车辆动力学理论课件

车辆动力学理论 湖南铁路科技职业技术学院 主讲人 袁清武 引起车辆振动的原因 激起车辆振动的线路原因 与车辆结构有关的激振因素 车辆运行平稳性及评定标准 车辆运行安全性及其评估标准 一 引起车辆振动的原因 a 高低不平顺 b 水平不平顺和轨距不平顺 c 方向不平顺 1 高低不平顺主要影响车辆的垂直振动 以左右轨面高度 严格讲应是轮对在左右轨面上的纯滚动线高度 z1 z2的平均值表示 二 激起车辆振动的线路原因 2 水平不平顺主要影响车辆的横向振动 表示为 二 激起车辆振动的线路原因 3 方向不平顺也影响车辆的横向振动 以左右轨头内侧面中心线偏离轨道中心线 严格讲应是左右轨面上纯滚动线距线路中心 偏离量的平均值表示 二 激起车辆振动的线路原因 4 轨距不平顺影响轮轨接触几何参数 在线性条件假设下一般不考虑它的影响 5 轨道不平顺按性质可分为3种 离散不平顺 周期性不平顺 随机性不平顺 各种不平顺对车辆运行平稳性 安全性有重大影响 因而要限制不平顺的幅度 二 激起车辆振动的线路原因 1 车轮偏心轮对在制造或维修中 由于工艺或机床设备等原因 车轴中心与实际车轮中心之间可能存在一定的偏心 当车轮沿轨道运行时 车轴中心相对瞬时转动中心会出现上下和前后的运动 这些变化会激起车辆的上下振动和前后振动 三 与车辆结构有关的激振因素 车轮偏心 2 车轮不均重如车轮的质量不均匀 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 三 与车辆结构有关的激振因素 2 车轮不均重如车轮的质量不均匀 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 如前所述 车轮偏心与不均重 都会引起轮轨之间的动作用 车辆运行速度越高 则引起的轮轨相互作用力越大 我国以常规速度运行的轮对 其偏心量有较严格的限制 经旋修的轮对 偏心量应小于0 6mm 未经旋修的轮对 偏心量应小于2mm 而轮对的偏重未作严格的规定 对于运行速度大于120km h的轮对 在制造或修理时要进行动平衡测试 检测不平衡量 每个轮对的动不平衡量不能超过75gm 如不合格需进行平衡整修 三 与车辆结构有关的激振因素 3 车轮踏面擦伤车轮踏面存在擦伤时 车轮滚过擦伤处 轮轨间发生冲击 钢轨受到一个向下的冲量 三 与车辆结构有关的激振因素 车轮踏面擦伤 4 车辆的自激振动在钢轮与钢轨的接触面之间存在着切向力 这种切向力称蠕滑力或粘滑力 它随车轮与路面或轨面的相对位置及运动状态而发生变化 在一定条件下 这种切向力会激起车轮乃至车辆发生剧烈振动 振动的原因是自激性的 如我国某铁路货车空车在70km h有时会产生一种所谓的 自激 蛇行失稳运动 其产生的原因可以明确排除线路不平顺 这种自激振动主要是在横向平面内产生的 它引起了车体及其转向架的强烈摇头和滚摆 剧烈时甚至引起车轮脱轨 危及行车安全 现代车辆为了隔离和衰减振动 在车体与走行部之间设置了柔软的悬挂系统 在不考虑车体自身的弹性振动时 车体作为刚体在悬挂系统上的振动将具有6个自由度 三 与车辆结构有关的激振因素 三 与车辆结构有关的激振因素 车体的空间振动 四 车辆运行平稳性及评定标准 车辆平稳性是评定乘客舒适程度的主要依据 反映了车辆振动对人体感受的影响 因此评定平稳性的方法主要以人的感觉疲劳程度为依据 通常以平稳性指标表示 我国主要用斯佩林公式来计算平稳性指标 值越大 说明车辆的平稳性越差 其计算公式为式中 j 振动加速度 cm s2 f 振动频率 Hz F f 与频率有关的修正公式 反映人体对不同方向和频率振动的敏感度 四 车辆运行平稳性及评定标准 我国铁路客车运行平稳性等级 四 车辆运行安全性及其评估标准 1 轮对脱轨条件及评定指标一般条件下 车辆从直线进入曲线 其转向是在轮轨导向力作用下完成的 这时前轮对的外侧车轮轮缘紧靠外轨 轮轨接触力如图所示 车轮在侧向力推动下逐渐爬上轨头 到达轮缘圆弧拐点时 如车轮不能滑回原位 则出现脱轨临界状态 此时车轮很有可能在 力作用下维持上升趋势直至脱轨发生 因此拐点处的临界状态是爬轨的分析条件 及 1是外轮作用给轨头的力 而 1及 1 1力则是轮轨接触处给车轮的法向力及切向力 它们是一对作用力与反作用力 其平衡方程式为 四 车辆运行安全性及其评估标准 四 车辆运行安全性及其评估标准 式中 1为摩擦因数 1为轮缘角 方程的解为 此表达式是车轮在爬轨过程中维持在拐点的平衡条件 可知 1角越大或摩擦因数越小 就越不易发生脱轨 定义为脱轨系数 超过限度就有脱轨可能 根据我国轮轨状态 我国标准规定为 1 0为第一限度 1 2为第二限度 第一限度是希望 不超过的允许限度 新车不能超过第一限度 而第二限度则是安全限度 四 车辆运行安全性及其评估标准 2 轮重减载引起的脱轨条件上面考虑的脱轨过程都是轮对在较大水平侧向力和较小轮重下形成的 从实际运用出现的脱轨事故中发现 有时脱轨轮对所受侧向力并不大 只是左右轮重发生了较大差异 这种情况下 可推出轮重减载的脱轨条件 P 左右轮重差 1为摩擦因数 1 2 1 2 分别为左右车轮与轨头接触处的摩擦因数及接触角 我国规定的允许限度为0 6 四 车辆运行安全性及其评估标准 3 影响脱轨的因素及防范措施影响车辆脱轨的因素很多 而实际脱轨往往是多种因素的组合所形成 其中某个因素起了决定性促成作用 主要的脱轨因素有线路 车辆和运用条件 线路的曲线超高 顺坡 三角坑及局部高值不平顺均会引起过大侧向力或轮重减载 车辆的转向架制造公差 回转力矩 轴箱横向定位刚度过大 斜对称载荷均会造成侧向力过大或引起轮重减载 侧向力过大 车辆重心过高 在曲线上也会导致减载超限 装载偏重 空车弹簧静挠度过小均会引起轮重减载 一般车辆低速由曲线进入直线时容易脱轨 风力过大有时也是曲线脱轨的原因 四 车辆运行安全性及其评估标准 4 车辆倾覆安全性当车辆弹簧柔性过大 重心过高时 在过大的离心力 振动惯性力或风力组合作用下 整个车辆一侧车轮减载过大而使车辆倾覆 它与低速脱轨时不考虑离心力 振动力的情况有所不同 车辆在横向力作用下可能倾覆的程度用倾覆系数 来表示 2 车辆外轨侧的垂直轮轨