车辆－轨道耦合动力学（第四版）上册 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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翟婉明 著

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• 车辆动力学
• 轨道动力学
• 耦合动力学
• 交通工程
• 车辆-轨道相互作用
• 第四版
• 上册
• 动力学建模
• 仿真分析
• 机械工程

店铺： 科学出版社旗舰店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030426017

商品编码：18387037388

包装：圆脊精装

开本：16

出版时间：2017-08-30

页数：272

字数：311

商品参数

车辆－轨道耦合动力学（第四版）上册
	曾用价	150.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2017年08月
	开本	16
	作者	翟婉明
	装帧	圆脊精装
	页数	272
	字数	311
	ISBN编码	9787030426017

目录
第*版序 前言 第*章 车辆—轨道耦合动力学导论1 1.1 车辆—轨道耦合动力学的研究背景1 1.2 车辆—轨道耦合动力学的学术思想3 1.3 车辆—轨道耦合动力学的基本范畴5 1.4 车辆—轨道耦合动力学的研究方法7 参考文献10 第二章 车辆—轨道耦合动力学模型11 2.1 论车辆—轨道耦合系统的模型化11 2.1.1 轮轨动力分析模型的演进11 2.1.2 关于轨道结构的建模问题14 2.1.3 关于轮轨动力分析中机车车辆的模型化问题18 2.1.4 车辆—轨道耦合系统建模的一般原则19 2.2 车辆—轨道垂向系统统一模型20 2.2.1 物理模型20 2.2.2 数学模型26 2.3 车辆—轨道空间耦合系统动力学模型41 2.3.1 物理模型42 2.3.2 数学模型51 2.4 轮轨空间动态耦合模型77 2.4.1 轮轨系统坐标系及其变换77 2.4.2 轮轨空间动态耦合模型79 参考文献89 第三章 车辆—轨道耦合系统激励模型95 3.1 车辆—轨道耦合动力学模型中激励的输入方法95 3.1.1 定点激振输入法95 3.1.2 移动车辆激励输入法96 3.2 脉冲型激扰模型97 3.2.1 车轮扁疤冲击模型97 3.2.2 钢轨错牙接头模型101 3.2.3 轨道低接头模型102 3.2.4 道岔冲击模型103 3.2.5 其他脉冲激扰模型106 3.3 谐波型激扰模型107 3.3.1 谐波激扰位移输入模式107 3.3.2 轨道常见几何不平顺的输入模式113 3.3.3 周期性简谐力输入函数115 3.4 动力型轨道刚度不平顺模型116 3.4.1 轨道过渡段刚度不平顺116 3.4.2 道岔区轨道刚度不平顺118 3.4.3 轨下基础结构缺陷的模拟119 3.5 轨道随机不平顺激扰模型120 3.5.1 美国轨道谱121 3.5.2 德国轨道谱122 3.5.3 中国轨道谱123 3.5.4 中国轨道谱与国外典型轨道谱的比较125 3.5.5 轨道随机不平顺时域样本的数值模拟方法128 参考文献131 第四章 车辆—轨道耦合动力学数值求解方法133 4.1 大型非线性动力学系统的数值求解问题133 4.2 大系统动态分析的新型快速数值积分方法135 4.2.1 新型快速显式积分法(翟方法)135 4.2.2 新型预测—校正积分法140 4.2.3 非线性问题的数值积分形式141 4.2.4 新型数值积分方法的数值精度考核142 4.2.5 结论145 4.3 复杂非线性问题计算稳定性的数值试验方法146 4.3.1 关于非线性系统的数值积分稳定性1464.3.2 数值试验方法146 4.4 新方法在车辆—轨道耦合动力学数值分析中的应用147 4.4.1 数值积分步长的确定148 4.4.2 轨道计算长度的确定149 4.4.3 钢轨模态阶数的确定150 参考文献150 第五章 车辆—轨道耦合动力学的计算机仿真153 5.1 车辆—轨道垂向相互作用仿真分析系统VICT153 5.1.1 VICT系统的结构153 5.1.2 VICT系统的仿真计算流程154 5.1.3 VICT系统的功能155 5.2 车辆—轨道空间耦合动力学仿真分析系统TTISIM156 5.2.1 TTISIM系统的结构156 5.2.2 TTISIM系统计算流程158 5.2.3 TTISIM系统的功能158 5.3 机车车辆在线路上动态运行行为的可视仿真160 参考文献164 第六章 车辆—轨道耦合动力学现场试验165 6.1 车辆—轨道耦合动力学现场试验方法165 6.1.1 车辆在线路上运行动力学现场试验方法165 6.1.2 车辆与轨道动态作用现场试验方法166 6.2 车辆在线路上动态运行行为的典型现场试验171 6.2.1 典型高速动车组车辆运行动力学试验171 6.2.2 典型货车车辆运行动力学试验176 6.3 车辆与轨道动态作用的典型现场试验179 6.3.1 秦沈客运专线高速列车轮轨动态作用现场试验179 6.3.2 大秦重载铁路万吨列车对轨道动态作用现场试验184 6.3.3 山区铁路(成渝线)小半径曲线轮轨动态相互作用现场试验186 参考文献191 第七章 车辆—轨道耦合动力学模型的试验验证192 7.1 车辆—轨道垂向统一模型的试验验证192 7.1.1 车辆振动的理论分析结果与试验结果对照192 7.1.2 轨道结构振动的理论分析结果与试验结果对照193 7.1.3 轮轨动作用力的理论分析结果与试验结果对照196 7.1.4 车辆—轨道垂向统一模型验证结论198 7.2 车辆—轨道空间耦合模型的试验验证198 7.2.1 京秦线时速200km提速试验验证198 7.2.2 秦沈客运专线高速试验验证202 7.2.3 货物列车直线段脱轨试验验证204 7.2.4 山区铁路小半径曲线轮轨动态作用试验验证205 7.2.5 车辆—轨道空间耦合模型验证结论206 参考文献206 第八章 车辆—轨道耦合模型与传统模型结果比较208 8.1 车辆运动稳定性计算结果的比较208 8.1.1 车辆运动稳定性的数值计算方法208 8.1.2 耦合模型与传统模型计算的临界速度结果比较209 8.1.3 小结211 8.2 车辆运行平稳性计算结果的比较211 8.3 车辆曲线通过性能计算结果的比较213 8.3.1 车辆低速通过小半径曲线时动力性能计算结果之比较213 8.3.2 车辆高速通过大半径曲线时动力性能计算结果之比较216 8.3.3 几点结论217 参考文献217 第九章 车辆—轨道耦合振动的基本特征219 9.1 车辆—轨道耦合系统的冲击响应219 9.1.1 垂向冲击振动响应219 9.1.2 横向冲击振动响应222 9.2 车辆—轨道耦合系统对谐波型激扰的振动响应224 9.2.1 垂向谐波振动响应224 9.2.2 横向谐波振动响应226 9.3 轨道动力型不平顺对车辆—轨道耦合振动的影响228 9.3.1 扣件失效的影响228 9.3.2 轨枕空吊的影响229 9.3.3 道床板结的影响229 9.4 车辆—轨道耦合系统随机振动响应230 9.4.1 车辆—轨道耦合系统随机振动分析方法230 9.4.2 车辆—轨道耦合系统随机振动响应特征231 9.4.3 轨道随机不平顺对车辆—轨道耦合系统横向随机响应的影响235 参考文献238 第十章 车辆—轨道耦合系统动力学性能评价240 10.1 车辆—轨道耦合系统动力学性能评价指标体系240 10.1.1 关于车辆运行安全性的评价240 10.1.2 关于车辆运行平稳性的评价241 10.1.3 关于车辆与轨道动态作用性能的评价241 10.1.4 车辆—轨道耦合系统动力学性能评价指标体系243 10.2 车辆运行安全性评价标准243 10.2.1 脱轨系数243 10.2.2 轮重减载率245 10.2.3 倾覆系数246 10.3 车辆运行平稳性评价标准246 10.3.1 车体振动加速度246 10.3.2 平稳性指标248 10.3.3 车辆通过曲线时的舒适度标准250 10.4 车辆与轨道动态作用性能评价标准250 10.4.1 轮轨垂向力250 10.4.2 轮轨横向力251 10.4.3 轮轴横向力251 10.4.4 线路横向稳定性系数252 10.4.5 轮轨接触应力252 10.4.6 道床应力252 10.4.7 路基应力253 参考文献253

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第*章 车辆—轨道耦合动力学导论 车辆—轨道耦合动力学作为一种全新的理论体系,是在什么样的背景下开展研究的 ?其学术思想是什么?它的研究范畴及研究方法又是怎样?本章将一一予以阐述。 1.1 车辆—轨道耦合动力学的研究背景铁路是交通运输的大动脉 ,对社会经济的发展起着十分重要的作用。铁路运输系统属轮轨接触式运输系统 (简称“轮轨系统”),铁道机车车辆(本书统称为“车辆 ”)和轨道是其核心组成部分,二者通过轮轨相互作用实现轮轨运输功能。轮轨相互作用是铁路运输区别于其他运输方式的本质特征 。长期以来 ,针对铁道车辆动力学和轨道结构振动问题的研究一直是分开进行的 ,由此形成了车辆动力学、轨道动力学两个相对独立的学科领域[1～6]。经典的车辆动力学 [1～3],以车辆系统为研究对象,将轨道结构视为“刚性支承基础”(即刚性固定边界 ),不考虑轨道系统振动对车辆系统的动态影响,而将轨面几何不平顺视为车辆系统的外部激扰 ,研究车辆在刚性轨面上的运动稳定性、运行安全性与平稳性 ,其基本模型如图1.1所示;经典的轨道动力学[4～6],常常将车辆简化为轨道系统的外部激振荷载 Peiωt(简谐变化的车辆荷载P定点激振或以车速v移动激振 ),分析轨道结构振动响应特性及变形特性,其基础模型如图1.2所示。通过世界各国铁路科学工作者的长期研究与实践 ,车辆动力学理论和轨道动力学理论日臻成熟 ,在车辆动力学模型、轮轨接触几何学、轮轨蠕滑理论、车辆运动稳定性、车辆曲线通过性能及轨道结构振动特性 、轨道受力与变形特性等方面取得了系统性研究成果 ,为揭示和认识车辆动力学性能、轨道动力特性奠定了理论基础,对铁路运输事业的发展起到了极大的推动作用 。现代轨道交通运输的飞速发展 ,特别是列车运行速度、运载重量和运输密度的大幅度提高 ,使得铁路车辆与轨道系统动力学问题更加突出,也更趋复杂。列车运行速度越高 ,车辆与轨道之间的动态相互作用越强,行车安全性与乘车舒适性问题越显突出 ,既要保证列车高速(快速)通过线路平纵断面曲线、道岔及桥头过渡段等关键路段时不颠覆 、不脱轨,又要保证机车车辆在线路激扰下能平稳运① 按 国际惯例,机车、车辆(包括客车和货车)常通称为“车辆”。 图1.1 经典的车辆动力学模型 图1.2 经典的轨道动力学模型 行、乘坐舒适;车辆运载重量越大,轮轨之间的动力作用越强,车辆对线路结构的动力破坏作用也越严重 ,必须*大限度地减轻轮轨之间的动力作用。总之,客运高速化 、货运重载化大大加剧了车辆与轨道的动态相互作用。中国铁路由于其自身特点及其发展需要导致了更为突出的车辆 /轨道相互作用问题。中国铁路长期处于高负荷运输状态 。一方面,路网密度极低,仅为欧美发达国家的 1/5～1/10;另一方面,运量大、运输密度高,居世界铁路之首。目前,中国铁路以 6的世界铁路营业里程,完成了世界铁路1/4的运量!就这样也只能满足社会需求的 60。而中国既有铁路网的运输模式一直是“客货共线”,即客、货列车在同一线路上运营 ,且既有铁路设计标准低。为了适应社会经济快速发展的需要 ,中国铁路还不得不在结构薄弱的轨道上反复提速,并发展重载货运。其结果是 ,在有效提高运能的同时,严重加剧了机车车辆与线路结构之间的动态相互作用 。一方面,列车对轨道的动力破坏作用加剧,直接影响线路结构疲劳寿命及养护维修成本 ;另一方面,线路几何变形及下沉增大,线路结构振动对列车系统的振动影响增强 ,从而恶化了列车运行动态环境;特别是,轮轨界面伤损及磨耗引发？ 2？车辆—轨道耦合动力学① “ 既有铁路”泛指原有的旧铁路(不包含新建的高速铁路)。 的振动冲击问题更显突出 ,导致轮轨动态安全问题突出。因此 ,深入细致地开展机车车辆与轨道系统动态相互作用研究,显得十分必要 。只有深刻认识车辆—轨道动态作用机制,掌握车辆与轨道系统相互作用规律 ,才有可能获得*大限度地减轻轮轨动力作用的途径,实现现代铁路机车车辆与轨道结构的*佳匹配设计 ,确保列车安全、平稳、高效运营。由于经典的车辆动力学 、轨道动力学理论体系采用的是将机车车辆和铁路轨道分离成两个相对独立的子系统的研究方法 ,不能解决上述复杂、大系统、动态相互作用问题,如机车车辆对轨道结构的动力作用问题 。在此背景下,作者于20世纪80年代末、90年代初提出了从车辆 、轨道整体系统的角度开展车辆—轨道耦合动力学研究的设想,并付诸实践 [7～12]。1991年,作者完成了博士学位论文《车辆—轨道垂向耦合动力学 》[7];1992年首次公开发表并阐述了车辆—轨道耦合动力学的基本原理[8];1993年在第十三届国际车辆系统动力学协会学术年会上宣读了相关研究论文并被收 入 《VehicleSystemDynamics》专刊[9];1997年,出版了本领域第*本学术专著《车辆 —轨道耦合动力学》(第*版)[12]。1 .2 车辆—轨道耦合动力学的学术思想概括地说 ,车辆—轨道耦合动力学的基本学术思想是,将车辆系统和轨道系统视为一个相互作用 、相互耦合的整体大系统,将轮轨相互作用关系作为连接这两个子系统的 “纽带”,综合考察车辆在弹性(阻尼)轨道结构上的动态运行行为、轮轨动态相互作用特性 ,以及车辆对线路的动力作用规律。事实上 ,铁道车辆与轨道是铁路轮轨运输系统中密不可分的两大组成部分,二者通过轮轨相互作用系统构成一个整体 ,如图1.3所示。车辆在轨道上的运动是一个复杂的动力学相互作用过程 ,牵涉众多因素,既有车辆方面的,又有轨道方面的 ,而且还相互渗透、互相影响。例如,轨道的几何变形会激起车辆系统振动,而车辆振动经由轮轨接触界面作用力的传递 ,又会引起轨道结构振动的加剧,反过来助长了轨道的几何变形 。可见,影响和控制这一动态相互作用行为的根源在于轮轨之间的动态作用力 。图 1.3 铁路轮轨运输系统构成？ 图1.4进一步诠释了车辆系统与轨道系统之间通过轮轨界面而形成的动态耦合作用机制 。在轮轨系统激扰下,轮轨之间的作用力将出现动态变化;轮轨动作用力向上传递引起车辆系统振动 ,向下传递致使轨道结构振动;而车辆系统中轮对的振动和轨道系统中钢轨的振动 ,将直接引起轮轨接触几何关系的动态变化 ;在轮轨接触点的法向平面上导致轮轨弹性压缩变形量的变化,从而进一步导致轮轨法向接触力的变化 ;在轮轨接触点的切向平面内引起轮轨蠕滑率(取决于轮 、轨相对运动速度)的变化,从而进一步引起轮轨切向蠕滑力的变化;而轮轨接触点处作用力 (轮轨法向力、轮轨蠕滑力)的动态变化,反过来又会影响车辆、轨道系统振动 (包括轮对和钢轨的振动);如此循环,耦合叠加,这种相互反馈作用将使车辆 —轨道系统处于特定的耦合振动形态之中,*终决定着整个车辆—轨道系统的动态行为特征 。图 1.4 车辆—轨道动态耦合作用机制显然 ,轮轨关系是车辆—轨道耦合的核心环节,车辆系统和轨道系统之间的动态反馈作用均由轮轨关系的动态变化来实现 ,具体是通过轮对和钢轨的振动变形进而引起轮轨接触变形及接触几何状态变化而产生作用的 。为了直观地说明轮轨系统振动对轮轨接触关系的影响 ,也为了进一步说明考虑轨道体系振动效应的重要性 ,这里仅举一例。图1.5是我国普通货车通过小半径(R=350m)曲线轨道过程中轮轨接触点在车轮踏面上的动态变化历程 ,其中实线为考虑轨道振动效应时的计算结果 ,虚线是假设整个轨道体系固定不动时的计算结果,二者之间具有显著差异 。轮轨接触点位置的显著变化将直接导致轮轨作用力大小、方向的显？ 著变化 ,进而影响到车辆、轨道系统振动形态的变化。我国铁路现场实测结果显示 [13,14],钢轨在轮轨横向力作用下将产生不同程度的横向弹性位移,相应地引起轨距动态扩大 。在高速行车条件下,钢轨横向位移在1mm左右、轨距动态扩大1 ～2mm(秦皇岛—沈阳客运专线高速试验结果)[13];当机车车辆低速通过小半径曲线时 ,混凝土轨枕线路上钢轨横向位移及轨距动态扩大量分别为1～3mm和2 ～4mm,而木枕线路上钢轨动态横移量及轨距动态扩大量竟达到6mm左右和1 0mm左右(成都—重庆既有铁路测试结果)[14]。所以,对于这些强相互作用状况 ,若仍假设钢轨固定不动将会导致理论计算结果与实际情况较大偏离,应考虑实际弹性轨道系统参振作用 ,采用车辆—轨道耦合动力学的研究方法。图 1.5 轨道体系振动效应对轮轨动态接触几何关系的影响车辆 —轨道动态耦合动力学是在经典的车辆动力学、轨道动力学基础上发展起来的交叉学科领域 。从学科发展的角度来看,在车辆动力学、轨道动力学日趋成熟的前提下 ,在数值计算技术日益进步及电子计算机技术高速发展的今天,开展车辆 —轨道耦合动力学的研究,不仅十分必要,而且切实可行。1 .3 车辆—轨道耦合动力学的基本范畴车辆 —轨道耦合动力学涉及车辆动力学、轨道动力学及轮轨关系三方面研究内容 ,而其突出特点是从轮轨大系统角度,考察铁道车辆和轨道结构的动态行为,并重点研究车辆与轨道系统之间的动态相互作用问题 。一般而言 ,车辆—轨道耦合动力学可分为垂向、横向和纵向耦合动力学三个方面 。由于轮轨滚动所产生的纵向耦合效应较弱,常可视为准静态作用,主要关心车辆对轨道的纵向作用以及无缝线路的稳定性 ,而从动力学角度来讲,轮轨黏滑振动 、擦伤机理和钢轨波浪形磨耗成因则是其主要研究课题。显然,垂向与横？ 向动力学是车辆 —轨道耦合动力学的主要研究内容。若从系统激扰类型来看,车辆 —轨道耦合振动又可区分为确定性耦合振动和随机耦合振动两大类。车辆 —轨道垂向耦合动力学主要研究车辆—轨道耦合系统在各种垂向轮轨激扰作用下的动力响应及其轮轨动力作用特性 ,特别是车辆对轨道的动力作用特性 。在轮轨系统的垂向纵平面内,广泛存在着各种各样的振动激扰源。既有轨面的局部凹凸不平顺 ,如轨头压陷或轨面剥离等;又含有周期性不平顺,如波形线路 、波浪形磨耗钢轨、偏心车轮等;特别是,在钢轨接头处,像低接头、错牙接头、大轨缝以及焊缝之类的脉冲型不平顺 ,更具有普遍性;此外,轨下基础也可能存在诸如扣件失效 、轨枕空吊、道床板结等缺陷以及路桥连接段和不同轨道结构连接段基础刚度突变现象 ,形成轨下基础支承弹性不均匀的动力型不平顺。所有这些不平顺都能导致轮轨系统的垂向动态作用 ,并以轮轨接触面为界面,向上传递给车辆子系统 ,向下施加于轨道子系统,激起车辆和轨道结构的耦合振动与冲击,导致轮轨系统的状态变化和功能下降 ,恶化车辆运行平稳性,甚至危及行车安全,并直接影响轮轨系统的日常养护维修工作量 。在高速、重载运输条件下,这种动力作用将进一步加强 ,其危害性也显得更为突出。所以,弄清各种形态的轮轨垂向动态相互作用特征及其影响因素 ,进而寻求抑制策略,如探索减轻车辆对轨道的动力作用途径及寻找轮轨系统的减振措施等 ,是车辆—轨道垂向耦合动力学所要解决的重要课题 。车辆 —轨道横向耦合动力学除了研究系统横向耦合振动响应之外,更主要的是要考察车辆在弹性 (阻尼)轨道结构上运行安全性问题。首先需要研究的是,考虑轨道基础结构弹性与阻尼后 ,车辆的横向蛇行运动稳定性相比传统的“刚性轨道 ”分析法有何变化。其次是曲线通过性能,如上节(1.2节)所述,实际中车辆通过曲线轨道时 ,钢轨不可避免地产生弹性横移,轨距瞬态扩大,这一因素对轮轨动态接触关系具有不可忽视的影响 ,而经典的车辆动力学理论不考虑这一影响因素 ,因而需要研究该因素对车辆通过曲线(特别是小半径曲线)轨道时的动态安全性影响问题 。第三是关于轨道几何不平顺的安全限值,这是我国铁路技术规程中尚待确定的问题 。轨道高低、水平、方向及扭曲不平顺对行车安全有重要影响,单从某一系统 (车辆或轨道)难以分析这种由车辆—轨道系统共同决定的动态运行安全问题 ,而车辆—轨道耦合动力学为综合研究此类不平顺的安全限值提供了恰当的理论方法 。当两种不同类型的几何不平顺同时存在于轨道的同一处所时,对行车安全将造成更大的影响 ,此时的轮轨动态作用也更为复杂,只有采用充分考虑各种因素共同作用的车辆 —轨道耦合动力学方法才能得出这种复合不平顺的安全限度值 。此外,车辆通过道岔、线路平纵断面组合曲线时的运行安全性(特别是高速运行安全性 )也是车辆—轨道横向耦合动力学的研究范畴。车辆 —轨道随机耦合动力学主要研究车辆—轨道耦合系统在轨道随机不平

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