车辆系统动力学第三讲

1、主要内容：第一节 轮对结构及其对动力学性能影响第二节 轮轨接触状态及影响因素第三节 轮轨接触几何关系求解第四节 道岔区轮轨接触几何关系第一节 轮对结构及其对动力学性能影响一、轮对组成与基本要求一、轮对组成与基本要求轮对是由一根车轴和两个相同的车轮组成。轮轴结合处采用过盈配合，在运行过程中不允许有任何松动现象发生。 轮对影响着运行安全性，不止承担着车轮全部重量，还承受着从车体、转向架和钢轨等方面传递来的各种静、动作用力，受力情况复杂。对轮对的要求： 应该有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行。 F=mv/t 应不仅能够适应车辆直线运行，同时又能够顺利地通过曲线和道岔，而且应具备

2、必要的抵抗脱轨的能力。 应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以减小驱动牵引力和延长使用寿命。对车辆系统动力性能影响明显的轮对外形和尺寸主要有1.轮缘2.车轮名义直径3.轮对内侧距4.踏面斜度。二、轮对形状尺寸与线路相互关系二、轮对形状尺寸与线路相互关系 1、轮缘 轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮脱轨的重要部分。 2、车轮名义直径 车轮各处直径不同，规定，车轮在离轮缘内侧70mm处的圆称为滚动圆，并以滚动圆的直径作为车轮名义直径。轮径小可以降低车轮重心、增大车体容积、减小车轮簧下质量、缩小转向架固定轴距，对于地铁还可以减小建筑限界、降低工程成本；但是，小直径车轮使车轮阻力增大、轮轨接触应力增大

3、、踏面磨耗较快、通过轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。 3、轮轨内侧距 轮缘的内侧距离影响行车安全和运行平稳性。（1）保证轮缘与钢轨之间有一定的游间，以减小轮缘与钢轨磨耗并实现轮对的自动对中作用，避免对轮对两侧车轮直径的允许公差要求过高，避免轮轨之间的过分滑动及偏磨现象。但是，从车辆运行品质角度考虑，则要求有尽可能小的间隙，以限制轮对蛇行运动的振幅，防止因间隙过大恶化车辆乘坐舒适度。 轮轨间隙计算方法： 中国：单侧轮轨间隙为9mm，轮轨磨耗慢，舒适性差。 日本和欧洲：单侧轮轨间隙为5.5mm，轮轨磨耗快，舒适性好。（2）安全通过曲线和辙叉。 轨距一定的情况下，轮轨间隙的大小与轮缘内侧距有密

4、切的关系。轮轨间隙太小，可能会造成轮缘与钢轨的严重磨耗；轮轨间隙过大，会使轮对蛇行运动的振幅增大，影响车辆运行品质。 4、车辆踏面斜度轮对径向通过曲线时可以减小运行阻力，减轻磨耗，避免脱轨。为达到轮对径向通过曲线目的，同一车轴上外侧车轮的滚动圆半径必须大于内侧车轮的滚动圆半径。同一时间间隔内，外侧轮对走过的距离大于内侧车轮滚过的距离，因此，车轮踏面必须有斜度，增大踏面斜度，有利于通过半径较小的曲线。三、车轮踏面类型与作用三、车轮踏面类型与作用 1、车轮踏面主要作用 （1）便于通过曲线； （2）可自动对中； （3）踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。 车轮踏面应具备下列条件：应具有较好的抗蛇行运动稳定性

5、；应具有良好的防止脱轨的安全性；轮轨之间的磨耗少，发生磨耗后，不仅磨耗要均匀，而且外形变化也要小；易于曲线通过；轮轨之间接触应力要小；旋修车轮时无益的磨耗少，切削去掉部分的质量要小等。 2、车轮踏面类型 目前各国使用的车轮踏面按外形可以归结为三种： 圆柱形踏面 锥形踏面 凹形踏面（圆弧形踏面、磨耗型踏面）圆柱形踏面圆柱形踏面 这种踏面在旅客和货物运输列车上不采用。目前只在日本少数的轨检车上能够见到，目的是在轨道检测时，消除轮对踏面斜度对轨道高低和水平不平顺测试结果造成的不良影响。锥形踏面锥形踏面 TB 449-76规定的形状。 最外侧R=6，作用是便于通过小半径曲线，便于通过辙叉。 轮缘处圆弧

6、半径以及圆弧中心位置的选择十分重要，关系到轮轨之间是否可能出现两点接触以及两点接触之间垂向距离的大小。磨耗型踏面磨耗型踏面 磨耗后的形状相对稳定。 开始做成磨耗型踏面，可减少轮与轨的磨耗、延长寿命；减少了换轮和旋论的工作量。 减小轮轨接触应力，既能保证车轮直线运行的稳定，又有利于曲线通过。 3、对踏面动力学性能认识差异 磨耗型踏面，输入车体的能量少，车体振动激烈程度降低。 在适当运行速度下，磨耗型踏面的车轮，转向架蛇行运动波长短、频率高，而且远离了车体的固有振动频率。四、与车轮相关的几个参数四、与车轮相关的几个参数 1、踏面等效锥度 锥形踏面车轮滚动圆附近作成斜率为曲直线段，在直线段范围内车轮

7、踏面斜度为常数(国内TB踏面为0.05，见图36)。当轮对中心离开对中位置向右移动时，左右车轮的实际滚动圆半径分别为车轮磨耗后或车轮踏面作成磨耗型时，车轮踏面外形不再存在直线段，也可根据轮轨接触几何关系，求出轮轨横移时左右车轮实际滚动半径之差，然后确定其踏面等效斜度为 2、重力刚度 当轮对向右或向左移动时，左右钢轨给予左右车轮的横向分力的合力，有使轮对回复到对中位置的作用。横向复原力的大小与轮对横移量及所承受的载荷有关，忽略轮对上的动载荷、悬挂变形力和轮轨蠕滑力，作用于左、右车轮上检向反力分别为 轮对横移量为yw时由于重力产生的横向复原力为 由此可见，在轮对一定横移量情况下，锥形踏面的重力刚度

8、是和轮对横移量无关的量。 当轮对在轮轨间隙范围内横移时，磨耗型踏面的重力刚度值有较大范围变化，该特性有利于轮对有一定横移量后自动回复到对中位置。 2、重力角刚度 当轮对横移量为yw而且有摇头角时，作用在左右车轮上的轨道横向力将对轮对产生一个力矩Mg，摇头力矩与摇头角之比称为轮对的重力角刚度。摇头力矩与摇头角之比称为轮对的重力角刚度。作用在轮对上的摇头力矩为 在锥形踏面的直线段，有五、轮对质量与轮轨动力之间关系五、轮对质量与轮轨动力之间关系 轮对质量对轮轨系统相互作用具有重要的影响，这些影响主要体现在对轨道下沉重、轮轨垂向作用力以及运行安全性等方面。 1、对轨道下沉量影响。 2、对垂向动作用力影

9、响 理论研究表明，列车高速运行产生的轮轨垂向动态附加载荷有如下经验公式：式中，a表示线路缺陷，K表示线路刚度。从上式可知，差的线路状况以及运行速度和簧下质量的提高都将增大轮轨垂向动态附加载荷。抛开线路水平不平顺的影响，对于高速转向架来说，减小簧下质量是提升速度的关键因素。 3对轮重减载率的影响六、轮对低动力设计方法六、轮对低动力设计方法 轮对在钢轨上运行时，由于各种激扰因素的影响，轮轨间必然发生振动，尤其是车辆运行速度越高，轮轨间振动越激烈。为了缓和和降低轮轨振动，轮对结构设计应遵循低动力设计原则。如何满足低动力设计要求呢?目前主要有以下几种方法。 1减小簧下质量：采用空心车轴，采用小轮径车轮。 2采用合理的车轮踏面 3采用弹性车轮第二节 轮轨接触状态及影响因素一、钢轨轨头外形1、50kg/m标准钢轨截面50kg/m标准钢轨与TB踏面配合使用。由于车轮踏面有1：20的斜度，为了使轮轨间相互作用的法向力通过钢轨中心线，钢轨地面与轨枕水平面之间安装带有一定坡度的轨枕垫板，垫板的坡度称为轨底坡。轨底坡有1:20和1:40. 2、60kg/m标准钢轨截面 60kg/m标准钢轨截面是按照磨耗型原则设计的，并与LM型车轮踏面外形配合使用。 二、轮轨接触状态认识 当轮对相对轨道有足够横