1、,兰州交通大学机电学院机车车辆系 朱喜锋,欢迎学习机车总体及走行部,6-2 机车车辆振动,第1节 概述 第2节 机车车辆振动分析 第3节 轮轨接触及滚动理论,第4节 机车车辆蛇行运动稳定性 第5节 机车车辆曲线通过 第6节 机车车辆运行平稳性及运行安全性评价,第1节 概述,一、 机车车辆动力学简介二、激振原因三、机车车辆振动形式,一、 机车车辆动力学简介,1、研究内容2、研究目的 3、机车车辆动力性能,1、机车车辆动力学的研究内容,为保证机车车辆运行平稳舒适、减轻对机车车辆本身和线路的破坏作用、确保行车安全，需用理论分析与实验相结合的方法研究以下问题：研究机车车辆在运行中产生的力学过程；掌握车
2、体、转向架的振动规律； 以便合理设计机车车辆有关结构，正确选定弹簧装置、轴箱定位装置、横动装置、减振器等的参数；并为有关零部件的强度计算提供必要数据。,2、研究目的,研究自由振动求知固振频率，以便知道发生共振时的机车机车车辆速度。 研究受迫振动是为求知需要的阻尼和迫振振幅、迫振加速度，以便知道机车机车车辆运行的平稳程度及其对线路的动作用力。 研究蛇行稳定性问题，以便采取有效措施来提高高速机车机车车辆的蛇行临界速度。,机车机车车辆的垂向振动有固有振动和受迫振动之分。 外力偶然作用，使机车机车车辆簧上质量离开平衡位置而产生的振动，称为自由振动。机车机车车辆簧上质量在外力(激扰力)周期地作用下产生的
3、振动，称为受迫振动，当激扰力的频率和固有振动的频率一致时，就要发生共振。机车机车车辆横向振动具有蛇行的特征，在一定的条件和运行速度下，这个系统会出现动态不稳定状态。,3、机车车辆动力性能,（1）平稳性：舒适性。（2）稳定性（稳定性脱轨、抗倾覆稳定性）： 安全性。（3）曲线通过性能：导向机理。,二、激振原因,1、线路的构造和状态2、轮对的构造和状态,1、线路原因,轨道的不平顺包括： 中心线的方向不平顺（10m长不超过4mm) ； 两股钢轨顶部表面的高差，即水平不平顺； 轨道中心线的高低不平顺（10m长不超过4mm)； 轨距的偏差（1435+6，-2）； 以及沿轨道长度方向水平的变化量，即扭曲(或
4、称三角坑)。,（1）钢轨接头：12.5m、25m、无缝轨。 （2）钢轨垂向变形：轮重下的弹性变性。 （3）轨道的不平顺：轨道实际的几何学形状与其名义形状之间偏差。,2、轮对的构造和状态,（1）车轮偏心：轮轴不同心。（2）车轮不均重：车轮形心、质心不重合。（3）踏面擦伤。（4）踏面斜度和橡胶轮。,三、机车车辆振动形式,1、坐标系与基本振动形式（6种）2、滚摆3、蛇行运动,1、坐标系与基本振动形式（6种）,（1）侧滚：绕x轴的回转振动; （2）伸缩：沿x轴的往复振动 （3）点头：绕y轴的回转振动； （4）横摆：沿y轴的往复振动 （5）摇头：绕z铀的回转振动； （6）浮沉：沿z铀的往复振动,其中：浮
5、沉、点头和伸缩是主要由波形线路引起的在铅垂面内的振动；横摆、摇头和侧滚是主要由轮对的锥形踏面引起的横向振动(或称侧向振动)这些振动一般是同时存在的，不过在不同条件下，有一两个振动是主要振动，其余的是不显著的振动。,X轴与机车车辆运行方向一致；y轴水平向右；z轴垂直向下。,2、滚摆,由于弹簧对称支撑于车体下部，车体横摆时，其重力与弹簧支持力形成的力矩使车体车滚，即产生横摆时肯定发生侧滚，横摆与侧滚的耦合振动称为滚摆。滚心在车体重心之上的滚摆称为上心滚摆。滚心在车体重心之下的滚摆称为下心滚摆。,3、蛇行运动,指的是具有一定踏面斜度的轮对，沿直线运行时，受到微小的激扰后，产生一种一面横向往复摆动，一
6、面绕铅垂中心转动，中心轨迹城波浪形的特有运动。,第2节 机车车辆振动分析,一、一系悬挂机车车辆的垂直振动二、二系悬挂机车车辆的垂直振动三、机车车辆的横向振动四、机车车辆的随机振动,一、一系悬挂机车车辆的垂直振动,1、轮对簧上质量系统无阻尼自由振动 2、轮对簧上质量系统无阻尼受迫振动 3、具有一系簧的有阻尼车轮荷重系统的受迫振动,1、轮对簧上质量系统无阻尼自由振动,力学模型数学模型振动方程解及结果分析,(1) 力学模型,轮对簧上质量系统是由置于轮对上的弹簧和置于弹簧上的车体所组成，其振动可以代表机车机车车辆在一系弹簧上的浮沉振动，此振动在很大程度上反映了机车机车车辆振动的一般性规律。,鉴于线路刚
7、度很大，为简化分析，不考虑线路的弹性。设偶然的冲击使车体离开了它的平衡位置，受力分析可建立振动力学模型 (图1)。,(2) 数学模型,由牛顿第二定律或达朗贝尔原理可建立振动方程。式中 P为车体重量；M为车体质量；g为重力加速度；k为弹簧刚度；Z为车体位移；f0位弹簧静挠度。因为静态时，车体处于静力平衡状态，即P=Mg=kf0。,P=Mg=kf0,(3) 振动方程解及结果分析,自由振动 振幅,振动的圆频率,振动频率,振动周期,初始条件为：t=0时,自由振动 位移,由分析可知：车体自由振动的振幅C的大小取决于车体振动的初始条件，如果初始位移和初始速度大，则车体自由振动的振幅也大，否则振幅小；车体的
8、自由振动固有频率和振动周期与机车车辆的质量、弹簧刚度和机车车辆悬挂静挠度有关，与振幅无关。在转向架设计中，常常把车体悬挂静挠度作为重要的技术指标，静挠度越大，机车车辆自振频率越低，振动周期越长，振动越缓慢。,2、轮对簧上质量系统无阻尼受迫振动,力学模型 数学模型 振动方程解及结果分析,设波形线路简化为正弦曲线，受力分析可建立振动力学模型 (图)。,力学模型,(2) 数学模型,由牛顿第二定律或达朗贝尔原理可建立振动方程。,式中 P为车体重量；M为车体质量；g为重力加速度；k为弹簧刚度；Z为车体位移；f0位弹簧静挠度。因为静态时，车体处于静力平衡状态，即P=Mg=kf0。,固有频率,激振频率,(3
9、) 振动方程解及结果分析,增幅系数(受迫振动与轨面正弦曲线波幅的比值),由增幅系数与频率比的关系曲线可见： 在o 1之间， 大，即运行速度高，则受迫振动振幅大；在 1时， 大，即运行速度高，则受迫振动振幅小。当1，即自振频率等于激扰频率时，受迫振动振幅趋于无穷大，这就时共振。共振时的机车机车车辆速度称为共振临界速度Vc。为了避免共振的危害，有的采用大刚度的弹簧来提高固有频率，以便使VmaxVc，同时用减振器来抑制通过共振区时的振幅。此时，机车机车车辆处于超临界速度运行。,频率比,3、轮对簧上质量系统有阻尼受迫振动,力学模型 数学模型 振动方程解及结果分析,力学模型,设波形线路简化为正弦曲线，受
10、力分析可建立振动力学模型 。,(2) 数学模型,由牛顿第二定律或达朗贝尔原理可建立振动方程。,(3) 振动方程解及结果分析,由增幅系数与频率比和相对阻尼系数D的关系可知； 在很小的下，减振器的作用不显著； 在共振时(=1)，受迫振动的振幅受到明显的抑制； 在2时，有减振器时的振幅反而大于无阻尼时的振幅。这说明减振器除用来衰减固有振动外，只是用来控制共振时的振幅。因此对于超共振临界速度运行的机车机车车辆，阻尼不可取大，通常D=0.20.25；对于亚共振临界速度运行的机车机车车辆，阻尼不妨取大些，通常D=0.30.4。,二、二系悬挂机车车辆的垂直振动,1、具有两系簧的无阻尼车轮荷重系统的自由振动
11、2、具有两系簧的有阻尼车轮荷重系统的受迫振动 3、实际机车机车车辆的振动,1、具有两系簧的无阻尼车轮荷重系统的自由振动,力学模型 数学模型振动方程解及结果分析,力学模型,(2) 数学模型,由牛顿第二定律或达朗贝尔原理可建立振动方程。,(3) 振动方程解及结果分析,在车体和构架的浮沉振动中包含两阶固有频率，其中较低的频率仅与总静挠度有关，而与两系静挠度的分配无关，而较高的频率不仅与总静挠度有关，而且还与两系静挠度的分配和车体与转向架得质量比有关。弹簧悬挂装置的基本参数是：弹簧装置的刚度或总静挠度、静挠度在两系中的分配以及两系中的阻尼。通常认为，对于一系弹簧装置，静挠度数值(以毫米计)应该大约等于
12、机车的最大速度(以公里小时计)，对于最大速度为120公里小时以上的机车机车车辆，应采用两系弹簧装置，其总静挠度一般取160200mm。此时，轴箱弹簧静挠度应设计为总静挠度的13左右，效果最好。自振频率较低的振动分量中车体和构架的位移同向；自振频率较高的振动分量中车体和构架的位移反向。,2、具有两系簧的有阻尼车轮荷重系统的受迫振动,(1) 力学模型 (2) 数学模型 (3) 振动方程解 (4) 结果分析,(1)力学模型,(2) 数学模型,由牛顿第二定律或达朗贝尔原理可建立振动方程。,(3) 振动方程解,(4) 结果分析,a.一、二系均无减振器 b.一、二系均有减振器 c.一系无减振器，二系有减振
13、器,a. 一、二系均无减振器,即系统无阻尼的情况下，当激扰频率p与固有频率一致时，发生共振。,b. 一、二系均有减振器,当激扰频率为系统的第一固有频率时，“”值较小，随着激扰频率的增高(车速增高)，“”值将迅速增高，车体振动显著加剧.由此可见，在两系簧内均设减振器不利于高速运行。,c. 一系无减振器，二系有减振器,|曲线通过0、pI、q1=0,q2=0时，|曲线通过0、pI、pII、pIII四点，并在q2=0与q2= 所对应的|曲线之间。不同的q2，曲线形状也不同。 当m1/m2及f1/f2(k1、k2)变化时，pI、pII、pIII的位置也改变，而且|的曲线形状也改变。,设计弹簧装置时，m1
14、m2已确定，能够选择的参数是f1/f2及q2。减小f1、增大f2，可以减小低速时的|值，但却使高速时的|值增大。通常f1不得小于60毫米，弹簧装置总静挠度不超过160180毫米。在机车上，为减少轴重转移，在速度不很高的货运机车上，把二系簧设计得很硬、一系簧较软。此时f1F2，毫无疑问，减振器应置于一系簧中。,3、实际机车机车车辆的振动,力学模型(2) 数学模型,(1) 力学模型,二轴转向架式机车机车车辆的垂向振动可以安排具有6个自由度的数学模型：车体的点头和浮沉，两个转向架的点头和浮沉。模型计及28个自由度。,(2) 数学模型,利用电子计算机求解车体和转向架的垂向振幅、垂向加速度幅和机车机车车
15、辆运行平稳性指数，最终确定两系弹簧的刚度和阻尼的合理值。 最后还应指出，在上面的分析中假定了车体是刚体。但实际上车体是弹性体，其固有振动频率在10Hz左右。为避免振动耦合的有害作用，应使系统的浮沉自由振动高频频率和转向架点头自由振动的频率避开车体本身的自由振动频率。,三、机车车辆的横向振动,（1）车体横向振动（2）整车横向振动,1、车体横向振动,不考虑车体摇头，忽略构架质量，车体在横断面内的振动可简化为横摆和侧滚共两个自由度的系统，其力学模型和数学模型分别为：,结论： 1、车体横向振动有两个固有频率，低频对应下心滚摆，高频对应上心滚摆。 2、车体滚摆固有频率随横向刚度的减小而降低。,2、整车横
16、向振动模型,四、机车车辆随机振动,轨道存在4种连续随机不平顺，通过实际测量可以得到其统计性功率谱密度函数。将其带入机车车辆振动方程可计算出机车车辆在线路随机激励下的随机响应。,第3节 轮轨接触及滚动理论,一、轮轨接触几何关系二、轮轨接触蠕滑关系三、重力刚度与重力角刚度,一、轮轨接触几何关系,1、研究对象与目的2、轮轨接触几何参数,1、研究对象与目的,轮轨接触几何学主要研究轮轨之间的几何关系及参数。它从几何学角度，探讨影响机车机车车辆动力学性能以及轮对与钢轨使用寿命的因素。其研究结果可以用于横向稳定性计算、随机响应计算及动态曲线通过计算等，还可用于轨道几何参数和轮轨外形的合理选择。此外，对轮轨接
17、触区的应力分析和轮轨磨耗的研究等也都有实际的应用价值。,2、轮轨接触几何参数,(1) 主要几何学参数(2）基本概念(3) 几何参数之间的关系,(1)主要几何学参数,轮对侧滚角轮轨接触角L、R实际滚动圆半径rL 、 rR。等效踏面斜率je。,两个基本的参数：轮轨的接触角0和等效踏面斜率je。,(2）基本概念,左右两轮上距轮缘内侧70mm处的圆周就是车轮名义滚动圆。当轮对中心向右偏离轨道中心线yw时，车轴中心线与轨顶平面间的夹角称为轮对侧滚角w；左右两轮与钢轨接触面的切面与水平面之间的夹角，即接触角，分别以L和R表示。此时左右两轮与钢轨接触点处的滚动圆半径即左右轮实际滚动圆半径，分别以rL和rR表
18、示。,(3)几何参数之间的关系,：接触角参数，表示接触面斜率对于轮对横移量的变化率；s：左右两滚动圆间的距离之半。,二、轮轨接触蠕滑关系,1、蠕滑2、蠕滑率3、影响粘着系数的因素4、防车轮空转滑行的措施5、蠕滑力和蠕滑力矩,1、蠕滑,由于轮轨间为两个弹性体间滚动接触而产生相对位，在轮周力的作用下，车轮实际行进速度v*r。转矩越大，则轮轨表面变形量越大，因而速度差也越大，这种现象为称蠕滑。亦称弹性滑动，是纯滚动与纯滑动之间的中间形式。,2、蠕滑率,根据试验，蠕滑力的极限值就是库伦摩擦力。当轮用力为零时，蠕滑率为零，这是纯滚动状态。当轮用力增大时，蠕滑率增大。轮周力达库伦摩擦力时，就产生空转(或滑
19、行)，轮轨接触由蠕滑状态变为纯滑动状态。故蠕滑是介于纯滚动与纯滑动之间的中间状态。在不太大的轮周力的作用下(蠕滑率不大于1.52.0)，轮周力与蠕滑率成线性关系其解析式为：,5、蠕滑力和蠕滑力矩,（1）横向蠕滑力：作用于左右轮的横向蠕滑力相同，两者的合力为作用于整个轮对的横向蠕滑力。作用方向向左为正，向右为负。 （2）纵向蠕滑力：左右轮的纵向蠕滑力大小相等，方向相反，形成纵向蠕滑力偶，逆时针为正，顺时针为负。,三、重力刚度与重力角刚度,1、重力刚度2、重力角刚度,分析可知，轮对蛇行时，由于重力的作用产生轨作用于轮对的重力刚度和重力角刚度效应。,1、重力刚度,因轮对横移而产生的轨作用于轮对的该横
20、向力，通常称为复原力F重。 F重的作用方向与轮对的横移方向y相反，故冠以负号。显然，F重有使轮对复原至中央位置的作用。,由轨作用于轮对的横向力F重与轮对横移量y的比值称为重力刚度Ky：,2、重力角刚度,当轮对路头而绕通过其重心的铅垂轴转过一个角度时，在转动平面内还会产生一个也是来源于重力的力矩M重。力矩M重是因轮对偏转角而产生的，其大小与成正比，其方向与的方向相同，即有使偏转角增大的作用。,力矩M重与轮对偏转角的比值称为重力角刚度K：,第4节 机车车辆蛇行运动稳定性,一、概述二、轮对的蛇行运动三、转向架的蛇行运动四、机车车辆的蛇行运动,一、概述,1、蛇行运动定义2、蛇行运动的自激振动特性3、研
21、究蛇行运动的目的,1、蛇行运动定义,具有锥形踏面(或其他轮廓的踏面)的轮对无滑行地沿轨道滚动时，轮对中心稍有横移，两轮便以不同直径的滚动圆在钢轨上滚动，使轮对沿直线轨道滚动时一面横移，一面又围绕其重心的铅垂轴来回回旋偏转。这种运动就是轮对蛇行运动；由轮对的蛇行运动而引起转向架和车体在横向平面内的振动，就称为转向架蛇行运动(bogie hunting)和车体蛇行运动(body hunting)。 车体蛇行亦称一次蛇行(primary hunting)，它以车体剧烈地横移与偏转振动为特征。当转向架横移振动或偏转振动频率与车体固有频率之一相一致时，就有可能出现。但若系统具有足够阻尼时，车体蛇行失稳将
22、可以避免。转向架蛇行亦称二次蛇行(secondary hunting)，它以转向架或轮对相对车体剧烈振动为特征。一旦发生转向架蛇行后、随着运行速度增大，蛇行运动持续地更加恶化势。因此，必须采用不同的方法加以防止。通过合理地选择悬挂参数、车轮踏面和轨头几何形状等，以提高二次蛇行的临界速度使之超出机车车辆实际运行速度范围之外。,2、蛇行运动的自激振动特性,虽然早在1928年carter已经研究并认识到蛇行运动是一种运动稳定性问题但此后一段较长时期里，还往往把它作为强迫振动去考虑。（1）自激振动系统由三部分组成：能源、振动系统、反馈持性的控制和调节系统。（2）自激振动系统主要特点是：(a)在无外界交
23、变力作用下，能把作用于系统的固定方向的运动转变为系统的振动。(b)具有反馈控制环节，振动(和运动)一旦停止，则维持自振的交变力也随之消失。(3)蛇行运动的自激特性：机车机车车辆沿直线轨道运行时，各轮对前进运动的动能部分地通过作用在轮轨接触面上的蠕滑力和蠕滑力矩，转变为横向振动(蛇行)的能量，使轮对横向振动（横移和偏转）振幅逐渐地扩大。,3、研究蛇行运动的目的,当机车机车车辆运行速度超出蛇行临界速度时，产生激烈自激振动，甚至会导致轮对打击钢轨侧面的现象。这将导致机车车辆运行品质的恶化、部件磨损和疲劳的加快。也限制了列车速度的提高，甚至危及行车安全。常规的货车，采用三大件式转向架，在空载下临界速度
24、可能低于50hmh以下。客车和机车同样有可能受到蛇行的威协。研究蛇行稳定性问题，通过合理地选择悬挂参数、车轮踏面和轨头几何形状等，以提高机车车机车车辆的蛇行临界速度为目标，使之超出机车车辆实际运行速度范围之外。,二、轮对的蛇行运动,1、力学模型 2、数学模型 3、振动方程解 4、结果分析 5、蛇行运动临界速度,1、力学模型,设轮对前进速度为v，假定无牵引力或制动力作用，则在水平面内作用于轮对的力只有来自轨的作用力：蠕滑力以及重力刚度和重力角刚度所引起的作用力。由两者共同作用下产生的轨作用于轮对的横向向合力F和合成偏转力矩M0可写出轮对的运动方程：,2、数学模型,3、振动方程解,4、结果分析,此
25、两根都是很大的负数，代入式，可知都是大阻尼重衰竭性运动，振幅单调减小，即随时间的增加而单调收敛至乎衡位置，这种运动没有周期性质，不会引起蛇行振动，故不予考虑。,(1)0，振幅将随时间t的延续而不断扩大，直至轮绕与钢轨相碰撞，这时系统是失稳的。 (2)0，振幅随时间t的延续而衰减，运动是稳定的。 (3)=0，振幅不扩大也不衰减，为临界状态。,5、蛇行运动临界速度,可见，减小踏面等效斜率je及减轻轮对质量m，能提高轮对蛇行运动稳定论当je0时，即用圆柱形踏面时，Vc时不会产生蛇行运动。,通常轮对运行速度较低时为负值，随着速度的增加，增加，因此，判别轮对蛇行运动稳定性的方法是视其特征值的实部是正值还
26、是负值。 =0，振幅不扩大也不衰减，为临界状态，对应的速度称为临界速度。,说明因为Ky和Kx的存在，弹性定位轮对的临界速度要比自由轮对的高得多。减小踏面等效斜率je及轮对质量m，增大轮对定位刚度Kx、Ky及重力刚度对稳定有利。,三、转向架的蛇行运动,1、力学模型 2、数学模型 3、振动方程解 4、结构参数的影响,1、力学模型,转向架横向振动有七个自由度如下：,2、数学模型,3、求解,特征方程的十四个根称为特征根或特征值。在自由度数目较大时，必须用电子计算机求解。特征值为负的实数表示大阻尼的重衰竭性运动，不会产生周期性振动，可以不予考虑。复数表示振幅变化的周期性振动。实部为负时，振幅越振越小，运
27、动稳定；实部为正时，振幅越振越大，运动失稳；实部为0时，振幅不变，称为临界状态，对应的运行速度称为临界速度。虚部表示振动的圆频率。,4、结构参数的影响,（1）临界速度随轴距的增大而增高。不少高速二轴转向架机车的轴距长达2.83.0m。 （2）临界速度与踏面等效斜率的平方根成反比。 （3）提高重力刚度可以增进稳定。当轮对纵向定位刚度很小或等于零时，重力刚度的影响十分显著，在正常的纵向定位刚度值下，重力刚度的影响则大为减小。锥形踏面轮对的重力刚度较小，主要靠较大的定位刚度来保证其稳定性。 （4）随着轮对走行里程的增加，踏面磨耗增加，踏面曲率增大使等效斜率和重力刚度增大。如果纵向定位刚度较大，则重力
28、刚度的影响较小，临界速度会随着踏面磨耗使等效斜率增大而降低。采用曲形踏面的好处，在于在较长的走行里程内，踏面形状变化较小，从而使机车机车车辆能在较长时里保持比较稳定的运行品质。 （5）构架质量大，则构架侧摆的稳定性下降。构架转动惯量大，则构架的摇头稳定性下降。为了提高稳定性而增大轴距时，要注意不使构架质量和回转半径显著增大。临界速度大致与转向架整个质量的平方根成反比。 （6)设计转向架时，结构参数中比较容易变更的是轮对定位刚度，而轮对定位刚度对于直线运行稳定性和曲线通过都有很大的影响，所以合理选取定位刚度对于转向架设计甚为重要。,四、机车车辆的蛇行运动,1、力学模型 2、数学模型 3、振动方程
29、解 4、结构参数的影响,1、计算模型,1、力学模型和简图 本节讨论一机车的横向稳定性问题。系统的自由度确定如下：车体的横移、偏转、侧滚，前转向架构架的横移、偏转、侧滚；后转向架构架的横移、偏转、侧滚；第一、二、三、四、五、六位动轴的横移和偏转运动。尚有抗蛇行减振器质量的纵向偏转，前、后转向架两侧相应伸缩由此合计共有25个自由度。相应可列出25个运动微分方程式。,2、主要计算结果,在规定一系列速度值，对机车横向稳定性运动微分方程组、采用矩阵组装法和QR程序计算机求解全部特征值和特征向量。根据第二节特征值处理的方法，将25个自由度的25对特征值对运行速度的变化而变化的两张曲线图(阻尼比随速度的变化
30、，无阻尼固有频率随速度的变化线)分别如图53(a)和(b)所示。,3横向稳定性影响参数,(1) 抗蛇行减振器影响(2) 二系横向阻尼的影响(3) 一系刚度的影响(4) 主要部件质量和惯量的影响,(1)抗蛇行减振器影响,抗蛇行减振器的刚度在1020MNm范围内，蛇行临界速度达到最大。随着抗蛇行减振器的阻尼系数大，蛇行临界速度增加。阻尼系数值选择得较大些，能够防止阻尼器效果出现不稳定而不至于使机车蛇行临界速度减少太多。,(2)二系横向阻尼的影响,二系横向阻尼对各种频率影响很小。对于四种振型(车体下心滚摆、车体横移、转向架构架横移和抗蛇行减振器振型)的阻尼比都随二系横向阻尼增加而增大。,(3)一系刚
31、度的影响,适当增加一系弹簧横向刚度和纵向刚度，可以有效地提高蛇行临界速度。在较大的横向刚度下，增加一系横向刚度值更有效。,(4)主要部件质量和惯量的影响,应该尽量减小轮对质量、轮对偏转惯性矩、构架和牵引电机总质量以及构架和牵引电机总偏转惯性矩。,第5节 机车车辆运行平稳性及运行安全性评价,一、机车车辆运行平稳性评价二、机车车辆运行安全性评价,一、机车车辆运行平稳性评价,1、目的与评价指标2、 Sperling指数3、 疲劳时间4、稳性指标与疲劳时间的关系5、GB5599-85规定6、ISO2631规定,1、目的与评价指标,机车机车车辆的振动水平在怎样的范围内才可以被接受呢?这应当针对旅客、乘务
32、人员、货物以及机车机车车辆本身等不同的对象，分别提出相应的要求。不同国家的铁路，在不同时期，曾采用过多种不同的评估方法和标准。近来则一般都倾向于靠拢国际标准ISO2631。其中较典型的有：Sperlring的“平稳性指标” SNCF的“疲劳时间”,2、 Sperling指数,sperling平稳性指标（ride index）的实质是通过单一的判据以评估机车机车车辆的“走行品质”(ride quality)和“舒适度”(comfort)。前者的对象是机车机车车辆本身，后者的对象是人，是人体对机械振动的反映。,3、疲劳时间,疲劳时间是指人们在旅途中从乘车到开始疲劳所经历的时间。目前英法等欧 洲国家
33、依次作为评价客车平稳性的依据。,研究表明：就垂向振动而言，人对频率为4至8Hz的振动最敏感；就水平向而言，则对频率在2Hz以内的振动员敏感。在3.5Hz以内，人对水平向振动的敏感性高于对垂向振动的敏感性；在315Hz以上时则相反。,4、稳性指标与疲劳时间的关系,5、 GB5599-85规定,Sperling的平稳性指标法在我国铁路也得到长期非正式的应用。1985年发布了国家标准“铁道机车车辆动力学性能评定和试验鉴定规范”，用于客货机车车辆动力学性能的试验鉴定。其中正式规定采用平稳性指标法对客车以及货车的走行品质进行定量的评估。只是在对指标的分级上作了简化仅分为“优”、“良好”和“合格”三级，如
34、表91所列，并规定新造客车和货车的平稳性指标都不得低于“良好”。,6、ISO2631规定,工效下降限度； 感受极限； 舒适度下降限度。,ISO优先推荐的是加权法。该法在于通过电子网络，对频率在1至80Hz间每一频带内振动加速度的功率谱密度进行频率加权后，再确定经过加权后整个振动信号总的均方根值。由此获得的加权后总的均方根加速度再与图中各曲线的谷部(这里的加权系数为1)相比较，即可查得与工效下降限度相对应的感受时间。若将两图中的曲线分别提高6dB和降低10dB，即可获得与感受极限和舒适度下降限度相对应的感受时间。,ISO2631从维持工作效能、安全或健康以及舒适度等三个方面出发，相应提出了下列三
35、种限度：,二、机车车辆运行安全性评价,1、运行安全性的定义及其评价目的 2、抗脱轨稳定性 3、机车车辆抗倾覆安全性评价,1、运行安全性的定义及其评价目的,（1）定义 机车车辆在线路上运行时受到各种力的作用，在最不利的组合情况下，这些力会破坏机车车辆的正常运行条件，使轮轨脱离接触，造成机车车辆脱轨或倾覆事故。这种情况成为机车车辆失去运行安全性。 （2）目的通过理论分析和试验研究查明影响机车车辆脱轨和倾覆的主要因素，制定安全评定指标及其允许限度，提出改善措施，确保行车安全。,2、抗脱轨稳定性,（1）脱轨类型 （2）抗脱轨安全性评价参数 （3）脱轨系数 （4）轮重减载率 （5）抗脱轨安全性允许限度
36、（6）跳轨评价 （7）掉道评价,（1）脱轨类型,（2）抗脱轨安全性评价参数,评定抗脱轨安全性的指标很多，从转向架设计角度考虑主要有两项指标：脱轨系数b.轮重减载率,（3）脱轨系数,（4）轮重减载率,（5）抗脱轨安全性允许限度,（6）跳轨评价,（7）掉道评价,3、机车车辆抗倾覆安全性评价,（1）机车车辆倾覆类型 （2）机车车辆倾覆系数 （3）车体倾覆的稳定性,（1）机车车辆倾覆类型,（2）机车车辆倾覆系数,（3）车体倾覆的稳定性,习题,1、简述机车车辆动力学研究的内容及目的？机车车辆动力性能包括什么？ 2、机车车辆的基本振动包括哪几种？耦合振动有哪几种？ 3、机车车辆的激振原因有哪些？ 4、一、二系悬挂机车车辆的垂向振动有何特点？ 5、研究蛇行运动的目的是什么？影响机车车辆蛇行运动的因素有哪些？ 6、危及机车车辆运行的恶性事故有哪些？简述评价运行平稳性与运行安全性的评价指标及允许限度。,
