第4章车辆的蛇行运动稳定性.ppt

第四章 车辆的蛇行运动稳定性; 稳定的蛇行运动： 机车车辆在理想的平直道上运行时，在特定的条件下，如轮对具有一定的定位刚度，各悬挂参数匹配适当，在某一速度范围内运行，这时所产生的蛇行运动的振幅是随着时间的延续而衰减的，这种运动称之为稳定的蛇行运动。不稳定的蛇行运动： 而只有当车辆的运行速度超过某一临界数值时，才产生一种称为不稳定的蛇行运动，此时它们的振幅随着时间的延续而不断地扩大，使轮对左右摇摆直到轮缘碰撞钢轨，对于转向架或车体，则出现大振幅的剧烈振动，这种现象称为失稳，此时的运动称为不稳定运动。临界速度： 蛇行运动由稳定运动过渡到不稳定运动时的速度就称为临界速度。;不稳定的蛇行运动的危害： 高速车辆的蛇行运动失稳后，不仅会使车辆的运行性能恶化，旅客的舒适度下降，作用在车辆各零部件上的动载荷增大，并且将使轮对严重地打击钢轨，损伤车辆及线路，甚至会造成脱轨事故。所以蛇行运动是机车车辆实现高速运行的一大障碍。 下面将依次讨论自由轮对和转向架蛇行运动。;第一节 自由轮对的蛇行运动; 轮轨之间产生蠕滑时，其接触表面通常是一个椭圆，椭圆的形状与轮轨的材质和接触部位的外形、正压力的大小有关，一般情况下，椭圆的长轴沿车轮的前进方向。由图4—1可见，轮轨接触区域分为两部分，前面阴影部分为粘着区，后面部分为滑动区。 ; 车轮在钢轨表面上产生的蠕滑，是由于轮轨之间作用有切向力的缘故，因此这个切向力就称为“蠕滑力”。 自提出了蠕滑理论后，进行了大量的理论研究和实验工作，得到了蠕滑力F和蠕滑率γ之间的关系。; 从图 4—2可以看出：蠕滑力F和蠕滑率γ之间的变化规律不全是线性的，只是在较小的γ，也就是在较小的蠕滑速度△V范围内，其变化规律才是线性的，在线性范围内该直线的斜率称之为蠕滑系数f。因此，可用下式来表示：; 计算蠕滑系数的公式，经理论推导和实验研究,由B.S.Cain发展成为下列形式：;; 上面所讨论的是轮对沿着钢轨（纵向）滚动时的蠕滑现象（称为纵向蠕滑），并表明了蠕滑力F（纵向）与蠕滑率 γ的关系。如果蠕滑力F存在着横向分量时，那么在横向也会产生蠕滑。  轮对静止地停放在钢轨上，如果要使轮对在钢轨上作横向位移, 那么作用在轮对上的横向力必须大于摩擦力。但当轮对在钢轨上滚动时，即使作用的横向力很小, 轮对沿力的方向也会产生微小的横向位移，这种现象就称为横向蠕滑。;二、重力刚度和重力角刚度1.重力刚度和重力角刚度含义: 由于铁路车辆使用锥形踏面的轮对，所以当轮对作横向移动时，轮轨之间的接触反力就随之发生变化，因此，轮轨接触点A、B在横向铅垂平面内的法向反力各产生一横向水平分力，其合力将阻止轮对横向位移。当轮对作摇头转动时，则在轮轨接触点所在的水平平面内产生一对力偶，来推动摇头角位移。在轮对位移很小的情况下，这些力和力偶与位移之间的关系是成正比的，其比例系数即称为重力刚度和重力角刚度。; 轮对与钢轨间的相互关系，可分为三种基本状态来讨论, 由此推导重力刚度和重力角刚度的计算公式。;（二）轮对有横向位移时的状态（图4一4）; 若轮对产生如图4一4所示的向右横向位移y，这时接触点A、B 在横向铅垂平面内的法向反力分别为N1 、N2 ，法向反力与铅垂线之间的夹角为a1 、 a2 。;水平分力的合力△P自右向左，因此有使轮对回复至其中央位置的作用。如果轮对向左偏移，也会产生同样的效果，这就是所谓重力刚度效应。 在轮对载荷不变时，横向合力△ P的大小仅与横向位移量y成正比，因此 的意义犹如一等效刚度。;（三）轮对产生摇头转动时的状态 图4—5表示出轮对产生逆时针方向的摇头角位移Ψ时的状态。当轮对产生逆时针方向的角位移时，轮轨接触点就从中央位置时的A 、 B移至A’、B’。作A’A” ∥B’B” ∥ AB（轮对中心线），且使AA”⊥A’A”、BB” ⊥ B’B”。由于Ψ角很小，所以：; P1和P2在水平平面内形成一对力偶，它的方向也是逆时针的，将使轮对继续按逆时针转动。然而由于蠕滑及其他各种阻尼的存在，不会使轮对的角位移越来越大，这就是重力角刚度效应。 这对力偶M的大小为：; 三、自由轮对的蛇行运动 车辆的蛇行运动是极为复杂的，为了由浅入深地研究它，先从带有锥形踏面的自由轮对的蛇行运动开始，并作下列两个假定：1. 自由轮对沿着轨距不变、刚性路基的平直轨道作等速运 动；2. 车轮连续不断地与钢轨相接触；且轮对的横向??移很小，车轮与钢轨间的蠕滑符合线性规律。; 轮对在水平平面内的运动由三部分组成； A：基本