城市軌道交通車輛動力學(xué)(第六章車輛動力學(xué))

1、第六章 車輛動力學(xué)車輛動力學(xué) l車輛動力學(xué)車輛動力學(xué)l是對車輛與線路之間及車輛之間相互耦合作用的復(fù)雜動力作用過程機理進行系統(tǒng)研究，并據(jù)此提出車輛及列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)的一門學(xué)科。l主要研究的問題主要研究的問題l研究和確定車輛在導(dǎo)向線路上安全和平穩(wěn)運行的條件。l研究車輛結(jié)構(gòu)、走行懸掛系統(tǒng)、牽引驅(qū)動裝置、連接與緩沖裝置等機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。l研究車輛各部件的動載荷特征。第一節(jié)第一節(jié) 引起車輛振動的原因及基本振動型式引起車輛振動的原因及基本振動型式 l一、車輛振動的型式一、車輛振動的型式l伸縮：沿z軸的縱向振動l浮沉：沿z軸的上下振動l橫擺：沿y軸的振動。l側(cè)滾：在橫斷面內(nèi)的轉(zhuǎn)動l搖頭：沿水平面的轉(zhuǎn)動l

2、點頭：縱向立面中的轉(zhuǎn)動l車體的橫擺與側(cè)滾形成了兩個耦合振型：l繞車體重心上方某滾心運動的為上心滾擺；l繞車體重心下方某滾心運動的為下心滾擺。l搖頭與滾擺屬于橫向振動范疇，l浮沉、點頭為垂向運動范疇，l伸縮則為縱向振動。車體的空間振動二、激起車輛振動的線路原因 軌道不平順的4種類型(a)高低不平順；(b)水平不平順和軌距不平順；(c)方向不平順軌道隨機不平順的表示 50kg重鋼軌的有縫軌道50kg重鋼軌的無縫軌道軌道高低不平順的功率譜密度函數(shù)示例二、車輛的自激振動 l在鋼輪與鋼軌的接觸面或橡膠輪胎與導(dǎo)向路面之間存在著切向力。l這種切向力稱蠕滑力或粘滑力，它隨車輪與路面或軌面的相對位置及運動狀態(tài)而

3、發(fā)生變化。l在一定條件下，這種切向力會激起車輪乃至車輛發(fā)生劇烈振動，振動的原因是自激性的。 第二節(jié) 車輛運行平穩(wěn)性及安全性的評定標(biāo)準(zhǔn)l車輛的動力學(xué)性能主要有車輛的動力學(xué)性能主要有l(wèi)平穩(wěn)性平穩(wěn)性l安全性安全性l曲線通過性能曲線通過性能。一、車輛運行平穩(wěn)性及評定標(biāo)準(zhǔn)一、車輛運行平穩(wěn)性及評定標(biāo)準(zhǔn)l車輛平穩(wěn)性是評定乘客舒適程度的主要依車輛平穩(wěn)性是評定乘客舒適程度的主要依據(jù)，反映了車輛振動對人體感受的影響。據(jù)，反映了車輛振動對人體感受的影響。 lj振動加速度(cm/s2)；lf振動頻率(Hz)；lF(f)與頻率有關(guān)的修正公式，反映人體對不同方向和頻率振動的敏感度。103)(896. 0fFfjW 車輛橫

4、向平穩(wěn)性指標(biāo)與振動加速度 我國鐵路客車運行平穩(wěn)性等級 平穩(wěn)性等級評 定平穩(wěn)性指標(biāo)1級優(yōu)2.52級良好2.52.753級合格2.753歐洲與北美的平穩(wěn)性評定標(biāo)準(zhǔn)l在新輪踏面、軌道滿足UIC標(biāo)準(zhǔn)并處于良好維護狀態(tài)的條件下，l w2.5(垂直與橫向)l平穩(wěn)性的測點設(shè)置在心盤位的地板面上。l對車輛準(zhǔn)正弦振動幅值。也有限制l a(mm)25/f2(1Hzf10Hz)l a(mm)250/f2(10Hzf50Hz)l國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO2631標(biāo)準(zhǔn) ISO標(biāo)準(zhǔn)評估振動對人體影響時用疲勞時間T表示，從維持工作效能，健康和舒適度出發(fā)相應(yīng)提出3種限度：l工效下降限度，l承受限度l舒適度下降限度。研究結(jié)果l這些限

5、度是在對飛行員及汽車駕駛員進行大量測試研究后取得的。l人體對2Hz左右的水平振動很敏感，而對垂直振動48Hz最敏感。l在英法等歐洲國家也有取洛奇的疲勞時間評定法；在日本則采用等舒適度曲線法評定平穩(wěn)性。l新車與運用后的車輛的輪軌關(guān)系，懸掛參數(shù)有所不同，其性能相應(yīng)發(fā)生變化l因而不僅需要對新車平穩(wěn)性或其他性能提出要求，運用一段時期的車輛也必須達到適當(dāng)?shù)钠椒€(wěn)性指標(biāo)。l要求在設(shè)計中采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須確保在要求在設(shè)計中采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須確保在車輛整個運用期內(nèi)有穩(wěn)定而優(yōu)良的動力學(xué)車輛整個運用期內(nèi)有穩(wěn)定而優(yōu)良的動力學(xué)性能性能 二、車輛運行安全性及評定指標(biāo) l城軌動車組運行時，受到外界或內(nèi)在因素產(chǎn)生的各種作用，

6、在最不利因素組合下可能喪失車輛安全運行的基本條件，從而造成輪軌分離，車輛脫軌或傾覆的惡性事故。因而研究運行安全性及其評定標(biāo)準(zhǔn)很重要 。1輪對脫軌條件及評定指標(biāo)l車輪脫軌系數(shù)車輪脫軌系數(shù) lQ1/P1=1.0為第一限度，希望不超過的允許限度lQ1/P1=1.2為第二限度。是安全限度。l新車不能超過第一限度111111tan1tanPQ車輛脫軌的作用力關(guān)系輪對脫軌條件l表示為：lH:轉(zhuǎn)向架作用在輪對上的橫向力l適用于低速脫軌過程 l高速脫軌是由跳軌或蛇行失穩(wěn)產(chǎn)生的高速脫軌是由跳軌或蛇行失穩(wěn)產(chǎn)生的，此時瞬時側(cè)向力可以很大，因此Q1/P1的臨界值與出現(xiàn)峰值瞬時力的時間t成反比。時間越短，允許的臨界值可

7、以大些。1111122tan1tanPPH2輪重減載引起的脫軌條件lP左右輪重差；l1、2、a1、a2分別為左右車輪與軌頭接觸處的摩擦因數(shù)及接觸角。l我國規(guī)定的允許限度為我國規(guī)定的允許限度為0.6 2222111122221111tan1tantan1tantan1tantan1tanPP公式使用的具體條件l在使用上述三個公式時應(yīng)注意具體條件lQ1/P1是根本性的依據(jù)l后兩個公式則是有條件 的，條件不滿足時采用后兩公式會得到矛盾的結(jié)果。3影響脫軌的因素及防范措施l影響車輛脫軌的因素很多，而實際脫軌往往是多種因素的組合所形成，其中某個因素起了決定性促成作用。l主要的脫軌因素有；l線路條件：線路條

8、件：l線路的曲線超高、順坡、三角坑及局部高值不平順均會引起過大側(cè)向力或輪重減載。l車輛條件：車輛條件：l車輛的轉(zhuǎn)向架制造公差、回轉(zhuǎn)力矩、軸箱橫向定位剛度過大、斜對稱載荷均會造成側(cè)向力過大或引起輪重減載。l運用條件：運用條件：l側(cè)向力過大、車輛重心過高，在曲線上也會導(dǎo)致減載超限l裝載偏重、空車彈簧靜撓度過小均會引起輪重減載。l一般車輛低速由曲線進入直線時容易脫軌。風(fēng)力過大有時也是曲線脫軌的原因。4車輛傾覆安全性l當(dāng)車輛彈簧柔性過大，重心過高時，在過大的離心力、當(dāng)車輛彈簧柔性過大，重心過高時，在過大的離心力、振動慣性力或風(fēng)力組合作用下，整個車輛一側(cè)車輪減載振動慣性力或風(fēng)力組合作用下，整個車輛一側(cè)車

9、輪減載過大而使車輛傾覆。過大而使車輛傾覆。l車輛在橫向力作用下可能傾覆的程度用傾覆系數(shù)D來表示l式中，P2車輛外軌側(cè)的垂直輪軌力；l P1車輛內(nèi)軌側(cè)的垂直輪軌力。l我國規(guī)定D=0.8為危險限度，允許傾覆系數(shù)應(yīng)為D0.8。1212PPPPD防止車輛傾覆的措施l加大車輛橫向剛度或抗側(cè)滾剛度，以減少重心偏移過大引起的簧上失穩(wěn)。l增大橫向剛度會減小橫向平穩(wěn)性，l目前大多采用增加抗側(cè)滾剛度的扭桿來減小側(cè)滾角，提高抗傾覆能力 第三節(jié) 車輪導(dǎo)軌接觸及滾動理論 l采用車輪支承、滾動是車輛獲取導(dǎo)向、驅(qū)動或制動力的主要方式。l軌道車輛中地鐵、輕軌常采用鋼輪鋼軌方式，l獨軌、新交通系統(tǒng)及部分地鐵則采用充氣輪胎走行在

10、硬質(zhì)導(dǎo)向路面上。l車輪與導(dǎo)軌間的滾動接觸關(guān)系決定了它們間的作用力、變形和相對運動。因此滾動接觸直接影響城市軌道車輛的性能、安全、磨耗與使用壽命。一、輪軌接觸幾何關(guān)系l(等效斜率、重力剛度及重力角剛度) 1等效斜率0l當(dāng)輪對產(chǎn)生橫移y時，左右接觸點產(chǎn)生變化，接觸點處的滾動圓半徑及接觸角相應(yīng)發(fā)生變化r及。在小位移y下，r及與y成線性關(guān)系；l r=ey,le稱等效斜率l錐形踏面時踏面斜率即為e。le的大小反映了輪對偏移時，左右輪滾動圓半徑的大小反映了輪對偏移時，左右輪滾動圓半徑差異的大小，它是產(chǎn)生蛇行運動的直接原因。差異的大小，它是產(chǎn)生蛇行運動的直接原因。2重力剛度Kgl假設(shè)輪軌接觸面處摩擦因數(shù)為零

11、，輪對橫移后左右車輪的接觸角不等將引起法向力的水平分力也不相等，由此產(chǎn)生的輪軌水平合力將迫使輪對中心回到原來位置上去。l定義：定義：l輪對橫移時輪對中心升高，車輛增加的勢能迫使輪輪對橫移時輪對中心升高，車輛增加的勢能迫使輪對的復(fù)位能力。對的復(fù)位能力。l這是有利于提高輪對蛇行運動穩(wěn)定性的因素。3重力角剛度Cgl同樣在輪對搖頭時，左右輪的接觸點前后移動，其左右橫向分力產(chǎn)生了一個繞垂直軸的力矩、其方向?qū)⑹馆唽^續(xù)擴大搖頭角。l本質(zhì)上是輪對重心下移，車輛系統(tǒng)的重力勢能釋放，促使輪對繼續(xù)運動。l由此產(chǎn)生的負(fù)力矩與搖頭角的比值稱重力角剛度Cg。l它是一個不利車輛蛇行穩(wěn)定性的因素，但數(shù)值較小。磨耗前后的輪軌

12、接觸關(guān)系變化 (a)磨耗前后的等效斜率變化；(b)磨耗前后的接觸角變化剛度計算l一般情況下采用錐形踏面的輪對的重力剛度與重力角剛度分別為：lW為輪重，b為左右輪滾動圓間距之半。ybWKeg0WbCg二、輪軌接觸蠕滑關(guān)系 l輪對在鋼軌上運行時，一般承受垂直載荷和縱橫切向載荷。l縱向載荷主要來自牽引及制動。穩(wěn)態(tài)前進的非動力輪的車輪在不制動時，其縱向切向力平衡軸承阻力和蛇行時的慣性力。l無論是動力輪對或從動輪對都存在著縱向切向力，它導(dǎo)致了輪軌縱向相對運動的速度差。1粘著區(qū)和滑動區(qū)l由于車輪和鋼軌都是彈性體，滾動時輪軌間的切向力將在接觸斑面上形成兩個性質(zhì)不同的區(qū)域：粘著區(qū)和滑動區(qū)。l切向力小時主要為粘

13、著區(qū)；隨著切向力加大，滑動區(qū)擴大，粘著區(qū)縮小。l當(dāng)切向力超過某一極限值時，只剩下滑動區(qū)，輪子在鋼軌上開始明顯滑動。 輪軌接觸區(qū)表面受力情況 2蠕滑與蠕滑率l由于粘滑區(qū)的存在，輪周上接觸質(zhì)點的水平速度與軌頭上對應(yīng)質(zhì)點相對輪心的水平速度并不相同，存在著一個微小的滑動，稱為蠕滑(Creep)。 蠕滑產(chǎn)生的條件l輪軌是彈性體l車輪和鋼軌之間有一定的正壓力 l車輪沿鋼軌滾動 縱向蠕滑率l定義車輪的橫向蠕滑率y為小的橫向滑動率，這也是一種蠕滑現(xiàn)象。l定義車輪的縱向蠕滑率為實際車輛前進速度輪周名義速度實際車輛前進速度 3、蠕滑力l 縱向蠕滑力F11=- f1111l 橫向蠕滑力F22=-f2222l式中：

14、R車輪半徑（mm）lN車輪上的輪重（t） RNf1474粘著系數(shù)l當(dāng)蠕滑率較大時，切向力增值的趨勢變緩，最后切向力達到飽和值。l通常將極限狀態(tài)下的最大縱向切向力與垂直輪載的比值稱為粘著系數(shù)。l輪軌接觸表面的狀態(tài)決定了粘著能力。l干凈的鋼輪鋼軌間的粘著系數(shù)可達0.6，但有油污后下降幅度很大。 第四節(jié)第四節(jié) 車輛的蛇行運動穩(wěn)定性車輛的蛇行運動穩(wěn)定性l具有一定踏面形狀的鐵道車輛輪對，即使沿著平直軌道滾動，受到微小激擾后就會產(chǎn)生一種振幅保持或繼續(xù)增大直到輪緣受到約束的特有運動。l此時輪對向前滾動，一面橫向往消失而劇烈的蛇行運動不能收斂時，則稱為蛇行失穩(wěn)。 輪對的蛇形運動軌跡一、自由輪對的蛇行運動一、自由輪對的蛇行運動l簡化假定：l剛體自由輪對沿平直軌道作等速運動。l輪對的運動屬微幅振動，其輪軌接觸幾何，蠕滑率力關(guān)系均為線性，縱橫向蠕滑系數(shù)近似相等。l輪對具有小錐角踏面、等效斜率e較小，暫不計及重力剛度與角剛度的因素。l輪對橫擺、搖頭自由度為yw、w。不