《车辆构造》第七章城市轨道交通车辆动力学基础

第一节 引起车辆振动的原因
图7-2 轨道的随机不平顺的 功率谱密度函数示例 50kg重钢轨的有缝轨道 50kg重钢轨的无缝轨道
第一节 引起车辆振动的原因
二、与车辆结构有关的激振因素 1.车轮偏心
图7-3 车轮偏心
2.车轮不均重
第一节 引起车辆振动的原因
3.车轮踏面擦伤
图7-4 车轮踏面擦伤
第一节 引起车辆振动的原因
1)为什么车辆在线路上运行时会出现各种振动，有哪些主要
原因? 2)车辆自振频率大小与振幅有没有关系?
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
3)在车辆交车检查验收时同一车辆的车钩高度忽高忽低， 为什么不是一个固定值? 4)车辆有哪些振动形式? 5)轮对蛇行运动的根本原因是什么? 6)评定车辆运行平稳性采用什么标准? 7)影响车辆运行安全性有哪些方面?评定的标准是什么? 8)提高列车速度对列车附近的气流有什么影响? 9)如何减少高速列车的空气阻力? 10)会车压力波对车厢内外有什么影响?
第二节 轮轨接触及滚动理论
二、轮轨接触蠕滑关系 1.粘着区和滑动区 2.蠕滑与蠕滑率 3.蠕滑力
第二节 轮轨接触及滚动理论
图7-8 不同实验者所做纵向蠕滑实验值与 理论曲线的比较 ▽—Johnmn和Vermeulen ○(上)—松井信夫 和横濑景司 ○(下)—Ockwell △—Loach □—Barwell和Woolcaott
第六节 列车运行时的空气流
3.列车风
图7-20 列车风
4.会车压力波
第六节 列车运行时的空气流
图7-21 三种不同车头形状的会车压力 波峰值在观测车上的变化情况
第六节 列车运行时的空气流
二、隧道中运行的列车 1.隧道中的气流特点
2.列车阻力
3.列车风 4.列车在隧道内的压力波 5.隧道微气压力波 6.隧道内会车压力波 三、在压力波作用下的舒适度标准
第六节 列车运行时的空气流
图7-18 明线上空气阻力 1—200系列 2—star 21(初期) 3—star 21(改进)
第六节 列车运行时的空气流
图7-19 列车阻力系数及组成 a)传统列车 b)APT-E先进电气化快速列车 c)TGV高速列车 d)ICE无任何流线形外罩 e)ICE在转向架之间下部设备加流线形外罩 f)ICE加转向架裙板，下部设备全部加 流线形外罩，受电弓外罩并封闭车辆之间间隙
1.教师的评价
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
表格
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
2.学员的评价
表格
3.知识跟进 1)学习了解城市轨道交通车辆高速运行动力学。 2)学习了解车辆轮轨接触理论。
第二节 轮轨接触及滚动理论
4.粘着系数
图7-9 不同轮轨接触表面状态的蠕滑关系
第三节
轮对的蛇行运动
图7-10 通常情况的轮对蛇行运动轨迹
第三节 轮对的蛇行运动
一、自由轮对的蛇行运动 1)刚体自由轮对沿平直轨道作等速运动。 2)轮对的运动属微幅振动，其轮轨接触几何形状与面积、 蠕滑率(力)关系均为线性，纵横向蠕滑系数近似相等，即f 11=f22=f。 3)轮对具有小锥角踏面、较小等效斜率λe，暂不计重力刚 度与角刚度的因素。 4)轮对横摆、摇头自由度为yω、ψω，不考虑侧滚惯性及旋 转蠕滑影响。
4.车辆倾覆安全性
第六节
1.气流特点
列车运行时的空气流
一、明线(非隧道)上运行的列车
图7-17 列车空气流 a)头部 b)尾部 c)边界层及涡流 d)尾流区中纵向涡流
第六节 列车运行时的空气流
(1)挤压区 高速列车运行时，由于空气惯性，引起列车前 面的空气堆积，静压力升高。 (2)摩擦区 第二部分气流为摩擦区，这里的气流呈线流， 分布在列车大部分长度上。 (3)尾流区 列车驶过以后，所占的空间立即被空气填充， 这就引起空气快速运动。 2.空气阻力
表7-1 轮对蛇行运动产生的蠕滑率与蠕滑力
第三节 轮对的蛇行运动
表7-2 特征根与稳定性
二、转向架的蛇行运动 1.刚性转向架的蛇行运动 2.弹性转向架的蛇行运动 1)很柔性的二系悬挂车体与转向架为弱耦合，车体振动对 转向架几乎不产生影响，只传递垂直荷载。
第三节 轮对的蛇行运动
2)构架重心与车轴中心线高度相近，不考虑侧架侧滚。 3)一系及二系悬挂为线性特征。
2.设备要求：至少具有能连接互联网的多媒体教室一个，各 种形式城市轨道交通车辆走行装置仿真模型一套，能放视 频投影的设备及课件、视频介绍一套。 3.课时要求：课堂讲授6课时；实地观察、分析2课时。
第一节
引起车辆振动的原因
一、激起车辆振动的线路原因
图7-1 轨道不平顺的四种类型 a)高低不平顺 b)水平不平顺和轨距不平顺 c)方向不平顺
4.车辆的自激振动
图7-5 车体的空间振动
第二节
轮轨接触及滚动理论
一、轮轨接触几何关系(等效斜率、重力刚度及重力角刚度)
图7-6 弧形轮轨外形的轮轨接触几何关系
第二节 轮轨接触及滚动理论
1.等效斜率λe 2.重力刚度Kｇ 3.重力角刚度Ｃｇ
图7-7 磨耗前后的轮轨接触关系变化 a)磨耗前后的等效斜率变化 b)磨耗前后的接触角变化 1—新轮轨 2—旧轮轨
城市轨道交通车辆构造
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
连苏宁 主编
【问题导入】 作为交通工具，地铁车辆的舒适程度是最受人们关注的。城市轨 道交通车辆在各方面的设计上都必须充分考虑乘客的舒适感。本章 就引起车辆振动的原因、轮轨接触及滚动理论、轮对的蛇行运动、 车辆运行品质及其评价标准、车辆运行安全性及其评估标准、列车 运行时的空气流等内容进行分析，从理论上在车辆动力学方面建立 一定的基本概念。
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
【学习目标】
1.分析引起车辆振动的原因。
2.通过学习轮轨接触及滚动理论，分析各种情况下轮对的蛇
行运动。 3.了解车辆运行品质及其评价标准。 4.了解车辆运行安全性及其评估标准。
【学习目标】
1.教学场地：教室、互联网多媒体教室；城市轨道交通车辆
转向架、轮对、减振装置模型实训室。
第四节
车辆运行品质及其评价标准
图7-15 横向平稳性指标与振动加速度曲线
第四节 车辆运行品质及其评价标准
表7-3 我国铁路客车现行的运行平稳性等级
第五节 车辆运行安全性及其评估标准
1.轮对脱轨条件及评定指标
图7-16 车轮脱轨的作用力关系
第五节 车辆运行安全性及其评估标准
2.轮重减载引起的脱轨条件 3.影响脱轨的因素及防范措施
第三节 轮对的蛇行运动
(5)中央悬挂装置 中央悬挂装置内的两系回转复原弹簧Ｋ 2x对提高蛇行临界速度有很大影响，如果在那里设置了具 有非线性磁滞饱和特性的悬挂元件，在直线运行的小振幅 时,这种特性呈现出高约束性，而在曲线通过时则位于饱 和位置以减少对转向的约束，如图所示。
第三节 轮对的蛇行运动
图7-14 非线性悬挂元件特征曲线 a)一般的回环和饱和特性 b)无间隙的复原力矩M()与偏角位移 间的关系 c)构架与摇枕间含间隙δ情况下M()与关系
第三节 轮对的蛇行运动
图7-11 弹性转向架蛇行运动计算简图
第三节 轮对的蛇行运动
(1)轮对定位刚度 轮对的纵向定位刚度K1x、横向定位刚 度Ｋ1y是转向架控制轮对运动的直接因素。
图7-12 特征值随速度变化特性
第三节 轮对的蛇行运动
(2)车轮踏面等效斜率λe λe是影响蛇行运动的关键参数之 一，它与临界速度的关系可用υcr∝来蠕滑系 数小，临界速度也小。 (4)转向架固定轴距 固定轴距增大会使蛇行临界速度提高， 但是却对曲线通过不利，一般倾向取短的固定轴距以改善 轮轨磨耗。
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
【实践操作】
1.操作练习
1)在课余时间，根据本章所学的知识，调研本地城轨车辆运
用条件，分析车辆运行时车辆振动的原因、轮对的蛇行运 动，评价车辆运行品质。 2)在课余时间，根据本章所学的知识，调研本地城轨车辆运 用条件，分析随着列车速度的提高，空气流变化，车辆蛇 形运动平稳性及车辆运行平稳性。 2.书面练习