《铁道车辆工程》第05章铁道车辆的运行性能

第五章铁道车辆的运行性能主要内容：阐明车辆产生振动的原因解析车辆振动的规律介绍车辆运行平稳性和安全性标准介绍改善车辆运行品质的一些措施第一节引起车辆振动的原因主要内容：轨道有关的激振因素车辆结构有关的激振因素一、与轨道有关的激振因素1、钢轨接头处的轮轨冲击车轮受到的冲量与冲量的大小有关的因素：簧下质量行车速度钢轨接头的变形程度aSMVMV2、轨道的垂向变形车辆沿钢轨运行时，轮轨接触点迹线有如图的形状，为分析方便，简化为正弦波的形式:3、轨道的局部不平顺通过曲线时轨道在垂向的超高、曲率半径的变化和轨距的变化道岔轨道的上下坡等等4、轨道的随机不平顺为便于分析，常把轨道不平顺分为轨距、水平、高低和方向等四种不平顺。(1)水平不平顺在直线区段，铁路两股钢轨顶面不可能保持完全水平，而有一定偏差，称为水平不平顺。水平不平顺影响车辆横向振动,两股钢轨轨顶的水平误差，变化不可太骤。在轨道上分为两种情况:水平差和三角坑。(2)轨距不平顺铁路实际轨距与名义轨距之间有一定偏差，称为轨距不平顺。轨距不平顺影响车轮接触几何参数，在线性假设中不考虑它的影响。(3)高低不平顺轨道中心线上下的不平顺，称为高低不平顺。影响车辆垂向振动。(4)方向不平顺实际轨道中心线与理想轨道中心线的左右差，称为轨道道方向不平顺。主要影响车辆的横向振动。二、与车辆结构有关的激振因素1、车轮偏心车轮偏心为e,则车轮转动时，车轴中心的上下位移Zt为:2、车轮不均重车轮的质量不均匀，车轮的质心与几何中心不一致，当车轮转动时车轮上会出现转动的不平衡力。3、车轮踏面擦伤车轮会受到向上的冲量:0MVMV4、锥形踏面轮对的蛇形运动这里为方便研究自由轮对在轨道上的蛇形运动，设:车轮踏面斜度。轮对中心偏离轨道中心线为。轮对中心的运动轨迹是一段圆弧，曲率半径为：由高等数学，任意曲线的曲率为:蛇形运动周期,波长:轮对的蛇形运动是一种自激振动第二节轮对簧上质量系统的振动主要内容:轮对簧上质量系统模型轮对簧上质量系统的自由振动一、轮对簧上质量系统模型轮对簧上质量系统是一个简化的车辆数学模型:轮对代表车辆各轮对在轨道上运行的特点簧上质量代表弹簧上的车体上面两者之间的弹性悬挂装置代表实际车辆上的不同的悬挂装置二、轮对簧上质量系统的自由振动1、无阻力的自由振动当簧上质量系统处于静平衡时:当车体离开平衡位置z时，得到运动方程式:简化，得:引入符号:A称为车辆自由振动振幅，取决于初始条件，p称为振动的固有频率。结论:自由振动分两部分，一部分取决于初始位移，一部分取决于初始速度车体的重力不影响车体在静平衡位置附近作自由振动的规律，只影响车体的静平衡位置车辆振动的固有频率与车辆的质量、弹簧刚度有关，即与静挠度有关;振动加速度幅值与静挠度有关。车辆设计中，车辆悬挂装置的静挠度取值作为一项重要技术指标。结论:线性阻尼的轮对质量系统不在作等幅简谐振动。衰减规律111()11iintnTmintTnTmizAeeezAee3、具有摩擦阻尼的自由振动（1）轮对簧上质量系统中具有阻力与弹簧挠度成正比的摩擦减振器变摩擦力的F表示为:因此具有摩擦阻尼的运动方程分为两个分段线性方程。（a）车体由下向上振动车体从最高点B向下振动到最低点C，经过半个周期结论:相对摩擦系数通常不大于0.1，振动一周的衰减量，即按等差级数递减4、能量法求解任意阻尼的自由振动根据能量守恒原理，在一定时间内，系统内部能量变化量应等于作用在系统上所有外力所做的功。在现有车辆悬挂系统中，在下面条件下振动系统的能量变化主要表现在振幅变化。安装减振器后车体自由振动仍按正弦或余弦规律变化振动频率十分接近无阻力时的固有频率见表5-1结论:•无阻尼情况下，当线路激振频率等于车体固有频率时发生共振•出现共振时的车辆运行速度称为共振临界速度结论:•粘性阻力减振器的阻力功之间一定有一个与激振力功相等的平衡振幅•摩擦阻力减振器则除完全重迭外，在坐标原点以外无交点，若摩擦阻力功线的斜率小于激振功，则共振时无法限制系统的振幅增长:若摩擦阻力功线大于激振功线的斜率，则系统无法起振，车体处于刚性受力状态•从阻力特性来看，粘性阻力减振器的性能优于摩擦阻力减振器第三节车辆系统的振动主要内容:车辆的振型车辆垂向振动具有一系悬挂装置转向架车辆垂向自由振动、垂向强迫振动具有二系悬挂装置转向架车辆垂向自由振动、垂向强迫振动车辆横向振动车辆横向振动在研究车辆振动时，往往把发生在纵垂面内的浮沉及点头振动称为车辆垂向振动，而车辆的横摆、侧滚和摇头称为横向振动。车辆系统振动的特点：一般车辆的垂向振动与横向振动是弱藕合，因此可以分别研究；一般情况下，车体会出现独立的浮沉、伸缩、摇头、点头振动；横摆和侧滚永远藕合在一起。44SZSZKKCC结论:(1)具有两系悬挂装置的车辆的垂向振动可以分成互不藕合的4组•车体的浮沉振动与转向架浮沉平均值藕合在一起的车辆浮沉振动•车体的点头振动与转向架浮沉差藕合在一起的振动•两组独立的转向架点头振动车体与转向架浮沉振动的两种频率中，低频与车辆的总静挠度有关；高频不仅与总静挠度有关，还与两系悬挂中挠度的分配及车体与转向架构架质量比有关。车体和转向架固定的振幅比例关系和相位关系构成了车辆浮沉振动的高频主振型和低频主振型。五、具有两系是挂装置转向架车辆垂向强迫振动1、无阻尼的强迫振动具有两系悬挂装置的车辆的垂向振动可以分成互不藕合的4组：车体的浮沉振动与转向架浮沉平均值藕合在一起的车辆浮沉振动；车体的点头振动与转向架浮沉差藕合在一起的强迫振动；两组独立的转向架点头强迫振动。2、具有线性阻尼的强迫振动可以根据求解出的振动方程的解，研究如何选择第一、二系悬挂装置的静挠度分配以及如何选择减振器的阻尼系数。最佳的静挠度分配和减振器阻尼合理系数应保证车辆在运行速度范围内车体强迫振动的加速度均有较小的数值。现有客车设计中，第一、第二系悬挂的静挠度比选择在35:54-25:75之间，相对阻尼系数D选择在0.2-0.3之间。2、两系悬挂车辆横向自由振动的简化计算分析中不计转向架的惯性作用，把4个自由度系统简化为2个自由度。简化时须把两系悬挂的垂向刚度和横向刚度正确换算成当量一系悬挂刚度，尽量减少简化造成的误差。总结:研究轮对簧上质量系统模型的基本及得到的基本规律，依然适用于实际车辆。第四节轮对蛇形运动接触斑轮轨间出现蠕滑的条件：轮轨为弹性体，车轮与钢轨间有一定的正压力，车轮沿钢轨滚动。蠕滑率（蠕滑）纵向蠕滑率横向蠕滑率蠕滑力x车轮实际前进速度车轮纯滚动前进速度车轮实际前进速度z车轮实际横向速度车轮纯滚动横向速度车轮实际前进速度Ff第五节车辆运行品质及其评估标准主要内容:•动荷系数•车体加速度幅值•Sperling平稳性指数•客车、货车运行品质标准•客车在曲线上舒适性及其标准一、动荷系数动荷系数是车辆在运转时产生的动载荷幅值与车辆静止时的载荷之比。动荷系数分横向和垂向两种。动载荷可用计算或实测求得，若已知车体的垂向及横向加速度，则:有时也用弹簧动挠度来求动荷系数:•现场实验发现，利用加速度和弹簧动挠度所得的动荷系数不一样。•我国并未采用动荷系数作为评估标准。二、车体加速度的幅值车体垂向和横向加速度幅值大小可表示车体垂向和横向动载荷，对旅客和货物有较大影响，若振动为简谐振动，则:三、Sperling平稳性指数Sperlinq等人在大量单一频率振动试验的基础上提出影响车辆平稳性的两个重要因素:•位移对时间的三次导数，在一定意义上代表力的变化率，会引起冲动的感觉。•振动时的动能大小Sperling平稳性指数:把反映冲动的和反映振动动能的的乘积作为衡量标准来评定车辆运行品质。在整理车辆平稳性指数时，把实测的车辆振动加速度记录，通常按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振幅值，然后对每一频率计算各自的平稳性指数，按下式求出全频段的总的平稳性指数:2、用平均最大加速度确定客货车平稳性等级方法:当车辆进行动力学试验时，每次记录的分析段时间为6s，在每个分析段中选取一个最大的加速度，若有m个分析段，则平均最大加速度:评定客车平稳性等级的常数3、最大加速度确定货车的限制速度货车以最大加速度为振动强度极限值，垂向振动的最大加速度为0.7g，横向振动最大加速度为0.5g。在100km试验区段内，按规定标准测定通过直道、弯道和车站侧线时的最大振动加速度，在货车的限制速度范围内超限加速度不应大于3个。五、客车在曲线上舒适性及其标准1、离心加速度列车通过曲线时，车辆和旅客都要经受离心力和离心加速度:2、设置超高设置超高后，旅客承受的离心加速度和重力加速度横向分量可互相抵消一部分。过超高第六节车辆运行安全性及其评估标准主要内容:•车辆抗倾覆稳定性及评估标准•轮对抗脱轨稳定性及评估标准一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准车辆沿轨道运行时受到各种横向力，在这些横向力作用下造成车辆一侧车轮减载，另一侧增载。各种横向力在最不利组合作用下，车辆一侧车轮与钢轨之间的垂向作用力减少到零，车辆有倾覆的危险。倾覆系数D:车辆在横向力作用下可能倾覆的程度。2、轮对抗脱轨稳定性评定标准(1)根据车轮作用于钢轨的横向力评定车轮抗脱轨稳定性取轮缘上轮轨接触斑为分割体，在各种作用力下，处于下滑而不能滑动的状况:(2)根据构架力H评定轮对抗脱轨稳定性由于轮轨之间的横向力较难测量，在试验时往往采用轮对与转向架相互作用的构架力来评定轮对的脱轨系数。(3)根据轮重减载率评定在实际中发现，在横向力不是很大，但一侧车轮严重减载情况下也有脱轨的可能。(4)脱轨原因及防治措施•线路状态•车辆结构第七节列车运行时的空气流列车速度提高之后，所产生的气流对铁路的影响有：增加列车的空气阻力，列车通过时出现列车风；会车时出现压力波；列车通过隧道时引起隧道内的压力波动和微气压波等问题。