车辆系统动力学第一讲

车辆系统动力学基础2012.9主讲人：贾璐一、课程目的；阐明车辆主要结构和悬挂参数与系统动力学性能之间的关系，并说明基本的轮轨接触理论和计算方法、车辆动力学性能及其相应的评价指标、车辆系统动力学模型建立方法、轨道激扰及其对车辆动力学性能的影响等。二、主要内容主要内容包括：概述、车辆系统动力学指标及评估标准、轮对结构与轮轨接触几何关系、轮轨滚动接触、客车悬挂系统与车辆动力学性能关系、货车转向架基本结构及动力学原理、车辆系统动力学模型、轨道激扰与轨道谱、车辆系统运动稳定性。三、参考文献1、车辆系统动力学，王福天，中国铁道出版社；2、车辆系统动力学，任尊松，中国铁道出版社；3、轨道动力学，练松良，同济大学出版社；4、CNKI等等……四、车辆系统动力学内容车辆系统运动安全性车辆系统蛇行运动稳定性车辆系统运行平稳性车辆系统曲线通过动力学脱轨视频法国TGV574.8km/h中国京沪高铁486.1km/h。第一章概述铁道车辆的运动力学与汽车基本相同，都是由力学来表达的。但是，铁道车辆与汽车的最大区别在于轮轨系统。铁道车辆的核心内容是轮轨系统机车+车辆组成铁路列车，根据动力源位置不同分为：动力集中型和动力分散型。第一节车辆系统运动认识•车辆系统是一个复杂的多自由度的动态系统•一般情况下，车辆系统考虑成多刚体系统，如车体、构架等•每一刚体可考虑成6个自由度，三个位移和三个转动，沿x,y,z轴3个方向的直线运动和绕三根轴的回转运动。6个名称：1、伸缩振动2、横摆振动3、浮沉振动4、侧滚振动5、点头振动6、摇头振动注：以上每种振动形式都不一定是单独出现的，车辆复杂的振动在大多数情况下是上述6种基本振型按不同组合耦合在一起发生的。第二节车辆系统基本结构几个基本概念：1、轴重。铁道车辆的轴重是指车辆每一根轮轴能够承受的允许静载荷。2、轴距。是指同一转向架下两轮轴中心之间的纵向距离。客车/动车组的轴距一般2.5~2.7m；轻轨一般为2.0~2.3m；货车一般1.5~2.0m。3、车辆定距。是指同一车辆两转向架中心之间的纵向距离，车辆定距决定了车辆长度和载客量。客车/动车组25m，轻轨车辆一般为13m，货车一般9m。4、轴箱悬挂。是将轴箱和构架在纵向、横向以及垂向联接起来，并使两者在这三个方向的相对运动受到相对约束的装置。对于客车/动车组而言，主要包括轴箱弹簧、轴箱定位装置以及轴箱减振器等。5、中央悬挂。是将车体和构架/侧架联结在一起的装置，一般具有衰减车辆系统振动、提高车辆运行平稳性和舒适性的作用。6、轮对冲角。是垂直于轮轨接触点处钢轨切线方向，与轮轴轴线之间形成的夹角。直线运行时，轮对冲角即为轮对摇头角；在曲线通过时，轮对冲角与摇头角之间存在一定的差异，其大小反应了车辆曲线通过能力大小以及难易程度。7、曲线通过。曲线通过是指车辆通过曲线时，曲线通过能力的大小，反映在系统指标上，主要表现为车辆轮轨横向力、轮对冲角以及轮轨磨耗指数等的大小上。铁道车辆基本结构：车体：乘客或载物。转向架：实现车辆走行功能的装置。车下各种吊挂件。铁道车辆动力学性能主要由转向架性能决定。转向架一般由轮对和构架/侧架组成，轮对在钢轨上滚动，实现走行功能，构架在车体与轮对之间，起承上启下的作用，即将车体的载重和振动向下转递至轮对并由轮对传递至钢轨，向上传递轮轨振动。为了使各种弹簧装置和减振元件能够安全可靠地运用并发挥功效，构架/侧架还需要为各种弹性元件和减振元件提供各种安装支吊座。除此之外，要实现列车的牵引与制动功能，转向架上还必须有各种制动与牵引装置，而这同样需要转向架提供安装和吊挂装置。第三节车辆系统动力学用途及所解决的主要问题一、研究车辆运动主要有两个目的：1、了解车辆各部分的位移及车轮作用在轨道上的力等。2、需要知道车辆的振动状态。自由振动和强迫振动0500100015002000-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.015轮对横移量（m）运行距离（m）250km/h0500100015002000-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.015轮对横移量（m）运行距离（m）251km/h自由振动自由振动是指在短时间内，由于某种瞬间或过渡性的外部干扰而产生的振动，其振动振幅如果逐渐变小，该系统将趋于稳定；相反，若振幅越来越大，则系统将不稳定。铁路车辆最低限度是要保证不能出现不稳定情况。强迫振动强迫振动是指外界激扰引起的振动，其核心是关注轨道不平顺、强风或其他因素引起的车辆持续振动特性。二、车辆动力学的用途及考虑的问题：车辆系统运动安全性车辆系统蛇行运动稳定性车辆系统运行平稳性车辆系统曲线通过动力学1、蛇行运动蛇行运动是一种不稳定振动现象。列车行驶时会突然出现车体和转向架开始剧烈左右偏转的不稳定现象。蛇行运动不仅会降低乘坐舒适性，而且会破坏轨道甚至列车脱轨、倾覆等安全事故。2、曲线通过车辆曲线通过时，为了能够减小车轮作用于轨道上的横向力，并使车辆能够顺利转向，曲线外侧车轮需要比内侧车轮多行驶一段距离，且最好是车轮能够沿曲线切线方向运行。因此，与防止蛇行运动的要求相反，最好能够增大车轮踏面斜度。如何平衡这两种运动特性，设计制造出既能抑制蛇行运动，又能顺利通过曲线的车辆呢？矛盾3、舒适度影响车辆乘坐舒适性的因素主要来自于轨道激扰。这些激扰包括：轨道随机不平顺、轨道冲击不平顺（如轨道接缝、道岔等的轨道面的不连续部位、曲线轨道半径的不规则、倾斜过度或不足）等。另外一些因素是车辆自身产生的干扰。这些因素主要包括：由发电机、电动机、空气压缩机和鼓风机等车辆上机械装置引起的干扰；由车轮偏心及刹车时车辆滑行产生的车轮擦伤引起的干扰；由于起动和刹车时，邻接车辆间产生的前后冲击；隧道内气流和车辆教会时的空气力学干扰等。以上这些干扰引起车辆何种振动？如何来评价他们对车辆安全性和乘坐舒适性的影响？车辆部件经过运转后出现老化现象会给运行安全性和乘坐舒适性造成什么样的影响？车体轻量化后产生的颤振会达到怎样的程度？4、交会列车交会时车辆受到的气动力主要有气动横向力和气动升力。列车高速运行时，处于列车尾流影响范围内的人员和物品有可能卷入尾流中，造成人员伤亡或列车受损事故。过去，中国列车时速较低，列车空气动力学问题并不突出。列车提速后，列车运行阻力急剧增加，能耗过大；列车高速交会产生的空气压力瞬变，导致客车侧墙变形过大，并伴有强烈的空气爆破声能击碎车窗玻璃。当列车与对面列车交汇行驶时会产生多大程度的振动？同时会产生多大的横向压力？在新建供各种不同速度车辆行驶用的线路时，如何考虑复线间隔、舒适度和安全上的限制？5、脱轨安全性如何保证列车既能够高速行驶又不至于脱轨？当外界因素如地震、泥石流等引发大面积轨道转移时，车辆能否保证不脱轨？对于目前脱轨安全评价标准体系中仍无法评估的振动，将如何保证铁路运营安全性？6、倾覆安全性轻量化列车，在曲线上的行驶速度会有所提高，当遭受横风时，是否能否防止列车倾覆，提高安全性呢？7、运动与控制传统的列车悬挂采用被动悬挂方式，被动悬挂由弹性元件和阻尼组成，其刚度和阻尼是在设计过程中确定下来的，在车辆运行过程中一般无法进行调节，因此具有一定的局限性。针对被动悬挂的局限性，20世纪50年代便有学者提出了主动悬挂的概念。主动悬挂实际上是一个闭环控制的动力驱动系统，通过合理调节输入到减振系统的能量来抵消来自外界的激扰，从而达到减振的目的。半主动悬挂的概念于20世纪70年代中期提出，半主动悬挂采用阻尼特性可调的可控减振器和/或刚度特性可调的可控弹簧作为作动器，通过实时调节可控减振器的阻尼特性或可控弹簧的刚性特性，间接地获得合理的悬挂力。实际应用中，可控弹簧实现起来比较困难，目前的半主动悬挂一般采用可控减振器。被动悬挂的悬挂参数在车辆运行过程中固定不变，不能根据线路不平顺和外界因素的状况适时进行调整，自适应性很差，只能在一定条件下有效地衰减车体的振动，已不能满足高速列车的发展需要。主动悬挂的减振性能是“最优”的。但是稳定性和可靠性难以保证，控制作用的实现需要消耗大量的能源，此外，成本过高限制主动悬挂应用到高速列车上的一个重要因素。半主动悬挂具有许多优点：结构简单、成本低、能耗小，更重要的是在控制失效的情况下半主动悬挂能够自然转换为被动悬挂，确保列车的运行安全。思考题：1、转向架的主要功能是什么？2、车体运动的六种运动形式是什么？3、什么是簧下质量？什么是簧上质量？