机车车辆制动颤振现象分析和减振措施.doc

黑龙江交通职业技术学院黑龙江交通职业技术学院毕业论文铁道车辆专业 题目：铁道车辆制动颤动现象分析与减振措施 摘要:对机车车辆在低速制动工况下转向架及制动系统发生的颤振现象进行了系统分析， 通过对制动中轮对闸瓦摩擦副特性曲线、制动系统动态特性的分析研究可知, 摩擦副负特性曲线是引起制动系统颤振的根本原因, 可通过加强制动器与转向架构架连接刚度的方法来抑制和消除制动系统颤振，同时实施有效的减振措施也是必不可少的，现代轨道交通车辆不断地朝着高速化、轻量化以及低噪音方向发展，所以提高车辆的运行状态是势在必行也是大势所趋，这里我将简要介绍车辆制动颤动现象和减振一些措施。目录1、机车车辆颤振现象 3 2、机车车辆颤振机理分析 42.1、 自激振动的概念 42.2 制动颤振的原因 5 3、 减 振 措 施 83.1 空气弹簧减振 93.2 空气弹簧悬挂系统的构成 9 3.3 空气弹簧在不同转向架中的应用 12 3.4 补充 134 结语 135 致 谢 14 1机车车辆颤振现象制动装置是机械设备中不可缺少的部件之一, 如飞机着陆, 列车和汽车行驶中的减速、停止, 起重设备的升降、位置的控制等都需要在传动系统中装设制动装置目前大多数采用的是摩擦制动装置, 即用摩擦力作为制动力, 使运动物体达到减速、停止的目的L因此制动系统的制动效果与制动副摩擦性能的关系极大L为保证制动的安全可靠性和制动装置寿命, 就应保持和稳定一定的摩擦力和制动副表面的耐摩性.凡是影响制动副摩擦磨损性能的因素, 均会影响其制动性能的改变及变化规律, 尤其以制动过程令动能转变为热能, 使摩擦表面温度急剧上升的影响最大, 制动副材质的选配及相应的结构参数设计都与此有关。机车车辆一般采用摩擦制动, 在低速制动时只采用摩擦制动L制动时, 制动控制装置根据制动指令使制动缸内产生相应的制动缸压力, 该压力通过制动缸使制动缸活塞杆产生推力, 经基础制动装置中的一系列杆件的传递、分配, 使每块闸瓦都贴靠车轮踏面, 并产生闸瓦压力L由于车轮与闸瓦之间有相对滑动, 产生摩擦力, 最后, 通过轮轨关系转化为轮轨之间的制动力L缓解时, 制动控制装置将制动缸内压力空气排出, 制动缸活塞在制动缸缓解弹簧的作下退回, 通过各杆件带动闸瓦离开车轮踏面L如果机车车辆转向架构架及其制动系统结构设计得不合理, 在实际运用中会使机车车辆在低速制动工况下出现颤振现象, 制动颤振是一种十分有害的振动, 对机车车辆走行部损坏较大, 应在设计时采取措施予以避免。制动工况下的颤振表现为, 机车车辆在低速时(速度一般低于20 km )没有周期性外力作用下(无牵引力等) 实施制动, 闸瓦与车轮踏面或闸片与制动盘之间产生剧烈振动, 该振动同时引起转向架构架及其悬挂零部件发生强烈振动, 该振动通过弹簧和减振装置及其他连接装置又传递给车体, 激起车体及其内部各种元器件的各阶模态振动, 对机车车辆内部设施和转向架破坏极大该振动频率为100200 Hz, 通常称作制动颤振机车车辆制动时的颤振是一种非常有害的高频振动, 该振动对车体内设备、转向架零部件、制动系统产生较大的破坏作用, 恶化了机车车辆的运行平稳性, 危害乘务员的身心健康,伴随颤振产生的刺耳尖叫声对铁道沿线的噪音污染加重, 机车车辆不能平稳停车影响车辆的正常使用随着环境问题日益受到重视, 对车外噪声的要求越来越严格, 减小制动系统颤振及噪声是机车车辆设计中急需解决的问题在机车车辆实际运用中, 对出现了制动颤振的机车车辆, 为了避免颤振引起的不良影响, 只有被迫改变制动参数(如减少制动压力、制动倍率或更换制动机) 等被动手段来避免颤振的发生, 但这样使得机车或车辆的制动效率受到影响,达不到设计要求, 影响了正常的生产运用颤振问题在机床和运载工具上出现亦较多, 诸如切削颤振、飞机机翼颤振、飞机在地面运行时的走步问题、潜艇舵低速颤振等 不同系统的颤振其机理和振动强度不同, 目前已有再生颤振、摩擦颤振和振动耦合型等颤振, 到目前为止尚有一些系统的颤振机理未完全清楚, 有待进一步的研究机车车辆颤振, 是机车车辆制动过程中车轮踏面和闸瓦之间产生的一种十分强烈的振动, 属于自激振动颤振降低制动效率, 降低制动系统的使用寿命, 产生污染周围环境的摩擦噪音制动摩擦颤振研究已成为机车车辆动力学的一个新的研究课题, 是其一个新的分支, 制动颤振研究是对车辆动力学的补充和完善。 2机车车辆颤振机理分析对于机车车辆制动颤振的研究, 很自然是从颤振的机理与模型的研究开始的 制动颤振的研究内容可分为三个方面: 一是颤振机理与模型的研究, 主要包括颤振产生的物理原因、线性或非线性数学模型、稳定性条件等; 二是系统动态特性研究, 包括转向架构架的动态特性、制动过程的动态特性; 三是颤振预防及控制, 包括转向架构架的设计与改进, 构架结构型式和制动参数的调整等。2. 1自激振动的概念自激振动是指在没有周期性外力的作用下, 由系统内部激发及反馈的相互作用而产生的稳定的周期性振动自激振动由非振荡性能源、调节系统和振动系统三个部分组成, 如图1 所示非振荡性能源供给自激振动系统所消耗的能量, 具有反馈特性的调节系统将振动系统所产生的交变运动量变换为交变力, 并反馈到振动系统, 以维持振动持续进行。 图1自激振动系统F ig. 1Sef2excited system 2. 2制动颤振的原因根据制动颤振形成的物理原因, 一般认为有摩擦型颤振和振动耦合型颤振两种 对于后一种模型的研究资料不是很多, 大部分的研究主要以摩擦型颤振为主 摩擦型颤振是指滑动速度方向上闸片与车轮踏面之间的相互摩擦所引起的颤振由于机车车辆制动工况下颤振是由于在施加制动力情况下才出现, 同时在摩擦片和轮对踏面之间有摩擦力存在,因此可认为该颤振属摩擦型颤振, 也称作摩擦噪声。摩擦颤振机理一般认为是摩擦力- 相对滑动速度关系的负斜率机理(也称粘滑机理) , 车轮踏面和闸瓦制动摩擦副摩擦力- 相对滑动速度实测曲线如图2所示图2高磷与中磷闸瓦摩擦系数F ig. 2Coefficient of h igh and m idde P brake shoe任何闸瓦应具有适当的摩擦系数, 必须使列车在一定制动率范围内, 在规定的距离内停车, 即使在潮湿及冬季气候条件下, 摩擦系数衰减少, 也能够保证制动距离的停车要求 目前大部分国家仍以铸铁作为主要闸瓦制动摩擦材料, 铸铁闸瓦随着含磷量增加, 摩擦系数逐渐提高, 特别是高速区段摩擦系数衰减少, 也能够保证制动距离的要求当含磷量为2.5% 3% 时, 摩擦系数趋于稳定 由图2 可看到, 随着车辆运行速度的不断提高, 闸瓦和车轮间的摩擦系数逐渐下降, 即当制动压力一定情况下摩擦力和车轮踏面和闸瓦相对滑动速度呈现负斜率情况 这种情况符合摩擦颤振发生的基本要求。机车车辆在制动过程中, 在没有周期性外力的作用下, 闸瓦和车轮踏面之间产生强烈的相对振动,这种现象的振动属于转向架及制动系统的自激振动, 称为制动颤振，制动颤振发生时, 动态制动力随之而产生, 在转向架构架和车体上有明显的、有规律的振动, 这不仅降低了制动效率, 而且对制动系统和车体上的电器元件的使用寿命带来了不利的影响。 制动过程中产生的自激振动具有以下特征:(1) 自激振动是在没有周期性外力干扰下所产生的振动运动(2) 自激振动的频率接近于转向架构架和制动系统薄弱环节的固有频率, 即自激振动频率取决于转向架构架及制动系统固有频率。转向架与制动过程形成一个闭环系统, 如图3示，制动力激起制动块与踏面之间的相对振动, 而相对振动又使得制动力变动, 进一步激起制动块与车轮的颤振转向架与制动过程的这种内部反馈, 决定了振动(即颤振) 是自激振动, 而构成自激振动的整个总系统可称作转向架制动颤振系统。图3转向架及制动系统颤振框图F ig. 3The chat ter chart of bogie and brake设制动块质量为m , 支撑刚度为k , 车轮踏面线速度为va0, 制动块速度为v,两者相对位移和相对速度分别为z = v - v 0, z= v- v0在干摩擦或润滑不充分的摩擦工况下, 滑动摩擦摩擦面之间的摩擦力与摩擦面之间的相对滑动速度va之间的关系如图2Z当滑动开始后, 摩擦力会随着相对滑动速度的上升而下降, 在原点附近的阻尼特性具有负阻尼性质, 位移较大时转化为正阻尼Z 车轮和制动块振动系统如图4 所示根据动力学定律可写出制动块的垂向运动方程为:m v+ (va- va0) + kv= 0 （1）利用等倾线法绘出制动块的相轨迹, 如图5图4制动系统颤振分析模型F ig. 4Chat ter mode of brake system所示：图5制动块相轨迹F ig. 5Phase ocus of brake bake原点处的奇点为不稳定焦点, 对应于不稳定的制块平衡位置, 当制动块因扰动偏离平衡位置时, 相点沿螺线向外运动, 振幅不断增大, 一旦相点达到水平段P 1P 2, 即沿此线段移动到达右边的端点P 2, 然后环绕原点一周后再与P 1P 2 线段相遇, 并再次重复此过程, 于是过点P 2 的相轨迹成为相平面内的极限环, 这种具有恒定频率和恒定振幅的周期运动就是制动块的自振, 即制动颤振Z无粘滑现象时制动块相轨迹为以坐标原点为焦点的对数螺旋线, 这表明制动块不会发生周期运动, 即如果摩擦力- 相对速度曲线斜率均为正值, 则系统不会发生自振了Z由此可得出如下结论: 粘滑现象是摩擦引起制动块自振的根本原因。在设计时, 考虑构架的抗振性, 对构架的刚度和阻尼进行合理的匹配, 特别是优化制动座与主振方向上的刚度和阻尼, 或在转向架使用阶段, 对构架薄弱环节进行结构改进, 通过补焊筋板等手段调整制动系统的安装刚度与阻尼, 通过这些方法可减弱和消除颤振现象。调整制动参数的控制方法主要是针对已经批量生产, 问题暴露晚, 结构无法改变的转向架, 调整的参数主要通过更换制动机或调整制动压力等进行,以减小颤振的发生, 但是这种方法是以牺牲制动效率为代价的。3 减 振 措 施车辆要想高速运行和制动平稳就必须有较好的减震措施，我国目前的减振方式也有以前的单一的刚弹簧减振转为多种减振方式共同减振，例如刚弹簧减振、横向和垂向油压减振器减振，其中只得以提的是运用于高速列车具有较好减振措施的空气弹簧减振。空气弹簧悬挂系统具有理想的反S形非线性刚度特性，在正常工作范围内刚度很低，而振幅较大时其刚度具有陡增的特点，可以限制车体发生过大的位移。空气弹簧还能够有效地吸收高频振动和隔离噪音，并且由于自动高度控制阀的采用使空气弹簧悬挂可以保持地板高度不随车辆静载荷的变化而发生变化（除一系悬挂和车轮磨耗外）即空气弹簧具有恒定的工作高度。此外，更为重要的是，随着空气弹簧技术的不断进步，尤其是低横向刚度、大扭转变形空气弹簧的实用化，使得无摇枕转向架的研制成为可能。在无摇枕转向架中，利用高柔性空气弹簧低横向刚度和允许大扭转变形的特点，取消了传统转向架二系悬挂结构中的摇动台和摇枕装置而采用空气弹簧直接支承车体，使转向架的结构大为简化，减轻转向架的重量8001000kg，实现了轻量化，同时提高了转向架的易维护性和安全可靠性。相同条件下，决定空气弹簧刚度特性的主要因素是橡胶囊的形状、材质、帘线角以及上盖和下座的几何参数等。此外，所采用的金属叠层橡胶辅助弹簧的形式对空气弹簧系统的性能也有重要影响。一般对于采用空气弹簧悬挂的车辆要求车辆垂向和横向的低频自振频率不大于1Hz。评价空气弹簧性能的主要参数有：有效直径，约450640mm。垂直静/动刚度，垂直静刚度一般为0.30.4MN/m。水平静/动刚度，水平静刚度一般为0.150.2MN/m。最大允许的垂向位移，30mm。最大允许的横向位移，60120mm。工作高度，约200300mm。3.1空气弹簧减振与空气弹簧相比，钢弹簧由于具有线性刚度特性，使其在轨道交通车辆上的应用受到限制，这主要有两方面的原因：（1）在高速轨道交通领域刚弹簧不能够大幅度提高车辆悬挂系统静挠度以降低车体的自振频率，尤其是车辆的载客量较大时；（2）城市轨道交通车辆的载客量大而且要求地板高度在不同载客量时基本不变，钢弹簧不具备这种特性总之，空气弹簧悬挂的采用可以显著提高车辆系统的运行平稳性，大大简化转向架的结构，使转向架实现轻量化和易于维护。一般来讲，轨道交通车辆对空气弹簧的采用可以分为三个阶段：利用空气弹簧的垂向特性，提高车辆系统的垂向运行平稳性；空气弹簧的垂向和横向特性并用，取消转向架二系悬挂装置中的摇动台，简化转向架结构；充分利用大变位（包括扭转）、低横向刚度空气弹簧的三维特性，取消摇枕，彻底实现转向架二系悬挂装置的轻量化，同时使抗蛇行运动减振器的采用成为可能，可更好地协调转向架蛇行运动稳定性和良好的曲线通过性能之间的矛盾3.2 空气弹簧悬挂系统的构成 图-3 空气弹簧悬挂系统 1.空气弹簧 2.高度控制阀 3.高度调整连杆 4. 高度调整杠杆5.列车风源 6.排气口 7.节流孔(阀) 8. 附加空气室 9.差压阀空气弹簧悬挂的整个系统如图-3所示，主要由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制装置、差压阀和节流孔(阀)等组成。该系统的工作原理为：车辆静载荷增加时，空气弹簧1被压缩使空气弹簧工作高度降低，这样高度控制阀2随车体下降，由于高度调整连杆3的长度固定，此时高度调整杠杆4发生转动打开高度控制阀的进气机构，压力空气由列车风源5通过高度控制阀的进气机构进入空气弹簧1和附加空气室8，直到高度调整杠杆回到水平位置即空气弹簧恢复其原来的工作高度；车辆静载荷减小时，空气弹簧1伸长使空气弹簧的工作高度增大，高度控制阀2随车体上升，同样由于高度调整连杆3的长度固定，高度调整杠杆4发生反向转动打开高度控制阀的排气机构，压力空气由空气弹簧1和附加空气室8通过高度控制阀的排气机构经排气口6排入大气，直到高度调整杠杆回到水平位置。3.3 空气弹簧在不同转向架中的应用空气弹簧二系悬挂的结构有三种基本形式的应用：摇动台式、有摇枕式和无摇枕式。这三种形式既是依次进步的，也是共同并存的，三者对空气弹簧性能的要求有很大的区别。对于用于有摇动台和摇枕装置的转向架的空气弹簧主要是利用了其低的垂向刚度而二系悬挂低的横向刚度主要有摇枕吊杆装置提供，对空气弹簧的纵向刚度没有要求。车辆运行中空气弹簧的横向位移很小，基本没有纵向和扭转位移。典型的转向架有209PK、209HS、BT10和CW-2等。对于用于无摇动台有摇枕装置的转向架的空气弹簧利用空气弹簧低的垂向刚度而且利用空气弹簧低的横向刚度取消了摇动台装置，对空气弹簧的纵向刚度没有要求。车辆运行中空气弹簧的横向位移一般最大不超过60mm，基本没有纵向和扭转位移。此种转向架有Y36P、DT200、206KP、SW160和DK3型地铁客车转向架等。3.4 补充当然不论是空气弹簧减振装置还是其他减振装置仅