轨道交通车辆动力性能分析-车辆振动分析

车辆振动型式建模

车辆振动形式

目的与要求：1．振动形式。2．改善振动的措施。难点：改善振动的措施。重点：振动的六种形式。解决措施：概念讲清楚，条理清晰。

车辆振动型式建模车体可视为刚体，在悬挂系统上的运动将具有6个自由度，如图12—1。一般将沿轴的纵向运动称伸缩，沿轴的上下运动称浮沉，沿轴的左右运动为横摆；在横断面内的转动称侧滚，沿水平面的转动称摇头，在纵向立面中的转动叫点头。在实际中，这些不同方向的运动通常以振动的形式出现，称为振型，并相互耦合。车体对称支承在弹簧上，当车体横摆时，其重力与弹簧支承合力形成力矩使车体产生侧滚，这意味着车体的横摆与侧滚不能独立存在，它们形成了两个耦合振型：绕车体重心上方某滚心运动的为上心滚摆；绕车体重心下方某滚心运动的为下心滚摆。车体的摇头与滚摆属于车辆横向振动范畴。浮沉点头为垂向运动范畴。伸缩则为纵向振动。与车体类似，转向架构架视为刚体时也有6个自由度。图12—1车体的空间振动车辆运行振动分析车辆运行时的振动分析（一）机车车辆的垂直振动(浮沉点头)机车车辆的转向架通常采用两系悬挂。为了在有限的空间内获得较大的柔性。它的简化无阻尼的垂直振动简化系统简如图12-19。模型考虑车体仅作浮沉振动，前后转向架构架相应作同相浮沉的低频振型。这是两个自由度的振动系统。图12—19两系无阻尼悬挂车辆系统简图车辆的横向振动（二）机车车辆的横向振动(摇头与滚摆)由于机车车辆要通过道岔、曲线，机车车辆本身又具有蛇行的趋势，机车车辆的横向振动也是需要仔细研究并控制的因素。为了减缓车体在横向平面内的振动，车体与转向架之间在横向也设置了柔软的悬挂装置，通常采用摇动台结构。近20年来在地铁上大量采用了橡胶堆或空气弹簧的无摇动台悬挂方式。无论是哪种悬挂都可以简化为图12—22的结构。如果不考虑车体摇头，忽略构架质量，车体在横断面内的振动可以简化为一个两自由度系统。

图12—22车体的横向振动简图车辆的纵向振动（三）机车车辆的纵向振动(伸缩)机车车辆通常以动车组形式出现，采用密接车钩连接，编组较小，并使用先进的电空制动技术，因而列车运行中的纵向振动远比干线货运列车及客运列车小。引起列车振动的原因引起列车振动的原因轨道在车轮动载荷作用下将沿长度方向呈现不均匀的弹性下沉，造成轨道实际几何形状与名义尺寸的偏差，就是轨道不平顺。而轨道的不平顺，它是产生机车各种振动的主要根源。影响机车动力学性能的轨道不平顺可以用3种方式表示，见图12—2。图12—2轨道不平顺的3种类型（a）高低不平顺；（b）水平不平顺和轨距不平顺；（c）方向不平顺。列车的自激振动在钢轮与钢轨的接触面或橡胶轮胎与导向路面之间存在着切向力。这种切向力称蠕滑力或粘滑力。它随车轮与路面或轨面的相对位置或运动状态而发生变化。在一定条件下，这种切向力会激起车轮乃至车辆发生剧烈振动，振动的原因是自激性的。我国某种铁路货车空车时在70km/h有时会产生一种所谓的自激蛇行运动。某种橡胶轮胎的车辆即使运行在平直道上，超过某一速度时也会产生剧烈横摆。可以肯定其产生的原因不是线路不平顺。这种自激振动主要是在横向平面内产生的，它引起了车辆及其部件的剧烈摇头和滚摆。蛇行运行稳定性蛇行运行具有一定踏面形状的铁道车辆轮对，即使沿着平直轨道滚动，受到微小激扰后就会产生一种振幅保持或继续增大直到轮缘受到约束的特有运动。此时轮对向前滚动，一面横向往复摆动，一面又绕铅垂中心线来回转动，其轮对中心轨迹呈现波浪形，称蛇行运动。轮轨间的蛇行运动是由具有等效斜率的踏面而产生的。这种踏面是为避免轮对的轮缘始终贴靠轨侧运动而采取的自动取中措施。正是这种取中的能力在一定的条件下转化为失稳的动力。当激扰消失而剧烈的蛇行运动不能收敛时，则称为蛇行失稳。它实际上这是一种自激振动。是轮对对钢轨的相对运动产生了内部激振力，由这种激振力维持着轮对的运动。就车辆而言，由机车牵引力提供的非振动能量由于轮轨间的自激机制（理）转化为蛇行运动的能量。当车辆运行提高到某速度，车辆系统中的阻尼无法耗散这种能量时，蛇行运动就呈失稳，该速度称为蛇行失稳临界速度。蛇行运行稳定性在60年代，英国及日本首先将蠕滑理论运用于高速车辆蛇行稳定性的的研究，成功地指导了高速列车的开发。城市轨道车辆运行速度不高，但是如果轮对定位刚度及悬挂参数选择不当，也会出现蛇行失稳现象。尤其近年来，为改善城市轨道车辆小曲线通过性能，减小噪声及磨耗问题，轮对定位刚度逐渐减小有可能导致蛇行运动和失稳。车辆蛇行失稳将恶化运行品质，引起轮轨磨耗并扩大动载荷，严重时还会导致脱轨。因而车辆的蛇行稳定性的裕量大小是衡量车辆是否能始终满足正常运行的条件之一。影响蛇行运动的因素（一）轮对定位刚度（二）车轮踏面等效斜率（三）蠕滑系数（四）转向架固定轴距（五）中央悬挂装置总之影响车辆蛇行运动的因素很多，在设计车辆或改进车辆时应作多种参数选择和方案比较，从垂直及横向平稳性，蛇行运动稳定性，曲线通过性能等方面综合考虑。既要考虑新车状态，也要考虑运用后的条件，保证在使用或检修间隔期内性能保持优良。从城市轨道车辆运用现实考虑，过高的临界速度是不必要的，要更多的考虑曲线通过、舒适性及对环境的影响。防止起动时空转及制动时滑行的蠕滑控制虽然动车组的牵引力及制动力均是分散的，对粘着能力的需求不象干线机车那样强烈。但是城市污染严重，轨面条件较差，而起动与制动加减速度又比干线列车高，提高粘着仍是必要的。在干线机车上采用的撒砂方法并不适用地铁轻轨。目前先进的电子防滑（防空转）系统已使用在上海地铁车辆上。电子防滑系统由轮对转速测量、微处理