轨道车辆运动稳定性与参数优选_图文
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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。
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。
车辆系统蛇行稳定性判定方法
线性方法： 特征值法 最小阻尼系数法
非线性方法： 极限环法
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。
转向架参数与车辆动力学性能的定性关系
1. 轴箱定位刚度
无抗蛇Байду номын сангаас减振器时系统临界速度
无抗蛇行减振器时系统临界速度
轴箱定位刚度对系统临界速度影响
对动力学性能影响特性
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；
轴箱纵向定位刚度对临界速度有决定性的影 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；
特征根法
V=150km/h
V=500km/h
在不同速度下，车辆系统对应不同的特 征值。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。
最小阻尼系数法
第二节 自由轮对蛇行运动
自由轮对稳定性特性:
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；
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。
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；
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平稳性影响
对动力学性能影响特性
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；
纵向刚度对垂向和横向舒适度指标无明显影响 ；
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。
车辆稳定性与曲线通过
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 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 通常相互矛盾。
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乎没有影响； 对系统横向平稳性有明显影响；
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平稳性影响
对动力学性能影响特性
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，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；
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。
第三节 系统参数对系统性能影响
正常状态参数对系统性能影响 阻尼器失效状态对系统性能影响
一、正常状态参数对系统性能影 响
轴箱纵向和横向定位刚度 轴箱弹簧垂向定位刚度 轴箱垂向减振器阻尼 二系纵向与横向刚度 二系横向减振器阻尼 抗蛇行减振器阻尼
轴箱定位刚度对曲线通过能力影响
横 向 轮 轨 力
轴箱定位刚度对曲线通过能力影响
垂 向 轮 轨 力
轴箱定位刚度对曲线通过能力影响
轮 对 摇 头 角 位 移
对动力学性能影响特性
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；
在小半径曲线上，纵向刚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；
，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；
整车蛇行失稳特性
装有刚性转向架或自由轮对的车辆，其蛇行运动 在本质上就是不稳定的。
轮对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。
对动力学性能影响特性
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；
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；
踏面斜率越大系统曲线通过能力越强； 踏面斜率在新设计转向架时可以选定，但经过
纵向刚度越大，一般脱轨系数也越大； 横向刚度越大，车辆曲线通过能力越弱；
轴箱定位刚度对平稳性指标影响
纵向刚度对横向和垂向平稳性指标无明显影响； 横向刚度对横向平稳性指标有一定的影响，对垂向平稳
性指标无明显影响；
2. 轴箱弹簧垂向刚度对临界速度影响
Wy Wz
轴箱弹簧垂向刚度对平稳性影响
更为紧凑和减轻重量，选用固定轴距总是力 求短些好。
减振器失效工况
抗蛇行减振器失效 二系横向减振器失效 二系垂向减振器失效 二系垂向减振器失效
整车抗蛇行减振器失效后系统动力学性能 1. 系统临界速度 Vcr= 452.87 km/h Vcr=257.16 km/h
2. 平稳性
方 向 100 120 140 160 180 200 220 横 向 1.98 2.05 2.07 2.12 2.20 2.23 2.28 垂 向 1.64 1.71 1.82 1.86 1.92 1.97 2.03
自激振动
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。
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。
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。
车辆蛇行运动的能量来自机车牵引力。
共振与失稳
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。
对动力学性能影响特性
轴箱垂向刚度对车辆稳定性和曲线通过 能力无明显影响；
轴箱垂向刚度对横向和垂向平稳性指标 影响明显；
3. 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平稳性影响
对动力学性能影响特性
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；
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；
二系垂向刚度对临界速度和平稳性影响
对动力学性能影响特性
二系垂向刚度对系统稳定性无明显影响 ；
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；
5. 二系横向阻尼对临界速度和平稳性影响
对动力学性能影响特性
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。
参数对曲线通过能力影响
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；
方向 100 120 140 160 180 200 220 横向 2.28 2.35 2.43 2.58 2.64 2.73 2.83 垂向 2.56 2.74 2.89 2.97 3.03 3.12 3.23
参数对稳定性影响
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；
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： 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 。
7. 踏面斜率对临界速度的影响
踏面斜率越大系 统临界速度越低 ；
踏面斜率越大系 统曲线通过能力 越强；
一段时期后，大致稳定在0.15-0.25之间；
8. 蠕滑系数对临界速度的影响
对动力学性能影响特性
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 ；
9. 固定轴距对临界速度的影响
对动力学性能影响特性
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
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；
自由轮对蛇行失稳程度与轮对的结构参数、蠕 滑系数有关。
自由轮对蛇行运动频率与波长
自由轮对蛇行运动频率 ：
自由轮对蛇行运动波长 ：
整车蛇行失稳
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）
轨道车辆运动稳定性与参数优选_图文.ppt
第一节 蛇行运动与自激振动
蛇行运动： 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。 转向架蛇行运动（二次蛇行） 车体蛇行运动（一次蛇行）
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。
车辆系统蛇行稳定性判定方法
线性方法： 特征值法 最小阻尼系数法
非线性方法： 极限环法
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。
转向架参数与车辆动力学性能的定性关系
1. 轴箱定位刚度
无抗蛇Байду номын сангаас减振器时系统临界速度
无抗蛇行减振器时系统临界速度
轴箱定位刚度对系统临界速度影响
对动力学性能影响特性
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；
轴箱纵向定位刚度对临界速度有决定性的影 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；
特征根法
V=150km/h
V=500km/h
在不同速度下，车辆系统对应不同的特 征值。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。
最小阻尼系数法
第二节 自由轮对蛇行运动
自由轮对稳定性特性:
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；
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。
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；
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平稳性影响
对动力学性能影响特性
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；
纵向刚度对垂向和横向舒适度指标无明显影响 ；
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。
车辆稳定性与曲线通过
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 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 通常相互矛盾。
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乎没有影响； 对系统横向平稳性有明显影响；
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平稳性影响
对动力学性能影响特性
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，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；
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。
第三节 系统参数对系统性能影响
正常状态参数对系统性能影响 阻尼器失效状态对系统性能影响
一、正常状态参数对系统性能影 响
轴箱纵向和横向定位刚度 轴箱弹簧垂向定位刚度 轴箱垂向减振器阻尼 二系纵向与横向刚度 二系横向减振器阻尼 抗蛇行减振器阻尼
轴箱定位刚度对曲线通过能力影响
横 向 轮 轨 力
轴箱定位刚度对曲线通过能力影响
垂 向 轮 轨 力
轴箱定位刚度对曲线通过能力影响
轮 对 摇 头 角 位 移
对动力学性能影响特性
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；
在小半径曲线上，纵向刚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；
，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；
整车蛇行失稳特性
装有刚性转向架或自由轮对的车辆，其蛇行运动 在本质上就是不稳定的。
轮对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。
对动力学性能影响特性
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；
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；
踏面斜率越大系统曲线通过能力越强； 踏面斜率在新设计转向架时可以选定，但经过
纵向刚度越大，一般脱轨系数也越大； 横向刚度越大，车辆曲线通过能力越弱；
轴箱定位刚度对平稳性指标影响
纵向刚度对横向和垂向平稳性指标无明显影响； 横向刚度对横向平稳性指标有一定的影响，对垂向平稳
性指标无明显影响；
2. 轴箱弹簧垂向刚度对临界速度影响
Wy Wz
轴箱弹簧垂向刚度对平稳性影响
更为紧凑和减轻重量，选用固定轴距总是力 求短些好。
减振器失效工况
抗蛇行减振器失效 二系横向减振器失效 二系垂向减振器失效 二系垂向减振器失效
整车抗蛇行减振器失效后系统动力学性能 1. 系统临界速度 Vcr= 452.87 km/h Vcr=257.16 km/h
2. 平稳性
方 向 100 120 140 160 180 200 220 横 向 1.98 2.05 2.07 2.12 2.20 2.23 2.28 垂 向 1.64 1.71 1.82 1.86 1.92 1.97 2.03
自激振动
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。
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。
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。
车辆蛇行运动的能量来自机车牵引力。
共振与失稳
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。
对动力学性能影响特性
轴箱垂向刚度对车辆稳定性和曲线通过 能力无明显影响；
轴箱垂向刚度对横向和垂向平稳性指标 影响明显；
3. 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平稳性影响
对动力学性能影响特性
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；
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；
二系垂向刚度对临界速度和平稳性影响
对动力学性能影响特性
二系垂向刚度对系统稳定性无明显影响 ；
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；
5. 二系横向阻尼对临界速度和平稳性影响
对动力学性能影响特性
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。
参数对曲线通过能力影响
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；
方向 100 120 140 160 180 200 220 横向 2.28 2.35 2.43 2.58 2.64 2.73 2.83 垂向 2.56 2.74 2.89 2.97 3.03 3.12 3.23
参数对稳定性影响
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；
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： 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 。
7. 踏面斜率对临界速度的影响
踏面斜率越大系 统临界速度越低 ；
踏面斜率越大系 统曲线通过能力 越强；
一段时期后，大致稳定在0.15-0.25之间；
8. 蠕滑系数对临界速度的影响
对动力学性能影响特性
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 ；
9. 固定轴距对临界速度的影响
对动力学性能影响特性
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
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；
自由轮对蛇行失稳程度与轮对的结构参数、蠕 滑系数有关。
自由轮对蛇行运动频率与波长
自由轮对蛇行运动频率 ：
自由轮对蛇行运动波长 ：
整车蛇行失稳
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）
轨道车辆运动稳定性与参数优选_图文.ppt
第一节 蛇行运动与自激振动
蛇行运动： 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。 转向架蛇行运动（二次蛇行） 车体蛇行运动（一次蛇行）