车辆系统动力学 第三章

能够顺利通过道岔； 耐磨性要好，即使产生了磨耗，其形状变化也 要小。
踏面设计目的性问题
25
两种踏面接触面积比较
锥型踏面轮轨接触斑
磨耗型踏面轮轨接触斑
26
对踏面动力学性能认识差异
一般地，在曲线通过方面采用磨耗型踏面 有利，而在抑制蛇行运动、车体振动方面 锥形踏面有利。
实际上，现阶段研究结果表明，在抑制车 体蛇行运动和提高稳定性方面，磨耗型踏 面有时也能够取得良好的效果。
43
第二节 轮轨接触状态认识
钢轨轨头外形 轮轨接触状态
轮轨接触几何参数
44
1. 钢轨轨头外型
50kg/m钢轨外型尺寸
60kg/m钢轨外型尺寸
45
UIC 钢轨外型
UIC60 钢轨外型
46
钢轨 轨头外型离散
10 0
10 0 -10
z/mm
-10
z/mm
-20 -30 -40 -40
-20 -30 -40 -40 -20 0 y/mm 20 40
14
3. 踏面类型
圆筒踏面（踏面为没有锥度的平坦圆筒、日 本轨检车上，有利于轨道高低变形的测定） 圆锥踏面（踏面带有一定的锥度） 圆弧踏面（磨耗型踏面，踏面带有圆弧）
为了使无论哪种踏面形状均能够防止 车轮脱轨， 因而车轮都设有轮缘。 踏面锥度是使轮对具有复原功能和转向功能的 根本原因，也是引起蛇行运动的根源。
车轮磨耗特性参数
• Sh: 轮缘高
28.1 27.9 28.0 29.0
9.8 10.7 10.8 11.0
• Sd: 轮缘厚度 • qR: 轮缘形状限度
磨耗型踏面（XP55）
23
车轮外形吻合
Comparison between Wheel profiles
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 0 15 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
采用凹形车轮踏面，不仅可以减缓磨耗，延长使 用寿命，而且有利于车辆曲线通过，并使轮缘力 有所降低。
18
磨耗型踏面（LM）
19
磨耗型踏面（LMA）
20
4. 车轮参数定义
轮对内侧距
滚动圆半径 轮缘 轮缘厚度
轮缘角度 轮缘高度
踏面 等效踏面锥度 回转半径差 接触角度差
W Fgy Fr Fl tg ( r ) tg ( l ) 2
36
轮对重力刚度
锥形踏面
R L l

2l y 2b

ly
b
tg ( R ) R tg ( L ) L
K gy
Fgy y

W tg ( R ) tg ( L ) 2y
-5
z [mm]
S1002 -10 SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h -15 XP55
-20 y [mm]
5. 车轮踏面设置要求
对脱轨安全性要高； 对中性能强；
运行稳定性要好（不发生蛇行运动）；
曲线通过性能要好（曲线通过时产生的横向力 要小）；
• • • •
中国标准 ; 中国轨道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ； S1002欧洲标准外形； XP55 TGV 韩国外形
z [mm]
-5 -10 -15 -20 -25 -30 y [mm] S1002 SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h XP55
第三章 轮对结构与轮轨接触几何关系
1
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 轮对结构认识 轮轨接触状态认识 轮轨接触几何关系求解 道岔区轮轨接触几何关系
2
3
第一节 轮对结构
4
5
1 轮对设计要求
应该有足够的强度，以保证在容许的最高速 度和最大载荷下安全运行（减轻轮对重量）； 应不仅能够适应车辆直线运行，同时又能够 顺利通过曲线和道岔，而且应具备必要的抵 抗脱轨的要求； 应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以 只需要较小的牵引动力并能够提高使用寿命。
Comparison between Wheel profiles
40 50 60 70 80 90 100
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 30
5
0
W w tg ( R ) tg ( L ) l K gy y 2y b
Fgy
有使轮对恢复到原来对中位置的作用
37
轮对重力刚度
160 120
Kgy / N.m-1
80 40 0 0
磨耗踏面 锥形踏面
4
8 yw/mm
12
16
38
轮对重力角刚度源自文库
Fl

Fr
M g FRb sin FL sin
6
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
轮缘 滚动圆直径 轮缘内侧距 车轮踏面斜度
7
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
① 轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮 脱轨的重要部分。 ② 滚动圆直径：车轮直径大小，对车辆的影响各 有利弊：轮径小可以降低车辆重心，增大车体 容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴 距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界，降低 工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增 加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，通过 轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。轮 径大的优缺点则与之相反。
-20
0
20
40
y/mm
50kg/m轨头外型全部离散数据
60kg/m轨轨头外型离散数据
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50kg/m与60kg/m轨轨头外型尺寸比较
10 0
z/mm
-10 -20 -30 -40 -40
R50 R60
-20
0 y/mm
20
40
48
2. 轮轨接触
49
轮轨接触状态
一点接触 踏面接触
两点接触 踏面接触
F m V / t
降低作用力途径有三种：
1. 减小质量； 2. 减小速度变化量； 3. 延长力作用时间。
42
专题三：轮对低动力设计方法
1. 减小簧下质量。目前在减小轮对质量上主要两种方法：①采 用空心车轴。在不降低车轴强度的条件下，尽可能采用空心 车轴，这不仅有利于降低簧下质量，而且还便于车轴疲劳裂 纹内部探伤。②采用小轮径车轮。减小车轮直径同样可以起 到降低轮对质量的作用。 2. 采用合理的车轮踏面。合理的车轮踏面对降低轮轨相互作 用、保证车辆系统具有良好的运行稳定性和曲线通过能力具 有重要的意义。 3. 采用弹性车轮。采用弹性车轮不仅可以降低轮轨噪声，而且 还可以缓和轮轨冲击，降低轮轨动作用力。 4. 严格控制车轮质量，降低车轮动不平衡质量。 车轮设计制 造过程中，应尽可能保证车轮质心与形心重合，严格控制轮 对动不平衡质量，避免质心与形心出现位置偏差时形成轮轨 间持续冲击作用。
rL=r0- l yw rR=r0+ l yw
rR rL l 2 yw
rR rL le 2 yw
33
理想曲线通过与踏面曲率
34
等效斜度
1.2
磨耗踏面 锥形踏面
0.8
le
0.4 0.0 0
4
8 yw/mm
12
16
35
轮对重力刚度
W
l -
Nr + r
Nl
W Fl tg ( l ) 2 W Fr tg ( r ) 2
40
合理的轮轨踏面外型不仅可以减缓磨耗， 延长使用寿命，而且有利于车辆曲线通过， 降低轮轨动力作用；
只要轮轨外型参数确定，利用轮轨接触几 何关系，可以确定轮对在不同横移量时车 轮踏面等效斜度、等效重力刚度和等效重 力角刚度等参数；
41
专题三：轮对低动力设计方法
F t m V 动量定理：
轮缘接触
50
轮轨多点接触
51
磨耗型踏面轮轨接触
52
3. 轮轨接触几何参数
w l rl r rl r wl zw yw rr rrr rwr r
左、右轮实际滚动半径； 左、右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径； 左、右轨在轮轨接触点处的踏面曲率半径； 轮对侧滚角； 轮对中心上下位移； 踏面等效斜度；
左轮和左轮与左轨和右轨在轮轨接触点处的接触角；
重力刚度与重力角刚度。
53
第三节 轮轨接触几何关系求解
轮轨接触几何关系求解发展过程 影响轮轨接触几何关系参数
空间轮轨接触几何关系求解方法 不同踏面轮轨接触状态比较
54
1 轮轨接触几何关系发展过程




八十年代初期 ： 研究由分段圆弧组成的磨耗型踏面和磨耗型钢轨相互接 触时的几何参数，以及各种因素对它们的影响 八十年代中后期： 研究任意形状的轮轨空间几何约束关系，并提出了一个 具有足够精度、适用于任意形状的空间几何约束关系的 数学方法及计算程序； 九十年代初期 ： 提出迹线法来处理空间轮轨接触几何关系问题。基本思 路：暂时抛开轨面的形状，仅由轮对的位置（摇头角、 侧滚角）以及踏面主轮廓线参数（滚动半径、接触角） 确定可能的接触点。
21
轮轨接触分析
车轮外形的主要参数
Sd
L3 = 12 mm (Standard China) 中国标准 32 32 -
车轮外形
L3 = 10 mm 32.6 33.2 32.5 32.6
Sh
qR
SYSZ40-00-00-02A (200 kph) SYSZ40-00-00-00 (160 kph) S1002 XP55
8
（3） 轮对内侧距
9
轮对内侧距
保证轮缘与钢轨之间有一定游（间）隙，可以： 减少轮缘与钢轨磨耗；
实现轮对自动对中作用；
有利于车辆安全通过曲线；
有利于安全通过辙叉； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太小，可能会造成 轮缘与钢轨的严重磨耗；
轮缘与钢轨之间的游（间）隙太大，会使轮对蛇 行运动的振幅增大，影响车辆运行品质；
bW sin tg ( R ) tg ( L ) 2 Mg
2b
K g
K g Wbl const
有使轮对继续偏离原来角位置的作用
39
轮对重力角刚度
1.2 0.9
K g
0.6 0.09 0.06 0.03 0.00 0 0.3 12 16
8 4 mm / yw
27
性能认识差异
• 在车轮横移时，磨耗型踏面车轮的接触角差、 滚动半径差要比锥形踏面车轮的变化大，这使 输入车体的能量减少，车体振动激烈程度降低。 • 在适当运行速度下，与采用锥形踏面的车轮相 比，采用磨耗型踏面的车轮，其转向架蛇行运 动波长短、频率高，而且远离了车体的固有振 动频率。
车轮踏面形状对高速动车运动特性的影响
10
安全通过辙叉
11
顺利通过曲线
r0 + y r0 - y
o
R
y
2b
12
轮缘内侧距选取
13
轮轨间隙计算
标准轨距：1435mm 轮对内侧距：1353mm 轮缘厚度：32mm（单侧），64mm（双侧）
国内轮轨间隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm） 欧洲轮轨间隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （mm）
《国外内燃机车》 藤本裕[日本] 1999年第2期
28
车轮踏面形状和接触参数对从钢轨 向车上输入的能量影响
0.20 0.15
能量输入率
0.10
0.05
0.0
圆弧踏面
第1种变化 第2种变化 锥形踏面
29
两种踏面对线路激扰响应比较
速度V=270km/h，波深a=1.0mm
30
与车轮相关的几个参数
车轮踏面锥度 车轮踏面等效锥度（斜度） 重力刚度 重力角刚度
31
等效斜度
Traction motor 牵引马达 Gearbox 齿轮箱
265 kW (360 Hk) max 5000 rpm
Coupling连挂
32
等效斜度
锥形踏面车轮滚动圆附近成斜率为 0.l的直线段， 在直线段范围内车轮踏面斜度为常数。
当轮对中心离开对中位置向右移动横移量 yw，那 么左右车轮的实际滚动圆半径分别为：
15
车轮踏面外型
车轮踏面几何形 状是影响行车安 全和运行平稳性 的重要因素。
16
锥形踏面 (TB)
17
磨耗型踏面形成
锥形车轮踏面和钢轨头部的接触面积很小，接触 应力很高，因此在车轮运用初期，局部位置的磨 耗很快，使踏面不久即呈现凹陷。
当磨耗范围逐渐遍及整个踏面并与轨头的轮廓外 形相吻合后，接触应力就明显减小，表面又经过 ‘冷硬’处理，以后的磨耗减慢，踏面外形也相 对稳定。此时的踏面形状接近于磨耗型踏面。