华东交通大学车辆工程 第六章 轨道车辆运行性能

1、Vehicle Engineering（车辆工程）（车辆工程）Stone. ZhaoSchool of Mechatronics Vehicle Engineering，ECJTUEmail：课程内容总结与回顾课程内容总结与回顾了解车辆结构功能与组成吗？了解车辆结构功能与组成吗？掌握车辆零部件的原理与设计方法吗？掌握车辆零部件的原理与设计方法吗？车辆工程专业？车辆工程专业？ 走中国特色新型工业化道路，迫切需要多种类型的工程技术人才，迫切需要提升工程科技队伍的创新能力创新能力，迫切需要应对经济全球化挑战的国际化国际化工程技术人才。实施“卓越工程师教育培养计划”，将培养造就一大批创新能力强、适应经

2、济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，将推动我国从工程教育大国走向工程教育强国 。 中国教育报2011年3月5日高教司原司长张大良谈高教司原司长张大良谈“卓越工程师教育培养计划卓越工程师教育培养计划” 交融思想交融思想, ,启迪智慧启迪智慧大学，学什么？大学，学什么？ 学生在大学里，实际上要学四种东西，一是学怎怎样样读书(learntolearn)；二是学怎样怎样做事(learntodo)；三是学怎样怎样与人相处(learntotogether)；最后是学怎样怎样做人(learntobe)。 金耀基（原香港中文大学校长 ）复习与测试复习与测试复习与测试复习与测试复习与测试复习与测试2、钩缓

3、、钩缓类型、作用类型、作用结构、原理结构、原理复习与测试复习与测试3、机械概述、机械概述功能：功能：作用与使命性能：性能：功能与质量(程度与持久性)原理：原理：？结构：？结构：？设计：设计：一种计划、规划、设想传达出来的活动过程。 复习与测试复习与测试简述钩缓装置的简述钩缓装置的 功能、性能、原理、结构与设计功能、性能、原理、结构与设计 。 3、机械概述、机械概述轨道车辆设计轨道车辆设计车辆工程车辆工程专题五专题五( (Subject 5) )专题八铁道车辆运行性能教学要求：教学要求： 了解车辆产生振动的原因； 掌握车辆振动的规律； 熟悉确定车辆运行性能的方法； 了解车辆运行平稳性、安全性标准

4、； 了解改善车辆运行品质的常用措施。 车辆工程车辆工程一、概述一、概述1. .动力学动力学 动力学研究内容：？ 研究目的：？ 表现形式 分类：一、概述一、概述2. .机械振动基础机械振动基础 机械振动定义机械振动定义 机械振动分类机械振动分类 按响应性质定则、随机振动 按激励控制方式自由、强迫、自激、参数激 周期与频率周期与频率一、概述一、概述2. .振动基础振动基础 振动系统组成及作用振动系统组成及作用 m,k,c 振动带来问题振动带来问题(?)(?)一、概述一、概述2. .振动基础振动基础振动带来问题振动带来问题(?)(?)解决技术措施？解决技术措施？力加速度位移想想转向架吧！一、概述一、

5、概述2. .振动基础振动基础振动研究振动研究内容物体运动与力的关系描述：ytFmasmgkf22d ykym gdt? ?一、概述一、概述轨道车辆运行过程中，为什么会轨道车辆运行过程中，为什么会振动？振动？对轨道车辆振动，如何建模描述？对轨道车辆振动，如何建模描述？结构参数对轨道车辆振动结构参数对轨道车辆振动( (安全安全性、舒适性性、舒适性) )有何影响？有何影响？轨道车辆动力学设计！轨道车辆动力学设计！一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关因素轨道有关因素钢轨接头钢轨接头影响因素： 簧下质量 行车速度 钢轨接头的变形程度aSMVM V冲量大小：一、车辆振动原因一、车辆振动原因1.

6、 .轨道有关因素轨道有关因素轨道垂向变形轨道垂向变形原因：轨道弹性(变)挠度：一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关因素轨道有关因素局部不平顺局部不平顺曲线超高上下坡道岔钢轨磨损(擦伤)涨轨路基下沉一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关因素轨道有关因素随机不平顺随机不平顺水平不平顺水平不平顺 定义 类型水平差、三角坑 影响？ (滚动、压力不同、爬轨) 约束铁路技规一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关因素轨道有关因素随机不平顺随机不平顺轨距不平顺轨距不平顺 定义 影响？ 约束铁路技规 (普-26,高-11)一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关因素轨道有

7、关因素随机不平顺随机不平顺高低不平顺高低不平顺 定义(中心线) 原因(路基、轨道) 影响?(冲击) 约束铁路技规 (正4，站6，高2)一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关的因素轨道有关的因素随机不平顺随机不平顺方向不平顺方向不平顺 定义(中心线) 影响?(横向振动) 约束铁路技规 (正4，站6，高2)不平顺如何描述？一、车辆振动原因一、车辆振动原因2. .车辆有关因素车辆有关因素车轮偏心车轮偏心定义:e(轮、轴)影响?(振动) 描述： 0sin()sintttvzeterZtt其中，r0名义半径 车轮转动角速度一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关的因素轨道有关的因素车轮

8、不均重车轮不均重定义(G、O不重合) 影响?(不平衡力) 描述：约束：0.6、2(偏心) 200sintwtvvzMerr扩展阅读扩展阅读http:/ rTv1. .轨道有关的因素轨道有关的因素车轮踏面擦伤车轮踏面擦伤影响?(冲击) 描述：约束： h0.7,l400wwMvM v 一、车辆振动原因一、车辆振动原因1. .轨道有关的因素轨道有关的因素蛇形运动蛇形运动目的：踏面影响假设：14描述：00brRy222322211d yd ydxRdxdydx 一、车辆振动原因一、车辆振动原因20200yd ydxbr000sinyyxbr1. .轨道有关的因素轨道有关的因素蛇形运动蛇形运动描述：00

9、brRy000,2brxyy0,0 xy00,xvtvbr0022wbrTv002wbrL0sinyyt222322211d yd ydxRdxdydx 二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动1. .概述概述弹性悬挂弹性悬挂弹性悬挂系统及建模弹性悬挂系统及建模车辆系统及建模车辆系统及建模二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动无阻尼自由振动无阻尼自由振动 静平衡时: 当车体离开平衡位置z时， 简化，得: 引入符号:轮对簧上质量系统二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动无阻尼自由振动无阻尼自由振动2. .自由振动自由振动二、轮对簧上

10、质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动无阻尼自由振动无阻尼自由振动结论：结论： 1)自由振动,取决于初始位移+初始速度。 2)车体质量不影响自由振动的规律，只影响车体的静平衡位置。( ？) 3)固有频率与m、k有关，即与静挠度有关;振动加速度幅值与静挠度有关。 4)静挠度重要性(fst,f,振动缓慢，加速)二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动线性阻尼自由振动线性阻尼自由振动线性阻尼轮对簧上质量系统二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动线性阻尼自由振动线性阻尼自由振动(阻尼系数)线性阻尼轮对簧

11、上质量系统二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动线性阻尼自由振动线性阻尼自由振动二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动线性阻尼自由振动线性阻尼自由振动系统不作等幅简谐振动。衰减规律衰减规律111()11iintnTmin tTnTmizAeeezAee11212ln1miminTzDnTzD二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动摩擦阻尼自由振动摩擦阻尼自由振动二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动摩擦阻尼自由振动摩擦阻尼自由振动1）阻力大小与挠

12、度成正比 sgnstFzK fz 阻力：阻力：0MzczKz基本方程：基本方程： sgn0stMzzKfzKzsgn( )1,0sgn( )1,0zzzz 当当二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动摩擦阻尼自由振动摩擦阻尼自由振动1）阻力与挠度成正比（a）车体由）车体由A向向B振动振动0122cos11ststffzzp t000, =tzz z z 时A1、A2二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动10, =0tzz z时2. .自由振动自由振动摩擦阻尼自由振动摩擦阻尼自由振动1）阻力与挠度成正比（b）车体由）车体由B向向C振动振动12co

13、s11ststffzzp tA1、A2二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动=0, =0zz2. .自由振动自由振动摩擦阻尼自由振动摩擦阻尼自由振动1）阻力与挠度成正比（c）车体静止时）车体静止时21,2101stfpz1stfz摩擦矢 物理意义：振动偏移量 实际意义：停滞区域2101stfzpz2201stfzpz二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2441ststfzf 2. .自由振动自由振动摩擦阻尼自由振动摩擦阻尼自由振动1）阻力与挠度成正比结论结论12112211TTMTK(1)、时间不同，振幅衰减不同(2)、振幅衰减值(0.2)二、轮对簧上质量系统的振

14、动二、轮对簧上质量系统的振动122FzzK 2. .自由振动自由振动摩擦阻尼自由振动摩擦阻尼自由振动2）阻力为常数(1)、向上，向下半周期振幅衰减(2)、一周期衰减量124FzzzK (3)、振动角频率12KpppM(4)、停滞区FzK 二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动能量法求任意阻尼自由振动能量法求任意阻尼自由振动车辆振动系统特点车辆振动系统特点减震器阻力不大自由振动接近正弦自由振动频率接近无阻尼固有频率振动系统动能变化体现在?二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动能量法求任意阻尼自由振动能量法求任意阻尼自由振

15、动车辆自由振动方程车辆自由振动方程,0MzF z zKz2,F z zzdzp zdzzdtM 1000201,zztTzzzdzpzdzF z z zdtM 20220RzzzK 0,TRF z z zdt二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动能量法求任意阻尼自由振动能量法求任意阻尼自由振动车辆自由振动方程车辆自由振动方程020211RzzKz 只有一个根0RzKz （泰勒展开）0,TRF z z zdt?二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动2. .自由振动自由振动阻力与速度成正比阻力与速度成正比0CzzMp 阻力与弹簧挠度成正比阻力与弹

16、簧挠度成正比4stzf 阻力与速度成正比阻力与速度成正比4FzK 当量线性阻尼系数当量线性阻尼系数? ?（振幅衰减等效）（振幅衰减等效）能量法求任意阻尼自由振动能量法求任意阻尼自由振动二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动2sinzp zqt22sinsinq ptptzp p无阻尼强迫振动无阻尼强迫振动1sinzat激励：激励：(车轮偏心)sinMzK zat 基本方程：基本方程：二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动za 3. .强迫振动强迫振动0sin()ttvzetrp无阻尼强迫振动无阻尼强迫振动速度速度( (频率频率) )影响：影响

17、：v振幅sincos22paptaptptz算数级增长！算数级增长！22sinsinq ptptzp p二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动无阻尼强迫振动无阻尼强迫振动结论：结论：无阻尼时，p=共振22rVKTLM2rLKVM临界速度二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动1sinzat激励：激励：22sinznzp zqt1sinMzK zatC zz 22,2a KCCKnpqMMM线性阻尼强迫振动线性阻尼强迫振动(车轮偏心)基本方程：基本方程：二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强

18、迫振动1sinzat激励：激励：sinzBt2222222142,tan,114aD rDrBrrprD r22,2a KCCKnpqMMM线性阻尼强迫振动线性阻尼强迫振动(车轮偏心)设特解设特解二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动振幅、加速度扩大倍率：振幅、加速度扩大倍率：22122221414BD rarD r线性阻尼强迫振动线性阻尼强迫振动2222221222221414BrD rraprD r频率比频率比r影响影响二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动动挠度扩大倍率：动挠度扩大倍率：23222214rrD r

19、线性阻尼强迫振动线性阻尼强迫振动222sinrrrznzp zatrtzzz规律：D 3)D在0.20.32 1)r=0、 时 二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动方法：当量法方法：当量法( (表表6-1) )非线性阻尼强迫振动非线性阻尼强迫振动2sinrerrMzC zKzMattrzzz= sintzat2=arctaneCKM=sinrrozzt二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动非线性阻尼强迫振动非线性阻尼强迫振动22r022z =11fDarrr=sinrrozzt摩擦力与挠度成正比223f22=11fD

20、rrr方法：当量法方法：当量法( (表表6-1) )二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动非线性阻尼强迫振动非线性阻尼强迫振动42242r023116z =11823MarrrrM=sinrrozzt阻力与速度平方成正比r=1 ?方法：当量法方法：当量法( (表表6-1) )二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动非线性阻尼强迫振动非线性阻尼强迫振动42242r023116z =11823MarrrrM2=sinP Mat激振力与阻尼力功关系0=sinrrzzt0020=2sinrrzrrzMPz dtMaz减振器做功：

21、32083Rz p方法：当量法方法：当量法( (表表6-1) )二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动非线性阻尼强迫振动非线性阻尼强迫振动 结论：结论： 1）粘性阻力减振器的阻力功之间平衡振幅2）摩擦阻力减振器除完全重迭外，原点以外无交点，若阻力功斜率小于激振功，则共振时无法限制系统的振幅增长:否则，则系统无法起振，车体处于刚性受力状态。3）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二、轮对簧上质量系统的振动二、轮对簧上质量系统的振动3. .强迫振动强迫振动非线性阻尼强迫振动非线性阻尼强迫振动 摩擦减振器阻尼选择：摩擦减振器阻尼选择： 1）摩擦

22、减振器Df取值与线路不平顺有关，一般12）摩擦阻力与挠度成减振器相对摩擦系数宜在0.060.1之间，受fst影响。三、车辆系统的振动三、车辆系统的振动四、轮对蠕滑与蛇形运动四、轮对蠕滑与蛇形运动1. .轮轨接触概述轮轨接触概述=F/NxPF滑动区粘着区v轮轨几何型面轮轨材料接触界面状态界面相对速度界面环境温度传动装置特性F四、轮对蠕滑与蛇形运动四、轮对蠕滑与蛇形运动2. .濡滑及濡滑力濡滑及濡滑力=F/NxPF滑动区粘着区v fFRNf147xrxrxxvvvyryryyvvv四、轮对蠕滑与蛇形运动四、轮对蠕滑与蛇形运动4. .蛇形运动及其稳定性蛇形运动及其稳定性五、车辆运行品质及其评估五、车

23、辆运行品质及其评估1. .动荷系数动荷系数stldldPPK横向动荷系数：stvdvdPPK垂向动荷系数：2. .加速度幅值加速度幅值20ylya横向：20zvza纵向：zy、车体振动圆频率00yz 、车体振动振幅其中，五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估3. Sperling平稳性指数平稳性指数1)位移对时间的三次导数，即：位移对时间的三次导数，即：代表力的变化即两边乘以加速度变化率.c.cccMFzFaMzMMaz：，），（2)振动时的动能大小，车体振动时的最大动能为振动时的动能大小，车体振动时的最大动能为：dcc.cEfzMzMzM20202)2(21)(2121cdMEfz

24、2)2( 20所以五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估3. Sperling平稳性指数平稳性指数Sperling平稳性指数是把反映车辆冲动和反映振动动能的乘积作为衡量标准来评定车辆运行品质，即：10310530)(896. 0)(7 . 2fFfafFfzW式中,z0振幅（cm）f振动频率（Hz）F(f)与振动频率有关的加权系数五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估3. Sperling平稳性指数平稳性指数Sperling平稳性指数是把反映车辆冲动和反映振动动能的乘积作为衡量标准来评定车辆运行品质，即：10310530)(896. 0)(7 . 2fFfafFfzW对于垂

25、向振动的加权系数F(f):当f0.5-5.9Hz时,F(f)0.325f2当f5.9-20Hz时,F(f)400/f 2当f20Hz时,F(f)1五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估3. Sperling平稳性指数平稳性指数五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估3. Sperling平稳性指数平稳性指数五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估10310530)(896. 0)(7 . 2fFfafFfzW3. Sperling平稳性指数平稳性指数Sperling平稳性指数：对于横向振动的加权系数F(f):当f0.5-5.4Hz时,F(f)0.8f2当f5.4-26

26、Hz时,F(f)650/f 2当f26Hz时,F(f)11 . 010102101)(ntotWWWW对全部频段总的平稳性指数：五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估4. 车辆运行品质标准车辆运行品质标准 我国对车辆的运行品质，主要用Sperling平稳性指数来评价车辆的平稳性等级。五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估), 2 , 1(1maxmaxmimaamii4. 车辆运行品质标准车辆运行品质标准 我国还规定可以用平均最大加速度最大加速度来确定客货车平稳性等级，和用最大加速度最大加速度来确定货车的限制速度。 当用平均最大加速度评定v140km/h的客车平稳性等级时，

27、采用下列公式：pcva00027. 0max五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估4. 车辆运行品质标准车辆运行品质标准 我国还规定可以用平均最大加速度最大加速度来确定客货车平稳性等级，和用最大加速度最大加速度来确定货车的限制速度。 当用平均最大加速度评定v100km/h的货车平稳性等级时，采用下列公式：fcva00215. 0max垂向振动fcva00135. 0max横向振动五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估4. 车辆运行品质标准车辆运行品质标准 评定平稳性等级常数评定平稳性等级常数cp、cf平稳性等级CPCf垂向振动横向振动垂向振动横向振动优0.0250.0100

28、.060.08良好0.0300.0180.110.13合格0.0350.0250.160.18补充规定：补充规定： 货车以货车以最大加速度为振动强度极限值，垂向振动的最大加速度最大加速度为振动强度极限值，垂向振动的最大加速度为为0.7g；横向振动的最大加速度为；横向振动的最大加速度为0.5g。在。在100km试验区段内，在试验区段内，在货车的限制速度范围内超限加速度不应大于货车的限制速度范围内超限加速度不应大于3个个。五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估5.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1) )未平衡的离心加速度及其标准未平衡的离心加速度及其标准 列车通过曲线

29、时，离心加速度为： )/(22smRVac2gRVgc或写成重力加速度g的倍数： Sh - gRVgcn2五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估5.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1) )未平衡的离心加速度及其标准未平衡的离心加速度及其标准 gcn0.04g，旅客对未被平衡的离心加速度无明显感觉;gcn=0.05g，旅客能觉察未被平衡的离心加速度，但无不舒适的感觉;gcn=0.077g，一般旅客能长时间;gcn=0.1g，一般旅客能承受不频繁的这种未被平衡的离心加速度五、车辆运行品质及其评估五、车辆运行品质及其评估5.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1) )未平衡的离心加速度及其标准未平衡的离心加速度及其标准 我国铁路用限制欠超高的形式来保证列车通过曲线时的安全性和旅客舒适度： 等级较高的线路：hd70mm 一般线路：hd90mm 既有线