[14]等通過實驗確定了穩(wěn)定車旁承橡膠彈簧的本構(gòu)參數(shù)，建立了旁承的有限元分析模型，得到載荷或頻率增加會導(dǎo)致彈簧常數(shù)|K*|呈現(xiàn)非線性增長的結(jié)論；張錦權(quán)[15]等設(shè)計了能在軌距為1 520 mm 的軌道穩(wěn)定作業(yè)的穩(wěn)定裝置，并對該裝置進行了箱體強度安全有限元分析、防脫軌安全系數(shù)驗算和臺架試驗，結(jié)果表明新設(shè)計的穩(wěn)定裝置滿足工程作業(yè)要求。該設(shè)計推動了穩(wěn)定裝置國產(chǎn)化進程。鄧強國[16]對穩(wěn)定車的中心銷總成系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軸承進行了接觸非線性數(shù)值求解和等效剛度求解，結(jié)果表明2 種求解方法分析該問題是可行的，為穩(wěn)定車關(guān)鍵部件的研究提供了思路；胡新燕[17]建立了穩(wěn)定車轉(zhuǎn)向架橡膠元件的分析模型，進行了模態(tài)分析，預(yù)測了其元件動力學(xué)特性，研究結(jié)果優(yōu)化了穩(wěn)定車的使用效果；李偉成[18]建立了穩(wěn)定車車架動力學(xué)模型，對車架結(jié)構(gòu)進行了一系列分析，得到了其安全系數(shù)和前30 階固有頻率振型，同時對車架進行了基于軌道不平順因素的動力學(xué)分析。為穩(wěn)定車進一步設(shè)計優(yōu)化提供了參考。

基于穩(wěn)定車實際作業(yè)工況和工作參數(shù)，從實驗和仿真兩方面分別建立了穩(wěn)定車作業(yè)狀態(tài)下的多體動力學(xué)模型，對其穩(wěn)定作業(yè)效果和作業(yè)部件疲勞壽命開展了系統(tǒng)研究。謝耿昌[19]基于SIMPACK 軟件，結(jié)合某型穩(wěn)定車的實際工作參數(shù)，建立了其動力學(xué)模型，依據(jù)對應(yīng)國家標準進行了計算分析，得出該模型滿足工程要求。結(jié)合兩種鐵道車輛行業(yè)標準對某型穩(wěn)定車主車架靜強度進行計算和對比分析，結(jié)果顯示主車架靜強度滿足兩種標準要求。最后，根據(jù)某型穩(wěn)定車的作用原理和作業(yè)條件，制定42 種作業(yè)工況，進行了主車架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析，結(jié)果表明其疲勞壽命滿足使用要求。該研究為穩(wěn)定車部件的疲勞壽命預(yù)測提供了方法上的指導(dǎo)，對穩(wěn)定車的創(chuàng)新起到了積極作用。嚴波[20]首先運用車輛—軌道耦合動力學(xué)理論，建立了穩(wěn)定車作業(yè)時整體耦合系統(tǒng)垂橫模型，通過對該模型的仿真分析與實驗對比，證明了建模的合理性。其次，運用離散元法，建立了軌枕剛度、阻尼和道床累積下沉量與作業(yè)時間的函數(shù)化模型。通過數(shù)理統(tǒng)計的方法，分析了作業(yè)參數(shù)對道床質(zhì)量的影響，得出了最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為50 bar 垂直下壓力、28 Hz 激振頻率。最后，采用多元多次非線性回歸理論，建立了穩(wěn)定作業(yè)參數(shù)最優(yōu)匹配預(yù)測模型，為相關(guān)研究提供了新思路。

4 穩(wěn)定車剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)方面的研究進展

在新型穩(wěn)定裝置開發(fā)和車軸彈簧參數(shù)化模型的建立方面，學(xué)者開展了相關(guān)研究。韓世昌[21]基于現(xiàn)場作業(yè)實驗和虛擬樣機仿真技術(shù)對現(xiàn)有穩(wěn)定車作業(yè)情況進行了分析和評估，進而開發(fā)了新型穩(wěn)定裝置。根據(jù)實際工況選擇3 組作業(yè)參數(shù)對新型穩(wěn)定裝置進行了仿真分析，結(jié)果表明新裝置能有效地完成穩(wěn)定作業(yè)功能需求。但新裝置試制運行后迅速出現(xiàn)板彈簧裂紋和失效。針對這一缺陷，該研究建立了分析模型，提出了部分修改意見。該研究為后續(xù)穩(wěn)定裝置的創(chuàng)新開發(fā)開拓了思路。劉少華[22]建立了穩(wěn)定車車軸彈簧的參數(shù)化模型，利用有限元法對模型進行了力學(xué)特性分析，研究結(jié)果表明車軸彈簧符合設(shè)計要求；其次，建立了穩(wěn)定車車輪-軌道的有限元分析模型，進行了作業(yè)過程力學(xué)性能分析，得出軌道頂部為最大接觸應(yīng)力位置、磨損最為嚴重的結(jié)論。

基于穩(wěn)定作業(yè)特性，建立穩(wěn)定裝置-鋼軌-道床系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，開展了穩(wěn)定作業(yè)效果和作業(yè)參數(shù)選擇的系統(tǒng)研究。王軍[23]通過實驗測出搗固后的道床橫、垂向剛度與EDEM 建立道床模型仿真結(jié)果對比，確定道床橫、垂向剛度具體數(shù)值，進而建立穩(wěn)定作業(yè)模型，得出最優(yōu)作業(yè)頻率。建立了鋼軌為柔性體的穩(wěn)定裝置-軌道系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，研究鋼軌變形對系統(tǒng)作業(yè)效果的影響。推動了穩(wěn)定車在剛?cè)狁詈涎芯糠矫娴倪M程。陳佳明[24]等基于集中參數(shù)法，建立動力穩(wěn)定車-散體道床-橋梁系統(tǒng)橫向動力學(xué)模型，選用3 組典型道床工況對模型系統(tǒng)進行仿真分析，得出所研究的道床工況下橋梁段軌道穩(wěn)定作業(yè)的最優(yōu)激振頻率為36 Hz，不同橋梁工況下的最優(yōu)作業(yè)頻率不同的結(jié)論。

對穩(wěn)定裝置-軌道系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M行了系統(tǒng)橫向、垂向動力學(xué)特性、關(guān)鍵部件疲勞壽命和能量傳遞效率方面的研究。項永志[25]運用集中參數(shù)法建立了穩(wěn)定裝置-軌道系統(tǒng)的橫向動力學(xué)模型，選用了3 種典型作業(yè)工況，得到最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為30～33 Hz。基于剛?cè)狁詈侠碚?，分析了穩(wěn)定作業(yè)情況下鋼軌和軌枕的變形量，從而建立了鋼軌為柔性體的穩(wěn)定裝置-鋼軌-軌枕-道床的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，得到了不同作業(yè)工況下穩(wěn)定作業(yè)的能量傳遞效率規(guī)律和走行輪的穩(wěn)定作業(yè)載荷值。基于上述研究，最后建立了走行輪-軌道的疲勞壽命分析模型，得到了穩(wěn)定作業(yè)過程中走行輪的疲勞壽命與作業(yè)工況之間的相互關(guān)聯(lián)規(guī)律。李佳奇等[26-27]運用鍵合圖理論對穩(wěn)定裝置工作時夾鉗油缸壓強和液阻系數(shù)對作業(yè)效果的影響以及夾鉗輪-鋼軌-走行輪系統(tǒng)對能量傳遞效率的影響開展了系統(tǒng)研究，得出油缸壓強增大有利于強化夾鉗輪-鋼軌間的輪軌力學(xué)關(guān)系，利于提高能量傳遞效率，液阻系數(shù)與最終作業(yè)效果正相關(guān)；水平油缸推力6 kN 以上才能保證作業(yè)時能量有效傳遞的結(jié)論。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，目前國內(nèi)在穩(wěn)定車的研究方面所做工作多是側(cè)重于以下方面：（1）穩(wěn)定車穩(wěn)定裝置、箱體、中心銷總成系統(tǒng)、金屬橡膠彈簧等重要部件的結(jié)構(gòu)改造和疲勞壽命預(yù)測；（2）穩(wěn)定車的各種控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進；（3）在穩(wěn)定車系統(tǒng)的研究多是采用集中參數(shù)的有限元模型；（4）采用離散單元法從細觀角度對散體道床進行研究。

以上研究對穩(wěn)定車的設(shè)計優(yōu)化和創(chuàng)新創(chuàng)造起到了一定推動作用；但是動力穩(wěn)定車作業(yè)時穩(wěn)定車和軌道所構(gòu)成的是一個非線性的、相互耦合的動態(tài)大系統(tǒng)，其中很多重要部件如激振器的齒輪結(jié)構(gòu)、夾軌輪結(jié)構(gòu)、傳動軸結(jié)構(gòu)等在作業(yè)時都會產(chǎn)生較大變形，如果不考慮這些變形對穩(wěn)定車作業(yè)系統(tǒng)的動力學(xué)特性的影響，所得出的結(jié)果必然與實際結(jié)果有較大的差距。這些差距將不利于準確地對穩(wěn)定車各主要部件進行設(shè)計優(yōu)化，不利于更好地推動穩(wěn)定車的國產(chǎn)化創(chuàng)新創(chuàng)造的進程。

目前，在穩(wěn)定車-軌道-道床這個大系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于剛?cè)狁詈?、有限元、離散元理論和現(xiàn)代設(shè)計方法等多種理論方法建立的耦合模型的研究較少，因此在穩(wěn)定車的研究方面，今后可從以下幾方面開展：（1）運用剛?cè)狁詈侠碚?、有限元理論、離散元理論和現(xiàn)代設(shè)計方法等多種理論方法，建立準確的穩(wěn)定車-軌道-道床的大系統(tǒng)耦合模型；（2）通過準確的大系統(tǒng)耦合模型，系統(tǒng)地研究各子系統(tǒng)的特征參數(shù)和穩(wěn)定車作業(yè)效率的內(nèi)在關(guān)系；（3）研究各子系統(tǒng)與穩(wěn)定車—軌道—道床的大系統(tǒng)的相互耦合作用，尋求快速提高道砟密實度、道床橫向阻力、道床的整體穩(wěn)定性的穩(wěn)定車最優(yōu)作業(yè)參數(shù)；（4）研究提高穩(wěn)定車各重要部件的疲勞壽命的有效途徑，優(yōu)化穩(wěn)定車的結(jié)構(gòu)部件設(shè)計。

運用剛?cè)狁詈侠碚?、有限元理論、離散元理論和現(xiàn)代設(shè)計方法等多種理論方法對穩(wěn)定車—軌道—道床大系統(tǒng)開展詳細研究，有助于為實現(xiàn)穩(wěn)定車的重要部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供理論依據(jù)，為大型鐵路養(yǎng)路機械的動態(tài)設(shè)計和整體優(yōu)化提供理論參考，為開發(fā)性能優(yōu)良的大型鐵路養(yǎng)路機械奠定理論基礎(chǔ)。