軌道交通車輛動力性能分析-車輛振動分析

車輛振動型式建模

車輛振動形式

目的與要求：1．振動形式。2．改善振動的措施。難點：改善振動的措施。重點：振動的六種形式。解決措施：概念講清楚，條理清晰。

車輛振動型式建模車體可視為剛體，在懸掛系統(tǒng)上的運動將具有6個自由度，如圖12—1。一般將沿軸的縱向運動稱伸縮，沿軸的上下運動稱浮沉，沿軸的左右運動為橫擺；在橫斷面內的轉動稱側滾，沿水平面的轉動稱搖頭，在縱向立面中的轉動叫點頭。在實際中，這些不同方向的運動通常以振動的形式出現(xiàn)，稱為振型，并相互耦合。車體對稱支承在彈簧上，當車體橫擺時，其重力與彈簧支承合力形成力矩使車體產(chǎn)生側滾，這意味著車體的橫擺與側滾不能獨立存在，它們形成了兩個耦合振型：繞車體重心上方某滾心運動的為上心滾擺；繞車體重心下方某滾心運動的為下心滾擺。車體的搖頭與滾擺屬于車輛橫向振動范疇。浮沉點頭為垂向運動范疇。伸縮則為縱向振動。與車體類似，轉向架構架視為剛體時也有6個自由度。圖12—1車體的空間振動車輛運行振動分析車輛運行時的振動分析（一）機車車輛的垂直振動(浮沉點頭)機車車輛的轉向架通常采用兩系懸掛。為了在有限的空間內獲得較大的柔性。它的簡化無阻尼的垂直振動簡化系統(tǒng)簡如圖12-19。模型考慮車體僅作浮沉振動，前后轉向架構架相應作同相浮沉的低頻振型。這是兩個自由度的振動系統(tǒng)。圖12—19兩系無阻尼懸掛車輛系統(tǒng)簡圖車輛的橫向振動（二）機車車輛的橫向振動(搖頭與滾擺)由于機車車輛要通過道岔、曲線，機車車輛本身又具有蛇行的趨勢，機車車輛的橫向振動也是需要仔細研究并控制的因素。為了減緩車體在橫向平面內的振動，車體與轉向架之間在橫向也設置了柔軟的懸掛裝置，通常采用搖動臺結構。近20年來在地鐵上大量采用了橡膠堆或空氣彈簧的無搖動臺懸掛方式。無論是哪種懸掛都可以簡化為圖12—22的結構。如果不考慮車體搖頭，忽略構架質量，車體在橫斷面內的振動可以簡化為一個兩自由度系統(tǒng)。

圖12—22車體的橫向振動簡圖車輛的縱向振動（三）機車車輛的縱向振動(伸縮)機車車輛通常以動車組形式出現(xiàn)，采用密接車鉤連接，編組較小，并使用先進的電空制動技術，因而列車運行中的縱向振動遠比干線貨運列車及客運列車小。引起列車振動的原因引起列車振動的原因軌道在車輪動載荷作用下將沿長度方向呈現(xiàn)不均勻的彈性下沉，造成軌道實際幾何形狀與名義尺寸的偏差，就是軌道不平順。而軌道的不平順，它是產(chǎn)生機車各種振動的主要根源。影響機車動力學性能的軌道不平順可以用3種方式表示，見圖12—2。圖12—2軌道不平順的3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。列車的自激振動在鋼輪與鋼軌的接觸面或橡膠輪胎與導向路面之間存在著切向力。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或運動狀態(tài)而發(fā)生變化。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。我國某種鐵路貨車空車時在70km/h有時會產(chǎn)生一種所謂的自激蛇行運動。某種橡膠輪胎的車輛即使運行在平直道上，超過某一速度時也會產(chǎn)生劇烈橫擺?？梢钥隙ㄆ洚a(chǎn)生的原因不是線路不平順。這種自激振動主要是在橫向平面內產(chǎn)生的，它引起了車輛及其部件的劇烈搖頭和滾擺。蛇行運行穩(wěn)定性蛇行運行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。此時輪對向前滾動，一面橫向往復擺動，一面又繞鉛垂中心線來回轉動，其輪對中心軌跡呈現(xiàn)波浪形，稱蛇行運動。輪軌間的蛇行運動是由具有等效斜率的踏面而產(chǎn)生的。這種踏面是為避免輪對的輪緣始終貼靠軌側運動而采取的自動取中措施。正是這種取中的能力在一定的條件下轉化為失穩(wěn)的動力。當激擾消失而劇烈的蛇行運動不能收斂時，則稱為蛇行失穩(wěn)。它實際上這是一種自激振動。是輪對對鋼軌的相對運動產(chǎn)生了內部激振力，由這種激振力維持著輪對的運動。就車輛而言，由機車牽引力提供的非振動能量由于輪軌間的自激機制（理）轉化為蛇行運動的能量。當車輛運行提高到某速度，車輛系統(tǒng)中的阻尼無法耗散這種能量時，蛇行運動就呈失穩(wěn)，該速度稱為蛇行失穩(wěn)臨界速度。蛇行運行穩(wěn)定性在60年代，英國及日本首先將蠕滑理論運用于高速車輛蛇行穩(wěn)定性的的研究，成功地指導了高速列車的開發(fā)。城市軌道車輛運行速度不高，但是如果輪對定位剛度及懸掛參數(shù)選擇不當，也會出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。尤其近年來，為改善城市軌道車輛小曲線通過性能，減小噪聲及磨耗問題，輪對定位剛度逐漸減小有可能導致蛇行運動和失穩(wěn)。車輛蛇行失穩(wěn)將惡化運行品質，引起輪軌磨耗并擴大動載荷，嚴重時還會導致脫軌。因而車輛的蛇行穩(wěn)定性的裕量大小是衡量車輛是否能始終滿足正常運行的條件之一。影響蛇行運動的因素（一）輪對定位剛度（二）車輪踏面等效斜率（三）蠕滑系數(shù)（四）轉向架固定軸距（五）中央懸掛裝置總之影響車輛蛇行運動的因素很多，在設計車輛或改進車輛時應作多種參數(shù)選擇和方案比較，從垂直及橫向平穩(wěn)性，蛇行運動穩(wěn)定性，曲線通過性能等方面綜合考慮。既要考慮新車狀態(tài)，也要考慮運用后的條件，保證在使用或檢修間隔期內性能保持優(yōu)良。從城市軌道車輛運用現(xiàn)實考慮，過高的臨界速度是不必要的，要更多的考慮曲線通過、舒適性及對環(huán)境的影響。防止起動時空轉及制動時滑行的蠕滑控制雖然動車組的牽引力及制動力均是分散的，對粘著能力的需求不象干線機車那樣強烈。但是城市污染嚴重，軌面條件較差，而起動與制動加減速度又比干線列車高，提高粘著仍是必要的。在干線機車上采用的撒砂方法并不適用地鐵輕軌。目前先進的電子防滑（防空轉）系統(tǒng)已使用在上海地鐵車輛上。電子防滑系統(tǒng)由輪對轉速測量、微處理