車輛－軌道耦閤動力學（第四版）上冊 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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翟婉明 著

圖書標籤:

• 車輛動力學
• 軌道動力學
• 耦閤動力學
• 交通工程
• 車輛-軌道相互作用
• 第四版
• 上冊
• 動力學建模
• 仿真分析
• 機械工程

店鋪： 科學齣版社旗艦店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030426017

商品編碼：18387037388

包裝：圓脊精裝

開本：16

齣版時間：2017-08-30

頁數：272

字數：311

商品參數

車輛－軌道耦閤動力學（第四版）上冊
	曾用價	150.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2017年08月
	開本	16
	作者	翟婉明
	裝幀	圓脊精裝
	頁數	272
	字數	311
	ISBN編碼	9787030426017

目錄
第*版序 前言 第*章 車輛—軌道耦閤動力學導論1 1.1 車輛—軌道耦閤動力學的研究背景1 1.2 車輛—軌道耦閤動力學的學術思想3 1.3 車輛—軌道耦閤動力學的基本範疇5 1.4 車輛—軌道耦閤動力學的研究方法7 參考文獻10 第二章 車輛—軌道耦閤動力學模型11 2.1 論車輛—軌道耦閤係統的模型化11 2.1.1 輪軌動力分析模型的演進11 2.1.2 關於軌道結構的建模問題14 2.1.3 關於輪軌動力分析中機車車輛的模型化問題18 2.1.4 車輛—軌道耦閤係統建模的一般原則19 2.2 車輛—軌道垂嚮係統統一模型20 2.2.1 物理模型20 2.2.2 數學模型26 2.3 車輛—軌道空間耦閤係統動力學模型41 2.3.1 物理模型42 2.3.2 數學模型51 2.4 輪軌空間動態耦閤模型77 2.4.1 輪軌係統坐標係及其變換77 2.4.2 輪軌空間動態耦閤模型79 參考文獻89 第三章 車輛—軌道耦閤係統激勵模型95 3.1 車輛—軌道耦閤動力學模型中激勵的輸入方法95 3.1.1 定點激振輸入法95 3.1.2 移動車輛激勵輸入法96 3.2 脈衝型激擾模型97 3.2.1 車輪扁疤衝擊模型97 3.2.2 鋼軌錯牙接頭模型101 3.2.3 軌道低接頭模型102 3.2.4 道岔衝擊模型103 3.2.5 其他脈衝激擾模型106 3.3 諧波型激擾模型107 3.3.1 諧波激擾位移輸入模式107 3.3.2 軌道常見幾何不平順的輸入模式113 3.3.3 周期性簡諧力輸入函數115 3.4 動力型軌道剛度不平順模型116 3.4.1 軌道過渡段剛度不平順116 3.4.2 道岔區軌道剛度不平順118 3.4.3 軌下基礎結構缺陷的模擬119 3.5 軌道隨機不平順激擾模型120 3.5.1 美國軌道譜121 3.5.2 德國軌道譜122 3.5.3 中國軌道譜123 3.5.4 中國軌道譜與國外典型軌道譜的比較125 3.5.5 軌道隨機不平順時域樣本的數值模擬方法128 參考文獻131 第四章 車輛—軌道耦閤動力學數值求解方法133 4.1 大型非綫性動力學係統的數值求解問題133 4.2 大係統動態分析的新型快速數值積分方法135 4.2.1 新型快速顯式積分法(翟方法)135 4.2.2 新型預測—校正積分法140 4.2.3 非綫性問題的數值積分形式141 4.2.4 新型數值積分方法的數值精度考核142 4.2.5 結論145 4.3 復雜非綫性問題計算穩定性的數值試驗方法146 4.3.1 關於非綫性係統的數值積分穩定性1464.3.2 數值試驗方法146 4.4 新方法在車輛—軌道耦閤動力學數值分析中的應用147 4.4.1 數值積分步長的確定148 4.4.2 軌道計算長度的確定149 4.4.3 鋼軌模態階數的確定150 參考文獻150 第五章 車輛—軌道耦閤動力學的計算機仿真153 5.1 車輛—軌道垂嚮相互作用仿真分析係統VICT153 5.1.1 VICT係統的結構153 5.1.2 VICT係統的仿真計算流程154 5.1.3 VICT係統的功能155 5.2 車輛—軌道空間耦閤動力學仿真分析係統TTISIM156 5.2.1 TTISIM係統的結構156 5.2.2 TTISIM係統計算流程158 5.2.3 TTISIM係統的功能158 5.3 機車車輛在綫路上動態運行行為的可視仿真160 參考文獻164 第六章 車輛—軌道耦閤動力學現場試驗165 6.1 車輛—軌道耦閤動力學現場試驗方法165 6.1.1 車輛在綫路上運行動力學現場試驗方法165 6.1.2 車輛與軌道動態作用現場試驗方法166 6.2 車輛在綫路上動態運行行為的典型現場試驗171 6.2.1 典型高速動車組車輛運行動力學試驗171 6.2.2 典型貨車車輛運行動力學試驗176 6.3 車輛與軌道動態作用的典型現場試驗179 6.3.1 秦瀋客運專綫高速列車輪軌動態作用現場試驗179 6.3.2 大秦重載鐵路萬噸列車對軌道動態作用現場試驗184 6.3.3 山區鐵路(成渝綫)小半徑麯綫輪軌動態相互作用現場試驗186 參考文獻191 第七章 車輛—軌道耦閤動力學模型的試驗驗證192 7.1 車輛—軌道垂嚮統一模型的試驗驗證192 7.1.1 車輛振動的理論分析結果與試驗結果對照192 7.1.2 軌道結構振動的理論分析結果與試驗結果對照193 7.1.3 輪軌動作用力的理論分析結果與試驗結果對照196 7.1.4 車輛—軌道垂嚮統一模型驗證結論198 7.2 車輛—軌道空間耦閤模型的試驗驗證198 7.2.1 京秦綫時速200km提速試驗驗證198 7.2.2 秦瀋客運專綫高速試驗驗證202 7.2.3 貨物列車直綫段脫軌試驗驗證204 7.2.4 山區鐵路小半徑麯綫輪軌動態作用試驗驗證205 7.2.5 車輛—軌道空間耦閤模型驗證結論206 參考文獻206 第八章 車輛—軌道耦閤模型與傳統模型結果比較208 8.1 車輛運動穩定性計算結果的比較208 8.1.1 車輛運動穩定性的數值計算方法208 8.1.2 耦閤模型與傳統模型計算的臨界速度結果比較209 8.1.3 小結211 8.2 車輛運行平穩性計算結果的比較211 8.3 車輛麯綫通過性能計算結果的比較213 8.3.1 車輛低速通過小半徑麯綫時動力性能計算結果之比較213 8.3.2 車輛高速通過大半徑麯綫時動力性能計算結果之比較216 8.3.3 幾點結論217 參考文獻217 第九章 車輛—軌道耦閤振動的基本特徵219 9.1 車輛—軌道耦閤係統的衝擊響應219 9.1.1 垂嚮衝擊振動響應219 9.1.2 橫嚮衝擊振動響應222 9.2 車輛—軌道耦閤係統對諧波型激擾的振動響應224 9.2.1 垂嚮諧波振動響應224 9.2.2 橫嚮諧波振動響應226 9.3 軌道動力型不平順對車輛—軌道耦閤振動的影響228 9.3.1 扣件失效的影響228 9.3.2 軌枕空吊的影響229 9.3.3 道床闆結的影響229 9.4 車輛—軌道耦閤係統隨機振動響應230 9.4.1 車輛—軌道耦閤係統隨機振動分析方法230 9.4.2 車輛—軌道耦閤係統隨機振動響應特徵231 9.4.3 軌道隨機不平順對車輛—軌道耦閤係統橫嚮隨機響應的影響235 參考文獻238 第十章 車輛—軌道耦閤係統動力學性能評價240 10.1 車輛—軌道耦閤係統動力學性能評價指標體係240 10.1.1 關於車輛運行安全性的評價240 10.1.2 關於車輛運行平穩性的評價241 10.1.3 關於車輛與軌道動態作用性能的評價241 10.1.4 車輛—軌道耦閤係統動力學性能評價指標體係243 10.2 車輛運行安全性評價標準243 10.2.1 脫軌係數243 10.2.2 輪重減載率245 10.2.3 傾覆係數246 10.3 車輛運行平穩性評價標準246 10.3.1 車體振動加速度246 10.3.2 平穩性指標248 10.3.3 車輛通過麯綫時的舒適度標準250 10.4 車輛與軌道動態作用性能評價標準250 10.4.1 輪軌垂嚮力250 10.4.2 輪軌橫嚮力251 10.4.3 輪軸橫嚮力251 10.4.4 綫路橫嚮穩定性係數252 10.4.5 輪軌接觸應力252 10.4.6 道床應力252 10.4.7 路基應力253 參考文獻253

在綫試讀
第*章 車輛—軌道耦閤動力學導論 車輛—軌道耦閤動力學作為一種全新的理論體係,是在什麼樣的背景下開展研究的 ?其學術思想是什麼?它的研究範疇及研究方法又是怎樣?本章將一一予以闡述。 1.1 車輛—軌道耦閤動力學的研究背景鐵路是交通運輸的大動脈 ,對社會經濟的發展起著十分重要的作用。鐵路運輸係統屬輪軌接觸式運輸係統 (簡稱“輪軌係統”),鐵道機車車輛(本書統稱為“車輛 ”)和軌道是其核心組成部分,二者通過輪軌相互作用實現輪軌運輸功能。輪軌相互作用是鐵路運輸區彆於其他運輸方式的本質特徵 。長期以來 ,針對鐵道車輛動力學和軌道結構振動問題的研究一直是分開進行的 ,由此形成瞭車輛動力學、軌道動力學兩個相對獨立的學科領域[1～6]。經典的車輛動力學 [1～3],以車輛係統為研究對象,將軌道結構視為“剛性支承基礎”(即剛性固定邊界 ),不考慮軌道係統振動對車輛係統的動態影響,而將軌麵幾何不平順視為車輛係統的外部激擾 ,研究車輛在剛性軌麵上的運動穩定性、運行安全性與平穩性 ,其基本模型如圖1.1所示;經典的軌道動力學[4～6],常常將車輛簡化為軌道係統的外部激振荷載 Peiωt(簡諧變化的車輛荷載P定點激振或以車速v移動激振 ),分析軌道結構振動響應特性及變形特性,其基礎模型如圖1.2所示。通過世界各國鐵路科學工作者的長期研究與實踐 ,車輛動力學理論和軌道動力學理論日臻成熟 ,在車輛動力學模型、輪軌接觸幾何學、輪軌蠕滑理論、車輛運動穩定性、車輛麯綫通過性能及軌道結構振動特性 、軌道受力與變形特性等方麵取得瞭係統性研究成果 ,為揭示和認識車輛動力學性能、軌道動力特性奠定瞭理論基礎,對鐵路運輸事業的發展起到瞭極大的推動作用 。現代軌道交通運輸的飛速發展 ,特彆是列車運行速度、運載重量和運輸密度的大幅度提高 ,使得鐵路車輛與軌道係統動力學問題更加突齣,也更趨復雜。列車運行速度越高 ,車輛與軌道之間的動態相互作用越強,行車安全性與乘車舒適性問題越顯突齣 ,既要保證列車高速(快速)通過綫路平縱斷麵麯綫、道岔及橋頭過渡段等關鍵路段時不顛覆 、不脫軌,又要保證機車車輛在綫路激擾下能平穩運① 按 國際慣例,機車、車輛(包括客車和貨車)常通稱為“車輛”。 圖1.1 經典的車輛動力學模型 圖1.2 經典的軌道動力學模型 行、乘坐舒適;車輛運載重量越大,輪軌之間的動力作用越強,車輛對綫路結構的動力破壞作用也越嚴重 ,必須*大限度地減輕輪軌之間的動力作用。總之,客運高速化 、貨運重載化大大加劇瞭車輛與軌道的動態相互作用。中國鐵路由於其自身特點及其發展需要導緻瞭更為突齣的車輛 /軌道相互作用問題。中國鐵路長期處於高負荷運輸狀態 。一方麵,路網密度極低,僅為歐美發達國傢的 1/5～1/10;另一方麵,運量大、運輸密度高,居世界鐵路之首。目前,中國鐵路以 6的世界鐵路營業裏程,完成瞭世界鐵路1/4的運量!就這樣也隻能滿足社會需求的 60。而中國既有鐵路網的運輸模式一直是“客貨共綫”,即客、貨列車在同一綫路上運營 ,且既有鐵路設計標準低。為瞭適應社會經濟快速發展的需要 ,中國鐵路還不得不在結構薄弱的軌道上反復提速,並發展重載貨運。其結果是 ,在有效提高運能的同時,嚴重加劇瞭機車車輛與綫路結構之間的動態相互作用 。一方麵,列車對軌道的動力破壞作用加劇,直接影響綫路結構疲勞壽命及養護維修成本 ;另一方麵,綫路幾何變形及下沉增大,綫路結構振動對列車係統的振動影響增強 ,從而惡化瞭列車運行動態環境;特彆是,輪軌界麵傷損及磨耗引發？ 2？車輛—軌道耦閤動力學① “ 既有鐵路”泛指原有的舊鐵路(不包含新建的高速鐵路)。 的振動衝擊問題更顯突齣 ,導緻輪軌動態安全問題突齣。因此 ,深入細緻地開展機車車輛與軌道係統動態相互作用研究,顯得十分必要 。隻有深刻認識車輛—軌道動態作用機製,掌握車輛與軌道係統相互作用規律 ,纔有可能獲得*大限度地減輕輪軌動力作用的途徑,實現現代鐵路機車車輛與軌道結構的*佳匹配設計 ,確保列車安全、平穩、高效運營。由於經典的車輛動力學 、軌道動力學理論體係采用的是將機車車輛和鐵路軌道分離成兩個相對獨立的子係統的研究方法 ,不能解決上述復雜、大係統、動態相互作用問題,如機車車輛對軌道結構的動力作用問題 。在此背景下,作者於20世紀80年代末、90年代初提齣瞭從車輛 、軌道整體係統的角度開展車輛—軌道耦閤動力學研究的設想,並付諸實踐 [7～12]。1991年,作者完成瞭博士學位論文《車輛—軌道垂嚮耦閤動力學 》[7];1992年首次公開發錶並闡述瞭車輛—軌道耦閤動力學的基本原理[8];1993年在第十三屆國際車輛係統動力學協會學術年會上宣讀瞭相關研究論文並被收 入 《VehicleSystemDynamics》專刊[9];1997年,齣版瞭本領域第*本學術專著《車輛 —軌道耦閤動力學》(第*版)[12]。1 .2 車輛—軌道耦閤動力學的學術思想概括地說 ,車輛—軌道耦閤動力學的基本學術思想是,將車輛係統和軌道係統視為一個相互作用 、相互耦閤的整體大係統,將輪軌相互作用關係作為連接這兩個子係統的 “紐帶”,綜閤考察車輛在彈性(阻尼)軌道結構上的動態運行行為、輪軌動態相互作用特性 ,以及車輛對綫路的動力作用規律。事實上 ,鐵道車輛與軌道是鐵路輪軌運輸係統中密不可分的兩大組成部分,二者通過輪軌相互作用係統構成一個整體 ,如圖1.3所示。車輛在軌道上的運動是一個復雜的動力學相互作用過程 ,牽涉眾多因素,既有車輛方麵的,又有軌道方麵的 ,而且還相互滲透、互相影響。例如,軌道的幾何變形會激起車輛係統振動,而車輛振動經由輪軌接觸界麵作用力的傳遞 ,又會引起軌道結構振動的加劇,反過來助長瞭軌道的幾何變形 。可見,影響和控製這一動態相互作用行為的根源在於輪軌之間的動態作用力 。圖 1.3 鐵路輪軌運輸係統構成？ 圖1.4進一步詮釋瞭車輛係統與軌道係統之間通過輪軌界麵而形成的動態耦閤作用機製 。在輪軌係統激擾下,輪軌之間的作用力將齣現動態變化;輪軌動作用力嚮上傳遞引起車輛係統振動 ,嚮下傳遞緻使軌道結構振動;而車輛係統中輪對的振動和軌道係統中鋼軌的振動 ,將直接引起輪軌接觸幾何關係的動態變化 ;在輪軌接觸點的法嚮平麵上導緻輪軌彈性壓縮變形量的變化,從而進一步導緻輪軌法嚮接觸力的變化 ;在輪軌接觸點的切嚮平麵內引起輪軌蠕滑率(取決於輪 、軌相對運動速度)的變化,從而進一步引起輪軌切嚮蠕滑力的變化;而輪軌接觸點處作用力 (輪軌法嚮力、輪軌蠕滑力)的動態變化,反過來又會影響車輛、軌道係統振動 (包括輪對和鋼軌的振動);如此循環,耦閤疊加,這種相互反饋作用將使車輛 —軌道係統處於特定的耦閤振動形態之中,*終決定著整個車輛—軌道係統的動態行為特徵 。圖 1.4 車輛—軌道動態耦閤作用機製顯然 ,輪軌關係是車輛—軌道耦閤的核心環節,車輛係統和軌道係統之間的動態反饋作用均由輪軌關係的動態變化來實現 ,具體是通過輪對和鋼軌的振動變形進而引起輪軌接觸變形及接觸幾何狀態變化而産生作用的 。為瞭直觀地說明輪軌係統振動對輪軌接觸關係的影響 ,也為瞭進一步說明考慮軌道體係振動效應的重要性 ,這裏僅舉一例。圖1.5是我國普通貨車通過小半徑(R=350m)麯綫軌道過程中輪軌接觸點在車輪踏麵上的動態變化曆程 ,其中實綫為考慮軌道振動效應時的計算結果 ,虛綫是假設整個軌道體係固定不動時的計算結果,二者之間具有顯著差異 。輪軌接觸點位置的顯著變化將直接導緻輪軌作用力大小、方嚮的顯？ 著變化 ,進而影響到車輛、軌道係統振動形態的變化。我國鐵路現場實測結果顯示 [13,14],鋼軌在輪軌橫嚮力作用下將産生不同程度的橫嚮彈性位移,相應地引起軌距動態擴大 。在高速行車條件下,鋼軌橫嚮位移在1mm左右、軌距動態擴大1 ～2mm(秦皇島—瀋陽客運專綫高速試驗結果)[13];當機車車輛低速通過小半徑麯綫時 ,混凝土軌枕綫路上鋼軌橫嚮位移及軌距動態擴大量分彆為1～3mm和2 ～4mm,而木枕綫路上鋼軌動態橫移量及軌距動態擴大量竟達到6mm左右和1 0mm左右(成都—重慶既有鐵路測試結果)[14]。所以,對於這些強相互作用狀況 ,若仍假設鋼軌固定不動將會導緻理論計算結果與實際情況較大偏離,應考慮實際彈性軌道係統參振作用 ,采用車輛—軌道耦閤動力學的研究方法。圖 1.5 軌道體係振動效應對輪軌動態接觸幾何關係的影響車輛 —軌道動態耦閤動力學是在經典的車輛動力學、軌道動力學基礎上發展起來的交叉學科領域 。從學科發展的角度來看,在車輛動力學、軌道動力學日趨成熟的前提下 ,在數值計算技術日益進步及電子計算機技術高速發展的今天,開展車輛 —軌道耦閤動力學的研究,不僅十分必要,而且切實可行。1 .3 車輛—軌道耦閤動力學的基本範疇車輛 —軌道耦閤動力學涉及車輛動力學、軌道動力學及輪軌關係三方麵研究內容 ,而其突齣特點是從輪軌大係統角度,考察鐵道車輛和軌道結構的動態行為,並重點研究車輛與軌道係統之間的動態相互作用問題 。一般而言 ,車輛—軌道耦閤動力學可分為垂嚮、橫嚮和縱嚮耦閤動力學三個方麵 。由於輪軌滾動所産生的縱嚮耦閤效應較弱,常可視為準靜態作用,主要關心車輛對軌道的縱嚮作用以及無縫綫路的穩定性 ,而從動力學角度來講,輪軌黏滑振動 、擦傷機理和鋼軌波浪形磨耗成因則是其主要研究課題。顯然,垂嚮與橫？ 嚮動力學是車輛 —軌道耦閤動力學的主要研究內容。若從係統激擾類型來看,車輛 —軌道耦閤振動又可區分為確定性耦閤振動和隨機耦閤振動兩大類。車輛 —軌道垂嚮耦閤動力學主要研究車輛—軌道耦閤係統在各種垂嚮輪軌激擾作用下的動力響應及其輪軌動力作用特性 ,特彆是車輛對軌道的動力作用特性 。在輪軌係統的垂嚮縱平麵內,廣泛存在著各種各樣的振動激擾源。既有軌麵的局部凹凸不平順 ,如軌頭壓陷或軌麵剝離等;又含有周期性不平順,如波形綫路 、波浪形磨耗鋼軌、偏心車輪等;特彆是,在鋼軌接頭處,像低接頭、錯牙接頭、大軌縫以及焊縫之類的脈衝型不平順 ,更具有普遍性;此外,軌下基礎也可能存在諸如扣件失效 、軌枕空吊、道床闆結等缺陷以及路橋連接段和不同軌道結構連接段基礎剛度突變現象 ,形成軌下基礎支承彈性不均勻的動力型不平順。所有這些不平順都能導緻輪軌係統的垂嚮動態作用 ,並以輪軌接觸麵為界麵,嚮上傳遞給車輛子係統 ,嚮下施加於軌道子係統,激起車輛和軌道結構的耦閤振動與衝擊,導緻輪軌係統的狀態變化和功能下降 ,惡化車輛運行平穩性,甚至危及行車安全,並直接影響輪軌係統的日常養護維修工作量 。在高速、重載運輸條件下,這種動力作用將進一步加強 ,其危害性也顯得更為突齣。所以,弄清各種形態的輪軌垂嚮動態相互作用特徵及其影響因素 ,進而尋求抑製策略,如探索減輕車輛對軌道的動力作用途徑及尋找輪軌係統的減振措施等 ,是車輛—軌道垂嚮耦閤動力學所要解決的重要課題 。車輛 —軌道橫嚮耦閤動力學除瞭研究係統橫嚮耦閤振動響應之外,更主要的是要考察車輛在彈性 (阻尼)軌道結構上運行安全性問題。首先需要研究的是,考慮軌道基礎結構彈性與阻尼後 ,車輛的橫嚮蛇行運動穩定性相比傳統的“剛性軌道 ”分析法有何變化。其次是麯綫通過性能,如上節(1.2節)所述,實際中車輛通過麯綫軌道時 ,鋼軌不可避免地産生彈性橫移,軌距瞬態擴大,這一因素對輪軌動態接觸關係具有不可忽視的影響 ,而經典的車輛動力學理論不考慮這一影響因素 ,因而需要研究該因素對車輛通過麯綫(特彆是小半徑麯綫)軌道時的動態安全性影響問題 。第三是關於軌道幾何不平順的安全限值,這是我國鐵路技術規程中尚待確定的問題 。軌道高低、水平、方嚮及扭麯不平順對行車安全有重要影響,單從某一係統 (車輛或軌道)難以分析這種由車輛—軌道係統共同決定的動態運行安全問題 ,而車輛—軌道耦閤動力學為綜閤研究此類不平順的安全限值提供瞭恰當的理論方法 。當兩種不同類型的幾何不平順同時存在於軌道的同一處所時,對行車安全將造成更大的影響 ,此時的輪軌動態作用也更為復雜,隻有采用充分考慮各種因素共同作用的車輛 —軌道耦閤動力學方法纔能得齣這種復閤不平順的安全限度值 。此外,車輛通過道岔、綫路平縱斷麵組閤麯綫時的運行安全性(特彆是高速運行安全性 )也是車輛—軌道橫嚮耦閤動力學的研究範疇。車輛 —軌道隨機耦閤動力學主要研究車輛—軌道耦閤係統在軌道隨機不平

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