铁道车辆系统动力学

重载列车系统动力学摘要：1.引言2.重载列车的牵引动力形式3.重载列车的技术特点4.重载列车的相关要求5.结论正文：1.引言重载列车技术对提升铁路运输能力起到了重要作用。

在铁路牵引动力的发展和运输形势发展的需求下，牵引重载列车已成为一个全球关注的问题。

本文将介绍重载列车的牵引动力形式、技术特点以及相关要求。

2.重载列车的牵引动力形式重载列车主要有三种形式：传统的机车牵引方式、动车组牵引方式和自牵引方式。

（1）传统的机车牵引方式：机车作为铁道车辆的动力来源，通过连接列车的方式牵引重载列车。

（2）动车组牵引方式：动车组是由多节带有动力的车厢组成的列车，可以实现自我驱动和牵引其他车厢。

（3）自牵引方式：自牵引方式是指列车上的货物本身具有驱动力，通过货物自身的动力来实现列车的行驶。

3.重载列车的技术特点（1）大功率：重载列车需要具备大功率的牵引力，以保证列车在行驶过程中能够克服各种阻力，确保列车的稳定运行。

（2）高强度：重载列车需要具备高强度的承载能力，以适应各种恶劣的运输环境和重载运输的需求。

（3）高效率：重载列车需要具备高效的传动系统，以降低能源消耗，提高运输效率。

4.重载列车的相关要求（1）车辆设计：重载列车在设计时需要考虑车辆的结构强度、牵引力、制动力等方面的要求，以确保列车的安全稳定运行。

（2）驾驶员素质：驾驶员需要具备丰富的驾驶经验和技能，以应对重载列车在行驶过程中可能遇到的各种突发情况。

（3）线路条件：重载列车的运行需要满足一定的线路条件，如轨道的承载能力、线路的坡度、曲线半径等。

5.结论重载列车技术在提升铁路运输能力方面具有重要意义。

车辆动力学基础第一章1．车体在空间的位置由6个自由度的运动系统描述。

浮沉、摇头、点头、横摆、伸缩、侧滚2．轴重：铁道车辆的轴重是指车辆每一根轮轴能够承受的允许静载。

3．轴距：是指同一转向架下两轮轴中心之间的纵向距离。

4．轴箱悬挂：是将轴箱和构架在纵向、横向以及垂向联结起来、并使两者在这三个方向的相对运动受到相互约束的装置。

5．中央悬挂：是将车体和构架/侧架联结在一起的装置，一般具有衰减车辆系统振动、提高车辆运行平稳性和舒适性的作用。

6．曲线通过：曲线通过是指车辆通过曲线时，曲线通过能力的大小，反映在系统指标上，主要表现为车辆轮轨横向力、轮对冲角以及轮轨磨耗指数等的大小上。

7．自由振动：是指在短时间内，由于某种瞬间或过渡性的外部干扰而产生的振动，其振动振幅如果逐渐变小，该系统将趋于稳定；相反，若振幅越来越大，则系统将不稳定。

第二章1．车辆的动力性能主要包括运行稳定性（安全性）、平稳性（舒适性）以及通过曲线能力等。

2．车辆脱轨根据过程不同大体可分为爬轨脱轨、跳轨脱轨、掉道脱轨。

3．目前我国车辆部门主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标。

4．当横向力作用时间t小于0.05s时，用0.04/t计算所得的值作为标准值。

5．不仅仅依靠脱轨系数来判断安全性的原因：（1）轮重较小时与其对应的横向力一般也较小，计算脱轨系数时受到轮重和横向力的测量误差的影响就较大，因此要获得正确的脱轨系数比较困难。

（2）垂向力较小时，使用该垂向力和与其对应的横向力得到的脱轨系数很容易达到脱轨限界值；另一方面，单侧车轮轮重减小时，另一侧车轮轮重一般会增大，此时极小的轮对冲角变化会导致较大的横向力，从而加大了脱轨的危险性。

（3）根据多次线路试验来看，与其说脱轨系数值较大容易导致列车脱轨，还不如说轮重减少的越多越容易导致列车脱轨。

6．评价铁道车辆乘坐舒适性最直接的指标就是车体振动加速度。

第三章1．轮对的组成：轮对由一根车抽和两个相同的车轮组成。

地下铁道车辆动力学模型研究引言地下铁道车辆动力学模型的研究一直是轨道交通领域中的重点问题之一。

车辆的动力学模型不仅能够揭示车辆的动力学特性，还能为车辆的安全控制和优化设计提供重要的理论支持。

本文将从车辆的悬挂系统、车辆的能量转换以及车辆运动学三个方面，对地下铁道车辆动力学模型进行详细的研究。

第一章悬挂系统模型地下铁道车辆的悬挂系统是车辆动力学的重要组成部分。

其主要作用是保证车辆在运行过程中的平稳性和稳定性。

目前，常用的地下铁道车辆悬挂系统主要分为悬挂式和刚性式两种。

其中悬挂式是通过悬挂系统将车体和轮对分离，从而减少车体受到的震动和振动；而刚性式则是将车体和轮对连在一起，通过传动系统传递动力。

对于悬挂式车辆，其悬挂系统的动力学模型主要包括弹簧-阻尼模型和蠕动模型两种。

其中弹簧-阻尼模型是通过弹簧和阻尼来模拟车辆在运行过程中受到的力和阻力；而蠕动模型则是通过蠕动函数来模拟车辆车体在悬挂系统的作用下的运动过程。

这些模型可以用于优化车辆的悬挂系统设计和预测车辆的运动特性。

第二章能量转换模型地下铁道车辆能量的转换是车辆动力学的另一个重要组成部分。

能量的转换主要是指车辆运动过程中车辆的动能和势能之间的相互转换。

在车辆加速和减速过程中，车辆的动能和势能分别发生变化，这些变化可以用能量转换模型来描述。

对于地下铁道车辆的能量转换模型，则主要包括动能和势能两种形式。

其中动能的转换是通过牵引系统和制动系统来实现；而势能的转换则是通过车辆的升降机系统来实现。

这些模型可以用于优化车辆的能量转换效率和预测车辆在不同工况下的能量变化。

第三章运动学模型地下铁道车辆的运动学模型是揭示车辆运动过程中的位置、速度、加速度等动力学变量的重要手段。

这些变量对于车辆的安全性和运行效率都具有重要的影响。

因此，建立准确的运动学模型是优化车辆设计和车辆运行控制的关键。

对于地下铁道车辆的运动学模型，则主要包括平动模型和转动模型两种。

其中平动模型主要用于描述车辆在直线段上的运动特性；而转动模型则主要用于描述车辆在弯道上的运动特性。

跨座式单轨车辆动力学研究国内外文献综述跨座式单轨车辆动力学研究归属于轨道车辆动力学研究范畴，轨道车辆动力学研究列车在线路上运行时机车车辆各个构件之间、各节车辆之间及列车与线路之间的力、加速度和位移等相互动力作用的学科，也称车辆系统动力学。

研究内容主要包括运行平稳性、运行稳定性、曲线通过性能以及轮轨系统所特有的轮轨几何关系和轮轨蠕滑关系等，通常分为垂向动力学、横向动力学和纵向动力学对轨道车辆运行性能进行研究。

跨座式单轨车辆动力学研究的主要内容包括动力稳定性、运行平稳性、动态曲线通过、纵向动力学以及空气动力学等问题。

跨座式单轨车辆控制系统的稳定性、整车运行的平稳性、安全性以及经济性这些评价跨座式单轨车辆的重要指标也将直接影响着跨座式单轨车辆的发展和应用前景。

日本Kenjiro Goda 2000 年对单轨车辆曲线通过进行了仿真分析研究。

其所建立的单轨车辆动力模型中将车体和两转向架(机车转向架和拖车转向架)假定为有横向、侧滚和偏航自由度的刚体，转向架通过空气弹簧和横向阻尼器组成的二系悬挂装置与车体连接，空气弹簧由并联的弹簧和阻尼器来模仿。

他们假设曲线通过时在轮胎上产生轮胎径向力和轮胎接触力，其中径向力因导轨的曲率和超高引起，接触力因轮胎接触区域的滑移而产生，分别建立起走行轮、导向轮和稳定轮的轮胎模型，用多体动力学方法推导了动力运动方程，并对单轨车辆以16km/h 速度通过50m 等半径、4%超高曲线时的情况进行了仿真分析。

结果表明机车转向架的导向轮径向力比拖车转向架的大，因为机车转向架上由空气弹簧力产生的偏航力矩方向与拖车转向架的不同，而由侧向力产生的偏航力矩方向是一样的。

该研究结果可以用于在实际走行实验之前预测轮胎上产生的作用力和单轨车辆的曲线特性。

C.H.Lee 将每个车体(包括转向架、走行轮、导向轮和稳定轮)简化为15个自由度的车辆模型，可以描述沉浮、点头、摇头、测滚、横移等运动(但忽略了沿车厢纵向的运动)，提取桥梁有限元模型的模态结果，建立了车-桥系统的三维有限元模型。

第一部分开行重载列车，就机车车辆本身来讲，重载列车技术涵盖牵引性能、制动系统性能、列车纵向动力学性能、机车车辆动力学性能、机车车辆及其零部件强度以及合理操纵方法等众多方面。

而重载列车的通信、纵向冲击力和长大下坡道的循环制动问题是开行重载列车的三大关键技术。

而这三大技术其实就是制动系统的三大难题。

下面就以制动系统来分析。

1.重载列车制动系统的关键技术制动系统对列车运行安全具有举足轻重的重要作用，随着铁道技术的不断进步，已出现了多种制动方式，但对货物列车而言，空气制动仍是最基本的制动作用方式。

众所周知，货物列车空气制动作用的制约因素甚多，列车长度就是主要影响因素之一。

我国重载列车的发展始于20世纪80年代，至今列车编组重量已由5 000t级提高到2万t以上，编组辆数从62辆增加到210辆之多，列车最大长度已达2·6 km以上，导致空气制动作用条件严重恶化。

1.1制动空走时间和制动距离影响货物列车紧急制动距离的主要因素除制动初速、线路条件(坡道)、列车制动率(每百吨重量换算闸压瓦力)和闸瓦性能以外，还有影响空走距离的空走时间，后者主要与列车长度或编组辆数有关。

笔者在根据上述因素编制我国《铁路技术管理规程》中的制动限速表时，对货物列车考虑的列车编组条件为5000t级以下，由于重载列车编组辆数的增加，必然导致制动空走时间和距离相应增加,加上长大列车压力梯度对后部车辆制动力的影响，因此该限速表不适用于重载列车。

对于重载列车，其制动力应比普通列车高，以保持和普通列车同等的制动距离。

1.2充气作用和长大下坡道的运行安全列车空气制动后的再充气时间随编组辆数的增加而呈非线性的增加。

重载列车需要有比普通列车长得多的再充气时间，因此，在长大下坡道多次循环制动作用时对司机操纵方法特别是再充气时间的要求更高。

1.3减轻列车纵向动力作用货物列车在纵向非稳态运动过程中产生的纵向动力作用不仅是导致断钩、脱轨等重大事故的主要原因，也是破坏货物完整性和加速机车车辆装置疲劳破坏的重要因素。

地铁动车组动力学性能分析基于某型地铁动车组动力学参数，建立SIMPACK车辆动力学模型，分析了车辆的稳定性、平稳性、脱轨系数、轮重减载率4项动力学指标，并根据铁道机车车辆动力学性能评定标准和规范对该轨道车动力学性能作了全面、综合评估。

研究结果表明：该轨道车辆非线性临界速度较高，具有较大的稳定性裕度；横向、垂向平稳性指标均达到标准的优级要求；动态曲线通过安全性指标能够满足安全行车要求。

标签：地铁动车组；动力学性能；动力学计算地铁车辆运行的平稳性、稳定性和曲线通过性等是评价车辆运行状态的重要动力学指标[1]。

通过动力学软件仿真计算可以评定车辆的动力学指标，指导地铁车辆动车组的设计和生产。

1 车辆动力学模型车辆在实际运营过程中具有大量的非线性因素，其动力学计算需要借助于计算机的批量处理和专业车辆动力学处理软件。

SIMPACK的Wheel/Rail（轮轨）模块是目前世界上著名的、功能最强大的车辆系统动力学分析的数值仿真软件之一[2]。

基于车辆动车组动力学参数，利用SIMPACK软件建立了地铁动车组模型。

本文车辆模型包括轮对、一系悬挂（轴箱和一系减振）、二系悬挂整（空簧、垂向和横向减振器、抗侧滚扭杆、牵引拉杆）、车体。

轮轨接触部分，车轮踏面采用S1002，钢轨轨头型面为UIC60。

2 铁道车辆动力学评价标准2.1 临界速度在轮轨间蠕滑力的作用下，车辆运行到达某一临界速度时会产生失稳的自激振动即蛇形运动。

高速时的蛇形运动表现为轮对和转向架的激烈的横向振动，它威胁到运行安全。

为此，要求车辆蛇形运动的临界速度Vc要远高于其运行速度，以保证有足够的速度裕量[3]。

2.2 Sperling平稳性指标乘客的舒适度感受也是评价车辆动力学性能的一个主要方面。

国际是常用的评价标准是车辆平稳性指标。

GB/T5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中对平稳性评定等级的界限。

2.3 曲线通过性指标2.3.1 脱轨系数脱轨系数是指作用在车轮上的横向力和垂向力的比值，用于评定防止车轮脱离轨道的指标。

非光滑系统的动力学及其在铁路车辆横向振动分析中的应用非光滑系统的动力学及其在铁路车辆横向振动分析中的应用摘要：近年来，随着铁路交通的发展，铁路车辆的横向振动问题引起了广泛关注。

非光滑系统动力学是研究非光滑接触系统运动规律的一门学科，其在铁路车辆横向振动分析中具有重要的应用价值。

本文将从动力学的角度出发，探讨非光滑系统的基本原理以及其在铁路车辆横向振动分析中的应用。

一、引言横向振动是指铁路车辆沿着铁轨方向的振动，会对列车的运行安全性和乘客的舒适性产生不良影响。

因此，研究铁路车辆横向振动问题对于提高列车的运行性能和乘客的乘坐体验具有重要意义。

二、非光滑系统动力学基本原理非光滑系统动力学是研究系统中非光滑接触点的运动规律的学科。

在非光滑接触点，存在相对滑动或粘滞现象，使得系统的动力学行为复杂多样。

非光滑系统动力学主要包括非光滑动力学、非光滑振动学和非光滑稳定性分析等方面。

非光滑系统可以用力约束方程来描述，该方程包括了接触力约束、干摩擦约束和滑痕干涉等物理约束。

通过求解这些方程，可以得到系统的运动规律和力学特性。

三、非光滑系统在铁路车辆横向振动分析中的应用1. 非光滑系统动力学模型的建立根据铁路车辆的实际情况，可以建立非光滑系统的动力学模型。

首先，需要确定系统的几何结构和力学参数。

然后，利用力约束方程和几何关系方程，建立非光滑系统的运动学方程和动力学方程。

最后，通过数值模拟或解析方法求解得到系统的运动规律和力学特性。

2. 非光滑系统对铁路车辆横向振动的影响非光滑接触点的存在会对铁路车辆的横向振动产生重要影响。

在铁路车辆的运行过程中，车轮与铁轨之间的接触点会产生滑动或滚动现象，这会导致车辆的动力学行为发生变化。

而这些变化对于车辆的横向振动特性有着直接的影响。

通过分析非光滑系统的运动规律和力学特性，可以得到铁路车辆的横向振动频率、振幅等重要参数，从而对车辆的横向振动行为进行预测和优化。

3. 非光滑系统动力学在铁路车辆横向振动控制中的应用非光滑系统动力学可以为铁路车辆的横向振动控制提供重要参考。

车辆系统基础知识1.车辆系统中主要有哪几种非线性关系：（线性化方法、原理。

）轮轨接触几何关系：线性化时踏面锥度、重力刚度、重力角刚度为常数。

蠕滑率-力规律：蠕滑系数在线性化后也为常数。

车辆的悬挂特性：2.车辆系统动力学研究内容：蛇形运动稳定性；车辆曲线通过时运动状态和轮轨作用力；车辆对轨道不平顺的响应；过曲线时抗脱轨、抗倾覆性能；车辆纵向动力学，车辆间相互作用；新型悬挂形式，主动、半主动悬挂，径向转向架；弓网系统动态特性：受流、噪音；车辆系统空气动力学。

3.轨道车辆的不平顺及其对应的车辆振动类型：（此处需要补充各种常用轨道谱表示方式，以及不同振动形式耦合程度大小与关系）直线区段的四种不平顺分别为：垂向轨道不平顺，引起车辆的垂向振动，水平轨道不平顺，引起车辆的横向滚摆耦合振动；方向不平顺，引起车辆的侧滚和左右摇摆；轨距不平顺轨距不平顺对轮轨磨耗、车辆运行稳定性和安全性有一定影响。

车辆系统动力学指标及评价标准1.车辆运行安全性及评价标准：脱轨系数：评定防止车轮脱轨稳定性的脱轨系数，为某一时刻作用在车轮上的横向力Q和垂向力P的比值。

脱轨系数临界值定义为当轮轨接触的切向力T等于摩擦系数乘以接触法向力N时的Q/P值。

（有两类脱轨系数，一种与时间相关、一种与时间无关，像这种评价指标的原理，虽与考试没什么关系，但是可以尝试弄清楚，谁整理好了可以弄进来。

还有不同标准，比如《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》（TB/T 2360-93）《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》（95J 01-L）《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》（95J 01-M）的限定值，这些个常用标准，值得整理）轮重减载率：评定车辆在轮对横向力为零或接近于0的条件下，因一侧车轮严重减载而脱轨的安全性指标。

（同上）倾覆系数：评价车辆在侧向风力、离心力和横向振动惯性力的最不利组合下是否会导致使车辆向一侧倾覆。

（同上）2.车辆运行平稳性及评价指标：Sperling：评定车辆本身的运行品质以及旅客乘坐舒适度，根据振动加速度及其振动频率来衡量，不同类型的振动（横向、垂向、不同频率范围内的振动）得到的W值不同，然后汇总取算术平均得到总的平稳性指标。