軌道交通車輛動(dòng)力性能分析-車輛振動(dòng)分析

車輛振動(dòng)型式建模

車輛振動(dòng)形式

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

車輛振動(dòng)型式建模車體可視為剛體，在懸掛系統(tǒng)上的運(yùn)動(dòng)將具有6個(gè)自由度，如圖12—1。一般將沿軸的縱向運(yùn)動(dòng)稱伸縮，沿軸的上下運(yùn)動(dòng)稱浮沉，沿軸的左右運(yùn)動(dòng)為橫擺；在橫斷面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)稱側(cè)滾，沿水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)稱搖頭，在縱向立面中的轉(zhuǎn)動(dòng)叫點(diǎn)頭。在實(shí)際中，這些不同方向的運(yùn)動(dòng)通常以振動(dòng)的形式出現(xiàn)，稱為振型，并相互耦合。車體對(duì)稱支承在彈簧上，當(dāng)車體橫擺時(shí)，其重力與彈簧支承合力形成力矩使車體產(chǎn)生側(cè)滾，這意味著車體的橫擺與側(cè)滾不能獨(dú)立存在，它們形成了兩個(gè)耦合振型：繞車體重心上方某滾心運(yùn)動(dòng)的為上心滾擺；繞車體重心下方某滾心運(yùn)動(dòng)的為下心滾擺。車體的搖頭與滾擺屬于車輛橫向振動(dòng)范疇。浮沉點(diǎn)頭為垂向運(yùn)動(dòng)范疇。伸縮則為縱向振動(dòng)。與車體類似，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架視為剛體時(shí)也有6個(gè)自由度。圖12—1車體的空間振動(dòng)車輛運(yùn)行振動(dòng)分析車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)分析（一）機(jī)車車輛的垂直振動(dòng)(浮沉點(diǎn)頭)機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架通常采用兩系懸掛。為了在有限的空間內(nèi)獲得較大的柔性。它的簡(jiǎn)化無阻尼的垂直振動(dòng)簡(jiǎn)化系統(tǒng)簡(jiǎn)如圖12-19。模型考慮車體僅作浮沉振動(dòng)，前后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相應(yīng)作同相浮沉的低頻振型。這是兩個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。圖12—19兩系無阻尼懸掛車輛系統(tǒng)簡(jiǎn)圖車輛的橫向振動(dòng)（二）機(jī)車車輛的橫向振動(dòng)(搖頭與滾擺)由于機(jī)車車輛要通過道岔、曲線，機(jī)車車輛本身又具有蛇行的趨勢(shì)，機(jī)車車輛的橫向振動(dòng)也是需要仔細(xì)研究并控制的因素。為了減緩車體在橫向平面內(nèi)的振動(dòng)，車體與轉(zhuǎn)向架之間在橫向也設(shè)置了柔軟的懸掛裝置，通常采用搖動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)。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(dòng)臺(tái)懸掛方式。無論是哪種懸掛都可以簡(jiǎn)化為圖12—22的結(jié)構(gòu)。如果不考慮車體搖頭，忽略構(gòu)架質(zhì)量，車體在橫斷面內(nèi)的振動(dòng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)兩自由度系統(tǒng)。

圖12—22車體的橫向振動(dòng)簡(jiǎn)圖車輛的縱向振動(dòng)（三）機(jī)車車輛的縱向振動(dòng)(伸縮)機(jī)車車輛通常以動(dòng)車組形式出現(xiàn)，采用密接車鉤連接，編組較小，并使用先進(jìn)的電空制動(dòng)技術(shù)，因而列車運(yùn)行中的縱向振動(dòng)遠(yuǎn)比干線貨運(yùn)列車及客運(yùn)列車小。引起列車振動(dòng)的原因引起列車振動(dòng)的原因軌道在車輪動(dòng)載荷作用下將沿長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)不均勻的彈性下沉，造成軌道實(shí)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(jī)車各種振動(dòng)的主要根源。影響機(jī)車動(dòng)力學(xué)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(dòng)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。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(duì)位置或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生變化。在一定條件下，這種切向力會(huì)激起車輪乃至車輛發(fā)生劇烈振動(dòng)，振動(dòng)的原因是自激性的。我國(guó)某種鐵路貨車空車時(shí)在70km/h有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種所謂的自激蛇行運(yùn)動(dòng)。某種橡膠輪胎的車輛即使運(yùn)行在平直道上，超過某一速度時(shí)也會(huì)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(dòng)主要是在橫向平面內(nèi)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(yùn)行穩(wěn)定性蛇行運(yùn)行具有一定踏面形狀的鐵道車輛輪對(duì)，即使沿著平直軌道滾動(dòng)，受到微小激擾后就會(huì)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(yùn)動(dòng)。此時(shí)輪對(duì)向前滾動(dòng)，一面橫向往復(fù)擺動(dòng)，一面又繞鉛垂中心線來回轉(zhuǎn)動(dòng)，其輪對(duì)中心軌跡呈現(xiàn)波浪形，稱蛇行運(yùn)動(dòng)。輪軌間的蛇行運(yùn)動(dòng)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(duì)的輪緣始終貼靠軌側(cè)運(yùn)動(dòng)而采取的自動(dòng)取中措施。正是這種取中的能力在一定的條件下轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)的動(dòng)力。當(dāng)激擾消失而劇烈的蛇行運(yùn)動(dòng)不能收斂時(shí)，則稱為蛇行失穩(wěn)。它實(shí)際上這是一種自激振動(dòng)。是輪對(duì)對(duì)鋼軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了內(nèi)部激振力，由這種激振力維持著輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)。就車輛而言，由機(jī)車牽引力提供的非振動(dòng)能量由于輪軌間的自激機(jī)制（理）轉(zhuǎn)化為蛇行運(yùn)動(dòng)的能量。當(dāng)車輛運(yùn)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(shí)，蛇行運(yùn)動(dòng)就呈失穩(wěn)，該速度稱為蛇行失穩(wěn)臨界速度。蛇行運(yùn)行穩(wěn)定性在60年代，英國(guó)及日本首先將蠕滑理論運(yùn)用于高速車輛蛇行穩(wěn)定性的的研究，成功地指導(dǎo)了高速列車的開發(fā)。城市軌道車輛運(yùn)行速度不高，但是如果輪對(duì)定位剛度及懸掛參數(shù)選擇不當(dāng)，也會(huì)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(duì)定位剛度逐漸減小有可能導(dǎo)致蛇行運(yùn)動(dòng)和失穩(wěn)。車輛蛇行失穩(wěn)將惡化運(yùn)行品質(zhì)，引起輪軌磨耗并擴(kuò)大動(dòng)載荷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)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(yùn)行的條件之一。影響蛇行運(yùn)動(dòng)的因素（一）輪對(duì)定位剛度（二）車輪踏面等效斜率（三）蠕滑系數(shù)（四）轉(zhuǎn)向架固定軸距（五）中央懸掛裝置總之影響車輛蛇行運(yùn)動(dòng)的因素很多，在設(shè)計(jì)車輛或改進(jìn)車輛時(shí)應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)用后的條件，保證在使用或檢修間隔期內(nèi)性能保持優(yōu)良。從城市軌道車輛運(yùn)用現(xiàn)實(shí)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(duì)環(huán)境的影響。防止起動(dòng)時(shí)空轉(zhuǎn)及制動(dòng)時(shí)滑行的蠕滑控制雖然動(dòng)車組的牽引力及制動(dòng)力均是分散的，對(duì)粘著能力的需求不象干線機(jī)車那樣強(qiáng)烈。但是城市污染嚴(yán)重，軌面條件較差，而起動(dòng)與制動(dòng)加減速度又比干線列車高，提高粘著仍是必要的。在干線機(jī)車上采用的撒砂方法并不適用地鐵輕軌。目前先進(jìn)的電子防滑（防空轉(zhuǎn)）系統(tǒng)已使用在上海地鐵車輛上。電子防滑系統(tǒng)由輪對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量、微處理