城市轨道交通车辆动力学基础

城市轨道交通车辆构造,连苏宁主编,第七章城市轨道交通车辆动力学基础,【问题导入】作为交通工具，地铁车辆的舒适程度是最受人们关注的。城市轨道交通车辆在各方面的设计上都必须充分考虑乘客的舒适感。本章就引起车辆振动的原因、轮轨接触及滚动理论、轮对的蛇行运动、车辆运行品质及其评价标准、车辆运行安全性及其评估标准、列车运行时的空气流等内容进行分析，从理论上在车辆动力学方面建立一定的基本概念。,第七章城市轨道交通车辆动力学基础,【学习目标】1.分析引起车辆振动的原因。2.通过学习轮轨接触及滚动理论，分析各种情况下轮对的蛇行运动。3.了解车辆运行品质及其评价标准。4.了解车辆运行安全性及其评估标准。,【学习目标】1.教学场地：教室、互联网多媒体教室；城市轨道交通车辆转向架、轮对、减振装置模型实训室。2.设备要求：至少具有能连接互联网的多媒体教室一个，各种形式城市轨道交通车辆走行装置仿真模型一套，能放视频投影的设备及课件、视频介绍一套。3.课时要求：课堂讲授6课时；实地观察、分析2课时。,第一节引起车辆振动的原因,图7-1轨道不平顺的四种类型a)高低不平顺b)水平不平顺和轨距不平顺c)方向不平顺,一、激起车辆振动的线路原因,图7-2轨道的随机不平顺的功率谱密度函数示例50kg重钢轨的有缝轨道50kg重钢轨的无缝轨道,第一节引起车辆振动的原因,二、与车辆结构有关的激振因素1.车轮偏心,图7-3车轮偏心,2.车轮不均重,第一节引起车辆振动的原因,图7-4车轮踏面擦伤,第一节引起车辆振动的原因,3.车轮踏面擦伤,4.车辆的自激振动,图7-5车体的空间振动,第一节引起车辆振动的原因,第二节轮轨接触及滚动理论,一、轮轨接触几何关系(等效斜率、重力刚度及重力角刚度),图7-6弧形轮轨外形的轮轨接触几何关系,1.等效斜率e2.重力刚度K3.重力角刚度,图7-7磨耗前后的轮轨接触关系变化a)磨耗前后的等效斜率变化b)磨耗前后的接触角变化1新轮轨2旧轮轨,第二节轮轨接触及滚动理论,二、轮轨接触蠕滑关系1.粘着区和滑动区2.蠕滑与蠕滑率3.蠕滑力,第二节轮轨接触及滚动理论,图7-8不同实验者所做纵向蠕滑实验值与理论曲线的比较Johnmn和Vermeulen(上)松井信夫和横濑景司(下)OckwellLoachBarwell和Woolcaott,第二节轮轨接触及滚动理论,4.粘着系数,图7-9不同轮轨接触表面状态的蠕滑关系,第二节轮轨接触及滚动理论,第三节轮对的蛇行运动,图7-10通常情况的轮对蛇行运动轨迹,一、自由轮对的蛇行运动1)刚体自由轮对沿平直轨道作等速运动。2)轮对的运动属微幅振动，其轮轨接触几何形状与面积、蠕滑率(力)关系均为线性，纵横向蠕滑系数近似相等，即f11=f22=f。3)轮对具有小锥角踏面、较小等效斜率e，暂不计重力刚度与角刚度的因素。4)轮对横摆、摇头自由度为y、，不考虑侧滚惯性及旋转蠕滑影响。,表7-1轮对蛇行运动产生的蠕滑率与蠕滑力,第三节轮对的蛇行运动,表7-2特征根与稳定性,二、转向架的蛇行运动1.刚性转向架的蛇行运动2.弹性转向架的蛇行运动1)很柔性的二系悬挂车体与转向架为弱耦合，车体振动对转向架几乎不产生影响，只传递垂直荷载。,第三节轮对的蛇行运动,2)构架重心与车轴中心线高度相近，不考虑侧架侧滚。3)一系及二系悬挂为线性特征。,第三节轮对的蛇行运动,图7-11弹性转向架蛇行运动计算简图,第三节轮对的蛇行运动,图7-12特征值随速度变化特性,第三节轮对的蛇行运动,(1)轮对定位刚度轮对的纵向定位刚度K1x、横向定位刚度1y是转向架控制轮对运动的直接因素。,(2)车轮踏面等效斜率ee是影响蛇行运动的关键参数之一，它与临界速度的关系可用cr来描述。(3)蠕滑系数蠕滑系数对蛇行运动有影响，一般是蠕滑系数小，临界速度也小。(4)转向架固定轴距固定轴距增大会使蛇行临界速度提高，但是却对曲线通过不利，一般倾向取短的固定轴距以改善轮轨磨耗。,第三节轮对的蛇行运动,(5)中央悬挂装置中央悬挂装置内的两系回转复原弹簧2x对提高蛇行临界速度有很大影响，如果在那里设置了具有非线性磁滞饱和特性的悬挂元件，在直线运行的小振幅时,这种特性呈现出高约束性，而在曲线通过时则位于饱和位置以减少对转向的约束，如图所示。,第三节轮对的蛇行运动,图7-14非线性悬挂元件特征曲线a)一般的回环和饱和特性b)无间隙的复原力矩M()与偏角位移间的关系c)构架与摇枕间含间隙情况下M()与关系,第三节轮对的蛇行运动,第四节车辆运行品质及其评价标准,图7-15横向平稳性指标与振动加速度曲线,表7-3我国铁路客车现行的运行平稳性等级,第四节车辆运行品质及其评价标准,第五节车辆运行安全性及其评估标准,图7-16车轮脱轨的作用力关系,1.轮对脱轨条件及评定指标,2.轮重减载引起的脱轨条件3.影响脱轨的因素及防范措施4.车辆倾覆安全性,第五节车辆运行安全性及其评估标准,第六节列车运行时的空气流,图7-17列车空气流a)头部b)尾部c)边界层及涡流d)尾流区中纵向涡流,一、明线(非隧道)上运行的列车1.气流特点,(1)挤压区高速列车运行时，由于空气惯性，引起列车前面的空气堆积，静压力升高。(2)摩擦区第二部分气流为摩擦区，这里的气流呈线流，分布在列车大部分长度上。(3)尾流区列车驶过以后，所占的空间立即被空气填充，这就引起空气快速运动。2.空气阻力,第六节列车运行时的空气流,图7-18明线上空气阻力1200系列2star21(初期)3star21(改进),第六节列车运行时的空气流,图7-19列车阻力系数及组成a)传统列车b)APT-E先进电气化快速列车c)TGV高速列车d)ICE无任何流线形外罩e)ICE在转向架之间下部设备加流线形外罩f)ICE加转向架裙板，下部设备全部加流线形外罩，受电弓外罩并封闭车辆之间间隙,第六节列车运行时的空气流,3.列车风,图7-20列车风,4.会车压力波,第六节列车运行时的空气流,图7-21三种不同车头形状的会车压力波峰值在观测车上的变化情况,第六节列车运行时的空气流,二、隧道中运行的列车1.隧道中的气流特点2.列车阻力3.列车风4.列车在隧道内的压力波5.隧道微气压力波6.隧道内会车压力波三、在压力波作用下的舒适度标准,第六节列车运行时的空气流,第七章城市轨道交通车辆动力学基础,【实践操作】1.操作练习1)在课余时间，根据本章所学的知识，调研本地城轨车辆运用条件，分析车辆运行时车辆振动的原因、轮对的蛇行运动，评价车辆运行品质。2)在课余时间，根据本章所学的知识，调研本地城轨车辆运用条件，分析随着列车速度的提高，空气流变化，车辆蛇形运动平稳性及车辆运行平稳性。2.书面练习1)为什么车辆在线路上运行时会出现各种振动，有哪些主要原因?2)车辆自振频率大小与振幅有没有关系?,第七章城市轨道交通车辆动力学基础,3)在车辆交车检查验收时同一车辆的车钩高度忽高忽低，为什么不是一个固定值?4)车辆有哪些振动形式?5)轮对蛇行运动的根本原因是什么?6)评定车辆运行平稳性采用什么标准?7)影响车辆运行安全性有哪些方面?评定的标准是什么?8)