轨道车辆动力学
第五章 轮胎式轨道车辆动力学
第五章轮胎式轨道车辆动力学第一节轮胎式轨道车辆一、概 述随着城市对各种轨道交通形式的需求，依靠轮胎走行方式的轨道车辆已成功地运用在一些国家的单轨交通和胶轮地铁中，并扩展到自动化导向交通系统(AGT)中。
近年来，我国的重庆市也采用了这种典型的轮胎走形、导向的轨道交通方式。
单轨交通分为两种形式：跨坐式和悬挂式。
跨坐式单轨交通车辆以高强度混凝土或者钢制箱形梁作为轨道(轨道梁)，车体安装在轮胎走行部之上，整个车辆跨坐在轨道梁上方运行，见图1。
而悬挂式单轨车辆使用下部开口的钢制轨道梁，车体悬挂在安装有橡胶轮胎的走行部下方，整个车辆吊挂在轨道下方运行。
在强风情况下，跨坐式单轨车辆比悬挂式单轨车辆更加稳定与支全，因此跨坐式单轨车辆已经发展成一种具有中等运量的城市轨道交通系统，特别在日本得到了较多的应用，本章将以跨坐式单轨方式为基础来阐述轮胎式导向轨道车辆动力学理论。
图1 跨坐式单轨车辆传统的钢轮钢轨车辆主要靠带轮缘的锥型踏面走行与导向，而轮胎式轨道交通车辆的曲线通过是依靠走行部导向轮胎的引导实现。
轮胎式轨道交通车辆都设有走行轮和导向轮，走行轮承担车体重量，担负牵引、制动等走行功能，导向车轮负责引导车辆沿着轨道行驶。
按照导向轮的安装位置，采用橡胶轮胎走行的AGT系统车辆可分为外侧导向式和内侧导向式两大类。
外侧导向式车辆的导向轮胎安装在走行部的外侧，与U形轨道相配合，如图2所示。
内侧导向式车辆的导向轮胎安装在走行部的内侧，与倒T形轨道相配合，如图3所示。
图2 外侧导向式AGT系统车辆图3 内侧导向式AGT系统车辆图5—4 AGT系统车辆的走行部橡胶充气轮胎走行部具有以下特点：①黏着系数大，橡胶与钢或混凝土的摩擦系数显著高于钢与钢之间的摩擦系数，故橡胶轮胎车辆的加速和减速性能明显优于钢轮—钢轨系统的车辆，这在市内站距较短时对于提高平均运行速度非常有利，同时也有利于运行安全性。
高的黏着系数还使橡胶轮胎车辆能适应在大坡度的线路上运用，线路坡度最大可达10％，便于丘陵、山地城市的选线，以及具有地下线路与地面高架线路连接需要的地方。
铁道车辆动力学课件
CONTENTS 目录
• 铁道车辆动力学概述 • 铁道车辆动力学的基本原理 • 铁道车辆动力学分析方法 • 铁道车辆动力学性能评价 • 铁道车辆动力学优化设计 • 铁道车辆动力学未来展望
CHAPTER 01
铁道车辆动力学概述
定义与特点
定义
铁道车辆动力学是研究铁道车辆 在运行过程中受到的力及其对车 辆运动性能的影响的学科。
新技术的应用
磁悬浮技术
利用磁悬浮技术，实现列车与轨道的无接触运行，大幅提高运行 速度和稳定性。
无人驾驶技术
通过引入先进的传感器和控制系统，实现列车自动驾驶和智能调度 ，提高运输效率和安全性。
智能监测与诊断技术
利用大数据和人工智能技术，实现对车辆状态的实时监测和故障诊 断，提高车辆维护和检修效率。
智能化的发展
振动分析
研究弹性体的振动特性和稳定性，包括模态分析和响应计算。
车辆系统动力学
车辆动力学
研究车辆在轨道上的运动规律和性能，包括稳定性、安全性、舒适性和曲线通过 性能等。
车辆系统分析
综合考虑车辆、轨道、牵引供电、信号与控制等多个子系统的相互作用，进行系 统分析和优化设计。
CHAPTER 03
铁道车辆动力学分析方法
特点
涉及多种复杂因素，如车辆-轨道 耦合、悬挂系统、气动效应等， 需要综合考虑动力学、机械、材 料科学等多个领域的知识。
铁道车辆动力学的重要性
1 2 3
提高列车运行安全性和稳定性
通过优化车辆动力学性能，可以减少车辆运行过 程中的颠簸和振动，提高乘客舒适度，同时降低 事故风险。
提高运输效率
良好的车辆动力学性能可以提高列车的加速、减 速和曲线通过能力，缩短旅行时间，提高运输效 率。
轨道交通车辆动力学基础(一)课件
提高轨道和车辆寿命 良好的车辆动力学性能可以减少轨道和车辆的磨 损，延长轨道和车辆的使用寿命，降低维护成本。
轨道交通车辆动力学的发展历程
01
初期发展
20世纪初，随着轨道交通的兴起，人们开始关注轨道交通车辆动力学问
轨道交通车辆动力学基础概念
02
车辆动力学的基本概念
车辆动力学：研究车辆在运行过程中 受到的力和力矩、以及由此产生的加 速度、角加速度等运动学状态变化的 学科。
车辆动力学与车辆设计、线路条件、 控制策略等密切相关，是保证轨道交 通安全、舒适、高效运行的基础。
车辆动力学性能的评价指标
稳定性
01
衡量车辆在运行过程中保持稳定状态的能力，包括横摆、侧滚、
Simpack
适用于轨道车辆、铁路和城市轨道交通系统的动力学 仿真软件。
b
提供多种模块，可用于车辆动力学性能的仿真和优化。
车辆的动力学仿真案例分析
案例一
分析某型地铁车辆在曲线线路上的动力学性能，包括平稳性、安 全性等方面。
案例二
研究不同悬挂参数对动车组动力学性能的影响，优化悬挂参数配置。
抗倾覆性能分析主要考虑车 辆在不同速度、不同曲线半 径和不同载荷下的稳定性。
为了提高车辆抗倾覆性能，需 要加强车辆悬挂系统和转向架 设计，优化车体结构，以及进
行充分的试验验证。
轨道交通车辆的动力学仿真与 分析
05
动力学仿真的基本原理与方法
动力学仿真的基本原理
01 动力学仿真基于物理定律和数学模型，通过计算机模
悬挂系统的组成
悬挂系统主要由悬挂元件、减震器和车体等部分组成。悬挂元件用于连接车体 和转向架，减震器用于减小车体振动，车体则承载乘客和货物。
车辆-轨道耦合动力学
车辆－轨道耦合动力学
车辆－轨道耦合动力学是指轨道车辆在行驶过程中，其与轨道之间存在的动力耦合关系，也称为弹性耦合力学或者轨距动力学，是有轨交通动力学的重要内容。
轨道耦合动力学则涉及轨道车辆与轨道之间的相互作用，包括轨道车辆沿轨道运动所构成的受力、轨道车辆与轨道之间产生的摩擦力等。
轨道耦合动力学包括以下几个方面：首先，它涉及到轨道车辆与轨道之间的力学耦合，也就是车轮和轨道之间的接触面受到的推力和拉力；其次，它涉及到车轮与轨道之间摩擦力的构成，包括滑动摩擦系数、轮辋与轨道的摩擦系数、车轮与轨道毛面的摩擦系数等；此外，轨道耦合动力学还涉及到车辆与轨道之间有关的弹性参数，例如轨距弹性参数、轨道和车轮弹性参数等。
另外，还需要考虑到轨道上的受力状态，包括车辆内部受力、地面受力等因素。
总之，车辆－轨道耦合动力学是一门复杂的学科，既涉及到物理学、力学学、运动学和车辆技术等诸多学科。
只有通过深入研究及大量的实验，我们才能进一步了解轨道车辆与轨道之间的力学耦合性，并有助于更好的设计、分析和优化轨道车辆的性能。
第08章 轨道车辆动力性能分析与评价
k M
Z 2Z 0
(3) 振动方程解及结果分析
Z Acost B s Z 0
Z0 sint
自由振动 位移
Z Z 0 cost C sin(t )
自由振动 振幅
C
2 Z0 (
第2节
轨道车辆垂向振动分析
一、一系悬挂轨道车辆的垂直振动 二、二系悬挂轨道车辆的垂直振动 三、轨道车辆的横向振动 四、轨道车辆的随机振动
一、一系悬挂轨道车辆的垂直振动 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
3、轨道车辆动力性能
（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
（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、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， 一面绕铅垂 中心转动， 中心轨迹城 波浪形的特 有运动。
固有 频率
激振 频率
f ( )
(3) 振动方程解及结果分析
轨道车辆动力学
轨道车辆动力学基础
动力学和静力学的区别
定义：车辆动力学
二、车辆平稳性及评定标准 影响平稳性的原因： （1）人为的线路形状变化, 是由于地形或需要在 修筑铁路时设置的线路特殊形状, 如线路曲线, 道岔, 驼峰, 上下坡道等。 （2）另一种非人为线路形状变化是微观的经常 性的随机不平顺, 这是由于施工和维修中无法 避免的实际线路与理想线路之间的各种偏差。 偏差大小随线路等级和施工维修的标准而异, 这种偏差具有随机性质。
一、车辆安全性及评定标准 3. 措施 主动倾摆式转向架、抗侧滚扭杆、控制入 弯速度、定期线路检查等
二、车辆稳定性及评定标准 运动稳定性研究车辆在一定速度运行时各部 件的运动状态, 即判定车辆系统运动是否稳 定。车辆系统的蛇行运动是一种自激振动, 如自激振动过大会引起车辆剧烈的振动而 使车辆系统的动力性能恶化, 引起轮对与钢 轨间的撞击、车辆倾覆等重大事故
二、车辆稳定性及评定标准 随着车辆运行速度的提高, 急剧增加, 车辆系统失稳。车辆在正常运 行速度下要避免出现蛇行失稳现象，这就 要求车辆系统应具有高于其构造速度一定 裕量的蛇行失稳临界速度。
二、车辆稳定性及评定标准
平稳性指标
二、车辆平稳性及评定标准 定义： 车辆沿线路运行时, 由于线路存在不同的不 平顺, 轮轨之间相互作用力不断变化, 这些力 一方面使线路变形, 同时又激起车辆的振动, 衡量车辆的振动标准, 称为车辆运行平稳性。
二、车辆平稳性及评定标准
轨道车辆动力学仿真分析技术研究
轨道车辆动力学仿真分析技术研究一、引言轨道车辆是现代化交通运输系统的重要组成部分，其安全、可靠和舒适性是保障城市交通快速发展的关键。
为了提高轨道车辆的性能、降低能耗和延长使用寿命，轨道车辆动力学仿真分析技术已经成为轨道车辆研究领域的重要方法之一。
本文将对轨道车辆动力学仿真分析技术的研究现状和发展趋势进行探讨。
二、轨道车辆动力学仿真分析技术概述轨道车辆动力学仿真分析技术是指利用计算机技术，以数字化的方式模拟轨道车辆的运动规律和力学特性，从而评估轨道车辆的运行性能和系统安全，设计优化轨道车辆的结构和控制系统，提高轨道车辆的经济性和环保性。
轨道车辆动力学仿真分析技术主要包括以下方面：1.建立轨道车辆的运动学和动力学模型，分析车辆的行驶、曲线通过、追踪行车、制动和加速等过程，评估车辆的动态特性。
2.建立轨道车辆的结构模型，分析车体、车架、悬挂、车轮等零部件的受力情况和变形情况，评估车辆的静态和动态刚度。
3.建立轨道车辆的控制系统模型，分析车辆的车速、加速度、制动力和牵引力等控制量的变化过程，评估车辆的控制性能。
4.进行轨道车辆的系统仿真，模拟真实的运行场景，评估车辆的安全性和运行稳定性。
轨道车辆动力学仿真分析技术主要有两种实现方式：一种是基于多体动力学理论的仿真分析，另一种是基于有限元方法的结构分析。
三、轨道车辆动力学仿真分析技术的应用轨道车辆动力学仿真分析技术在轨道交通领域的应用已经十分广泛，其中主要包括以下几个方面：1.轨道车辆的设计和改进利用仿真技术可以对轨道车辆的结构、悬挂系统、制动系统、牵引系统等进行设计和改进，优化车辆的性能和经济性。
2.轨道车辆的运行控制利用仿真技术可以对轨道车辆的运行控制系统进行仿真分析，评估控制系统的性能和稳定性，调整控制参数，提高车辆的运行安全性和稳定性。
3.轨道车辆的事故分析利用仿真技术可以对轨道车辆的事故过程进行模拟分析，评估事故原因和后果，制定相应的应急措施和预防措施，提高轨道车辆的安全性和可靠性。
铁路车辆的轨道动力学性能研究
铁路车辆的轨道动力学性能研究铁路交通作为一种重要的交通方式，对于整个国家的经济发展和人民生活起着至关重要的作用。
在铁路系统中，车辆的轨道动力学性能是影响列车运行安全与舒适性的重要因素之一。
因此，对铁路车辆的轨道动力学性能进行深入研究，对于提高铁路系统的运行效率和安全性具有重要意义。
一、轨道动力学性能的定义和影响因素在铁路系统中，轨道动力学性能是指车辆在轨道上行驶时所表现出的稳定性、舒适性和安全性等特性。
它受到多个因素的影响，包括列车的速度、曲线半径、轨道的几何形状、轨道的弯曲半径、弯道半径变化率、线路高程起伏等。
二、轨道动力学性能测试与评估方法为了研究铁路车辆的轨道动力学性能，需要采用一定的测试与评估方法。
常用的方法包括实际线路试验、模拟仿真试验和理论计算等。
1. 实际线路试验：实际线路试验是最直接、最真实的测试方法之一，即在实际的铁路线路上设置测试装置，通过对列车的运行状态进行监测和数据采集，得到真实的轨道动力学性能数据。
这种方法的优点是结果准确可靠，但需要占用大量时间和资源。
2. 模拟仿真试验：模拟仿真试验是通过建立合适的仿真模型，对车辆在不同行驶条件下的动力学性能进行模拟与分析。
这种方法的优点是成本低廉，可以快速获得测试结果，但对于模型的准确性和仿真参数的选择需要特别注意。
3. 理论计算：理论计算是一种基于数学模型和物理规律的方法，可以通过解析解或数值解的方式，通过计算得到车辆在不同条件下的轨道动力学性能。
这种方法的优点是计算结果准确度高，但对于复杂的系统和边界条件模拟较为困难。
三、轨道动力学性能调控与改进方法为了提高铁路车辆的轨道动力学性能，需要针对性地进行调控与改进。
具体方法包括：1. 设计合理的轨道几何形状：合理的轨道几何形状可以降低车辆在弯道行驶时的滚动倾覆和偏心力，提高列车的稳定性和舒适性。
因此，轨道设计应考虑列车运行速度、曲线半径等因素，并采取适当的几何形状来满足车辆的动力学要求。
轨道交通车辆动力学与运行安全
轨道交通车辆动力学与运行安全随着城市的不断发展和人们对交通出行的要求越来越高，轨道交通成为了人们生活中不可或缺的一部分。
轨道交通的高效性和安全性使得它成为了城市交通的重要组成部分。
然而，要保证轨道交通的安全运行，就需要对其车辆动力学有深入的了解与研究。
轨道交通车辆动力学主要研究车辆在运行过程中的动态特性和力学行为。
它涉及到多个方面的知识，如机械、电子、材料等。
在轨道交通的设计和运营中，车辆动力学问题的解决能够提高车辆的运行效率和安全性。
首先，车辆动力学可以帮助我们了解车辆的运行特性。
在轨道交通系统中，车辆的运行速度、加速度、刹车距离等都需要得到合理的控制，以保证乘客的舒适度和安全性。
通过对车辆动力学的研究，我们可以确定车辆的最佳设计参数，包括车辆的重量、制动系统的性能等。
其次，车辆动力学可以提高列车的能效。
随着能源的紧缺和环境问题的日益严重，轨道交通的能源利用效率也成为了一个重要的关注点。
通过对车辆动力学的研究，我们可以优化车辆的动力系统，提高能源的利用效率。
例如，通过降低制动能量的损失，可以将能量回馈到电网中，以供其他列车使用，这样既减少了能源的浪费，又提高了系统的整体效率。
再次，车辆动力学也可以提高轨道交通的安全性。
轨道交通系统通常需要应对各种意外情况，如制动失效、风压等。
通过对车辆动力学的研究，我们可以确保车辆在这些情况下的稳定性和安全性。
例如，在制动失效的情况下，可以通过调整车轮的压力来提高车轮与轨道的附着力，避免车辆的滑行。
除了以上的应用，车辆动力学还可以为轨道交通系统的运营管理提供支持。
通过对车辆的动态行为的监测和分析，我们可以及时发现车辆的故障或异常情况，进行相应的维修和保养，提高车辆的可靠性和使用寿命。
此外，车辆动力学还可以为轨道交通的智能化运营提供数据支持，包括列车的运行速度、行驶距离、载客量等，以便系统能够更好地进行调度和管理。
在轨道交通车辆动力学领域的研究中，也存在着一些挑战和问题。
轨道交通车辆动力学基础(三)课件
05
轨道交通车辆动力学未来发展 展望
Chapter
新材料与新技术的应用
高强度轻质材料
采用新型的高强度轻质材料，如碳纤维复合材料，能够显著减轻 车辆重量，提高运行效率和节能减排。
耐磨材料
针对轨道和车辆部件的磨损问题，研发新型耐磨材料，提高车辆使 用寿命和安全性。
智能材料
利用智能材料，如形状记忆合金和光纤传感器，实现对车辆状态的 实时监测和自动调整。
随着科技的发展，车辆动力学研究逐 步完善，涉及更多复杂因素，如空气 动力学、弹性车轮和轨道结构等。
02
车辆动力学基本原理
Chapter
车辆动力学模型
车辆动力学模型概述
车辆动力学模型是描述车辆在轨道上运行时的动态特性的数学模型。它包括车辆的悬挂系 统、轮轨关系、车辆与轨道之间的相互作用等。
车辆动力学模型的建立
列车运行控制
安全保障
车辆动力学的研究有助于 提高列车运行控制的安全 性，预防和控制列车运行 过程中的安全风险。
节能优化
基于车辆动力学特性的分 析，可以对列车运行控制 进行节能优化，降低运营 成本和能源消耗。
调度管理
通过分析车辆动力学特性 ，可以提高列车调度管理 的效率，实现列车运行的 高效组织。
04
绿色环保与可持续发展
节能减排技术
研发和应用新型节能减排技术，降低车辆运行过程中的能耗和排 放，减轻对环境的影响。
清洁能源利用
利用清洁能源，如太阳能和风能，为轨道交通提供电力，减少对 化石燃料的依赖。
生态友好型设计
在轨道交通车辆设计和制造过程中，注重生态友好型设计，采用 环保材料和工艺，降低对环境的影响。
稳定性指标
稳定性指标是衡量车辆在运行过 程中的稳定性的指标。例如，蛇 行运动是列车在高速行驶时的一 种不稳定的运动状态，可以通过 测量蛇行运动的频率、振幅和相 位等参数来评估列车的稳定性。
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二、车辆稳定性及评定标准
平稳性指标
二、车辆平稳性及评定标准 定义： 车辆沿线路运行时, 由于线路存在不同的不 平顺, 轮轨之间相互作用力不断变化, 这些力 一方面使线路变形, 同时又激起车辆的振动, 衡量车辆的振动标准, 称为车辆运行平稳性。
二、车辆平稳性及评定标准 影响平稳性的原因： （1）人为的线路形状变化, 是由于地形或需要在 修筑铁路时设置的线路特殊形状, 如线路曲线, 道岔, 驼峰, 上下坡道等。 （2）另一种非人为线路形状变化是微观的经常 性的随机不平顺, 这是由于施工和维修中无法 避免的实际线路与理想线路之间的各种偏差。 偏差大小随线路等级和施工维修的标准而异, 这种偏差具有随机性质。
二、车辆平稳性及评定标准
振动加速度、 振动频率
二、车辆稳定性及评定标准 运动稳定性研究车辆在一定速度运行时各部 件的运动状态, 即判定车辆系统运动是否稳 定。车辆系统的蛇行运动是一种自激振动, 如自激振动过大会引起车辆剧烈的振动而 使车辆系统的动力性能恶化, 引起轮对与钢 轨间的撞击、车辆倾覆等重大事故
二、车辆稳定性及评定标准 随着车辆运行速度的提高, 车辆自激振动加剧, 当车辆运行速度达到某一值时车辆自激振 动急剧增加, 车辆系统失稳。车辆在正常运 行速度下要避免出现蛇行失稳现象，这就 要求车辆系统应具有高于其构造速度一定 裕量的蛇行失稳临界速度。
• 其中，其中：△P为轮重减载量
• P为增载和减载侧车轮的平均轮重
一、车辆安全性及评定标准 2.脱轨原因 曲线超高、三角坑、局部不平顺、重心过高、 风力过大等 ， 引起过大侧向力或轮重减载，造成出轨或倾 覆
一、车辆安全性及评定标准 3. 措施 主动倾摆式转向架、抗侧滚扭杆、控制入 弯速度、定期线路检查等
为什么要研究车辆动力学？
城轨车辆动力学研究内容？
研究在加速、制动、转向和行驶过程 中车辆的表现----施加于车辆上的力的 响应。 具体的表象体现即安全性、稳定性和 舒适性。
安全性： 外力/内在因素影响下出现脱轨 的情况。
稳定性： 车辆运动的振幅是衰减还是 扩大。
平稳性（舒适性）： 振动加速度和振动频率。
轨道车辆动力学基础
动力学和静力学的区别
Hale Waihona Puke 定义：车辆动力学轨道车辆的运输是依靠列车在线路上 的运行来实现的。列车和线路是一个整体 系统，在这个系统中它们相互联系又相互 作用。
在系统运行时，系统中各组成构件将 会产生各种力和位移，这些力的产生 是由于车辆和线路的相互作用以及连 接车辆相互之间作用引起的。对这些 过程进行研究的一门学科就是车辆系 统动力学。
一、车辆安全性及评定标准 1.评定标准 （1）脱轨系数：（过大侧向力） 允许限度：Q/P<=1; 危险限度：Q/P<=1.2 • 其中， Q为爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力 • P为爬轨侧车轮作用于钢轨上的垂
向力
一、车辆安全性及评定标准 1.评定标准 （2）轮重减载率（左右轮重差异）： 允许限度：ΔP/P<=0.65; 危险限度：ΔP/P<=0.6