工學(xué)鐵道車輛工程鐵道車輛的運行性能PPT學(xué)習(xí)課件

1、第五章 鐵道車輛的運行性能主要內(nèi)容： 闡明車輛產(chǎn)生振動的原因 解析車輛振動的規(guī)律 介紹車輛運行平穩(wěn)性和安全性標(biāo)準(zhǔn) 介紹改善車輛運行品質(zhì)的一些措施 第一節(jié) 引起車輛振動的原因主要內(nèi)容： 軌道有關(guān)的激振因素 車輛結(jié)構(gòu)有關(guān)的激振因素一、與軌道有關(guān)的激振因素 1、鋼軌接頭處的輪軌沖擊車輪受到的沖量與沖量的大小有關(guān)的因素： 簧下質(zhì)量 行車速度 鋼軌接頭的變形程度aSMVMV2、軌道的垂向變形 車輛沿鋼軌運行時，輪軌接觸點跡線有如圖的形狀，為分析方便，簡化為正弦波的形式:3、軌道的局部不平順 通過曲線時軌道在垂向的超高、曲率半徑 的變化和軌距的變化 道岔 軌道的上下坡等等4、軌道的隨機不平順 為便于分析，

2、常把軌道不平順分為軌距、水平、高低和方向等四種不平順。 (1)水平不平順 在直線區(qū)段，鐵路兩股鋼軌頂面不可能保 持完全水平，而有一定偏差，稱為水平不平順。 水平不平順影響車輛橫向振動,兩股鋼軌軌頂?shù)乃秸`差，變化不可太驟。在軌道上分為兩種情況:水平差和三角坑。(2)軌距不平順 鐵路實際軌距與名義軌距之間有一定偏差，稱為軌距不平順。軌距不平順影響車輪接觸幾何參數(shù)，在線性假設(shè)中不考慮它的影響。(3)高低不平順 軌道中心線上下的不平順，稱為高低不平順。影響車輛垂向振動。(4)方向不平順 實際軌道中心線與理想軌道中心線的左右差，稱為軌道道方向不平順。主要影響 車輛的橫向振動。二、與車輛結(jié)構(gòu)有關(guān)的激振因

3、素1、車輪偏心 車輪偏心為e,則車輪轉(zhuǎn)動時，車軸中心的上下位移Zt為:2、車輪不均重 車輪的質(zhì)量不均勻，車輪的質(zhì)心與幾何中心不一致，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時車輪上會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動的不平衡力。3、車輪踏面擦傷 車輪會受到向上的沖量:0MVMV4、錐形踏面輪對的蛇形運動 這里為方便研究自由輪對在軌道上的蛇形運動，設(shè): 車輪踏面斜度 。 輪對中心偏離軌道中心線為 。 輪對中心的運動軌跡是一段圓弧，曲率半徑為： 由高等數(shù)學(xué)，任意曲線的曲率為:蛇形運動周期,波長:輪對的蛇形運動是一種自激振動 第二節(jié) 輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)的振動主要內(nèi)容: 輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)模型 輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)的自由振動一、輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)模型 輪對簧上質(zhì)量系

4、統(tǒng)是一個簡化的車輛數(shù)學(xué) 模型: 輪對代表車輛各輪對在軌道上運行的特點 簧上質(zhì)量代表彈簧上的車體 上面兩者之間的彈性懸掛裝置代表實際車輛上的不同的懸掛裝置二、輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)的自由振動 1、無阻力的自由振動 當(dāng)簧上質(zhì)量系統(tǒng)處于靜平衡時: 當(dāng)車體離開平衡位置z時，得到運動方程式: 簡化，得: 引入符號: A稱為車輛自由振動振幅，取決于初始條件，p稱為振動的固有頻率。結(jié)論: 自由振動分兩部分，一部分取決于初始位移，一部分取決于初始速度 車體的重力不影響車體在靜平衡位置附近作自由振動的規(guī)律，只影響車體的靜平衡位置 車輛振動的固有頻率與車輛的質(zhì)量、彈簧剛度有關(guān)，即與靜撓度有關(guān);振動加速度幅值與靜 撓度有

5、關(guān)。車輛設(shè)計中，車輛懸掛裝置的靜撓度取值作為一項重要技術(shù)指標(biāo)。結(jié)論: 線性阻尼的輪對質(zhì)量系統(tǒng)不在作等幅簡諧振動。 衰減規(guī)律111()11iintnTm in tTnTm izA eeezA ee 3、具有摩擦阻尼的自由振動 （1）輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)中具有阻力與彈簧撓度 成正比的摩擦減振器 變摩擦力的F表示為: 因此具有摩擦阻尼的運動方程分為兩個分段線性方程。（a）車體由下向上振動 車體從最高點B向下振動到最低點C，經(jīng)過半個周期結(jié)論: 相對摩擦系數(shù)通常不大于0.1，振動一周的衰減量，即按等差級數(shù)遞減4、能量法求解任意阻尼的自由振動 根據(jù)能量守恒原理，在一定時間內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)部能量變化量應(yīng)等于作用在系統(tǒng)

6、上所有外力所做的功。在現(xiàn)有車輛懸掛系統(tǒng)中，在下面條件下振動系統(tǒng)的能量變化主要表現(xiàn)在振幅變化。 安裝減振器后車體自由振動仍按正弦或余弦規(guī)律變化 振動頻率十分接近無阻力時的固有頻率見表5-1結(jié)論: 無阻尼情況下，當(dāng)線路激振頻率等于車體固有頻率時發(fā)生共振 出現(xiàn)共振時的車輛運行速度稱為共振臨界速度結(jié)論: 粘性阻力減振器的阻力功之間一定有一個與激振力功相等的平衡振幅 摩擦阻力減振器則除完全重迭外，在坐標(biāo)原點以外無交點，若摩擦阻力功線的斜率小于激振功，則共振時無法限制系統(tǒng)的振幅增長:若 摩擦阻力功線大于激振功線的斜率，則系統(tǒng)無法起振，車體處于剛性受力狀態(tài) 從阻力特性來看，粘性阻力減振器的性能優(yōu)于摩擦阻力減

7、振器 第三節(jié) 車輛系統(tǒng)的振動主要內(nèi)容: 車輛的振型 車輛垂向振動 具有一系懸掛裝置轉(zhuǎn)向架車輛垂向自由振動、垂向強迫振動 具有二系懸掛裝置轉(zhuǎn)向架車輛垂向自由振動、垂向強迫振動車輛橫向振動 車輛橫向振動 在研究車輛振動時，往往把發(fā)生在縱垂面內(nèi)的浮沉及點頭振動稱為車輛垂向振動，而車輛的橫擺、側(cè)滾和搖頭稱為橫向振動。 車輛系統(tǒng)振動的特點： 一般車輛的垂向振動與橫向振動是弱藕合，因此可以分別研究； 一般情況下，車體會出現(xiàn)獨立的浮沉、伸縮、搖頭、點頭振動； 橫擺和側(cè)滾永遠(yuǎn)藕合在一起。44SZSZKKCC結(jié)論: (1)具有兩系懸掛裝置的車輛的垂向振動可以分成互不藕合的4組 車體的浮沉振動與轉(zhuǎn)向架浮沉平均值藕

8、合在一起的車輛浮沉振動 車體的點頭振動與轉(zhuǎn)向架浮沉差藕合在一起的振動 兩組獨立的轉(zhuǎn)向架點頭振動 車體與轉(zhuǎn)向架浮沉振動的兩種頻率中，低頻與車輛的總靜撓度有關(guān)；高頻不僅與總靜撓度有關(guān)，還與兩系懸掛中撓度的分配及車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量比有關(guān)。 車體和轉(zhuǎn)向架固定的振幅比例關(guān)系和相位關(guān)系構(gòu)成了車輛浮沉振動的高頻主振型和低頻主振型。五、具有兩系是掛裝置轉(zhuǎn)向架車輛垂向強迫振動 1、無阻尼的強迫振動 具有兩系懸掛裝置的車輛的垂向振動可以分成互不藕合的4組： 車體的浮沉振動與轉(zhuǎn)向架浮沉平均值藕合在一起的車輛浮沉振動； 車體的點頭振動與轉(zhuǎn)向架浮沉差藕合在一起的強迫振動； 兩組獨立的轉(zhuǎn)向架點頭強迫振動。2、具有線性阻

9、尼的強迫振動 可以根據(jù)求解出的振動方程的解，研究如何選擇第一、二系懸掛裝置的靜撓度分配以及如何選擇減振器的阻尼系數(shù)。 最佳的靜撓度分配和減振器阻尼合理系數(shù)應(yīng)保證車輛在運行速度范圍內(nèi)車體強迫振動的加速度均有較小的數(shù)值。 現(xiàn)有客車設(shè)計中，第一、第二系懸掛的靜撓度比選擇在35:54-25:75之間，相對阻尼系數(shù)D選擇在0.2-0.3之間。2、兩系懸掛車輛橫向自由振動的簡化計算 分析中不計轉(zhuǎn)向架的慣性作用，把4個自由度系統(tǒng)簡化為2個自由度。 簡化時須把兩系懸掛的垂向剛度和橫向剛度正確換算成當(dāng)量一系懸掛剛度，盡量減少簡化造成的誤差。總結(jié): 研究輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)模型的基本及得到的基本規(guī)律，依然適用于實際車

10、輛。第四節(jié) 輪對蛇形運動 接觸斑 輪軌間出現(xiàn)蠕滑的條件：輪軌為彈性體，車輪與 鋼軌間有一定的正壓力，車輪沿鋼軌滾動。 蠕滑率（蠕滑） 縱向蠕滑率 橫向蠕滑率 蠕滑力x車 輪 實 際 前 進 速 度車 輪 純 滾 動 前 進 速 度車 輪 實 際 前 進 速 度z車 輪 實 際 橫 向 速 度車 輪 純 滾 動 橫 向 速 度車 輪 實 際 前 進 速 度Ff 第五節(jié) 車輛運行品質(zhì)及其評估標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容: 動荷系數(shù) 車體加速度幅值 Sperling平穩(wěn)性指數(shù) 客車、貨車運行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 客車在曲線上舒適性及其標(biāo)準(zhǔn)一、動荷系數(shù) 動荷系數(shù)是車輛在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動載荷幅值與車輛靜止時的載荷之比。動荷系數(shù)分橫向

11、和垂向兩種。 動載荷可用計算或?qū)崪y求得，若已知車體的垂向及橫向加速度，則:有時也用彈簧動撓度來求動荷系數(shù): 現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，利用加速度和彈簧動撓度 所得的動荷系數(shù)不一樣。 我國并未采用動荷系數(shù)作為評估標(biāo)準(zhǔn)。二、車體加速度的幅值 車體垂向和橫向加速度幅值大小可表示車體垂向和橫向動載荷，對旅客和貨物有較大影響，若振動為簡諧振動，則:三、Sperling平穩(wěn)性指數(shù) Sperlinq等人在大量單一頻率振動試驗的基礎(chǔ)上提出影響車輛平穩(wěn)性的兩個重要因素: 位移對時間的三次導(dǎo)數(shù)，在一定意義上代表力的變化率，會引起沖動的感覺。 振動時的動能大小 Sperling平穩(wěn)性指數(shù):把反映沖動的 和反映振動動能的 的乘積

12、 作為衡量標(biāo)準(zhǔn)來評定車輛運行品質(zhì)。 在整理車輛平穩(wěn)性指數(shù)時，把實測的車輛振動加速度記錄，通常按頻率分解，進行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振幅值，然后對每一頻率計算各自的平穩(wěn)性指數(shù)，按下式求出全頻段的總的平穩(wěn)性指數(shù):2、用平均最大加速度確定客貨車平穩(wěn)性等級 方法:當(dāng)車輛進行動力學(xué)試驗時，每次記錄的分析段時間為6s，在每個分析段中選取一個最大的加速度，若有m個分析段，則平均最大加速度: 評定客車平穩(wěn)性等級的常數(shù)3、最大加速度確定貨車的限制速度 貨車以最大加速度為振動強度極限值，垂向振動的最大加速度為0.7g，橫向振動最大加速度為0.5g。在 100km試驗區(qū)段內(nèi)，按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)測定通過直道、彎道和車站

13、側(cè)線時的最大振動加速度，在貨車的限制速度范圍內(nèi)超限加速度不應(yīng)大于3個。五、客車在曲線上舒適性及其標(biāo)準(zhǔn) 1、離心加速度 列車通過曲線時，車輛和旅客都要經(jīng)受離心力和離心加速度: 2、設(shè)置超高 設(shè)置超高后，旅客承受的離心加速度和重力加速度橫向分量可互相抵消一部分。過超高第六節(jié) 車輛運行安全性及其評估標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容: 車輛抗傾覆穩(wěn)定性及評估標(biāo)準(zhǔn) 輪對抗脫軌穩(wěn)定性及評估標(biāo)準(zhǔn)一、車輛抗傾覆穩(wěn)定性及其評估標(biāo)準(zhǔn) 車輛沿軌道運行時受到各種橫向力，在這些橫向力作用下造成車輛一側(cè)車輪減載，另一側(cè)增載。各種橫向力在最不利組合作用下，車輛一側(cè)車輪與鋼軌之間的垂向作用力減少到零，車輛有傾覆的危險。 傾覆系數(shù)D:車輛在橫向力

14、作用下可能傾覆的程度。2 2、輪對抗脫軌穩(wěn)定性評定標(biāo)準(zhǔn)(1)(1)根據(jù)車輪作用于鋼軌的橫向力評定車輪抗脫軌穩(wěn)定性 取輪緣上輪軌接觸斑為分割體，在各種作用力下，處于下滑而不能滑動的狀況:(2)根據(jù)構(gòu)架力H評定輪對抗脫軌穩(wěn)定性 由于輪軌之間的橫向力較難測量，在試驗時往往采用輪對與轉(zhuǎn)向架相互作用的構(gòu)架力來評定輪對的脫軌系數(shù)。(3)根據(jù)輪重減載率評定 在實際中發(fā)現(xiàn)，在橫向力不是很大，但一側(cè)車輪嚴(yán)重減載情況下也有脫軌的可能。(4)脫軌原因及防治措施 線路狀態(tài) 車輛結(jié)構(gòu)第七節(jié) 列車運行時的空氣流 列車速度提高之后，所產(chǎn)生的氣流對鐵路的影響有：增加列車的空氣阻力，列車通過時出現(xiàn)列車風(fēng)；會車時出現(xiàn)壓力波；列車通過隧道時引起隧道內(nèi)的壓力波動和微氣壓波等