《铁道车辆工程》第05章铁道车辆的运行性能

第五章铁铁道道车辆的的运行性性能主要内容容：阐明车辆辆产生振振动的原原因解解析车辆辆振动的的规律介绍车辆辆运行平平稳性和和安全性性标准介绍改善善车辆运运行品质质的一些些措施第一节引引起车辆辆振动的的原因主要内容容：轨道有关关的激振振因素车辆结构构有关的的激振因因素一、与轨轨道有关关的激振振因素1、钢轨接接头处的的轮轨冲冲击车轮受到到的冲量量与冲量的的大小有有关的因因素：簧下质量量行车速度度钢轨接头头的变形形程度2、轨道的的垂向变变形车辆沿钢钢轨运行行时，轮轮轨接触触点迹线线有如图图的形状状，为分分析方便便，简化化为正弦弦波的形形式:3、轨道的的局部不不平顺通过曲线线时轨道道在垂向向的超高高、曲率率半径的变化和和轨距的的变化道岔轨道的上上下坡等等等4、轨道的的随机不不平顺为便于分分析，常常把轨道道不平顺顺分为轨轨距、水水平、高高低和方方向等四四种不平平顺。(1)水平不平平顺在直线区区段，铁铁路两股股钢轨顶顶面不可可能保持完全水水平，而而有一定定偏差，，称为水水平不平平顺。水平不平平顺影响响车辆横横向振动动,两股钢轨轨轨顶的的水平误误差，变变化不可可太骤。。在轨道道上分为为两种情情况:水平差和和三角坑坑。(2)轨距不平平顺铁路实际际轨距与与名义轨轨距之间间有一定定偏差，称为为轨距不不平顺。。轨距不不平顺影影响车轮接触几几何参数数，在线线性假设设中不考考虑它的影响。。(3)高低不平平顺轨道中心心线上下下的不平平顺，称称为高低低不平顺。影影响车辆辆垂向振振动。(4)方向不平平顺实际轨道道中心线线与理想想轨道中中心线的的左右差，，称为轨轨道道方方向不平平顺。主主要影响车辆辆的横向向振动。。二、与车车辆结构构有关的的激振因因素1、车轮偏偏心车轮偏心心为e,则车轮转转动时，，车轴中中心的上下位位移Zt为:2、车轮不不均重车轮的质质量不均均匀，车车轮的质质心与几几何中心心不一致致，当车轮转转动时车车轮上会会出现转转动的不不平衡力力。3、车轮踏踏面擦伤伤车轮会受受到向上上的冲量量:4、锥形踏踏面轮对对的蛇形形运动这里为方方便研究究自由轮轮对在轨轨道上的的蛇形运运动，设设:车轮踏面面斜度。。轮对中心心偏离轨轨道中心心线为。。轮对中心心的运动动轨迹是是一段圆圆弧，曲曲率半径径为：由高等数数学，任任意曲线线的曲率率为:蛇形运动动周期,波长:轮对的蛇蛇形运动动是一种种自激振振动第二节轮轮对簧簧上质量量系统的的振动主要内内容:轮对簧簧上质质量系系统模模型轮对簧簧上质质量系系统的的自由由振动动一、轮轮对簧簧上质质量系系统模模型轮对簧簧上质质量系系统是是一个个简化化的车车辆数数学模型:轮对代代表车车辆各各轮对对在轨轨道上上运行行的特特点簧上质质量代代表弹弹簧上上的车车体上面两两者之之间的的弹性性悬挂挂装置置代表表实际际车辆上的的不同同的悬悬挂装装置二、轮轮对簧簧上质质量系系统的的自由由振动动1、无阻阻力的的自由由振动动当簧上上质量量系统统处于于静平平衡时时:当车体体离开开平衡衡位置置z时，得得到运运动方方程式式:简化，，得:引入符符号:A称为车车辆自自由振振动振振幅，，取决决于初初始条条件，p称为振振动的的固有有频率率。结论:自由振动分分两部分，，一部分取取决于初始始位移，一一部分取决于初初始速度车体的重力力不影响车车体在静平平衡位置附附近作自由由振动的规律，，只影响车车体的静平平衡位置车辆振动的的固有频率率与车辆的的质量、弹弹簧刚度有有关，即与静静挠度有关关;振动加速度度幅值与静静挠度有有关。车辆设设计中，车车辆悬挂装装置的静挠挠度取值作作为一项重要技术术指标。结论:线性阻尼的的轮对质量量系统不在在作等幅简简谐振动。。衰减规律3、具有摩擦擦阻尼的自自由振动（1）轮对簧上上质量系统统中具有阻阻力与弹簧簧挠度成正比的摩摩擦减振器器变摩擦力的的F表示为:因此具有摩摩擦阻尼的的运动方程程分为两个个分段线性方程。。（a）车体由下下向上振动动车体从最高高点B向下振动到到最低点C，经过半个周期结论:相对摩擦系系数通常不不大于0.1，振动一周周的衰减量，即按等等差级数递递减4、能量法求求解任意阻阻尼的自由由振动根据能量守守恒原理，，在一定时时间内，系系统内部能量变化量量应等于作作用在系统统上所有外外力所做的的功。在现有有车辆悬挂挂系统中，，在下面条条件下振动动系统的能量量变化主要要表现在振振幅变化。。安装减振器器后车体自自由振动仍仍按正弦或或余弦规律变化振动频率十十分接近无无阻力时的的固有频率率见表5-1结论:无阻尼情情况下，，当线路路激振频频率等于于车体固固有频率率时发生生共振出现共振振时的车车辆运行行速度称称为共振振临界速速度结论:粘性阻力力减振器器的阻力力功之间间一定有有一个与与激振力力功相等等的平衡衡振幅摩擦阻力力减振器器则除完完全重迭迭外，在在坐标原原点以外外无交点点，若摩摩擦阻力力功线的的斜率小小于激振振功，则则共振时时无法限限制系统统的振幅幅增长:若摩擦擦阻力功功线大于于激振功功线的斜斜率，则则系统无无法起振振，车体体处于刚刚性受力力状态从阻力特特性来看看，粘性性阻力减减振器的的性能优优于摩擦擦阻力减减振器第三节车车辆辆系统的的振动主要内容容:车辆的振型车辆垂向振动动具有一系悬挂挂装置转向架架车辆垂向自自由振动、垂垂向强迫振动动具有二系悬挂挂装置转向架架车辆垂向自自由振动、垂垂向强迫振动动车辆横向振振动车辆横向振动动在研究车辆振振动时，往往往把发生在纵纵垂面内的浮沉及点头振振动称为车辆辆垂向振动，而车辆的横横摆、侧滚和摇摇头称为横向振动。车辆系统振动动的特点：一般车辆的垂垂向振动与横横向振动是弱弱藕合，因此此可以分别研究究；一般情况下，，车体会出现现独立的浮沉沉、伸缩、摇头、点头振振动；横摆和侧滚永永远藕合在一一起。结论:(1)具有两系悬挂挂装置的车辆辆的垂向振动动可以分成互不藕藕合的4组车体的浮沉振振动与转向架架浮沉平均值值藕合在一起的车辆辆浮沉振动车体的点头振振动与转向架架浮沉差藕合合在一起的振动两组独立的转转向架点头振振动车体与转向架架浮沉振动的的两种频率中中，低频与车辆的总总静挠度有关关；高频不仅仅与总静挠度有关，还还与两系悬挂挂中挠度的分分配及车体与转向架构构架质量比有有关。车体和转向架架固定的振幅幅比例关系和和相位关系构成了车车辆浮沉振动动的高频主振振型和低频主振型。五、具有两系系是挂装置转转向架车辆垂垂向强迫振动动1、无阻尼的强强迫振动具有两系悬挂挂装置的车辆辆的垂向振动动可以分成互互不藕合的4组：车体的浮沉振振动与转向架架浮沉平均值值藕合在一起起的车辆浮沉振振动；车体的点头振振动与转向架架浮沉差藕合合在一起的强强迫振动；两组独立的转转向架点头强强迫振动。2、具有线性阻阻尼的强迫振振动可以根据求解解出的振动方方程的解，研研究如何选择择第一、二系悬悬挂装置的静静挠度分配以以及如何选择择减振器的阻尼系数数。最佳的静挠度度分配和减振振器阻尼合理理系数应保证证车辆在运行速速度范围内车车体强迫振动动的加速度均均有较小的数值。现有客车设计计中，第一、、第二系悬挂挂的静挠度比比选择在35:54-25:75之间，相对阻阻尼系数D选择在0.2-0.3之间。2、两系悬挂车车辆横向自由由振动的简化化计算分析中不计转转向架的惯性性作用，把4个自由度系统简化为为2个自由度。简化时须把两两系悬挂的垂垂向刚度和横横向刚度正确换算成当当量一系悬挂挂刚度，尽量量减少简化造成的误差。。总结:研究轮对簧上上质量系统模模型的基本及及得到的基本规律，，依然适用于于实际车辆。。第四节轮轮对蛇形运运动接触斑轮轨间出现蠕蠕滑的条件：：轮轨为弹性体体，车轮与钢轨间有一定定的正压力，，车轮沿钢轨轨滚动。蠕滑率（蠕滑滑）纵向蠕滑率横向蠕滑率蠕滑力第五节车车辆运行品品质及其评估估标准主要内容:动荷系数车体加速度幅幅值Sperling平稳性指数客车、货车运运行品质标准准客车在曲线上上舒适性及其其标准一、动荷系数数动荷系数是车车辆在运转时时产生的动载载荷幅值与车辆辆静止止时的的载荷荷之比比。动动荷系系数分分横向向和垂向两两种。。动载荷荷可用用计算算或实实测求求得，，若已已知车车体的的垂向及及横向向加速速度，，则:有时也也用弹弹簧动动挠度度来求求动荷荷系数数:现场实实验发发现，，利用用加速速度和和弹簧簧动挠挠度所得的的动荷荷系数数不一一样。。我国并并未采采用动动荷系系数作作为评评估标标准。。二、车车体加加速度度的幅幅值车体垂垂向和和横向向加速速度幅幅值大大小可可表示示车体垂向向和横横向动动载荷荷，对对旅客客和货货物有有较大大影响，，若振振动为为简谐谐振动动，则则:三、Sperling平稳性性指数数Sperlinq等人在在大量量单一一频率率振动动试验验的基础上上提出出影响响车辆辆平稳稳性的的两个个重要要因素素:位移对对时间间的三三次导导数，，在一一定意意义上上代表表力的的变化化率，，会引引起冲冲动的的感觉觉。振动时时的动动能大大小Sperling平稳性性指数数:把反映映冲动动的和反映映振动动动能能的的的乘乘积作作为衡量量标准准来评评定车车辆运运行品品质。。在整理理车辆辆平稳稳性指指数时时，把把实测测的车车辆振动加加速度度记录录，通通常按按频率率分解解，进进行频频谱分析析，求求出每每段频频率范范围的的振幅幅值，，然后后对每一一频率率计算算各自自的平平稳性性指数数，按按下式式求出全全频段段的总总的平平稳性性指数数:2、用平平均最最大加加速度度确定定客货货车平平稳性性等级级方法:当车辆辆进行行动力力学试试验时时，每每次记记录的分析析段时时间为为6s，在每每个分分析段段中选选取一一个最大大的加加速度度，若若有m个分析析段，，则平平均最大加加速度度:评定客客车平平稳性性等级级的常常数3、最大大加速速度确确定货货车的的限制制速度度货车以以最大大加速速度为为振动动强度度极限限值，，垂向振动动的最最大加加速度度为0.7g，横向向振动动最大大加速度度为0.5g。在100km试验区区段内内，按按规定标准准测定定通过过直道道、弯弯道和和车站站侧线线时的的最大振振动加加速度度，在在货车车的限限制速速度范范围内内超限加加速度度不应应大于于3个。五、客客车在在曲线线上舒舒适性性及其其标准准1、离心心加速速度列车通通过曲曲线时时，车车辆和和旅客客都要要经受受离心力力和离离心加加速度度:2、设置置超高高设置超超高后后，旅旅客承承受的的离心心加速速度和和重力加加速速度度横横向向分分量量可可互互相相抵抵消消一一部部分分。。过超超高高第六六节节车车辆辆运运行行安安全全性性及及其其评评估估标标准准主要要内内容容:车辆辆抗抗倾倾覆覆稳稳定定性性及及评评估估标标准准轮对对抗抗脱脱轨轨稳稳定定性性及及评评估估标标准准一、、车车辆辆抗抗倾倾覆覆稳稳定定性性及及其其评评估估标标准准车辆沿轨轨道运行行时受到