城市軌道交通車(chē)輛動(dòng)力學(xué)(第六章車(chē)輛動(dòng)力學(xué))

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

2、點(diǎn)頭：縱向立面中的轉(zhuǎn)動(dòng)l車(chē)體的橫擺與側(cè)滾形成了兩個(gè)耦合振型：l繞車(chē)體重心上方某滾心運(yùn)動(dòng)的為上心滾擺；l繞車(chē)體重心下方某滾心運(yùn)動(dòng)的為下心滾擺。l搖頭與滾擺屬于橫向振動(dòng)范疇，l浮沉、點(diǎn)頭為垂向運(yùn)動(dòng)范疇，l伸縮則為縱向振動(dòng)。車(chē)體的空間振動(dòng)二、激起車(chē)輛振動(dòng)的線(xiàn)路原因 軌道不平順的4種類(lèi)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(jī)不平順的表示 50kg重鋼軌的有縫軌道50kg重鋼軌的無(wú)縫軌道軌道高低不平順的功率譜密度函數(shù)示例二、車(chē)輛的自激振動(dòng) 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(chēng)蠕滑力或粘滑力，它隨車(chē)輪與路面或軌面的相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而

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

4、向平穩(wěn)性指標(biāo)與振動(dòng)加速度 我國(guó)鐵路客車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí) 平穩(wěn)性等級(jí)評(píng) 定平穩(wěn)性指標(biāo)1級(jí)優(yōu)2.52級(jí)良好2.52.753級(jí)合格2.753歐洲與北美的平穩(wěn)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)l在新輪踏面、軌道滿(mǎn)足UIC標(biāo)準(zhǔn)并處于良好維護(hù)狀態(tài)的條件下，l w2.5(垂直與橫向)l平穩(wěn)性的測(cè)點(diǎn)設(shè)置在心盤(pán)位的地板面上。l對(duì)車(chē)輛準(zhǔn)正弦振動(dòng)幅值。也有限制l a(mm)25/f2(1Hzf10Hz)l a(mm)250/f2(10Hzf50Hz)l國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO2631標(biāo)準(zhǔn) ISO標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估振動(dòng)對(duì)人體影響時(shí)用疲勞時(shí)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(duì)飛行員及汽車(chē)駕駛員進(jìn)行大量測(cè)試研究后取得的。l人體對(duì)2Hz左右的水平振動(dòng)很敏感，而對(duì)垂直振動(dòng)48Hz最敏感。l在英法等歐洲國(guó)家也有取洛奇的疲勞時(shí)間評(píng)定法；在日本則采用等舒適度曲線(xiàn)法評(píng)定平穩(wěn)性。l新車(chē)與運(yùn)用后的車(chē)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(duì)新車(chē)平穩(wěn)性或其他性能提出要求，運(yùn)用一段時(shí)期的車(chē)輛也必須達(dá)到適當(dāng)?shù)钠椒€(wěn)性指標(biāo)。l要求在設(shè)計(jì)中采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須確保在要求在設(shè)計(jì)中采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須確保在車(chē)輛整個(gè)運(yùn)用期內(nèi)有穩(wěn)定而優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)車(chē)輛整個(gè)運(yùn)用期內(nèi)有穩(wěn)定而優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能性能 二、車(chē)輛運(yùn)行安全性及評(píng)定指標(biāo) l城軌動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)，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(chē)輛安全運(yùn)行的基本條件，從而造成輪軌分離，車(chē)輛脫軌或傾覆的惡性事故。因而研究運(yùn)行安全性及其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)很重要 。1輪對(duì)脫軌條件及評(píng)定指標(biāo)l車(chē)輪脫軌系數(shù)車(chē)輪脫軌系數(shù) lQ1/P1=1.0為第一限度，希望不超過(guò)的允許限度lQ1/P1=1.2為第二限度。是安全限度。l新車(chē)不能超過(guò)第一限度111111tan1tanPQ車(chē)輛脫軌的作用力關(guān)系輪對(duì)脫軌條件l表示為：lH:轉(zhuǎn)向架作用在輪對(duì)上的橫向力l適用于低速脫軌過(guò)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(shí)瞬時(shí)側(cè)向力可以很大，因此Q1/P1的臨界值與出現(xiàn)峰值瞬時(shí)力的時(shí)間t成反比。時(shí)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(chē)輪與軌頭接觸處的摩擦因數(shù)及接觸角。l我國(guó)規(guī)定的允許限度為我國(guó)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(gè)公式時(shí)應(yīng)注意具體條件lQ1/P1是根本性的依據(jù)l后兩個(gè)公式則是有條件 的，條件不滿(mǎn)足時(shí)采用后兩公式會(huì)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(chē)輛脫軌的因素很多，而實(shí)際脫軌往往是多種因素的組合所形成，其中某個(gè)因素起了決定性促成作用。l主要的脫軌因素有；l線(xiàn)路條件：線(xiàn)路條

8、件：l線(xiàn)路的曲線(xiàn)超高、順坡、三角坑及局部高值不平順均會(huì)引起過(guò)大側(cè)向力或輪重減載。l車(chē)輛條件：車(chē)輛條件：l車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架制造公差、回轉(zhuǎn)力矩、軸箱橫向定位剛度過(guò)大、斜對(duì)稱(chēng)載荷均會(huì)造成側(cè)向力過(guò)大或引起輪重減載。l運(yùn)用條件：運(yùn)用條件：l側(cè)向力過(guò)大、車(chē)輛重心過(guò)高，在曲線(xiàn)上也會(huì)導(dǎo)致減載超限l裝載偏重、空車(chē)彈簧靜撓度過(guò)小均會(huì)引起輪重減載。l一般車(chē)輛低速由曲線(xiàn)進(jìn)入直線(xiàn)時(shí)容易脫軌。風(fēng)力過(guò)大有時(shí)也是曲線(xiàn)脫軌的原因。4車(chē)輛傾覆安全性l當(dāng)車(chē)輛彈簧柔性過(guò)大，重心過(guò)高時(shí)，在過(guò)大的離心力、當(dāng)車(chē)輛彈簧柔性過(guò)大，重心過(guò)高時(shí)，在過(guò)大的離心力、振動(dòng)慣性力或風(fēng)力組合作用下，整個(gè)車(chē)輛一側(cè)車(chē)輪減載振動(dòng)慣性力或風(fēng)力組合作用下，整個(gè)車(chē)輛一側(cè)車(chē)

9、輪減載過(guò)大而使車(chē)輛傾覆。過(guò)大而使車(chē)輛傾覆。l車(chē)輛在橫向力作用下可能傾覆的程度用傾覆系數(shù)D來(lái)表示l式中，P2車(chē)輛外軌側(cè)的垂直輪軌力；l P1車(chē)輛內(nèi)軌側(cè)的垂直輪軌力。l我國(guó)規(guī)定D=0.8為危險(xiǎn)限度，允許傾覆系數(shù)應(yīng)為D0.8。1212PPPPD防止車(chē)輛傾覆的措施l加大車(chē)輛橫向剛度或抗側(cè)滾剛度，以減少重心偏移過(guò)大引起的簧上失穩(wěn)。l增大橫向剛度會(huì)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(lái)減小側(cè)滾角，提高抗傾覆能力 第三節(jié) 車(chē)輪導(dǎo)軌接觸及滾動(dòng)理論 l采用車(chē)輪支承、滾動(dòng)是車(chē)輛獲取導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)力的主要方式。l軌道車(chē)輛中地鐵、輕軌常采用鋼輪鋼軌方式，l獨(dú)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(chē)輪與導(dǎo)軌間的滾動(dòng)接觸關(guān)系決定了它們間的作用力、變形和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此滾動(dòng)接觸直接影響城市軌道車(chē)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(duì)產(chǎn)生橫移y時(shí)，左右接觸點(diǎn)產(chǎn)生變化，接觸點(diǎn)處的滾動(dòng)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(xiàn)性關(guān)系；l r=ey,le稱(chēng)等效斜率l錐形踏面時(shí)踏面斜率即為e。le的大小反映了輪對(duì)偏移時(shí)，左右輪滾動(dòng)圓半徑的大小反映了輪對(duì)偏移時(shí)，左右輪滾動(dòng)圓半徑差異的大小，它是產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)的直接原因。差異的大小，它是產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)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(duì)橫移后左右車(chē)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(duì)中心回到原來(lái)位置上去。l定義：定義：l輪對(duì)橫移時(shí)輪對(duì)中心升高，車(chē)輛增加的勢(shì)能迫使輪輪對(duì)橫移時(shí)輪對(duì)中心升高，車(chē)輛增加的勢(shì)能迫使輪對(duì)的復(fù)位能力。對(duì)的復(fù)位能力。l這是有利于提高輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的因素。3重力角剛度Cgl同樣在輪對(duì)搖頭時(shí)，左右輪的接觸點(diǎn)前后移動(dòng)，其左右橫向分力產(chǎn)生了一個(gè)繞垂直軸的力矩、其方向?qū)⑹馆唽?duì)繼續(xù)擴(kuò)大搖頭角。l本質(zhì)上是輪對(duì)重心下移，車(chē)輛系統(tǒng)的重力勢(shì)能釋放，促使輪對(duì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。l由此產(chǎn)生的負(fù)力矩與搖頭角的比值稱(chēng)重力角剛度Cg。l它是一個(gè)不利車(chē)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(jì)算l一般情況下采用錐形踏面的輪對(duì)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(dòng)圓間距之半。ybWKeg0WbCg二、輪軌接觸蠕滑關(guān)系 l輪對(duì)在鋼軌上運(yùn)行時(shí)，一般承受垂直載荷和縱橫切向載荷。l縱向載荷主要來(lái)自牽引及制動(dòng)。穩(wěn)態(tài)前進(jìn)的非動(dòng)力輪的車(chē)輪在不制動(dòng)時(shí)，其縱向切向力平衡軸承阻力和蛇行時(shí)的慣性力。l無(wú)論是動(dòng)力輪對(duì)或從動(dòng)輪對(duì)都存在著縱向切向力，它導(dǎo)致了輪軌縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度差。1粘著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)l由于車(chē)輪和鋼軌都是彈性體，滾動(dòng)時(shí)輪軌間的切向力將在接觸斑面上形成兩個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域：粘著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。l切向力小時(shí)主要為粘

13、著區(qū)；隨著切向力加大，滑動(dòng)區(qū)擴(kuò)大，粘著區(qū)縮小。l當(dāng)切向力超過(guò)某一極限值時(shí)，只剩下滑動(dòng)區(qū)，輪子在鋼軌上開(kāi)始明顯滑動(dòng)。 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(diǎn)的水平速度與軌頭上對(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)輪心的水平速度并不相同，存在著一個(gè)微小的滑動(dòng)，稱(chēng)為蠕滑(Creep)。 蠕滑產(chǎn)生的條件l輪軌是彈性體l車(chē)輪和鋼軌之間有一定的正壓力 l車(chē)輪沿鋼軌滾動(dòng) 縱向蠕滑率l定義車(chē)輪的橫向蠕滑率y為小的橫向滑動(dòng)率，這也是一種蠕滑現(xiàn)象。l定義車(chē)輪的縱向蠕滑率為實(shí)際車(chē)輛前進(jìn)速度輪周名義速度實(shí)際車(chē)輛前進(jìn)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(chē)輪半徑（mm）lN車(chē)輪上的輪重（t） RNf1474粘著系數(shù)l當(dāng)蠕滑率較大時(shí)，切向力增值的趨勢(shì)變緩，最后切向力達(dá)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(chēng)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(dá)0.6，但有油污后下降幅度很大。 第四節(jié)第四節(jié) 車(chē)輛的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性車(chē)輛的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性l具有一定踏面形狀的鐵道車(chē)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)。l此時(shí)輪對(duì)向前滾動(dòng)，一面橫向往消失而劇烈的蛇行運(yùn)動(dòng)不能收斂時(shí)，則稱(chēng)為蛇行失穩(wěn)。 輪對(duì)的蛇形運(yùn)動(dòng)軌跡一、自由輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)一、自由輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)l簡(jiǎn)化假定：l剛體自由輪對(duì)沿平直軌道作等速運(yùn)動(dòng)。l輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)屬微幅振動(dòng)，其輪軌接觸幾何，蠕滑率力關(guān)系均為線(xiàn)性，縱橫向蠕滑系數(shù)近似相等。l輪對(duì)具有小錐角踏面、等效斜率e較小，暫不計(jì)及重力剛度與角剛度的因素。l輪對(duì)橫擺、搖頭自由度為yw、w。不