軌道車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與參數(shù)優(yōu)選

1、1車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與參數(shù)優(yōu)選第一節(jié) 蛇行運(yùn)動(dòng)與自激振動(dòng)第二節(jié) 自由輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)第三節(jié) 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)臨界速度的影響23第一節(jié) 蛇行運(yùn)動(dòng)與自激振動(dòng)蛇行運(yùn)動(dòng)：v 具有一定形狀踏面的鐵道車輛輪對(duì)，沿著平直鋼軌滾動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種振幅有增大趨勢(shì)的特有運(yùn)動(dòng)輪對(duì)一面橫向移動(dòng)、一面又繞通過其質(zhì)心的鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)的耦合，稱為輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)。v 轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)（二次蛇行）v 車體蛇行運(yùn)動(dòng)（一次蛇行）4u 系統(tǒng)內(nèi)部的非振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為振動(dòng)的激擾力而產(chǎn)生的振動(dòng)。u 輪對(duì)上并未受到來自鋼軌的激振力，因此蛇行運(yùn)動(dòng)是一種自激振動(dòng)。u 低速時(shí)，自激振動(dòng)的頻率通常等于或接近系統(tǒng)的自振頻率，振幅取決于初始條件。u 車輛蛇行運(yùn)動(dòng)的

2、能量來自機(jī)車牽引力。自激振動(dòng)5共振與失穩(wěn)v 對(duì)于強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)，只要激振力中的某一個(gè)頻率與該系統(tǒng)的自振頻率中的某一個(gè)相等時(shí)就會(huì)發(fā)生共振，超過共振臨界速度后，共振現(xiàn)象就消失。v 對(duì)于自激振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)車輛的運(yùn)行速度略超過某一最低臨界速度值，系統(tǒng)中就開始失穩(wěn)。系統(tǒng)一旦失穩(wěn)，隨著速度的提高，失穩(wěn)程度也越嚴(yán)重。v 因此，車輛的運(yùn)行速度可以容許超過共振的臨界速度，而絕對(duì)不能超過蛇行運(yùn)動(dòng)的臨界速度。6車輛系統(tǒng)蛇行穩(wěn)定性判定方法車輛系統(tǒng)蛇行穩(wěn)定性判定方法線性方法：v 特征值法v 最小阻尼系數(shù)法非線性方法：v 極限環(huán)法7V=150km/h特征根法特征根法8V=500km/h9在不同速度下，車輛系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同的特征值

3、。當(dāng)在某一速度下系統(tǒng)的特征值實(shí)部出現(xiàn)負(fù)值且小于該速度時(shí)系統(tǒng)特征值不出現(xiàn)負(fù)值，則該速度為系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的線性臨界速度。10最小阻尼系數(shù)法最小阻尼系數(shù)法11第二節(jié)第二節(jié) 自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)自由輪對(duì)穩(wěn)定性特性自由輪對(duì)穩(wěn)定性特性:v 只要速度大于零，輪對(duì)的振幅將隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷擴(kuò)大，因此自由輪對(duì)從運(yùn)動(dòng)的開始就是失穩(wěn)的；v 在失穩(wěn)工況下，輪對(duì)的振幅（橫移）超過輪軌間隙時(shí)，輪緣就開始打擊鋼軌，這將損害車輛，破壞線路，甚至可能造成行車事故；v 自由輪對(duì)蛇行失穩(wěn)程度與輪對(duì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、蠕滑系數(shù)有關(guān)。120wVbr自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率：自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)：022wwbrVL自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與波長(zhǎng)

4、自由輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與波長(zhǎng)13整車蛇行失穩(wěn)整車蛇行失穩(wěn)14整車蛇行失穩(wěn)形式整車蛇行失穩(wěn)形式轉(zhuǎn)向架車輛具有兩種蛇行運(yùn)動(dòng)：第一種：車體蛇行（車體搖晃激烈、頻率較低），通常在較低速度下發(fā)生；第二種：轉(zhuǎn)向架蛇行（車體振動(dòng)不很明顯，轉(zhuǎn)向架激烈搖擺、頻率較高），通常在較高速度下發(fā)生；15 裝有剛性轉(zhuǎn)向架或自由輪對(duì)的車輛，其蛇行運(yùn)動(dòng)在本質(zhì)上本質(zhì)上就是不穩(wěn)定的。 輪對(duì)彈性定位彈性定位的轉(zhuǎn)向架式車輛，即使轉(zhuǎn)向架與車體之間不存在回轉(zhuǎn)阻尼或回轉(zhuǎn)復(fù)原彈簧，車體在低速范圍內(nèi)也是穩(wěn)定的。 采用輪對(duì)彈性定位的轉(zhuǎn)向架是抑制車體蛇行的措施之一，同時(shí)對(duì)提高轉(zhuǎn)向架的臨界速度也極為有效。整車蛇行失穩(wěn)特性整車蛇行失穩(wěn)特性16第三節(jié)第三

5、節(jié) 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響v 正常狀態(tài)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響正常狀態(tài)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響v 阻尼器失效狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)性能影響阻尼器失效狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)性能影響17v 軸箱縱向和橫向定位剛度軸箱縱向和橫向定位剛度v 軸箱彈簧垂向定位剛度軸箱彈簧垂向定位剛度v 軸箱垂向減振器阻尼軸箱垂向減振器阻尼v 二系縱向與橫向剛度二系縱向與橫向剛度v 二系橫向減振器阻尼二系橫向減振器阻尼v 抗蛇行減振器阻尼抗蛇行減振器阻尼一、正常狀態(tài)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響一、正常狀態(tài)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響181. 軸箱定位剛度軸箱定位剛度1924681012141680120160200240280320360 Kpy=2.0

6、 MN/m Kpy=3.5 MN/m Kpy=5.0 MN/m Kpy=6.5 MN/m Kpy=8.0 MN/mVcrKpx /MN.m-1無抗蛇行減振器時(shí)系統(tǒng)臨界速度無抗蛇行減振器時(shí)系統(tǒng)臨界速度20無抗蛇行減振器時(shí)系統(tǒng)臨界速度無抗蛇行減振器時(shí)系統(tǒng)臨界速度213691215200300400500 kpy=3 MN/m kpy=4 MN/m kpy=5 MN/m kpy=6 MN/m kpy=7 MN/m kpy=8 MN/m kpy=9 MN/mVcrKpx軸箱定位剛度對(duì)系統(tǒng)臨界速度影響軸箱定位剛度對(duì)系統(tǒng)臨界速度影響22v 在一定范圍內(nèi)，軸箱定位剛度越大，系統(tǒng)臨界速度越大，但在超過一定數(shù)值

7、后，系統(tǒng)臨界速度增加率明顯減小，并且在超過某一范圍后，臨界速度反而有所減?。籿 軸箱縱向定位剛度對(duì)臨界速度有決定性決定性的影響，軸箱橫向定位剛度對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的臨界速度影響較軸箱定位縱向剛度?。?對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性23橫橫向向輪輪軌軌力力軸箱定位剛度對(duì)曲線通過能力影響軸箱定位剛度對(duì)曲線通過能力影響24垂垂向向輪輪軌軌力力軸箱定位剛度對(duì)曲線通過能力影響軸箱定位剛度對(duì)曲線通過能力影響25輪對(duì)搖頭角位移軸箱定位剛度對(duì)曲線通過能力影響軸箱定位剛度對(duì)曲線通過能力影響26v 軸箱定位剛度對(duì)系統(tǒng)輪軌力有一定的影響：隨著剛度的增大，系統(tǒng)輪軌橫向和垂向力都有所增加；v 在小半徑曲線上，縱向剛

8、度對(duì)輪軌橫向力影響較大，在較大半徑上，縱向剛度對(duì)輪軌橫向力影響較??；v 縱向剛度越大，一般脫軌系數(shù)也越大；v 橫向剛度越大，車輛曲線通過能力越弱；對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性27軸箱定位剛度對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)影響軸箱定位剛度對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)影響4681012141.82.02.22.4Riding IndexKpx / MN.m-1 Wy Wz34567891.82.02.22.4 Wy WzRiding IndexKpy /MN.m-1v 縱向剛度對(duì)橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)無明顯影響；縱向剛度對(duì)橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)無明顯影響；v 橫向剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有一定的影響，對(duì)垂向平穩(wěn)橫向剛度對(duì)橫向平

9、穩(wěn)性指標(biāo)有一定的影響，對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)無明顯影響；性指標(biāo)無明顯影響； 280.60.81.01.21.4450452454456458460 Cpz=10kN.m.s-1 Cpz=20kN.m.s-1 Cpz=30kN.m.s-1Vcr km.h-1Kpz / MN.m-12. 軸箱彈簧垂向剛度對(duì)臨界速度影響軸箱彈簧垂向剛度對(duì)臨界速度影響 Wy Wz290.60.81.01.21.41.82.02.22.4 Wy WzRiding IndexKpz /MN.m-1軸箱彈簧垂向剛度對(duì)平穩(wěn)性影響軸箱彈簧垂向剛度對(duì)平穩(wěn)性影響 30v 軸箱垂向剛度對(duì)車輛穩(wěn)定性和曲線通過能力無明顯影響；v 軸箱垂向剛度

10、對(duì)橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響明顯；對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性313. 軸箱垂向減振器阻尼對(duì)臨界速度影響軸箱垂向減振器阻尼對(duì)臨界速度影響 32軸箱垂向減振器阻尼對(duì)平穩(wěn)性影響軸箱垂向減振器阻尼對(duì)平穩(wěn)性影響 102030401.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Kpz /kN.s.m-133 軸箱垂向減振器值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性幾乎沒有影響； 軸箱垂向減振器值對(duì)曲線通過能力幾乎沒有影響； 軸箱垂向減振器值對(duì)乘座舒適性有較大影響，一般有減振器值越大，舒適性越好；對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性344. 4. 二系縱向和橫向剛度對(duì)臨界速度影響二系縱向和橫向剛度對(duì)臨界速

11、度影響 350.10.20.30.40.51.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Ksx /MN.m-10.10.20.30.40.51.82.12.42.73.0 Wy WzRiding Index Ksy /MN.m-1二系縱向和橫向剛度對(duì)平穩(wěn)性影響二系縱向和橫向剛度對(duì)平穩(wěn)性影響 36v 中央懸掛縱向和橫向彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和曲線通過能力有一定的影響；v 縱向剛度對(duì)垂向和橫向舒適度指標(biāo)無明顯影響；v 橫向剛度對(duì)垂向舒適度指標(biāo)無明顯影響，對(duì)橫向舒適度指標(biāo)有明顯影響；對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性37二系垂向剛度對(duì)臨界速度和平穩(wěn)性影響二系垂向剛度對(duì)臨界

12、速度和平穩(wěn)性影響 0.20.30.40.50.61.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Ksz /MN.m-138v 二系垂向剛度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性無明顯影響；v 二系垂向剛度對(duì)系統(tǒng)橫向舒適度指標(biāo)無明顯影響，對(duì)垂向舒適度指標(biāo)有較大影響；對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性395. 5. 二系橫向阻尼對(duì)臨界速度和平穩(wěn)性影響二系橫向阻尼對(duì)臨界速度和平穩(wěn)性影響 10203040501.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Csy /kN.s.m-140 在一定范圍內(nèi)，二系橫向阻尼值對(duì)系統(tǒng)臨界速度有明顯影響； 對(duì)系統(tǒng)曲線通過性能幾乎沒有影響； 對(duì)系統(tǒng)垂向平穩(wěn)性幾

13、乎沒有影響； 對(duì)系統(tǒng)橫向平穩(wěn)性有明顯影響； 對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性416. 6. 抗蛇行減振器阻尼對(duì)臨界速度的影響抗蛇行減振器阻尼對(duì)臨界速度的影響 421002003004005001.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Ksx /kN.s.m-1抗蛇行減振器阻尼對(duì)平穩(wěn)性影響抗蛇行減振器阻尼對(duì)平穩(wěn)性影響 43 抗蛇行減振器阻尼值對(duì)車輛系統(tǒng)的臨界速度影響十分明顯十分明顯，在一定值范圍內(nèi)，阻尼值越大系統(tǒng)臨界速度也越高，但當(dāng)超過一定范圍后，阻尼值增加系統(tǒng)臨界速度不再增大； 抗蛇行減振器阻尼對(duì)系統(tǒng)曲線通過能力無明顯影響； 抗蛇行減振器阻尼對(duì)橫向平穩(wěn)性有一定影響：

14、阻尼值越大，平穩(wěn)性指標(biāo)越小，乘坐舒適度越好； 抗蛇行減振器阻尼對(duì)垂向平穩(wěn)性幾乎沒有影響。對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性447. 7. 踏面斜率對(duì)臨界速度的影響踏面斜率對(duì)臨界速度的影響 v 踏面斜率越大系統(tǒng)臨界速度越低；v 踏面斜率越大系統(tǒng)曲線通過能力越強(qiáng)；45v 踏面斜率是影響蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度的最重要參數(shù)之一，僅次于輪對(duì)定位剛度。踏面斜率越大系統(tǒng)臨界速度越低；v 為追求高的臨界速度，日本新干線電動(dòng)車組上的車輪踏面曾降至0.025，但隨之帶來車輪踏面旋削次數(shù)及旋削量增加的麻煩；v 踏面斜率越大系統(tǒng)曲線通過能力越強(qiáng)；v 踏面斜率在新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架時(shí)可以選定，但經(jīng)過一段時(shí)期后，大致穩(wěn)定在0.1

15、5-0.25之間；對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性468. 8. 蠕滑系數(shù)對(duì)臨界速度的影響蠕滑系數(shù)對(duì)臨界速度的影響 47 當(dāng)蠕滑系數(shù)較小時(shí)臨界速度也較低； 當(dāng)超過一定值后上升趨勢(shì)逐漸緩慢；對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性489. 9. 固定軸距對(duì)臨界速度的影響固定軸距對(duì)臨界速度的影響 49 臨界速度隨著轉(zhuǎn)向架固定軸距的增加而單調(diào)上升； 固定軸距增加車輛曲線通過能力有所下降； 為了平衡曲線通過能力并且使轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)更為緊湊和減輕重量，選用固定軸距總是力求短些好。對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響特性50減振器失效工況減振器失效工況v 抗蛇行減振器失效抗蛇行減振器失效v 二系橫向

16、減振器失效二系橫向減振器失效v 二系垂向減振器失效二系垂向減振器失效v 二系垂向減振器失效二系垂向減振器失效51整車抗蛇行減振器失效后系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能整車抗蛇行減振器失效后系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能Vcr=257.16 km/h Vcr= 452.87 km/h 1. 系統(tǒng)臨界速度系統(tǒng)臨界速度52方向100120140160180200220橫向2.282.352.432.582.642.732.83垂向2.562.742.892.973.033.123.23方 向100120140160180200220橫 向1.982.052.072.122.202.232.28垂 向1.641.711.821.861

17、.921.972.032. 平穩(wěn)性平穩(wěn)性53 對(duì)系統(tǒng)臨界速度起決定性作用的參數(shù)主要是軸箱縱向和橫向定位剛度、抗蛇行減振器阻尼和二系橫向阻尼； 固定軸距、軸箱懸掛橫向跨距以及二系橫向剛度對(duì)臨界速度也有一定的影響； 其他參數(shù)如一系懸掛垂向剛度與阻尼、二系縱向剛度、二系懸掛垂向剛度與減振器阻尼、止擋自由間隙與彈性剛度、抗側(cè)滾扭桿剛度等，對(duì)系統(tǒng)臨界速度幾乎沒有影響。 參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響54 對(duì)于系統(tǒng)曲線通過能力起決定性作用的參數(shù)，仍主要是軸箱縱向和橫向定位剛度； 軸距、軸箱懸掛橫向跨距、抗側(cè)滾扭桿剛度對(duì)系統(tǒng)曲線通過能力有一定的影響，但不十分明顯； 其他參數(shù)則對(duì)系統(tǒng)曲線通過幾乎沒有影響，或

18、者說系統(tǒng)所有的垂向懸掛參數(shù)對(duì)系統(tǒng)曲線通過能力幾乎沒有影響。 參數(shù)對(duì)曲線通過能力影響參數(shù)對(duì)曲線通過能力影響55蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性是衡量車輛（轉(zhuǎn)向架）橫向蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性是衡量車輛（轉(zhuǎn)向架）橫向動(dòng)力學(xué)性能的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，但必須動(dòng)力學(xué)性能的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，但必須兼顧車輛的曲線通過性能，因?yàn)檗D(zhuǎn)向架的主兼顧車輛的曲線通過性能，因?yàn)檗D(zhuǎn)向架的主要參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性和曲線通過性能兩者的影響要參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性和曲線通過性能兩者的影響通常相互矛盾。通常相互矛盾。車輛穩(wěn)定性與曲線通過車輛穩(wěn)定性與曲線通過56參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性影響參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性影響 對(duì)系統(tǒng)垂向平穩(wěn)性影響起決定性作用的則主要是垂向懸掛參數(shù)，如軸箱懸掛垂向剛度與減振器阻尼、二系懸掛垂向剛度與減振器阻尼； 對(duì)系統(tǒng)橫向平穩(wěn)性影響起決定性作用的則主要是橫向懸掛與結(jié)構(gòu)參數(shù)，如軸箱橫向定位剛度、二系懸掛橫向剛度與跨距、橫向減振器阻尼等。 其它參數(shù)對(duì)平穩(wěn)影響不是十分明顯。 57彈簧越柔軟則可使乘坐越舒適，但卻會(huì)影響緩沖橡膠的耐久性，而且還會(huì)降低運(yùn)行的穩(wěn)定性。58 性能 參數(shù) 穩(wěn)定性 輪重變化 曲線橫向力 抗傾覆 舒適性 軌道破