車輛系統(tǒng)動力學(xué)第四講

1、主要內(nèi)容：第一節(jié) 輪對結(jié)構(gòu)及其對動力學(xué)性能影響第二節(jié) 輪軌接觸狀態(tài)及影響因素第三節(jié) 輪軌接觸幾何關(guān)系求解第四節(jié) 道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系第三節(jié) 輪軌接觸幾何關(guān)系求解一、輪軌接觸幾何問題提出一、輪軌接觸幾何問題提出不同踏面與鋼軌之間的接觸與匹配關(guān)系和特點，可通過左右車輪的滾動圓半徑差和左右車輪接觸角度差與輪對橫移之間的變化關(guān)系表現(xiàn)出來。 輪軌接觸關(guān)系求解時可以采用線性解析方法。單一圓弧踏面接觸單一圓弧踏面接觸 接觸角度差引起作用于左右車輪上的重力在橫向方向上的分量差異。即，采用圓弧形踏面，存在一個依靠重力使得輪軸返回對中位置的復(fù)原力。 輪軌接觸幾何關(guān)系求解，就成為在輪軌運動受限制的條件下，求解接觸

2、點的軌跡？任意踏面進行輪軌幾何關(guān)系計算原理：按輪軌形狀的幾何特點，選擇一種合適的數(shù)學(xué)方法來表達車輛和鋼軌的輪廓面，然后根據(jù)輪對和鋼軌所處的幾何位置進行坐標變換。輪軌位置確定以后，根據(jù)輪軌接觸表面坐標值再確定接觸點的位置；二、輪軌接觸幾何關(guān)系研究發(fā)展過程二、輪軌接觸幾何關(guān)系研究發(fā)展過程 跡軌跡法: 暫時拋開軌面的形狀，僅由輪對的位置以及踏面主輪廓線參數(shù)確定可能的接觸點。即當輪對中心線方向一定時，把整個車輪踏面看成一系列以輪對中心線為滾動軸的圓組成的旋轉(zhuǎn)曲面，每個滾動圓上有且僅有一個可能的接觸點，這些可能的輪軌接觸點的集合形成一條在踏面上的空間曲線即跡線。三、輪軌接觸幾何關(guān)系求解三、輪軌接觸幾何關(guān)

3、系求解 1、參量選取 輪對的自由度只考慮橫移和搖頭兩個自由度。 坐標系原點是輪對處于對中位置時的重心位置，也就是軌道中心線和車輪回轉(zhuǎn)軸線的交叉點； 車輪與軌道接觸點視為輪軸在對中位置時距離軌道中心為S距離的點，S約為軌距的一半。 2、跡線法計算原理 基本假定： 車輪與鋼軌均為剛體，它們不存在影響接觸關(guān)系的彈性變形，或者說車輪表面上任意點不能嵌入鋼軌內(nèi)部； 車輪與鋼軌的接觸區(qū)域為一個點或斑，即車輪踏面與鋼軌之間不存在共面或共線接觸情況； 同一輪對的左輪和左軌、右輪和右軌同時接觸，不存在一側(cè)輪軌脫離現(xiàn)象。 3、輪對踏面及軌頭外型數(shù)值離散和接觸參數(shù)求解 離散過程中，首先根據(jù)設(shè)計圖找出各圓弧段的圓心以

4、及各相鄰分段的連接坐標。在計算接觸幾何關(guān)系時，為保證斜度較大的區(qū)段有較高精度，可采用等弧長的方法來等分各離散點。 在輪對踏面主輪廓線和軌頭外形被離散成有限個點后，再利用三次樣條函數(shù)對其平滑處理。 在輪對中心坐標系中，再次利用三次樣條函數(shù)，將左右車輪的值分別向左右軌頂線中插值。4、計算結(jié)果 （1）輪軌接觸空間跡線 （2）輪軌空間接觸幾何關(guān)系 比較兩種踏面下的輪軌接觸點突變特性可以看出，錐形踏面的突變要比磨耗型踏面明顯得多、激烈得多。 下圖顯示了輪軌接觸點在LM型車輪踏面和60Kg/m鋼軌上的接觸位置?？梢钥闯?，在新輪軌匹配時，輪軌接觸點一般不會超過鋼軌中線位置，且輪軌接觸點分布相對均勻。 通過仿

5、真對比得出，輪對搖頭角越大，越容易發(fā)生輪緣與鋼軌貼靠現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)兩點接觸； 僅從輪軌接觸角度來看，適當加寬軌距有助于減少輪緣貼靠機率，并有利于減小輪緣磨耗、減輕鋼軌側(cè)磨。第四節(jié) 道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系道岔是鐵路軌道最薄弱環(huán)節(jié)之一，是限制列車速度的最主要線路部位。p本節(jié)在介紹道岔區(qū)輪/岔接觸特點的基礎(chǔ)上，給出了輪對與并列兩股鋼軌同時接觸的判定方法以及輪緣槽位置車輪輪背與護軌接觸的計算方法。p利用數(shù)值計算結(jié)果，分析了道岔區(qū)法傷兩點接觸和輪背接觸時輪軌力作用與分配特點，以及道岔系統(tǒng)的振動特性。 一、道岔區(qū)輪軌接觸特點 1、踏面與輪緣接觸 2、護軌輪背接觸護軌由平直段、兩側(cè)緩沖段和兩端開口段組成，是

6、道岔的重要組成部分。作用：控制車輪運行方向、引導(dǎo)輪對進入相應(yīng)的輪緣槽、防止其在有害空間沖擊或爬上心軌尖端、保證行車安全。 如果輪對有向外側(cè)的橫移量，那么輪對輪背將與護軌發(fā)生接觸，并產(chǎn)生橫向沖擊作用，迫使輪對回到對中位置，以使外側(cè)車輪與鋼軌間有足夠的輪軌間隙，并以此防止心軌或轍叉過度磨損。 二、輪/岔兩點接觸判定方法 1、車輪與相鄰鋼軌同時接觸判定方法在求解輪軌接觸幾何關(guān)系時，常采用插值法確定輪軌接觸幾何參數(shù)。求解道岔區(qū)輪對與兩側(cè)鋼軌之間的接觸參數(shù)可采用同樣的方法進行。與常規(guī)輪軌接觸關(guān)系求解不同的是，這里的一側(cè)鋼軌可能是一股，也可能是兩股，與輪對在道岔區(qū)內(nèi)的位置有關(guān)。 在迭代求解輪軌關(guān)系時，首先

7、求解輪對分別與左右兩側(cè)走行軌的最短“距離” ，同側(cè)兩股鋼軌的軌頂外型數(shù)據(jù)，合并為一個軌頂外型數(shù)據(jù)文件參與接觸幾何關(guān)系求解。在滿足 下，進一步求解該車輪分別到基本軌和尖軌的最短距離 ； 求得的輪軌最短距離中，出去初始理想狀態(tài)下輪軌間的最短距離以及由于輪對橫移、側(cè)滾和軌道不平順引起的輪軌法向量位移偏差外，所獲得的插值即為接觸點處的輪軌法向彈性壓縮量，有效彈性壓縮量 0 =0.55 。 迭代求解輪軌最小距離 時，需要考慮： 車輪踏面外形、基本軌或翼軌軌頭外形、尖軌或心軌軌頭外形 尖軌或心軌軌頂下降量及頂寬 道岔平面內(nèi)相鄰鋼軌排列關(guān)系 輪對橫移量、基本軌垂向和橫向位移、尖軌或心軌垂向和橫向位移等。 2、輪緣槽車輪輪背與護軌接觸判定方法 在初始和標準狀態(tài)下，輪軌之間的間隙量依據(jù)型面和軌頭設(shè)計應(yīng)為9.0mm。如無外界激擾，輪對將不會與護軌發(fā)生沖擊，但是在車輛側(cè)逆向通過道岔時，輪對在離開導(dǎo)曲線后其橫