§3车辆动力学基本概念

中南大学交通运输工程学院中南大学是一所学科齐全、工学和医学见长、具有优良办学传统的教育部直属全国重点大学，
是首批进入国家“211工程”重点建设的高校，
也是国家“985工程”部省重点共建的高水平大学。

2000年4月29日，经国务院批准，由湖南医科大学、长沙铁道学院与中南工业大学合并组建而成。

2004年列为中管高校。

•发展的几个方面•曲线通过
•强迫振动
•纵向动力学
•1883年．Klinger推导出自由轮对几何蛇行运动公式，但尚未充分认识这种运动的本质。

•1926年，Carter 最早认为轮对的蛇行运动是属于一种不稳定的自激运动，研究了轮轨间的蠕滑现象，给出了纵向、横向蠕滑力的定义以及蠕滑力和蠕滑率之间的简化关系，以此来分析机车在直线的运行时的稳定性问题。

•30年代Poter完成了古典的适用于小半径曲线通过的摩擦中心理论
•1936年，Davies进行了一系列的试验，验证了Carter提出的理论，在模型试验中测得了轮对在不同速度，不同轴箱间隙情况下横向振幅的衰减、稳定和扩大的规律。

在实物试验表明了车轮踏面磨耗后将会导致车辆蛇行运动的临界速度降低这一事实。

•40年代末期，日本的松平精曾判断一次列车重大颠覆事故是由于机车的激烈蛇行运动而造成的。

•从滚动试验台的模型试验观察到车辆的一次和两次蛇行动动的特征。

•
•60年代未，Newland和Boocock几乎同时提出了一种与古典方法迴然不同的新理论，即认为轮对在曲线上可借助蠕滑力而避免依靠轮缘力来导向，这在曲线通过理论上是一个新的突破。

但研究中受到所取线性条件的限至，只适用于大半径曲线的情况。

•70年代，Elkins和Gostling等提出了非线性稳态曲线通过理论，适用于各种半径的曲线，在理论上又前进了一大歩，•80年代，Nagurka等又进而研究了车辆通过曲线时的非稳态工况，其中考虑了蠕滑和悬挂参数的非线性，这使车辆曲线通过理论更趋完善。

•提高车辆蛇行运动临界速度和改善车辆曲线通过能力这两者对悬挂参数的要求是有矛盾的，70年代，南非Seheffec研制的自导向式货车转向架比较成功的解决了这对矛盾。

•以上是车辆曲线通过理论发展的大至情形。

•车辆的强迫振动的研究也经过类似的发展过程•早先把来自轨道的激励简化为简谐函数处理•50至60年代，　以Koffman为代表研究了车辆在这种激励下的振动特性，并据此提出了关于转向架结构和参数的设计原则，这对当时以中等运行速度的车辆来说具有成效。

•在使用计算机和测得轨道谱的分布特征后，应用随机振动理论来计算和评估车辆振动性能的方法更加切合实际
•欧洲铁路联盟UIC的C116委员会在研究中，将轮轨间蠕滑力和轨道横向不平顺组成车辆横向振动模型中的激励项，引起轮对和整个车辆产生随机性横向强迫振动。

列车纵向动力学
　研究在牵引力、制动力、线路纵断面外形的变化，以及在编组作业时列车产生的动态过程　前苏联在这方面建立有较完整的系统，可对列车在稳态和非稳态运行工况下及列车调车作业中经受冲撞时所产生的，在车钩缓冲装置中的纵向动载荷的数值和特性进行分析求解。

　对轮轨－车辆动力学的研究也是一个长期发展完善的过程
　从理论方面来说，从简单的平面线性的发展到三维非线性，从纯理论研究发展到将理理论研究成果直接用于合理选择现代车辆的参数，优化设计及预测车辆动力学性能
　近年来，各种利用计算机来建立系统动力学模型的软件突破了用手工建立运动方程带来的各种局限，可能更深入更切合实际的研究动力学问题。

　理论需要经过试验来验证，英、美、法、德、日、意等国家都有专用的试验线路
和实物的振动与滚动试验台，用于观察
车辆动态过程的物理特性，验证数学模
型和系统参数识别，以及鉴定车辆动力
性能。

　
我国的情况：
动力学研究从50年代起歩
研究方面：车辆脱轨理论和试验研究； 轮轨接触几何关系分析；磨耗形车轮踏面设计；
车辆随机振动计算；
车辆蛇形动动特性模拟试验；
车辆悬挂系统新型元件的应用；
自导向和迫导向径向转向架的开发；
高速客车转向架的研制及动力性能的预测和分析；
　各种用于轮轨蠕滑、轮轨接触理论、车辆横向运动稳定性、车辆随机振动及响应、车辆稳态及动态曲线通过性能进行计算和预测的软件的开发。

各国高速客车运行速度：
德国：ICE　1988　407km/h;
法国：TGV　1990　515.3 km/h;
日本：磁悬浮　2003.11　558 km/h；
中国：中华之星　2003 312。

5 km/h 和谐号 2010 482 km/h
2．研究车辆系统动力学的模型
2.1模型的建立
根据研究范围来建立模型
　除弹性元件外，简化成刚体。

　只在考虑结构的弹性振动或变形时，才考虑其为弹性体。

一个刚体要考虑六个自由度，其名称为：
X：伸缩运动，侧滚运动； Y：横摆运动，点头运动； Z：浮沉运动，摇头运动。

　
2.2研究范畴
　响应问題：预测系统在轨道不平顺或在通过曲线时的动力特性。

　稳定性问题：研究系统在不同运行工况下的动力特性。

已有的数学模型：
（一）车辆动力学
（1）垂向与横向动力学模型
用于研究车辆对各种轨道不平顺的响应。

（1 横向稳定性模型
用于预测车辆蛇行运动特性及临界速度。

　（3）曲线通过模型
用于分析车辆通过曲线时轮对偏移和轮 轨间的作用力，以及检验车轮脱条件
（二）列车动力学
（1）纵向动力学模型
用来研究由于列车操纵、编组、制动和各种运行工况下作用在车辆之间的纵向动力学特性。

（2）横向动力学模型
用来分析列车在轮轨作用力、曲线超高力和离心力、以及纵向力分量综合作用下，在横向的稳定性。

（3）垂向动力学模型
主要研究列车中车钩分离及车体与转向架分离的垂向稳定性。

2．3　车辆动力性能 运行平稳性、 运行稳定性、 曲线通过能力。

2.3．1车辆运行平稳性
车辆在运行中产生的各种振动影响旅客乘坐的舒适度和装运货物的完整。

车辆振动大小除与线路质量有关外，还和车辆走行部分的结构与参数有关。

sperling 平稳性指数在国际上运用广泛。

2.3．2车辆的运行稳定性
　防止蛇行运动的稳定性；
　防止脱轨的稳定性；
　防止车辆倾覆的稳定性。

2.3．3　通过曲线的磨耗性能
2.3．4　轨道不平顺
轨道几何形状的变化是引起车辆系 统各种动态响应的主要原因。

•1．轨道不平顺的几种类型•（1）水平不平顺•（2）轨距不平顺•（3）高低不平顺•（4）方向不平顺
　2．周期性轨道不平顺
　在有缝线路上，由接头产生。

　特点　呈周期性
　可用简谐函数描述Z A y z2=
•A则随线路的等级不同而异。

•　美国联邦铁路局（FRA）以安全标准将全国线路分为六个等级，一级最差，六级最好。

一级到六级选用的A值如下•1、25.4　2、17.0　3、14.7•4、10.7　5、8.4 6、 5.3 •3．随机性轨道不平顺
中南大学交通运输工程学院中南大学是一所学科齐全、工学和医学见长、具有优良办学传统的教育部直属全国重点大学，
是首批进入国家“211工程”重点建设的高校，
也是国家“985工程”部省重点共建的高水平大学。

2000年4月29日，经国务院批准，由湖南医科大学、长沙铁道学院与中南工业大学合并组建而成。

2004年列为中管高校。