第08章铁道车辆的运行性能

1、第八章第八章 铁道车辆的运行性能铁道车辆的运行性能主要内容：主要内容： 阐明车辆产生振动的原因阐明车辆产生振动的原因 解析车辆振动的规律解析车辆振动的规律 确定车辆运行性能的方法确定车辆运行性能的方法 介绍车辆运行平稳性和安全性标准介绍车辆运行平稳性和安全性标准 介绍改善车辆运行品质的一些措施介绍改善车辆运行品质的一些措施振动的基础知识振动的基础知识 1.振动振动是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。 2.振动的分类振动的分类 （1）按系统响应的性质分：）按系统响应的性质分：定则振动、随机振动；定则振动、随机振动； （2）按激扰的控制方式分类：）按激扰的控

2、制方式分类：自由振动、强迫振动、自自由振动、强迫振动、自激振动、参激振动。激振动、参激振动。 3.简谐振动：简谐振动：凡是位移可以表示为时间的正弦型函数的运凡是位移可以表示为时间的正弦型函数的运动称为简谐振动。动称为简谐振动。 4.振动周期：振动周期：振动重复一次所需要的这个时间间隔。振动重复一次所需要的这个时间间隔。 振动频率：振动频率：在在1秒时间内振动重复的次数，称为振动频率。秒时间内振动重复的次数，称为振动频率。 第一节第一节 引起车辆振动的原因引起车辆振动的原因 主要内容：主要内容： 轨道有关的激振因素轨道有关的激振因素 车辆结构有关的激振因素车辆结构有关的激振因素一、与轨道有关的激

3、振因素一、与轨道有关的激振因素 1 1、钢轨接头处的轮轨冲击、钢轨接头处的轮轨冲击车轮受到的冲量车轮受到的冲量与冲量的大小有关的因素：与冲量的大小有关的因素： 簧下质量簧下质量 行车速度行车速度 钢轨接头的变形程度钢轨接头的变形程度aSMVM V2 2、轨道的垂向变形、轨道的垂向变形 车辆沿钢轨运行时，轮轨接触点迹线有如图的车辆沿钢轨运行时，轮轨接触点迹线有如图的形状，为分析方便，简化为正弦波的形式形状，为分析方便，简化为正弦波的形式: :3、轨道的局部不平顺、轨道的局部不平顺 通过曲线时轨道在垂向的超高、曲率半径的变化和通过曲线时轨道在垂向的超高、曲率半径的变化和轨距的变化轨距的变化 道岔道

4、岔 轨道的上下坡等等轨道的上下坡等等4、轨道的随机不平顺、轨道的随机不平顺 为便于分析，常把轨道不平顺分为轨距、水平、高低为便于分析，常把轨道不平顺分为轨距、水平、高低和方向等四种不平顺。和方向等四种不平顺。 (1)水平不平顺水平不平顺 在直线区段，铁路两股钢轨顶面不可能保持完全水平，在直线区段，铁路两股钢轨顶面不可能保持完全水平，而有一定偏差，称为水平不平顺。而有一定偏差，称为水平不平顺。 水平不平顺影响车辆横向振动水平不平顺影响车辆横向振动,两股钢轨轨顶的水两股钢轨轨顶的水平误差，变化不可太骤。在轨道上分为两种情况平误差，变化不可太骤。在轨道上分为两种情况:水水平差和三角坑。平差和三角坑。

5、(2)轨距不平顺轨距不平顺 铁路实际轨距与名义轨距之间有一定偏差，称为轨距不平顺。轨距不平顺影响车轮接触几何参数，在线性假设中不考虑它的影响。(3)高低不平顺高低不平顺 轨道中心线上下的不平顺，称为高低不平顺。影响车辆垂向振动。(4)方向不平顺方向不平顺 实际轨道中心线与理想轨道中心线的左右差，称为轨道道方向不平顺。主要影响车辆的横向振动。二、与车辆结构有关的激振因素二、与车辆结构有关的激振因素1、车轮偏心、车轮偏心 车轮偏心为e,则车轮转动时，车轴中心的上下位移Zt为:2、车轮不均重、车轮不均重 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。3、车轮踏

6、面擦伤、车轮踏面擦伤 车轮会受到向上的冲量:0MVM V4、锥形踏面轮对的蛇形运动、锥形踏面轮对的蛇形运动 这里为方便研究自由轮对在轨道上的蛇形运动，设: 车轮踏面斜度 。 轮对中心偏离轨道中心线为 。 轮对中心的运动轨迹是一段圆弧，曲率半径为： 由高等数学，任意曲线的曲率为:蛇形运动周期蛇形运动周期,波长波长:轮对的蛇形运动是一种自激振动轮对的蛇形运动是一种自激振动 第二节第二节 轮对簧上质量系统的振动轮对簧上质量系统的振动主要内容主要内容: 轮对簧上质量系统模型轮对簧上质量系统模型 轮对簧上质量系统的自由振动轮对簧上质量系统的自由振动一、轮对簧上质量系统模型一、轮对簧上质量系统模型 轮对簧

7、上质量系统是一个简化的车辆数学模型轮对簧上质量系统是一个简化的车辆数学模型: 轮对代表车辆各轮对在轨道上运行的特点轮对代表车辆各轮对在轨道上运行的特点; 簧上质量代表弹簧上的车体簧上质量代表弹簧上的车体; 上面两者之间的弹性悬挂装置代表实际车辆上上面两者之间的弹性悬挂装置代表实际车辆上的不同的悬挂装置。的不同的悬挂装置。二、轮对簧上质量系统的自由振动二、轮对簧上质量系统的自由振动 1、无阻力的自由振动、无阻力的自由振动 当簧上质量系统处于静平衡时当簧上质量系统处于静平衡时: 当车体离开平衡位置当车体离开平衡位置z时，得到运动方程式时，得到运动方程式: 简化，得简化，得: 引入符号引入符号: A

8、称为车辆自由振动振幅，取决于初始条件，称为车辆自由振动振幅，取决于初始条件，p称为振动的固有频率。称为振动的固有频率。结论结论: : 自由振动分两部分，一部分取决于初始位移，一自由振动分两部分，一部分取决于初始位移，一部分取决于初始速度。部分取决于初始速度。 车体的重力不影响车体在静平衡位置附近作自由车体的重力不影响车体在静平衡位置附近作自由振动的规律，只影响车体的静平衡位置。振动的规律，只影响车体的静平衡位置。 车辆振动的固有频率与车辆的质量、弹簧刚度有车辆振动的固有频率与车辆的质量、弹簧刚度有关，即与静挠度有关关，即与静挠度有关; ;振动加速度幅值与静挠度有振动加速度幅值与静挠度有关。车辆

9、设计中，车辆悬挂装置的静挠度取值作为关。车辆设计中，车辆悬挂装置的静挠度取值作为一项重要技术指标。一项重要技术指标。结论结论: 线性阻尼的轮对质量系统不再作等幅简谐振动。线性阻尼的轮对质量系统不再作等幅简谐振动。 衰减规律衰减规律111()11iintnTmin tTnTmizAeeezAee 3、具有摩擦阻尼的自由振动、具有摩擦阻尼的自由振动 （1）轮对簧上质量系统中具有阻力与弹簧挠度成）轮对簧上质量系统中具有阻力与弹簧挠度成正比的摩擦减振器正比的摩擦减振器 变摩擦力的变摩擦力的F表示为表示为: 因此具有摩擦阻尼的运动方程分为两个分段线性方程。因此具有摩擦阻尼的运动方程分为两个分段线性方程。

10、（a）车体由下向上振动）车体由下向上振动 车体从最高点车体从最高点B向下振动到最低点向下振动到最低点C，经过半个周期，经过半个周期结论结论: 相对摩擦系数通常不大于相对摩擦系数通常不大于0.1，振动一周的衰减量，即，振动一周的衰减量，即按等差级数递减按等差级数递减4、能量法求解任意阻尼的自由振动、能量法求解任意阻尼的自由振动 根据能量守恒原理，在一定时间内，系统内部能根据能量守恒原理，在一定时间内，系统内部能量变化量应等于作用在系统上所有外力所做的功。量变化量应等于作用在系统上所有外力所做的功。在现有车辆悬挂系统中，安装减振器后车体自由振在现有车辆悬挂系统中，安装减振器后车体自由振动仍按正弦或

11、余弦规律变化动仍按正弦或余弦规律变化, 振动频率十分接近振动频率十分接近无阻力时的固有频率在下面条件下振动。无阻力时的固有频率在下面条件下振动。 系统的能量变化主要表现在振幅变化。系统的能量变化主要表现在振幅变化。 见表见表6-1 结论结论:无阻尼情况下，当线路激振频率等于车体固有无阻尼情况下，当线路激振频率等于车体固有频率时发生共振频率时发生共振出现共振时的车辆运行速度称为共振临界速度出现共振时的车辆运行速度称为共振临界速度238结论结论: 粘性阻力减振器的阻力功之间一定有一个与激振力粘性阻力减振器的阻力功之间一定有一个与激振力功相等的平衡振幅功相等的平衡振幅 摩擦阻力减振器则除完全重迭外，

12、在坐标原点以外摩擦阻力减振器则除完全重迭外，在坐标原点以外无交点，若摩擦阻力功线的斜率小于激振功，则共振无交点，若摩擦阻力功线的斜率小于激振功，则共振时无法限制系统的振幅增长时无法限制系统的振幅增长:若摩擦阻力功线大于激振若摩擦阻力功线大于激振功线的斜率，则系统无法起振，车体处于刚性受力状功线的斜率，则系统无法起振，车体处于刚性受力状态。态。 从阻力特性来看，粘性阻力减振器的性能优于摩擦从阻力特性来看，粘性阻力减振器的性能优于摩擦阻力减振器阻力减振器 第三节第三节 车辆系统的振动车辆系统的振动主要内容主要内容: 车辆的振型车辆的振型 车辆垂向振动车辆垂向振动 具有一系悬挂装置转向架车辆垂向自由

13、振动、具有一系悬挂装置转向架车辆垂向自由振动、垂向强迫振动垂向强迫振动 具有二系悬挂装置转向架车辆垂向自由振动、具有二系悬挂装置转向架车辆垂向自由振动、垂向强迫振动垂向强迫振动 车辆横向振动车辆横向振动 在研究车辆振动时，往往把发生在纵垂面内的在研究车辆振动时，往往把发生在纵垂面内的浮沉及点头浮沉及点头振动称为振动称为车辆垂向振动车辆垂向振动，而车辆的，而车辆的横横摆、侧滚和摇头摆、侧滚和摇头称为称为横向振动。横向振动。 车辆系统振动的特点：车辆系统振动的特点： 一般车辆的垂向振动与横向振动是弱藕合，因此一般车辆的垂向振动与横向振动是弱藕合，因此可以分别研究；可以分别研究； 一般情况下，车体会

14、出现独立的浮沉、伸缩、一般情况下，车体会出现独立的浮沉、伸缩、摇头、点头振动；摇头、点头振动； 横摆和侧滚永远藕合在一起。横摆和侧滚永远藕合在一起。44SZSZKKCC第四节第四节 轮对蛇形运动轮对蛇形运动 接触斑接触斑 轮轨间出现蠕滑的条件：轮轨间出现蠕滑的条件：轮轨为弹性体，车轮与轮轨为弹性体，车轮与 钢轨间有一定的正压力，车轮沿钢轨滚动。钢轨间有一定的正压力，车轮沿钢轨滚动。 蠕滑率（蠕滑）蠕滑率（蠕滑） 纵向蠕滑率纵向蠕滑率 横向蠕滑率横向蠕滑率 蠕滑力蠕滑力x车轮实际前进速度车轮纯滚动前进速度车轮实际前进速度z车轮实际横向速度车轮纯滚动横向速度车轮实际前进速度Ff 第五节第五节 车辆

15、运行品质及其评估标准车辆运行品质及其评估标准主要内容主要内容:动荷系数动荷系数车体加速度幅值车体加速度幅值Sperling平稳性指数平稳性指数客车、货车运行品质标准客车、货车运行品质标准客车在曲线上舒适性及其标准客车在曲线上舒适性及其标准一、动荷系数一、动荷系数 动荷系数是车辆在运转时产生的动载荷幅值动荷系数是车辆在运转时产生的动载荷幅值与车辆静止时的载荷之比。动荷系数分横向和与车辆静止时的载荷之比。动荷系数分横向和垂向两种。垂向两种。 动载荷可用计算或实测求得，若已知车体的动载荷可用计算或实测求得，若已知车体的垂向及横向加速度，则垂向及横向加速度，则: 有时也用弹簧动挠度来求动荷系数有时也用

16、弹簧动挠度来求动荷系数: 现场实验发现，利用加速度和弹簧动挠度所得现场实验发现，利用加速度和弹簧动挠度所得的动荷系数不一样。的动荷系数不一样。 我国并未采用动荷系数作为评估标准。我国并未采用动荷系数作为评估标准。二、车体加速度的幅值二、车体加速度的幅值 车体垂向和横向加速度幅值大小可表示车车体垂向和横向加速度幅值大小可表示车体垂向和横向动载荷，对旅客和货物有较大体垂向和横向动载荷，对旅客和货物有较大影响，若振动为简谐振动，则影响，若振动为简谐振动，则:三、三、Sperling平稳性指数平稳性指数 Sperlinq等人在大量单一频率振动试验的等人在大量单一频率振动试验的基础上提出影响车辆平稳性的

17、两个重要因素基础上提出影响车辆平稳性的两个重要因素: 位移对时间的三次导数，在一定意义上代位移对时间的三次导数，在一定意义上代表力的变化率，会引起冲动的感觉。表力的变化率，会引起冲动的感觉。 振动时的动能大小振动时的动能大小 Sperling平稳性指数平稳性指数:把反映冲动的把反映冲动的 和反映振动动能的和反映振动动能的 的乘积的乘积 作作为衡量标准来评定车辆运行品质。为衡量标准来评定车辆运行品质。 在整理车辆平稳性指数时，把实测的车辆在整理车辆平稳性指数时，把实测的车辆振动加速度记录，通常按频率分解，进行频振动加速度记录，通常按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振幅值，然后谱分析，求

18、出每段频率范围的振幅值，然后对每一频率计算各自的平稳性指数，按下式对每一频率计算各自的平稳性指数，按下式求出全频段的总的平稳性指数求出全频段的总的平稳性指数:2.2.未被平衡的离心加速度未被平衡的离心加速度第六节第六节 车辆运行安全性及其评估标准车辆运行安全性及其评估标准主要内容主要内容: 车辆抗倾覆稳定性及评估标准车辆抗倾覆稳定性及评估标准 轮对抗脱轨稳定性及评估标准轮对抗脱轨稳定性及评估标准一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准 车辆沿轨道运行时受到各种横向力，在这些横车辆沿轨道运行时受到各种横向力，在这些横向力作用下造成车辆一侧车轮减载，另一侧增载。向力作用下造成车辆一侧车轮减载，另一侧增载。各种横向力在最不利组合作用下，车辆一侧车轮与各种横向力在最不利组合作用下，车辆一侧车轮与钢轨之间的垂向作用力减少到零，车辆有倾覆的危钢轨之间的垂向作用力减少到零，车辆有倾覆的危险。险。 倾覆系数倾覆系数D:车辆在横向力作用下可能倾覆的程车辆在横向力作用下可能倾覆的程度。度。2 2、轮对抗脱轨稳定性评定标准、轮对抗脱