车辆动力学基础课件.ppt

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1、车辆动力学基础,任尊松,北京交通大学 机电学院,车辆动力学基础任尊松北京交通大学 机电学院,E-mail: Phone: 010-51688204 13910004993,1997.06 西南交通大学硕士学位2000.06 西南交通大学博士学位2002.05 北京交通大学博士后出站2002.05- 北京交通大学机械学院 副教授,E-mail: zsrencenter.njtu.edu.,高速 振动的加剧，相对运动的速度提高,高速列车/动车组的运行要求,安全性稳定性舒适性可靠性经济性高速 振动的,第一章 概论,第一节 研究内容和目的第二节 车辆动力学研究与实践第三节 铁路发展趋势第四节 世界高速

2、铁路第五节 我国铁路高速技术发展第六节 铁道部技术引进与动车组,第一章 概论第一节 研究内容和目的,第一节 研究内容与目的,提高列车运行速度和增加列车牵引重载是实现铁路运输现代化的重要标志。按照目前车辆和铁路线路构造情况，国内在铁路高速重载化过程中存在一系列矛盾。,一、我国铁路运输主要发展趋势与存在的矛盾,第一节 研究内容与目的提高列车运行速度和增加列车牵引重载是,高速重载与线路强度和稳定性之间的矛盾；高速重载与车辆强度之间的矛盾；高速重载与车辆零部件使用寿命之间的矛盾；高速与列车运行阻力之间的矛盾；高速重载与线路构造状态之间的矛盾；高速重载与车辆构造状态之间的矛盾；高速重载与车辆运行平稳性、

3、安全性和稳定性之间的矛盾；,高速重载与线路强度和稳定性之间的矛盾；,主要任务：通过分析车辆和线路之间的相互作用，研究车辆在各种运行速度下的振动规律与特性，从保证运行安全和舒适平稳出发，提出对现有车辆构造的改造措施，研究新的车辆结构和零部件构造型式。,二、主要任务与具体内容,具体内容：研究车辆（动车组）在各种运用条件下，特别是高速运行时的位移、加速度和由此而产生的动作用力。,主要任务：通过分析车辆和线路之间的相互作用，研究车辆在各种运,主要目的,确定车辆在线路上安全运行条件；研究车辆悬挂装置和牵引缓冲装置的结构、参数和性能对振动及动载荷传递的影响，并为这些装置提供设计依据，以保证车辆高速、安全、

4、平稳地运行；确定动载荷特征，为计算车辆动作用力提供依据（如弹簧动挠度设计和最大承载能力设计）。准确把握车辆动力学是降低轮轨磨耗、提高稳定性和可靠性的基础。,主要目的确定车辆在线路上安全运行条件；,车辆设计需要解决的问题,蛇行运动曲线通过舒适性脱轨倾覆交会控制,车辆设计需要解决的问题蛇行运动,三、车辆动力学问题的提出,1829年, 一篇关于铁路运营的文章中记载：铁道车辆在运行中的持续振动，主要是由于车辆和轨道的四个接触点在运行中不可能连续保持在一个平面内引起的。鉴于当时列车运行速度较低，车辆系统动力学问题还不突出；运行速度提高，车辆运行品质恶化；载重加大，车辆与线路系统之间相互作用加强，对车辆和

5、轨道的破坏作用增大；,三、车辆动力学问题的提出1829年, 一篇关于铁路运营的文章,为改善车辆运行速度提高和载运量加大后对系统造成的不良影响，车辆系统动力学作为一门学科逐步发展起来；20世纪60年代，学科理论水平及研究成果都已经达到了一个崭新阶段。上世纪90年代，国外技术进入相对成熟期；国内在70年代末在该方面的研究才真正开始起步，并形成对国外先进技术的追赶之势；但终因基础薄弱、起步晚，虽然经过20多年的致力发展，目前仍与国外先进技术有一定的差距；,为改善车辆运行速度提高和载运量加大后对系统造成的不良影响，车,四、高速列车十大关键技术,交流传动技术复合制动技术高性能转向架技术轻量化技术优良空气

6、动力学外型自动控制监测与诊断技术密接式连接技术车厢密封及集便排污技术倾摆车体技术高性能受电弓技术,四、高速列车十大关键技术交流传动技术,车辆动力学基础,车辆动力学基础,高性能转向架技术,高速转向架必须具备特性：高速运行稳定性高舒适性良好的走行安全性优良的曲线通过性能,高性能转向架技术高速转向架必须具备特性：,五、课程学习范畴,中央悬挂系统,轴箱悬挂系统,五、课程学习范畴中央悬挂系统轴箱悬挂系统,车辆动力学基础,垂向载荷传递顺序,钢轨,垂向载荷传递顺序车体 上心盘 下心,车辆动力学基础,车辆动力学基础,本课程目的与方法,车辆的运行性能主要决定于悬挂装置中诸如弹簧和各种弹性元件、减振器、弹簧支承以

7、及各种拉杆、定位装置等的结构型式的选择是否合理，设计参数是否选用恰当。,因此，本课程将围绕采取哪些措施来提高或获得车辆系统优良的动力学性能来讲解。,结构形式设计参数设计,本课程目的与方法车辆的运行性能主要决定于悬挂装置中诸如弹簧和,轮轨接触,轴箱定位,中央悬挂,结构与参数,动力学计算,动力学模型,课程讲解思路,讲解思路,轨道不平顺,轮轨接触轴箱定位中央悬挂结构与参数动力学计算动力学模型课程讲,第二节 车辆动力学研究与实践,动力学研究与计算机仿真国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就虚拟样机的概念与内涵虚拟样机应用领域,第二节 车辆动力学研究与实践动力学研究与计算机仿真,周期短，投入少 ；避免了

8、实车试验所承担的风险和危险。,仿真是对一个模型进行试验研究。计算机仿真则是对一个数学模型进行试验研究。在车辆系统动力学领域，计算机仿真已越来越流行。计算机仿真在对透彻理解系统性能方面有如下的优点：,动力学研究与计算机仿真,周期短，投入少 ；仿真是对一个模型进行试验研究。动力学研究与,在产品开发前期对基本设计思想的论证。比如用简单的模型对各种方案的动力学特性进行初步评估。用更精细的模型在产品设计阶段对系统性能进行优化。对最终设计的产品性能进行校核，即对车辆的稳定性、平稳性、曲线性能和各类作用力进行评价。预测实验室试验结果和现场试验结果，以辅助编制试验计划。有效的仿真模型还可用来对系统进行监控、诊

9、断和故障预测。,特别需要采用仿真模型的几个方面,在产品开发前期对基本设计思想的论证。比如用简单的模型对各种方,计算机技术对车辆动力学发展的推动作用,计算机的出现为车辆动力学仿真提供了可能；近年来研制的系统动力学软件，可以用计算机自动建立车辆系统模型；高性能计算机为复杂的非线性车辆系统动力学仿真提供了方便、提高了效率；利用计算机，动力学的理论研究成果直接用于合理选择现代车辆的参数、优化设计及预测动力性能。,计算机技术对车辆动力学发展的推动作用计算机的出现为车辆动力学,国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就,车辆系统动力学仿真（平稳性、稳定性、安全性）；车辆及列车脱轨理论和试验研究；轮轨接触几何关

10、系分析；磨耗型踏面设计；车辆悬挂系统新型元件应用（空气弹簧、抗侧滚扭杆、制动盘等）；自导向与迫导向径向转向架开发；城市轨道交通车辆设计与开发；准高速和高速列车的研制及动力性能的预测与分析；车辆-轨道耦合系统动力学研究。,国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就车辆系统动力学仿真（平,上世纪90年代以前，基于牛顿定理、分析力学等建立车辆动力学模型；1990以来，基于多体系统动力学，建立车辆多体动力学模型（虚拟样机）虚拟样机作为一种研究方向由美国人提出，并与ADAMS软件的应用紧密相关，其基础是1984年多体动力学的发展和计算机性能的大幅度提高。,虚拟样机的概念与内涵,上世纪90年代以前，基于牛顿定

11、理、分析力学等建立车辆动力学模,虚拟样机技术主要是指对机械系统的动力学仿真，而且这种仿真是以多体动力学的理论与方法为基础。在产品开发初期就通过计算机仿真，研究车辆动力特性和改善潜力，可以达到低成本和加快周期的目的，这是虚拟样机技术的宗旨。动力学仿真即虚拟样机与有限元方法的区别：前者研究机械系统多个部件的动力学或运动学关系，存在大的相对位移；而后者研究的是机械系统中某个部件的小变形和应力。,虚拟样机的概念与内涵,虚拟样机技术主要是指对机械系统的动力学仿真，而且这种仿真是以,虚拟样机技术是以计算多体动力学理论为基础的动力学仿真方法。,计算多体动力学领域的任务和研究目标：,建立复杂机械系统的动力学程

12、式化数学模型，并开发实现该数学模型的软件，用户只需输入描述系统的最基本数据，就能借助计算机按程序自动进行处理。开发和实现处理数学模型的有效计算方法与数值积分法，自动得到运动学和动力学响应。实现有效的数据后处理，并通过动画、图表或其他方法提供数据处理结果。,虚拟样机的概念与内涵,虚拟样机技术是以计算多体动力学理论为基础的动力学仿真方法。计,多体动力学的基本概念与软件,- 铁道机车车辆动力学分析,铁道机车车辆是一种典型的复杂机械多体系统,对机车车辆性能的评价涉及很多内容,因此其动力学分析内容也是多方面的,如图所示。,图,- 与传统动力学不同，多体动力学有如下特点：,分析机械系统时，不需要工程师自己

13、来建立微分方程，而是由程序根据拓朴关系自动建立。由于不用自己建立方程，因此不容易出错，既使出错也容易检查出来；对不同的复杂机械系统能够很快建立模型并且便于修改，而传统分析中增加或减少自由度是非常烦琐且极易出错的。数值分析专家提供的有效计算方法保证计算过程准确和可靠。,多体动力学的基本概念与软件- 铁道机车车辆动力学分析铁道机车,车辆系统分析,车辆系统分析,虚拟样机的应用领域,- 汽车,- 铁道机车车辆,- 机电设计仿真,- 新型轨道车辆，如磁悬浮列车,- 铁道车辆弓网动力学仿真,- 通用机械,- 机器人,- 航空航天,- 等等,虚拟样机的应用领域- 汽车- 铁道机车车辆- 机电设计仿真-,虚拟

14、样机的应用领域-汽车,汽车与铁路是虚拟样机的最主要应用领域。铁路车辆的悬挂部件相对汽车更简单，但铁路车辆的轮轨特殊性决定了其分析过程很复杂。汽车的建模与铁路相比要求更高的数据库应用、子结构应用技巧；此外汽车的转向是主动的，而铁路是被动的。应用实例： 轮胎力学： 汽车在不平道路上的运行： 汽车驶过一个障碍： 人与汽车：,图,图,图,图,图,虚拟样机的应用领域-汽车汽车与铁路是虚拟样机的最主要应用领域,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,虚拟样机的应用领域-铁道车辆,铁路应用举例：大连市快速轨道车辆仿真： 仿真中轮轨接触情

15、况： 列车过桥仿真： 过道岔计算： 主动悬持仿真： 稳定性计算：（常规计算） 粘着控制仿真： 弓网动力学仿真： 等等,图,图,图,图,图,多数铁路企业采用SIMPACK多体程序进行仿真如：SIEMENS、SGP、MAN、ALSTOM、BOMBARDIER、DB、JR,虚拟样机的应用领域-铁道车辆铁路应用举例：大连市快速轨道车辆,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,车辆动力学基础,虚拟样机的应用领域-其它,- 通用机械,- 机器人,- 航空航天,- 人机系统,随着技术的进展，虚拟样机技术将会在越来越多领域得到应用。并成为现代设计的一种重要方法。同时也将

16、成为研究机构（大学、研究院所等）从事各种特殊研究的重要工具。,图,图,- 等等,图,虚拟样机的应用领域-其它- 通用机械- 机器人- 航空航天-,内燃机,内燃机,齿轮啮合,齿轮啮合,缆车,缆车,板簧,板簧,空中客车,空中客车,碗-卫星运行,碗-卫星运行,人机系统,人机系统,第三节 铁路发展趋势,一：高速化：法国：TGV，515.3km/h（1990）德国：ICE，407.3km/h（1988）日本：新干线，运营速度275km/h中国：中华之星，321.5km/h（2002）其它：英国、意大利、瑞典、西班牙和俄罗斯等也正筹建或修建高速铁路。,第三节 铁路发展趋势一：高速化：,世界高速铁路列车,名

17、次国别列车型号最高运行速度旅行速度1法国TGV300239,世界高速铁路的发展概况(2002年),世界高速铁路的发展概况(2002年)已投入运营2007年计划,南非：200辆货车，列车总载重20,800吨（单车载重100吨，1986）美国和加拿大：列车总载重超过5000吨（单车载重130吨）中国：列车总载重为20,000吨（大秦线，单车载重100吨，2005年11月进行了牵引和制动试验） 。,二、重载化,二、重载化,三：城市轻轨列车,北京、上海、广州大连、深圳、天津、重庆、长春成都、沈阳、武汉、西安、南京,三：城市轻轨列车北京、上海、广州,第四节 世界轮轨高速铁路,新阶段的特点:高速度300-

18、360km/h 高功能智能化，信息化，网络化高舒适度高平稳性，高安全性，高服务高洁净度电力牵引，排污，降噪，低电磁带动全面提速160km/h 200km/h 250km/h,第四节 世界轮轨高速铁路,司机室,司机室,洁净与舒适,洁净与舒适,日本新干线运营网,日本新干线运营网KHI MT Group700系Rail S,日本500系高速列车,日本500系高速列车,运行中的日本500系高速列车,运行中的日本500系高速列车,日本700系高速列车,日本700系高速列车,车辆动力学基础,法国高速铁路的发展,动力集中TGV-PSE, 426km, 1981TGV-A, 284km, 1989TGV-R,

19、 104km, 1994TGV-R,2N,333km, 1996动力分散AGV, 360km/h, 2002长距离最高平均速度2001年3月在1000km距离间创平均速度：302km/h 最高速度：360km/h,法国高速铁路的发展动力集中,法国TGV-2N高速列车,法国TGV-2N高速列车,AGV,AGV,德国高速铁路的发展,高速铁路:汉维线,1991,327km曼斯线,1991,105km波法线,2001,200km高速列车 动力集中ICE-V, 1988, 409.6km/hICE-I, 1991, 280km/hICE-2, 1996, 300km/h,1M/7T 动力分散ICE-3,

20、 1999, 350km/h,4M/4T,德国高速铁路的发展高速铁路:,德国ICE高速列车,1.ICE3型,德国ICE高速列车 1.ICE3型,2. ICE350E型,2. ICE350E型,动力集中, 非摆式,动力集中, 非摆式,俄罗斯神鹰号高速列车在作试验运行（1999年）,最高速度每小时350公里,俄罗斯神鹰号高速列车在作试验运行（1999年）最高速度每小时,西班牙: 马德里 塞维利亚，471公里，1992.韩国: 汉城 釜山, 432公里，汉城大丘间, 218.7公里 于2003年通车, 全线2005年通车.澳大利亚: 悉尼 堪培拉，280公里，2005年通车 中国台湾: 台北 高雄，

21、340公里，2005年通车 2000年决定购买日本新干线列车美国：美国东北走廊，Acela飞人号(法国阿尔斯通与加拿大庞巴迪制造),其它地区高速铁路的发展,西班牙: 马德里 塞维利亚，471公里，1992,世界高速列车发展趋势,速度：350km/h，动力分散交流传动：采用IGBT IPM IGCT优化转向架：半自动、主动悬挂系统头形流线化结构轻量化复合制动网络自动控制提高可靠性,世界高速列车发展趋势速度：350km/h，动力分散,五次提速: 1997年04月01日 四纵(京沪、京广、京哈、京九) 1998年10月01日 三横(陇海线、兰新线、浙赣线) 2000年10月21日 形成120-140

22、 km/h的提速网络 2001年10月20日 2004年5月1日 2006年4月18日 中国高速铁路修建高速铁路 广州 深圳 1994-1997 秦皇岛 沈阳 1999-2003开工修建京沪高速铁路（？） 线路按 350km/h 设计，列车按 300km/h 运行。,第四节 我国铁路高速技术发展,五次提速:第四节 我国铁路高速技术发展,我国是一个铁路大国， 2005年我国铁路营业里程已经达到75,000公里，其中时速160公里及以上提速线路已经达到7,700多公里。在未来15年内，依据2004年1月国家原则通过的中长期铁路网规划，到2020年我国还将建成客运专线10,000公里，形成“四纵四横

23、”客运专线骨架以及“八纵八横”路网主通道。建成环渤海圈、长江三角洲、珠江三角洲地区快速客运系统铁路2000公里。在中、东部地区开行200-300km/h 高速动车组。,我国铁路发展中长期规划,我国是一个铁路大国， 2005年我国铁路营业里程已经达到75,四纵：京沪客运专线 京广客运专线 京哈客运专线(含沈阳大连段) 杭甬深客运专线,四横：徐兰客运专线 杭长客运专线 青太客运专线 宁汉蓉客运专线,四纵：京沪客运专线四横：徐兰客运专线,我国首批160km/h提速列车运行在广深线上,我国首批160km/h提速列车运行在广深线上,160公里/小时内燃动车组,160公里/小时内燃动车组,韶8机车牵引提速

24、车辆作高速试验速度达到240km/h(1998年6月24日，许昌),韶8机车,韶8机车牵引提速车辆作高速试验韶8机车,神州号列车,神州号列车,动力集中型 动力分散型,200公里时速动车组,动力集中型,高速交流传动电动车组蓝箭号305km/h交-直-交DAJ1型动力车,高速交流传动电动车组蓝箭号,车辆动力学基础,中国第一台适用城际间高速客运的 高速交流传动电动旅客 动车组动力车，由株洲电力机车厂开发研制。 2000年12月20日，“蓝箭”（DDJ001）进行了在广深上的最后一次试车，最高速度有235公里。由1个动力车，5个客车组成，每辆可载客420人。整列车价值8000多万元。客车内设有航空式座

25、椅，背靠、座垫可以适当伸缩，座椅下部增设了脚踏板，座椅后的小桌板可拉下放置餐饮器具等；2001年10月，广深线实行“公交化”运营，同时也引进了多台蓝箭进行运营。,“蓝箭号”动车组,中国第一台适用城际间高速客运的 高速交流传动电动旅客 动车组,该车首次在国内电力机车上采用整体齿轮、整体车轮，运用了株洲电力机车厂自行开发的脉流牵引电动机。动力车各部件都实现了轻量化，降低了轴重，减少了轮轨冲击力。该车设计速度为200 km/h。总定员438,人总长度176m。,大白鲨动车组,该车首次在国内电力机车上采用整体齿轮、整体车轮，运用了株洲,先锋号（200km/h，浦镇车辆厂） 中华之星（321.3km/h

26、，2002年 ）长白山号（210km/h 长春客车厂）,近年来我国自主开发高速列车,先锋号（200km/h，浦镇车辆厂） 近年来我国自主开发高,1. 先锋号,1. 先锋号,秦沈客运专线第三次综合试验中，跑出了292公里的时速（试验速度）。“先锋号”列车是国家“九五”重点科技攻关项目，是国内首列动力分散型交流传动电动车组，牵引动力分散在单节车厢。列车由两个单元组成。每个单元节车厢，其中两节自带动力，另一节为拖车。电动车组设有一等软座车1辆、二等软座车5辆，总定员为424人。,“先锋号” 动车组,秦沈客运专线第三次综合试验中，跑出了292公里的时速（试验速,2. 中华之星,2. 中华之星,试验外景

27、,试验外景,“中华之星”高速列车是由铁道部组织全国机车车辆制造工厂、科研院所、高等院校联合攻关共同研制。主机厂包括株洲电力机车厂、大同机车车辆厂、长春客车厂和四方机车车辆厂。采用了交直交传动技术、计算机网络控制技术等众多国际先进技术。“中华之星”动车组的车头外形是根据空气动力原理设计，以减少空气阻力。由两节动力车和7辆客车组成，最高时速达到310公里。,中华之星,“中华之星”高速列车是由铁道部组织全国机车车辆制造工厂、科研,3. 长白山号,3. 长白山号,长白山号,长白山号,由于起步晚，国内高速动车组在设计、制造、运用等方面还不是十分成熟；目前开发的高速动车组存在或多或少的问题，尤其是在牵引和制动方面；目前几个铁路运输发达的国家，其高速动车组技术已进入技术成熟期。,第五节 铁道部技术引进与动车组,由于起步晚，国内高速动车组在设计、制造、运用等方面还不是十分,技术引进：我国铁路通过国内公开招标方式，引进时速200公里铁路客车动车组制造技术。意义：这对于铁路实现既有线第六次大面积提速，扩大铁路运输能力，缓解铁路运输瓶颈制约，提高我国铁路装备制造企业的研制开发能力，打造中国品牌的客车动车组，加快铁路装备现代化和装备制造业现代化的进程，具有十分的重要意义。,技术引进：我国铁路通过国内公开招标方式，引进时速200公里铁,