軌道車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

1、軌道車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)2016期末考試題庫(kù)1. 列車車輛動(dòng)力學(xué)的核心要素有哪些？2. 簡(jiǎn)述一次蛇行和二次蛇行的產(chǎn)生原因及它們對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響，應(yīng)采用何措施來(lái)控制一次蛇行和二次蛇行？3. 影響列車脫軌的原因有哪些？（車輛方面，軌道方面和運(yùn)用方面）4. 剛性輪對(duì)與獨(dú)立輪對(duì)的主要區(qū)別是什么？它們的踏面設(shè)計(jì)會(huì)有什么不一樣的要求？5. 軌道不平順的分類及產(chǎn)生原因？6. 什么叫一次蛇行運(yùn)動(dòng)？什么叫二次蛇行運(yùn)動(dòng)？7. 怎么計(jì)算列車輪對(duì)踏面與導(dǎo)軌之間的蠕滑力?簡(jiǎn)述輪軌蠕滑力的求解過(guò)程。8. 輪對(duì)的磨耗按主要磨損區(qū)域可劃分為哪兩類？同時(shí)請(qǐng)問(wèn)現(xiàn)有的輪對(duì)鏇修策略標(biāo)準(zhǔn)由哪些（至少說(shuō)出兩種）？9. 脫軌系數(shù)和輪重減載率指

2、標(biāo)有何異同？10. 剛性輪對(duì)和獨(dú)立輪對(duì)的最主要區(qū)別是什么？此主要區(qū)別使得獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架形成了哪些主要特點(diǎn)？11. 如何測(cè)量軌道不平順？12. 運(yùn)用Kalker線性蠕滑理論建立剛性輪對(duì)線性化橫向動(dòng)力學(xué)微分方程。根據(jù)建立的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程，分析影響剛性輪對(duì)車輛蛇形運(yùn)動(dòng)的臨界速度的因素。13. 對(duì)于車輛曲線通過(guò)性能有哪些影響因素？如何提高其過(guò)曲線性能？14. 車體蛇行和轉(zhuǎn)向架蛇行分別有什么含義，有何特征及避免措施？15. 與傳統(tǒng)剛性輪對(duì)相比，分析獨(dú)立輪對(duì)在導(dǎo)向能力上的不足？并提出增加獨(dú)立輪導(dǎo)向能力的措施？16. 什么是蠕滑？簡(jiǎn)述蠕滑率的定義。蠕滑率與蠕滑力之間有什么關(guān)系？并說(shuō)明蠕滑力的大小與什么因

3、素有關(guān)？17. 一次蛇行、二次蛇行的概念？蛇行運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)？18. 如何在進(jìn)行車輛參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，均衡考慮車輛的穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能？19. 影響列車脫軌的原因有哪些？20. 推導(dǎo)Nadal脫軌公式。脫軌臨界狀態(tài)時(shí)，脫軌車輪受力如圖所示：由圖得到力平衡方程：Psin-Qcos=nN=Pcos+Qsin求解上述方程組可得到Nadal公式：QP=tan-1+tan21. 常見的軌道不平順有哪些？都指什么？22. 習(xí)題一：試編制輪軌幾何接觸計(jì)算分析軟件并分析一個(gè)案列（15分）23. 習(xí)題二：采用矩陣組裝法計(jì)算垂向振動(dòng)系統(tǒng)的特征值及特征向量（15分）1. 列車車輛動(dòng)力學(xué)的核心要素有哪些？列車車輛動(dòng)力學(xué)發(fā)展至

4、今，在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，形成了一個(gè)以輪軌關(guān)系為核心理論基礎(chǔ)，涵蓋輪軌相互作用，車輛系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)，蛇形穩(wěn)定性，對(duì)軌道不平順的振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)曲線、道岔等非直線軌道的動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)，列車與軌道、橋梁及空氣的相互作用，弓網(wǎng)相互作用等核心要素的系統(tǒng)學(xué)科。2. 簡(jiǎn)述一次蛇形和二次蛇形的產(chǎn)生機(jī)理,其次分析一次蛇形和二次蛇形對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響，及其控制一次二次蛇形的控制?一次蛇形即車體蛇形，由于轉(zhuǎn)向架橫移振動(dòng)或偏轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率與車體中諸項(xiàng)固有頻率之一相一致而產(chǎn)生二次蛇形即轉(zhuǎn)向架蛇形，由于隨著速度升高，轉(zhuǎn)向架對(duì)蛇形控制能力下降，轉(zhuǎn)向架或輪對(duì)出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)而引起轉(zhuǎn)向架橫向平面內(nèi)振動(dòng)。一二次蛇形會(huì)引起車體和轉(zhuǎn)向架劇烈振動(dòng)

5、，導(dǎo)致輪軌接觸關(guān)系惡化，車輪輪緣沖擊鋼軌，嚴(yán)重時(shí)引起出軌危險(xiǎn)等等?？刂拼胧┌ǎ荷咝芜\(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性問(wèn)題就是指合理的選擇懸掛參數(shù)，車輪踏面，和軌頭幾何尺寸，來(lái)提高轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)的臨界速度，避免車輛運(yùn)行時(shí)失穩(wěn)（速度超過(guò)臨界速度）。蛇形穩(wěn)定性分析要求在整個(gè)運(yùn)行速度范圍內(nèi)，阻尼比值不僅沒(méi)有一個(gè)是負(fù)的，而且不能太小，以限制對(duì)不平順的響應(yīng)。3. 影響列車脫軌的原因有哪些？（車輛方面，軌道方面和運(yùn)用方面）1. 車輛方面根據(jù)Nadal公式，影響脫軌的參量有輪軌垂向力P、橫向力Q、輪軌摩擦系數(shù)和接觸角。車輛的狀態(tài)如車輛個(gè)別輪子的減載、輪對(duì)的正沖角、踏面的磨耗狀態(tài)、車輛重心位置等對(duì)這些參量都有較大的影響，從而影響列

6、車的脫軌傾向性。2. 軌道方面軌道方面的因素主要是指影響輪軌垂向力P的因素，如外軌超高設(shè)置、線路順坡率設(shè)置、軌道平整程度和鋼軌的磨損程度等。3. 運(yùn)用方面列車車輛在運(yùn)用過(guò)程中由于通過(guò)速度的不同、輪軌接觸面摩擦系數(shù)變化、車輛的裝載狀態(tài)不良、不當(dāng)?shù)闹苿?dòng)以及忽略特殊地段的條件都會(huì)導(dǎo)致列車脫軌傾向性增大。4. 剛性輪對(duì)與獨(dú)立輪對(duì)的主要區(qū)別是什么？它們的踏面設(shè)計(jì)會(huì)有什么不一樣的要求？主要區(qū)別：剛性輪對(duì)是被安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)向架內(nèi)，并用一系彈簧定位裝置固定，因此受定位約束的輪對(duì)與軌道之間不可能純滾動(dòng)而存在微小的滑動(dòng)，輪軌間存在蠕滑力和正壓力，輪對(duì)同時(shí)還承受著一系懸掛廣義力和慣性力等；獨(dú)立輪對(duì)的左右輪子能分別繞車

7、軸回轉(zhuǎn)，通常車軸中部呈下凹的“U”形，以實(shí)現(xiàn)車底的低地板面；由于左右輪子自由旋轉(zhuǎn)，幾乎無(wú)縱向蠕滑力，直線運(yùn)行時(shí)不易發(fā)生蛇形運(yùn)動(dòng)。踏面設(shè)計(jì)不同的要求：對(duì)于采用被動(dòng)懸掛的獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架，獨(dú)立車輪的導(dǎo)向能力最終依賴于重力復(fù)原力，而重力復(fù)原力取決于左右車輪的接觸角差，因此踏面設(shè)計(jì)上具有較大的接觸角，等效斜度比剛性輪對(duì)更大一些。5. 軌道不平順的分類及產(chǎn)生原因？1. 離散不平順-孤立的存在于軌道上的不平順，例如，道岔，低接頭，鋼軌上的個(gè)別擦傷，線路上的個(gè)別坑洼和凍起等等；2. 周期不平順-來(lái)源于有縫鋼軌的接頭，長(zhǎng)鋼軌的焊縫，鋼軌的波狀磨損；3. 隨機(jī)不平順-其余大量都屬于這一類，比如可以將軌道中心線的高

8、低不平順，水平不平順，中心線的方向不平順，軌距的偏差，以及扭曲。6. 什么叫一次蛇行運(yùn)動(dòng)？什么叫二次蛇行運(yùn)動(dòng)？以車體為主振型的低頻率振動(dòng)稱為車體蛇形運(yùn)動(dòng)，或稱一次蛇形；以轉(zhuǎn)向架為主振型的振動(dòng)稱為轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)，或稱二次蛇形。7. 怎么計(jì)算列車輪對(duì)踏面與導(dǎo)軌之間的蠕滑力?簡(jiǎn)述輪軌蠕滑力的求解過(guò)程。按下框圖順序求解Kalker滾動(dòng)接觸理論蠕滑率定義輪軌蠕滑率輪軌蠕滑力蠕滑力修正Hertz接觸理論接觸斑長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度蠕滑系數(shù)8. 輪對(duì)的磨耗按主要磨損區(qū)域可劃分為哪兩類？同時(shí)請(qǐng)問(wèn)現(xiàn)有的輪對(duì)鏇修策略標(biāo)準(zhǔn)由哪些（至少說(shuō)出兩種）？ 踏面磨耗、輪緣磨耗（、輪緣根部磨耗） LMA鏇：鏇修后恢復(fù)輪對(duì)原有設(shè)計(jì)廓形等級(jí)鏇

9、：根據(jù)鏇后輪緣厚度要求選擇對(duì)應(yīng)厚度的鏇修外形9. 脫軌系數(shù)和輪重減載率指標(biāo)有何異同？脫軌系數(shù)：GB/T 5599-1985中規(guī)定的車輛脫軌系數(shù)安全指標(biāo)為：QP1.0 允許限度1.2 危險(xiǎn)限度脫軌系數(shù)不超過(guò)“危險(xiǎn)限度”是安全的，不超過(guò)“允許限度”是希望達(dá)到的，這一標(biāo)準(zhǔn)是Nadal公式在我國(guó)鐵路的具體應(yīng)用結(jié)果，實(shí)質(zhì)上它只適用于穩(wěn)態(tài)爬軌脫軌，只有當(dāng)脫軌系數(shù)長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)目標(biāo)值才有可能發(fā)生脫軌。TB/T 2360-1993中規(guī)定的機(jī)車脫軌系數(shù)安全指標(biāo)為：QP0.6 優(yōu)0.8 0.9 合格 良輪重減載率：輪重減載率為特定工況下因輪重減載而脫軌的另外一種脫軌安全指標(biāo)。作用于輪對(duì)上的橫向力F和力矩M，使輪軌一點(diǎn)

10、接觸處的輪重P減少。輪重減載量P=P-Pd與平均輪重P之比為輪重減載率，由物理概念知，PP越大，越容易脫軌。10. 剛性輪對(duì)和獨(dú)立輪對(duì)的最主要區(qū)別是什么？此主要區(qū)別使得獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架形成了哪些主要特點(diǎn)？最主要區(qū)別：獨(dú)立輪對(duì)的左右車輪可分別繞車軸自由回轉(zhuǎn)，而剛性輪對(duì)的左右車輪因受約束不能分別繞車軸自由旋轉(zhuǎn)； 主要特點(diǎn)：1）消除了蛇行運(yùn)動(dòng)，使車輛不再有蛇行臨界速度這一問(wèn)題；2）避免了傳統(tǒng)輪對(duì)通過(guò)小半徑曲線時(shí)因左右輪徑差不一而引起的嚴(yán)重磨耗；3）由于導(dǎo)向能力低，通過(guò)曲線時(shí)沖角較大，輪子對(duì)軌道的橫向擠壓力也較大。11. 如何測(cè)量軌道不平順？（1）軌道幾何不平順測(cè)量：一般采用小車弦測(cè)法或激光測(cè)量，可以測(cè)

11、量軌道在自由狀態(tài)下的剛軌幾何偏差。但由于測(cè)量效率低，沒(méi)有包含剛度不平順，現(xiàn)已不常用或僅用于波磨測(cè)量。（2）準(zhǔn)靜載軌道不平順測(cè)量：準(zhǔn)靜載軌道不平順測(cè)量在緩慢移動(dòng)的額定外力作用下測(cè)量，由于軌道彈性不一致，鋼軌在精力作用下將出現(xiàn)的下沉是不均勻的。這種不均勻變形與軌道幾何不平順疊加在一起合成軌道的準(zhǔn)靜載不平順。（3）動(dòng)載軌道不平順測(cè)量：由于準(zhǔn)靜載軌道不平順是難以測(cè)量的，實(shí)際上操作上采用軌檢車進(jìn)行近似測(cè)量。12. 運(yùn)用Kalker線性蠕滑理論建立剛性輪對(duì)線性化橫向動(dòng)力學(xué)微分方程。根據(jù)建立的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程，分析影響剛性輪對(duì)車輛蛇形運(yùn)動(dòng)的臨界速度的因素?；虮硎緸閙y+2f22vy+（2Ky+Wb）y-2

12、f22=0 I+2f11b2v+2Kxb2+（2f11br）y=0公式中，y和為輪對(duì)橫移和搖頭的廣義坐標(biāo)，m和I為輪對(duì)質(zhì)量和搖頭慣量，f11和f22為Kalker蠕滑系數(shù)，v為車輛速度，為踏面等效錐度，Kx、Ky分別為輪對(duì)縱向和橫向定位剛度，w、b、r0分別為為軸重、左右滾動(dòng)圓橫向間距之半和車輪名義滾動(dòng)圓半徑。2、根據(jù)微分方程可求出方程特征根，特征根實(shí)部為負(fù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)收斂，否則不收斂。當(dāng)車輛運(yùn)行速度v從0增大時(shí)，特征根實(shí)部由負(fù)變?yōu)檎唽?duì)運(yùn)動(dòng)也從收斂變成不收斂，轉(zhuǎn)變時(shí)的速度為蛇形臨界速度。在車輛設(shè)計(jì)中，需著重分析如下參數(shù)對(duì)臨界速度的影響:1) 輪對(duì)橫向定位剛度Ky和縱向定位剛度Kx的影響:當(dāng)Kx

13、、Ky增大時(shí)，輪對(duì)受到的約束增大，蛇形臨界速度提高。其中，Kx又比Ky對(duì)蛇形臨界速度的影響大；2) 踏面等效錐度的影響: 增大時(shí)，輪對(duì)穩(wěn)定性降低，蛇形臨界速度增大。 13. 對(duì)于車輛曲線通過(guò)性能有哪些影響因素？如何提高其過(guò)曲線性能？影響因素主要包括以下四個(gè)方面：車輛本身特性、軌道參數(shù)、輪軌接觸狀態(tài)以及運(yùn)行控制方式。車輛本身的特性主要指走行部的設(shè)計(jì)，包括輪對(duì)踏面外形、一系縱向定位剛度以及結(jié)構(gòu)幾何和懸掛剛度參數(shù)；軌道參數(shù)主要涉及到超高、軌距和軌底坡等；輪軌接觸狀態(tài)主要指輪軌外形及輪軌接觸界面；運(yùn)行控制方式主要涉及到行車速度以及主動(dòng)導(dǎo)向控制?？梢詮纳鲜鏊膫€(gè)方面進(jìn)行考慮。 車輛本身特性：將踏面外形設(shè)置

14、為磨耗型，通過(guò)一系縱向定位控制對(duì)輪對(duì)的約束程度，減小軸距，減小二系回轉(zhuǎn)剛度以及減小定距等。 軌道參數(shù)：設(shè)置一定的超高，設(shè)置適合的軌道加寬量，設(shè)置軌底坡等。 輪軌接觸狀態(tài)：發(fā)生輪緣和外軌的側(cè)磨后，應(yīng)對(duì)車輪踏面采取等級(jí)鏇削以及鋼軌的內(nèi)外軌進(jìn)行打磨，更有效的方法是改善輪軌接觸界面的狀態(tài)，如控制摩擦系數(shù)等。 運(yùn)行控制方式：控制合理的行車速度以及進(jìn)行先進(jìn)的導(dǎo)向控制。14. 車體蛇行和轉(zhuǎn)向架蛇行分別有什么含義，有何特征及避免措施？以車體為主振型的低頻率振動(dòng)稱為車體蛇形運(yùn)動(dòng)，或一次蛇形；以轉(zhuǎn)向架為主振型的振動(dòng)稱為轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)，或二次蛇形。車體蛇形以車體較大幅度橫移和搖頭振動(dòng)為特征，一般在某速度范圍內(nèi)出現(xiàn)。

15、由于車體蛇形有多種模態(tài)，隨著速度提高，模態(tài)頻率增大，當(dāng)某一車體蛇形頻率與車體中固有頻率之一相接近時(shí)，就有可能出現(xiàn)車體蛇形。一般可以通過(guò)添加足夠的二系橫向阻尼來(lái)避免車體蛇形失穩(wěn)或低阻尼狀態(tài)。轉(zhuǎn)向架蛇形較高速度時(shí)出現(xiàn)，振動(dòng)頻率較高，以轉(zhuǎn)向架或輪對(duì)相對(duì)車體劇烈振動(dòng)為特征。一旦發(fā)生轉(zhuǎn)向架蛇形，隨著速度增大，蛇形運(yùn)動(dòng)具有持續(xù)惡化的趨勢(shì)。一般通過(guò)合理選擇輪對(duì)定位剛度參數(shù)、車輪踏面外形和修正鋼軌外形、設(shè)置二系抗蛇形阻尼器等措施，使二次蛇形臨界速度超出車輛實(shí)際運(yùn)行速度范圍之外。15. 與傳統(tǒng)剛性輪對(duì)相比，分析獨(dú)立輪對(duì)在導(dǎo)向能力上的不足？并提出增加獨(dú)立輪導(dǎo)向能力的措施？獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪理論上不存在縱向蠕滑力，因此傳

16、統(tǒng)剛性輪對(duì)原有的自動(dòng)復(fù)位和曲線導(dǎo)向能力在獨(dú)立輪對(duì)上不復(fù)存在。受軌道不平順和輪對(duì)加工時(shí)的安裝誤差影響，獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪在運(yùn)行過(guò)程中一旦偏移，便很難自動(dòng)回到軌道中心。通過(guò)曲線時(shí)只能依靠輪緣導(dǎo)向，從而導(dǎo)致輪緣磨耗嚴(yán)重，且橫移量和沖角都趨于發(fā)散，對(duì)軌道的橫向擠壓力較大。措施：1.獨(dú)立輪的導(dǎo)向能力依賴于重力復(fù)原力，而重力復(fù)原力取決于左右車輪的接觸角差，因此采用較大接觸角差的踏面是提高獨(dú)立輪導(dǎo)向能力的措施之一；2.在使用較大接觸角差的踏面基礎(chǔ)上，采用具有徑向功能的轉(zhuǎn)向架；3.采用主動(dòng)懸掛技術(shù)。16. 什么是蠕滑？簡(jiǎn)述蠕滑率的定義。蠕滑率與蠕滑力之間有什么關(guān)系？并說(shuō)明蠕滑力的大小與什么因素有關(guān)？蠕滑是指兩個(gè)滾動(dòng)

17、體接觸斑之間的切向力使得滾動(dòng)體發(fā)生微小的彈性變形,從而使接觸點(diǎn)之間產(chǎn)生微小的相對(duì)滑動(dòng)。蠕滑率的定義：兩滾動(dòng)體在接觸點(diǎn)的相對(duì)速度差與平均速度之比。蠕滑力與蠕滑率之間的關(guān)系：當(dāng)蠕滑率很小時(shí)，蠕滑力與蠕滑率間呈線性關(guān)系。蠕滑率超過(guò)一定范圍后，蠕滑率和蠕滑力間呈非線性關(guān)系，當(dāng)蠕滑率增大到一定程度后，蠕滑變?yōu)榛瑒?dòng)，而蠕滑力變?yōu)槟Σ亮Γ藭r(shí)蠕滑力與蠕滑率反向。影響蠕滑力大小的因素：運(yùn)行速度、沖角、滾動(dòng)速差、輪徑、粘著水平等.17. 一次蛇行、二次蛇行的概念？蛇行運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)？概念：輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)在不同速度條件下會(huì)引起以車體或轉(zhuǎn)向架為主振型的振動(dòng)。以車體為主振型的低頻率振動(dòng)為車體蛇行運(yùn)動(dòng)，或稱一次蛇行；以轉(zhuǎn)向

18、架為主振型的振動(dòng)稱為轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)，稱為二次蛇行。特點(diǎn)：蛇行運(yùn)動(dòng)頻率隨速度增大而增大；蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與踏面等效錐度關(guān)聯(lián)，錐度越大，頻率越高。18. 如何在進(jìn)行車輛參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，均衡考慮車輛的穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能？1.同時(shí)影響車輛穩(wěn)定性及曲線通過(guò)性能的參數(shù)有：等效斜度，一系縱向定位剛度，二系回轉(zhuǎn)剛度，轉(zhuǎn)向架軸距，車輛定距。2.合理的踏面外形選型，等效斜度不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小，既要保證產(chǎn)生足夠輪徑差使車輛具備通過(guò)曲線的能力，又要使臨界速度Vcr盡可能大；3.轉(zhuǎn)向架一系縱向定位剛度Kpx在滿足穩(wěn)定性前提下，越小越好，方能減小約束程度，發(fā)揮輪對(duì)自導(dǎo)向性能，提高曲線通過(guò)性能；4.軸距的選取應(yīng)主要考慮曲線通過(guò)性能，再考慮穩(wěn)定性；5.二系回轉(zhuǎn)剛度應(yīng)在穩(wěn)定性滿足的條件下加以控制，否則會(huì)使前后輪對(duì)的輪軌作用力不均勻；6.轉(zhuǎn)向架定距越大，車體與轉(zhuǎn)向架在曲線中相對(duì)偏角越大，前后輪軌作用力越不均勻，在滿足穩(wěn)定性