提高车辆系统稳定性方法.ppt

1、第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性1车辆系统动力学 任尊松北京交通大学2提高车辆系统稳定性方法第一节 蛇行运动与自激振动第二节 车辆系统临界速度计算方法第三节 提高车辆系统稳定性方法第四节 提高车辆系统平稳性方法第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性3第一节 蛇行运动与自激振动蛇行运动：v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。v转向架蛇行运动（二次蛇行）v车体蛇行运动（一

2、次蛇行）第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性4轮对蛇行运动第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性51 稳定状态振动收敛第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性62 失稳状态振动发散第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性73 临界状态振动发散第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性8u车辆沿直线轨道运动时，一直存在着蛇行运动。u由于车辆走行部分的状态及线路的横向不平顺所引起的随机激

3、扰，使车辆不断地产生蛇行运动，同时又由于轮轨间存在蠕滑及车辆结构中的各种阻尼，又使这种运动的振幅不断地衰减，故这时候的运动是稳定的。u只有当车辆的运动速度超过其临界速度，蠕滑及各种阻尼所产生的作用不足以衰减不断增长的振幅时，车辆才开始失稳，于是就出现了不稳定的蛇行运动。蛇行运动稳定性第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性9u高速车辆的蛇行运动失稳后，不仅会使车辆的运行性能恶化，旅客的舒适度下降，作用在车辆各零部件上的动载荷增大，并且将使轮对严重地打击钢轨，损伤车辆及线路，甚至会造成脱轨事故。所以，蛇行运动是机车车辆以及动车组实现高速运行的一大障碍。第

4、九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性10u结构系统受到自身控制的激励作用时所引起的振动（并非由周期性外力所引起的振动）；u在自激振动中，维持运动的交变力是由运动本身所产生或控制的，当运动停止时此交变力也随之消失。u电子管振荡器、电磁断续器、各种管乐器、钟表、心脏等都是自激振动系统；u在车床上加工金属材料，有时会产生振动，这也是一种自激振动现象。这种现象会使加工面变成波浪形，车刀的磨损也增大，影响切削速度的提高。自激振动第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定

5、性车辆系统稳定性车辆系统稳定性11u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；u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；u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；u车辆蛇行运动的能量来自机车牵引力。自激振动（续）12共振与失稳v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。v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。v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

6、不能超过蛇行运动的临界速度。第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性13线性方法：v特征值法v最小阻尼系数法非线性方法：v极限环法第二节第二节 车辆系统临界速度计算方法车辆系统临界速度计算方法第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性14V=150km/h一、特征值法一、特征值法第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性15V=500km/h第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性16自由轮对特征值第九章第九章第九章第九章 车辆系统

7、稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性17车辆系统特征值第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性18u在不同速度下，车辆系统对应不同的特征值。u当在某一速度下系统的特征值实部出现正值。u小于该速度时系统特征值实部不出现正值，则该速度为系统对应的线性临界速度。第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性19二、阻尼系数法二、阻尼系数法u阻尼对系统振动具有良好的衰减作用。u在计算车辆系统临界速度时，可以引入一个阻尼系数，该系数的作用是为了考查系统在某一速度下的稳定程度。u如果在某速度下系统对应的阻尼系数为负，

8、那么系统是稳定的，且绝对值较大系统的稳定程度越高；如果对应的阻尼系数为正，那么系统是不稳定的，且绝对值较大系统的稳定程度越低；如果系统的阻尼系数等于零，那么此时对应的速度为系统的临界速度。第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性20自由轮对系统阻尼系数第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性21车辆系统阻尼系数第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性22自由轮对稳定性特性自由轮对稳定性特性v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

9、是失稳的；v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；v自由轮对蛇行失稳程度与轮对的结构参数、蠕滑系数有关。第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性23三、非线性临界速度计算方法考虑车辆各种非线性因素后，得到的临界速度称为非线性临界速度。因为按照该数值计算方法，轮轨接触、轮轨蠕滑等非线性因素，以及其它悬挂系统的非线性因素（如减振器、横向止挡、空气弹簧、橡胶元件等），在计算时，均对系统振动特性产生了影响作用。第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统

10、稳定性24在初始时刻，相对于轨道中心坐标系统，车辆系统有一横移量，其他初始量为零。如果在以某一速度运行一定时间后，车辆系统的横向位置回复到零位置附近并且随着时间的延长始终保持稳定，那么车辆系统在该速度下是收敛的。如果车辆系统的横向位移随着时间延长，其横移量越来越大（轮对最大横移量为始终为轮轨最大间隙量），那么车辆系统在该速度下是不稳定的或发散的。如果车辆系统的横向位移随着时间延长，车辆系统横移呈既不增大也不缩小、始终维持在初始横移位置状态，那么此时对应的速度即为车辆系统非线性临界速度。三、非线性临界速度计算方法（续）第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳

11、定性25三、非线性临界速度计算方法（续）第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性26整车蛇行失稳整车蛇行失稳第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性27整车蛇行失稳形式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），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；28装有刚性转向架或自由轮对的车辆，其蛇行运动在本质上本质上就是不稳

12、定的。轮对弹性定位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。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。整车蛇行失稳特性整车蛇行失稳特性第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性29以一系定位刚度为主，辅以二系回转阻力矩的约束即可基本实现转向架较高的临界速度，与保证运动稳定性设计原则类似，对于运行平稳性，则以二系悬挂为主，辅以一系悬挂的作用，即可实现优良的乘坐舒适性。保证车辆优良动力学设计原则：第三节第三节 提高车辆系统稳定性方法提高车辆系统稳定性方法

13、第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性30v降低轴重、减轻簧下质量降低轴重、减轻簧下质量v合理的轴箱定位刚度合理的轴箱定位刚度v设置抗蛇性减振器和横向减振器设置抗蛇性减振器和横向减振器v选择合理的车轮踏面斜率选择合理的车轮踏面斜率v采用空气弹簧中央悬挂装置采用空气弹簧中央悬挂装置v其它方法其它方法提高车辆系统稳定性方法提高车辆系统稳定性方法第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性31u通过对各个纵向和横向轴箱定位刚度组合进行计算，求得系统临界速度；改变轴箱定位刚度组合，反复进行上述步骤计算，求取最佳轴箱定位刚

14、度值。u确定定位刚度值时，原则上需要考虑车辆曲线通过能力以及经过数年后橡胶性能变化对临界速度的影响特性，即指即使经过数年后橡胶硬化，刚度朝着变硬方向发展，临界速度仍以未急剧下降的点的数值为最佳数值。u必须考虑橡胶定位刚度的制造可行性（是否为可以制造的刚性组合），以及耐久性等条件（越是柔软，则位移量变大，耐久性下降）等。合理的轴箱定位刚度合理的轴箱定位刚度第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性32轴箱定位刚度与临界速度轴箱定位刚度与临界速度第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性33u车体和转向架间设置合理阻尼

15、值的抗蛇形减振器和横向减振器，可以大幅度提高车辆系统临界速度，使得车辆系统运行稳定性得到极大地改善。u事实上，设置抗蛇形减振器和横向减振器，其目的是在车体和转向架之间增加回转阻尼，以抑制和控制车辆系统的蛇行运动。u高速车辆参数选取时，不能过多地依靠抗蛇行减振器来提高系统的临界速度，否则一旦抗蛇行减振器失效，将严重地影响车辆的运行安全性和平稳性。较为合理的方法是，在不设置抗蛇行减振器时，车辆系统仍能有较高的临界速度。设置抗蛇性减振器和横向减振器设置抗蛇性减振器和横向减振器第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性34u需要特别注意地是，过大的抗蛇行减振器阻

16、尼值对不利于曲线通过，尤其是对小曲线通过的影响更大。另外，过大的阻尼值对平稳性也有一定的影响。u在选择减振器阻尼值时，需要从稳定性和平稳性两方面来综合考虑。设置抗蛇性减振器和横向减振器（续）设置抗蛇性减振器和横向减振器（续）第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性35无抗蛇行减振器时系统临界速度无抗蛇行减振器时系统临界速度第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性36抗蛇行减振器阻尼与临界速度抗蛇行减振器阻尼与临界速度第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性37横向减振器阻尼与临界速度横向减振器阻尼与临界速度第九章第九章第九章第九章 车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性车辆系统稳定性38v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；v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；v踏面斜率越大系统曲线通过能力越强；v因此，在选择车轮踏面斜