铁道车辆系统动力学64页PPT

图2-2（b）中各作用力分别向轮对接触点A的切线方 向和法线方向投影，可得： N=Pcos +Qsin T=Psin -Qcos （2-1）
Q——作用于轮缘上的横向力； P——作用于车轮上的垂向力； N——钢轨对车轮的法向反力； T——钢轨对车轮的切向反力； ——车轮轮缘角。
国际铁路联盟UIC规定Q/P≤1.2；德国ICE高速列 车试验标准Q/P≤0.8；日本既有线铁路提速试验 标准也规定Q/P≤0.8,；北美铁路则规定Q/P≤1.0.
第二章 车辆系统动力学指标 及评估标准
主要内容：
第一节 铁道车辆系统动力性能
第二节 车辆运行安全性及评判标准 第三节 车辆运行平稳性及评价标准
重点
介绍目前常用的Sperling评价方法以及 ISO标准。
第一节 铁道车辆系统动力性能
高速铁路动态安全性和运行舒适性的评价标准将直接 影响线路结构设计的安全性。衡量这些性能的主要指 标如下表。
我国制定的脱轨系数标准见下表。表中的第一限 度为合格标准，第二标准为增大了安全裕度的标 准。
2)、考虑作用时间的脱轨系数
在JR标准中，还考虑了轮轨间发生冲击时车轮的脱轨安 全性问题。考虑横向冲击力的作用时间t大于0.05s以上 时，以0.8作为标准值，若作用时间小于0.05s,将 Q/P=0.04/t所得的值作为标准值。
1）、不考虑作用时间的脱轨系数
脱轨系数最初由法国科学家Nadal提出，他是根据 爬轨侧车轮在脱轨临界状态时轮轨接触点上力的平 衡条件，推倒出的表达式。 假设车轮与钢轨接触点位于轮对中心线垂直平面内 （无轮对冲角），图2-2（a）所示的车轮处于脱轨 临界状态时的钢轨受力关系，接触斑处车轮受力如 图2-2（b）。
一、防止蛇行运动的稳定性

式计算：
NMV6 a9p5xa9p5ya9p5z
车辆系统动力学讲义
温馨性的等级 NMV<1
1<NMV<2 2<NMV<4 4<NMV<5 5<NMV
最正确温馨性 良好温馨性 中等温馨性 不好温馨性 极差温馨性
温馨性和平稳性目的的差别 1. 丈量点和丈量的加速度不同； 2. 计算方法不同； 3. 评价方法(有无纵向)和等级不同；
W 0 .8(9 [j3 6 F (f)/f]0 .1 )
车辆系统动力学讲义
平稳性等级 平稳性目的分横向和垂向，平稳性等级是一样的。
客车 W<2.5 优 W<2.75 良好 W<3.0 合格
货车 W<3.5 优 W<4.0 良好 W<4.25 合格
车辆系统动力学讲义
平稳性指标
2.5
2.4
2.3
车辆系统动力学讲义
1.1 车辆动力学的开展
车辆动力学系统是一个复杂的系统，其开展依托科学 技术和研讨手段的提高。至今仍有大量问题没有处理。
60年代以前的传统方法
轮轨蠕滑实际的提出和运用
计算机技术的大量采用
大系统方法和复杂动力学模型
车辆系统动力学讲义
1.2 车辆动力学的主要研讨内容
车辆动力学模型的建立和求解 车辆动力学模型的验证
车辆系统动力学讲义
2.2 铁道车辆模型
1〕铁道车辆系统是一个由多个部件组成的复杂系统，每 个部件有6个自在度，再加上各体之间有复杂的非线性 力和几何约束关系，故传统的方法仍是采用多刚体动 力学实际，简化影响较小的要素，根据研讨的目的不 同建立各种简化模型。
普通不思索各车间的耦合，只建立单车模型； 普通不思索车辆－轨道的耦合，以为轨道是刚性的； 普通不思索车辆与接触网的耦合振动，其对车辆影响较

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• (2) 车辆全长与换长
• 全长：该车两端钩舌内侧面间的距离 以m为单位；
• 换长：车辆全长除以11保留一位小数，
•
尾数四舍五入；
• (3) 车辆定位标记
• (4) 表示车辆（主要指货车）设备用途及
• 结构特点的各种标记；
• (5)客车车种汉字标记及定员标记 。
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• 在高速客运专线上 复线的线间距及隧道
截面积较普通线路大。因需考虑空气动力
学问题。
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二、车限的使用
• 1、确定及校核机车车辆的外形尺寸 • 车限是一个和线路中心线垂直的极限横断
面轮廓。 • 竖直高度均从轨面祘起 • 横向宽度均从中垂线向两侧计祘 • 某侧半宽超限即为超限。
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柳厂
• （涂刷在两外端墙的右下角）
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• 货车类型，敞车标记
• 02.11 01.5
成贵
• 08.11 99.11 眉厂
• （涂刷在两外侧墙的左下角）
• 辅修及轴检标记
• 辅修标记
•
3－15 9－15都
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标记：运用、检修、产权、其他
检修：货车厂修9年、客车8年，段修客货车1.5年，辅修货车6个月轴检：滚动轴承为6个月、滑动轴承3个月。
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第六节、线路构造概要
• 线路的组成： • 路基、轨道、桥隧建筑物 • • 铁路的等级：三级 • Ⅰ级远期年货运量达15Mt; • Ⅱ级远期年货运量达 7.5~15Mt; • Ⅲ级年货运量小于7.5Mt;

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。

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补充：TD挠性板式联轴节架悬式驱动机构
工作原理和工作特点与挠性浮动齿式联轴节架悬式驱动机构 基本相同，只是由TD挠性板结构代替半联轴节（外齿）和 外筒（内齿）结构来传递扭矩，同时补偿电机输出轴相对于 （小）齿轮输入轴间的相互跳动和转动。
固定侧连接器
中间偶连器
固定侧连接器
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挠性弹簧板
挂与构架相连（与轴悬 式类似）。
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② 特点
a) 簧下死重量较小（电动机悬挂在构架上，全部重量 均为簧上重量。但齿轮箱的重量之一半仍然悬挂在 轴上，属簧下死重量），减小了轮轨动作用力；
b) 改善了牵引电动机的工作条件，但牵引齿轮的工作 条件与轴悬式相同并未有所改善；
c) 但，弹性扭轴的柔性很大，使得整个驱动机构的弹 性太软，容易使轮对在驱动过程中产生粘—滑振 动（致命弱点，SS5机车就因为采用该驱动机构而 产生严重的粘—滑振动） ；
因为：
① 转向架轴距短（一般轻轨车辆转向架轴距在1900 ～ 2100mm间），主要为了适应轻轨车辆通过很小的曲 线半径要求；
② 直流牵引电动机体积大
若采用两台横向布置的直流牵引电动机分别驱动两根 动轴，则受轴距限制的转向架中可利用的空间有限， 还要在车轴上布置制动盘，因此牵引电动机的功率只 能限于50 ～ 60kW，显然不能满足一般轻轨车辆单 轴电动机功率为100kW左右的要求。
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③ 特点 • 簧下死重量小（电机重量全部悬挂于构架横梁上成为 簧上重量，但牵引齿轮和齿轮箱之重量的一半仍然属 于簧下死重量），减小了轮轨间的动作用力； • 同时大大改善了牵引电动机的工作条件； • 但牵引齿轮的工作条件并未得到改善； • 且与刚性轴悬式驱动装置相比，结构稍复杂，但与其 它架悬式结构相比，结构要简单得多。

❖ 上世纪90年代，国外技术进入相对成熟期；
❖ 国内在70年代末在该方面的研究才真正开始起步， 并形成对国外先进技术的追赶之势；但终因基础薄 弱、起步晚，虽然经过20多年的致力发展，目前仍 与国外先进技术有一定的差距；
第一章 概论
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ห้องสมุดไป่ตู้
四、高速列车十大关键技术
1. 交流传动技术 2. 复合制动技术 3. 高性能转向架技术 4. 轻量化技术 5. 优良空气动力学外型 6. 自动控制监测与诊断技术 7. 密接式连接技术 8. 车厢密封及集便排污技术 9. 倾摆车体技术 10. 高性能受电弓技术
+静 平 衡 位 置
❖ 抗干扰能力+平稳性
频 域 谱 密 度 方 差 分 析
❖ 极限环计算
❖ 曲线/任意线路通过
❖ 抗干扰能力+平稳性
随 机 激 励
（ 实 测 或 PSD转 换 ）
解 析 激 励 （如正弦等）
❖ 特殊分析
曲 线 通 过 S型 曲 线 通 过 轨 道 扭 曲
实 测 轨 道 走 向 等 等
❖ 在产品开发前期对基本设计思想的论证。比如用简 单的模型对各种方案的动力学特性进行初步评估。
❖ 用更精细的模型在产品设计阶段对系统性能进行优 化。
❖ 对最终设计的产品性能进行校核，即对车辆的稳定 性、平稳性、曲线性能和各类作用力进行评价。
❖ 预测实验室试验结果和现场试验结果，以辅助编制 试验计划。
❖ 利用计算机，动力学的理论研究成果直接用于合 理选择现代车辆的参数、优化设计及预测动力性 能。
第一章 概论
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国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就
❖ 车辆系统动力学仿真（平稳性、稳定性、安全性）； ❖ 车辆及列车脱轨理论和试验研究； ❖ 轮轨接触几何关系分析； ❖ 磨耗型踏面设计； ❖ 车辆悬挂系统新型元件应用（空气弹簧、抗侧滚扭杆、

GB5599-85规定，客车用距离1、2位心盘一侧横向 偏离1m处地板面上、货车用在1或2位心盘内侧距心盘中 心线小于1000mm的车体底架中梁下盖板上的的横向及 垂向加速度，来统计计算客货车垂直、横向平稳性指标， 最大加速度和平均加速度。新造客车、货车的横向及垂 向平稳性指标应满足GB5599-85的良好标准。
我国现在采用改变了的Sperling指标，在高速车 和出口车辆平稳性计算中还采用Wz值(Sperling指标)、 Nmv值(舒适度指标)。
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
Sperling等人提出影响车辆平稳性的两个重要因素：
za （1）位移对时间的三次导数：加速度变化率
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
1m
地板面上布置测点
后转向架中心
前进方向
前转向架中心
GB5599-85 客车测点
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
<1m 底架中梁下盖板上布测点
后转向架中心
前进方向
前转向架中心
GB5599-85 货车测点
4. 相关标准
[1] GB T 5599-1985 铁道车辆动力学性能评定和试 验鉴定规范；
[2] 200 km/h及以上动车组动力学性能试验鉴定方法 及评定标准。
[3] TB T 2542-2000 铁路机车车辆振动试验方法 （JIS E4031-1994）；
[4] TB T3058-2002 铁路应用 机车车辆设备冲击和 振动试验(IEC 61373:1999)； IEC国际电工委员会；JIS 日本工业标准；
2. 车辆运行安全性

车辆系统动力学资料课件
• 车辆系统动力学概述 • 车辆动力学模型建立与仿真 • 车辆系统动力学性能分析与优化 • 车辆系统动力学控制策略与应用 • 总结与展望
01 车辆系统动力学概述
车辆系统动力学的发展历程
20世纪60年代
20世纪70年代
车辆系统动力学开始得到关注和研究，主 要涉及车辆的稳定性、操纵性和乘坐舒适 性等方面。
车辆系统动力学优化实例
实例1
某型汽车的稳定性优化，通过优化悬挂系统和车身结构，显著提高 了车辆在高速行驶和弯道行驶时的稳定性。
实例2
某型卡车的平顺性优化，通过优化驾驶室和货箱的结构，有效降低 了驾驶员在长途运输中的疲劳程度和货物的破损率。
实例3
某型跑车的操控性优化，通过优化车身结构、悬挂系统和制动系统 ，提高了车辆在高速行驶和紧急制动情况下的操控性能。
03
研究成果与应用
研究人员已经将车辆系统动力学控制 策略应用于实际车辆中，并取得了良 好的控制效果。
车辆系统动力学控制算法设计与实现
控制算法设计
算法实现方法
算法实现方法包括基于MATLAB/Simulink的仿真 实现、基于实际车辆的实验实现等。
车辆系统动力学控制算法的设计需要考虑多 种因素，如车辆动力学特性、道路条件、驾 驶员行为等。
随着计算机技术的发展，车辆系统动力学 开始进入仿真模拟阶段，通过计算机模拟 来研究车辆的动力学行为。
20世纪80年代
20世纪90年代至今
车辆系统动力学的研究范围不断扩大，开 始涉及到安全、控制、智能驾驶等领域。
车辆系统动力学得到了广泛应用，不仅在 汽车领域，还在航空、航天、军事等领域 得到应用。
车辆系统动力学的研究对象和研究方法

建立用于研究车辆或列车特性的数学模型时， 系统中除弹性元件外的各个部件如车体、构 架、轮对等都视为刚体，只有在分析其结构 弹性振动或弹性变性时才考虑其弹性。
严格上说，构成车辆的各个要素都是质量分 布系统，模型化时常常将其近似为一个质量 集中的集中系统。
但在评价由车体的弹性振动而引起的乘坐舒 适度问题时，则须将车体作为一个分布质量 系统，来考虑其弯曲弹性振动问题。
三自由度系统振动方程
（7.3）
M c zc cs (zs zb ) ks (zs zb ) 0 M b zb cs (zs zb ) k s (zs zb ) c p (zb zw ) k p (zb zw ) 0
M w zw c p (zb zw ) k p (zb zw ) 0
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（1） 速度与动量
刚体速度： v v0 刚体加速度： a a0 ( )
刚 体 的 角 速 度: x i y j z k
刚 体 的 速 度 矢 量: v vx i vy j vz k
x3
x2
(1.5x2
x1)t
14.72
104
(1.5
9.78
9.81)
104
19.58104
x3 (mg cx3 kx3) / m
(10009.81104 19.58104 108 29.45108) /1000 9.76
三自由度系统
Mc zc
Ks
Cs
Mb
Kp
Cp
zb
Mw
zw
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车辆系统动力学结构模型
1
模型化总体原则
总体原则：根据不同研究目的，实行最适当的近 似化。 动力学研究目的多种多样，但无论从整体的简要 研究到局部的详细研究，都随着各自要求的精度 不同，模型化程度各不相同; 对能够做到何种程度的近似化判断时，首先必须 从力的传递、能量的传递和预计可能发生的现象 开始是极其重要的;

当外轨超高值符合下式时可平衡离心力：
h 11.8 V 2 R
h: mm, V: km/h, R: m 我国在曲线区段取最大超高150mm,若允许
的未平衡离心加速度为0.45m/s2, 则曲线上最大 运行速度为：
Vmax4.3 R
R 300 400 600 800 1000 1200 1500 V 74 86 105 122 136 149 166
越小，导曲线半径R越大，则侧向过岔速度越 高。导曲线上一般不设轨底坡和超高。
提问与解答环节
Questions And Answers
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
三、UIC动态限界（GB146.1-83）
车辆动态限界：不考虑随机因素的影响，如振动、偏载
UIC动态限界示意图
第五节 车辆主要技术参数 一、车辆性能参数 1.自重系数：车辆自重与标记载重的比值 2.比容系数：设计容积与标记载重的比值 3.最高试验速度：满足安全和结构强度 4.最高运行速度：还需满足良好的运行性能 5.轴重 6.每延米轨道载重：车辆质量与长度之比 7.通过最小曲线半径
5.车辆在走行过程中因运动中的力的作用 而造成车辆相对线路的偏移。包括曲线 区段运行时实际速度与线路超高所要求 的运行速度不一致而引起的车体倾斜； 以及车辆在振动中会产生上下、左右各 个方向的位移。 6.线路在列车反复作用下可能产生的变 形。 7.运输某些特殊货物时可能会超限。 8.为应付可能出现的特殊情况。还应该有 足够的预留空间。

培训内容概述
介绍铁道车辆动力学的基 本概念和原理
探讨如何解决铁道车辆动 力学相关问题的方法和技 巧
分析铁道车辆动力学在铁 路运输中的应用和重要性
通过案例分析，加深对铁 道车辆动力学的理解和应 用
02
铁道车辆动力学基础知识
车辆动力学简介
车辆动力学定义
车辆动力学是一门研究车辆在行 驶过程中受到的力和力矩、运动 状态及性能变化的学科。
未来，铁道车辆动力学将会与信息技术、通信技术等更多领域进行交叉融合，形成更加完善 和系统的理论体系和应用体系，为铁路事业的发展提供更加有力的技术支持和保障。
同时，随着人们对环保和节能的重视程度不断提高，铁道车辆动力学也将会在节能减排、降 低噪音和振动等方面进行更多的研究和探索，为铁路事业的可持续发展做出更大的贡献。
05
铁道车辆动力学未来展望
车辆动力学新技术发展
01
02
03
主动悬挂系统
利用传感器和控制系统实 时监测和调整车辆悬挂参 数，提高列车运行的平稳 性和舒适性。
空气动力学优化
研究列车在高速运行时的 空气动力学特性，通过优 化列车外形和结构，降低 风阻和噪音。
多态耦合动力学
考虑列车在不同运行状态 下的耦合效应，建立更加 精确的动力学模型，提高 列车控制和安全性能。
01
车辆动力学优化方 法概述
通过对车辆动力学性能的优化， 提高车辆的运行稳定性和安全性， 降低运营成本和维护成本。
02
车辆动力学优化方 法分类
包括参数优化、结构优化和控制 策略优化等。
03
车辆动力学优化方 法应用
在轨道线路设计、车辆设计、运 营管理和维护等领域得到广泛应 用。
04
铁道车辆动力学实际应用