轨道车辆运动稳定性与参数优选

1、1车辆运动稳定性与参数优选第一节 蛇行运动与自激振动第二节 自由轮对的蛇行运动第三节 系统参数对临界速度的影响23第一节 蛇行运动与自激振动蛇行运动：v 具有一定形状踏面的铁道车辆轮对，沿着平直钢轨滚动时会产生一种振幅有增大趋势的特有运动轮对一面横向移动、一面又绕通过其质心的铅垂轴转动，这两种运动的耦合，称为轮对的蛇行运动。v 转向架蛇行运动（二次蛇行）v 车体蛇行运动（一次蛇行）4u 系统内部的非振动能量转换为振动的激扰力而产生的振动。u 轮对上并未受到来自钢轨的激振力，因此蛇行运动是一种自激振动。u 低速时，自激振动的频率通常等于或接近系统的自振频率，振幅取决于初始条件。u 车辆蛇行运动的

2、能量来自机车牵引力。自激振动5共振与失稳v 对于强迫振动系统，只要激振力中的某一个频率与该系统的自振频率中的某一个相等时就会发生共振，超过共振临界速度后，共振现象就消失。v 对于自激振动系统，当车辆的运行速度略超过某一最低临界速度值，系统中就开始失稳。系统一旦失稳，随着速度的提高，失稳程度也越严重。v 因此，车辆的运行速度可以容许超过共振的临界速度，而绝对不能超过蛇行运动的临界速度。6车辆系统蛇行稳定性判定方法车辆系统蛇行稳定性判定方法线性方法：v 特征值法v 最小阻尼系数法非线性方法：v 极限环法7V=150km/h特征根法特征根法8V=500km/h9在不同速度下，车辆系统对应不同的特征值

3、。当在某一速度下系统的特征值实部出现负值且小于该速度时系统特征值不出现负值，则该速度为系统对应的线性临界速度。10最小阻尼系数法最小阻尼系数法11第二节第二节 自由轮对蛇行运动自由轮对蛇行运动自由轮对稳定性特性自由轮对稳定性特性:v 只要速度大于零，轮对的振幅将随着时间的延续而不断扩大，因此自由轮对从运动的开始就是失稳的；v 在失稳工况下，轮对的振幅（横移）超过轮轨间隙时，轮缘就开始打击钢轨，这将损害车辆，破坏线路，甚至可能造成行车事故；v 自由轮对蛇行失稳程度与轮对的结构参数、蠕滑系数有关。120wVbr自由轮对蛇行运动频率：自由轮对蛇行运动波长：022wwbrVL自由轮对蛇行运动频率与波长

4、自由轮对蛇行运动频率与波长13整车蛇行失稳整车蛇行失稳14整车蛇行失稳形式整车蛇行失稳形式转向架车辆具有两种蛇行运动：第一种：车体蛇行（车体摇晃激烈、频率较低），通常在较低速度下发生；第二种：转向架蛇行（车体振动不很明显，转向架激烈摇摆、频率较高），通常在较高速度下发生；15 装有刚性转向架或自由轮对的车辆，其蛇行运动在本质上本质上就是不稳定的。 轮对弹性定位弹性定位的转向架式车辆，即使转向架与车体之间不存在回转阻尼或回转复原弹簧，车体在低速范围内也是稳定的。 采用轮对弹性定位的转向架是抑制车体蛇行的措施之一，同时对提高转向架的临界速度也极为有效。整车蛇行失稳特性整车蛇行失稳特性16第三节第三

5、节 系统参数对系统性能影响系统参数对系统性能影响v 正常状态参数对系统性能影响正常状态参数对系统性能影响v 阻尼器失效状态对系统性能影响阻尼器失效状态对系统性能影响17v 轴箱纵向和横向定位刚度轴箱纵向和横向定位刚度v 轴箱弹簧垂向定位刚度轴箱弹簧垂向定位刚度v 轴箱垂向减振器阻尼轴箱垂向减振器阻尼v 二系纵向与横向刚度二系纵向与横向刚度v 二系横向减振器阻尼二系横向减振器阻尼v 抗蛇行减振器阻尼抗蛇行减振器阻尼一、正常状态参数对系统性能影响一、正常状态参数对系统性能影响181. 轴箱定位刚度轴箱定位刚度1924681012141680120160200240280320360 Kpy=2.0

6、 MN/m Kpy=3.5 MN/m Kpy=5.0 MN/m Kpy=6.5 MN/m Kpy=8.0 MN/mVcrKpx /MN.m-1无抗蛇行减振器时系统临界速度无抗蛇行减振器时系统临界速度20无抗蛇行减振器时系统临界速度无抗蛇行减振器时系统临界速度213691215200300400500 kpy=3 MN/m kpy=4 MN/m kpy=5 MN/m kpy=6 MN/m kpy=7 MN/m kpy=8 MN/m kpy=9 MN/mVcrKpx轴箱定位刚度对系统临界速度影响轴箱定位刚度对系统临界速度影响22v 在一定范围内，轴箱定位刚度越大，系统临界速度越大，但在超过一定数值

7、后，系统临界速度增加率明显减小，并且在超过某一范围后，临界速度反而有所减小；v 轴箱纵向定位刚度对临界速度有决定性决定性的影响，轴箱横向定位刚度对转向架系统的临界速度影响较轴箱定位纵向刚度小； 对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性23横横向向轮轮轨轨力力轴箱定位刚度对曲线通过能力影响轴箱定位刚度对曲线通过能力影响24垂垂向向轮轮轨轨力力轴箱定位刚度对曲线通过能力影响轴箱定位刚度对曲线通过能力影响25轮对摇头角位移轴箱定位刚度对曲线通过能力影响轴箱定位刚度对曲线通过能力影响26v 轴箱定位刚度对系统轮轨力有一定的影响：随着刚度的增大，系统轮轨横向和垂向力都有所增加；v 在小半径曲线上，纵向刚

8、度对轮轨横向力影响较大，在较大半径上，纵向刚度对轮轨横向力影响较小；v 纵向刚度越大，一般脱轨系数也越大；v 横向刚度越大，车辆曲线通过能力越弱；对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性27轴箱定位刚度对平稳性指标影响轴箱定位刚度对平稳性指标影响4681012141.82.02.22.4Riding IndexKpx / MN.m-1 Wy Wz34567891.82.02.22.4 Wy WzRiding IndexKpy /MN.m-1v 纵向刚度对横向和垂向平稳性指标无明显影响；纵向刚度对横向和垂向平稳性指标无明显影响；v 横向刚度对横向平稳性指标有一定的影响，对垂向平稳横向刚度对横向平

9、稳性指标有一定的影响，对垂向平稳性指标无明显影响；性指标无明显影响； 280.60.81.01.21.4450452454456458460 Cpz=10kN.m.s-1 Cpz=20kN.m.s-1 Cpz=30kN.m.s-1Vcr km.h-1Kpz / MN.m-12. 轴箱弹簧垂向刚度对临界速度影响轴箱弹簧垂向刚度对临界速度影响 Wy Wz290.60.81.01.21.41.82.02.22.4 Wy WzRiding IndexKpz /MN.m-1轴箱弹簧垂向刚度对平稳性影响轴箱弹簧垂向刚度对平稳性影响 30v 轴箱垂向刚度对车辆稳定性和曲线通过能力无明显影响；v 轴箱垂向刚度

10、对横向和垂向平稳性指标影响明显；对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性313. 轴箱垂向减振器阻尼对临界速度影响轴箱垂向减振器阻尼对临界速度影响 32轴箱垂向减振器阻尼对平稳性影响轴箱垂向减振器阻尼对平稳性影响 102030401.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Kpz /kN.s.m-133 轴箱垂向减振器值对系统稳定性几乎没有影响； 轴箱垂向减振器值对曲线通过能力几乎没有影响； 轴箱垂向减振器值对乘座舒适性有较大影响，一般有减振器值越大，舒适性越好；对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性344. 4. 二系纵向和横向刚度对临界速度影响二系纵向和横向刚度对临界速

11、度影响 350.10.20.30.40.51.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Ksx /MN.m-10.10.20.30.40.51.82.12.42.73.0 Wy WzRiding Index Ksy /MN.m-1二系纵向和横向刚度对平稳性影响二系纵向和横向刚度对平稳性影响 36v 中央悬挂纵向和横向弹簧刚度对系统稳定性、安全性和曲线通过能力有一定的影响；v 纵向刚度对垂向和横向舒适度指标无明显影响；v 横向刚度对垂向舒适度指标无明显影响，对横向舒适度指标有明显影响；对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性37二系垂向刚度对临界速度和平稳性影响二系垂向刚度对临界

12、速度和平稳性影响 0.20.30.40.50.61.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Ksz /MN.m-138v 二系垂向刚度对系统稳定性无明显影响；v 二系垂向刚度对系统横向舒适度指标无明显影响，对垂向舒适度指标有较大影响；对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性395. 5. 二系横向阻尼对临界速度和平稳性影响二系横向阻尼对临界速度和平稳性影响 10203040501.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Csy /kN.s.m-140 在一定范围内，二系横向阻尼值对系统临界速度有明显影响； 对系统曲线通过性能几乎没有影响； 对系统垂向平稳性几

13、乎没有影响； 对系统横向平稳性有明显影响； 对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性416. 6. 抗蛇行减振器阻尼对临界速度的影响抗蛇行减振器阻尼对临界速度的影响 421002003004005001.82.02.22.4 Wy WzRiding Index Ksx /kN.s.m-1抗蛇行减振器阻尼对平稳性影响抗蛇行减振器阻尼对平稳性影响 43 抗蛇行减振器阻尼值对车辆系统的临界速度影响十分明显十分明显，在一定值范围内，阻尼值越大系统临界速度也越高，但当超过一定范围后，阻尼值增加系统临界速度不再增大； 抗蛇行减振器阻尼对系统曲线通过能力无明显影响； 抗蛇行减振器阻尼对横向平稳性有一定影响：

14、阻尼值越大，平稳性指标越小，乘坐舒适度越好； 抗蛇行减振器阻尼对垂向平稳性几乎没有影响。对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性447. 7. 踏面斜率对临界速度的影响踏面斜率对临界速度的影响 v 踏面斜率越大系统临界速度越低；v 踏面斜率越大系统曲线通过能力越强；45v 踏面斜率是影响蛇行运动临界速度的最重要参数之一，仅次于轮对定位刚度。踏面斜率越大系统临界速度越低；v 为追求高的临界速度，日本新干线电动车组上的车轮踏面曾降至0.025，但随之带来车轮踏面旋削次数及旋削量增加的麻烦；v 踏面斜率越大系统曲线通过能力越强；v 踏面斜率在新设计转向架时可以选定，但经过一段时期后，大致稳定在0.1

15、5-0.25之间；对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性468. 8. 蠕滑系数对临界速度的影响蠕滑系数对临界速度的影响 47 当蠕滑系数较小时临界速度也较低； 当超过一定值后上升趋势逐渐缓慢；对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性489. 9. 固定轴距对临界速度的影响固定轴距对临界速度的影响 49 临界速度随着转向架固定轴距的增加而单调上升； 固定轴距增加车辆曲线通过能力有所下降； 为了平衡曲线通过能力并且使转向架的结构更为紧凑和减轻重量，选用固定轴距总是力求短些好。对动力学性能影响特性对动力学性能影响特性50减振器失效工况减振器失效工况v 抗蛇行减振器失效抗蛇行减振器失效v 二系横向

16、减振器失效二系横向减振器失效v 二系垂向减振器失效二系垂向减振器失效v 二系垂向减振器失效二系垂向减振器失效51整车抗蛇行减振器失效后系统动力学性能整车抗蛇行减振器失效后系统动力学性能Vcr=257.16 km/h Vcr= 452.87 km/h 1. 系统临界速度系统临界速度52方向100120140160180200220横向2.282.352.432.582.642.732.83垂向2.562.742.892.973.033.123.23方 向100120140160180200220横 向1.982.052.072.122.202.232.28垂 向1.641.711.821.861

17、.921.972.032. 平稳性平稳性53 对系统临界速度起决定性作用的参数主要是轴箱纵向和横向定位刚度、抗蛇行减振器阻尼和二系横向阻尼； 固定轴距、轴箱悬挂横向跨距以及二系横向刚度对临界速度也有一定的影响； 其他参数如一系悬挂垂向刚度与阻尼、二系纵向刚度、二系悬挂垂向刚度与减振器阻尼、止挡自由间隙与弹性刚度、抗侧滚扭杆刚度等，对系统临界速度几乎没有影响。 参数对稳定性影响参数对稳定性影响54 对于系统曲线通过能力起决定性作用的参数，仍主要是轴箱纵向和横向定位刚度； 轴距、轴箱悬挂横向跨距、抗侧滚扭杆刚度对系统曲线通过能力有一定的影响，但不十分明显； 其他参数则对系统曲线通过几乎没有影响，或

18、者说系统所有的垂向悬挂参数对系统曲线通过能力几乎没有影响。 参数对曲线通过能力影响参数对曲线通过能力影响55蛇行运动稳定性是衡量车辆（转向架）横向蛇行运动稳定性是衡量车辆（转向架）横向动力学性能的一项十分重要的指标，但必须动力学性能的一项十分重要的指标，但必须兼顾车辆的曲线通过性能，因为转向架的主兼顾车辆的曲线通过性能，因为转向架的主要参数对稳定性和曲线通过性能两者的影响要参数对稳定性和曲线通过性能两者的影响通常相互矛盾。通常相互矛盾。车辆稳定性与曲线通过车辆稳定性与曲线通过56参数对平稳性影响参数对平稳性影响 对系统垂向平稳性影响起决定性作用的则主要是垂向悬挂参数，如轴箱悬挂垂向刚度与减振器阻尼、二系悬挂垂向刚度与减振器阻尼； 对系统横向平稳性影响起决定性作用的则主要是横向悬挂与结构参数，如轴箱横向定位刚度、二系悬挂横向刚度与跨距、横向减振器阻尼等。 其它参数对平稳影响不是十分明显。 57弹簧越柔软则可使乘坐越舒适，但却会影响缓冲橡胶的耐久性，而且还会降低运行的稳定性。58 性能 参数 稳定性 轮重变化 曲线横向力 抗倾覆 舒适性 轨道破