机车车辆动力学

目录
“轨道交通科技攻关学术著作系列”序
序
前言
第一章 机车车辆动力学基本理论和方法 1
1.1 机车车辆动力学研究对象 1
1.1.1 机车车辆的基本特点及组成 1
1.1.2 轨道线路的基本特点及轨道不平顺 4
1.2 机车车辆动力学分析思路及流程 9
1.3 机车车辆多刚体动力学模型建立方法 10
1.3.1 多刚体动力学基础知识 11
1.3.2 牛顿‐欧拉法 14
1.3.3 达朗贝尔原理 16
1.3.4 虚功原理及动能和势能 16
1.3.5 拉格朗日分析力学 20
1.3.6 哈密顿正则方程 22
1.4 机车车辆动力学求解方法 24
1.4.1 凯恩方法 24
1.4.2 振型叠加法 27
1.4.3 直接积分法 29
1.4.4 辛数学方法 36
1.5 理论模型的系统分析方法 41
1.5.1 阻尼对振动衰减的影响 41
1.5.2 幅频特性分析 43
1.5.3 频谱分析 47
1.6 机车车辆非线性动力学相关理论 53
1.6.1 非线性动力学的几个历史性突破 53
1.6.2 非线性振动与分岔理论 57
1.6.3 混沌 59
参考文献 63
第二章 轮轨滚动接触理论 64
2.1 轮轨滚动接触理论体系和架构 64
2.2 轮轨接触几何关系 66
2.2.1 轮轨基本特征及轮轨接触参数 66
2.2.2 轮轨接触几何求解方法 75
2.2.3 轮轨三维接触几何求解方法 78
2.3 轮轨蠕滑理论 92
2.3.1 黏着及蠕滑现象 93
2.3.2 蠕滑率的求解 95
2.4 轮轨法向接触理论 96
2.4.1 Hertz接触理论的适用条件 97
2.4.2 椭圆接触斑的确定 98
2.4.3 Hertz接触条件下的法向力计算 99
2.4.4 non‐Hertz接触条件下的法向力计算 102
2.5 轮轨滚动接触经典理论 106
2.5.1 轮轨滚动接触理论发展历程 106
2.5.2 Kalker线性蠕滑率/力模型 107
2.5.3 Johnson‐Ver meulen无自旋三维滚动接触模型 110
2.5.4 Kalker的 FASTSI M算法 110
2.5.5 Polach非线性滚动接触理论 113
2.5.6 经验公式 117
2.6 三维滚动接触问题求解方法 118
2.6.1 经典滚动接触理论的局限性 118
2.6.2 基于有限元法的轮轨接触力学 120
2.6.3 基于有限元参数二次规划法的接触理论 122
2.6.4 非稳态滚动接触力学 124
2.7 考虑接触表面特性的轮轨接触问题分析方法 125
2.7.1 表面温度对摩擦系数的影响问题 126
2.7.2 表面粗糙度对蠕滑力的影响研究 126
2.7.3 微观水平下的轮轨接触力分析方法 128
2.8 轮轨滚动接触摩擦管理思路和方法 132
2.8.1 轮轨黏着 132
2.8.2 轮轨磨耗 135
2.8.3 摩擦管理 137
参考文献 139
第三章 机车车辆垂向动力学 142
3.1 机车车辆自由振动 142
3.1.1 机车车辆简化的单自由度垂向振动模型 143
3.1.2 机车车辆简化的两自由度垂向振动模型 147
3.2 机车车辆强迫振动 150
3.2.1 机车车辆简化的单自由度强迫振动模型 150
3.2.2 机车车辆简化的两自由度强迫振动模型 152
3.3 机车车辆随机振动 155
3.3.1 随机振动基础 155
3.3.2 机车车辆的垂向随机振动分析模型 160
3.4 高速客车垂向振动响应的数值求解方法 165
3.5 车辆垂向振动对轨道结构动力性能的影响 171
3.5.1 车辆垂向振动影响轨道结构动力性能评定标准 171
3.5.2 轮轨动态作用力的影响因素分析 172
参考文献 173
第四章 机车车辆的横向运行稳定性 174
4.1 车辆蛇行运动与自激振动机理 174
4.1.1 机车车辆的蛇行运动 174
4.1.2 机车车辆的自激振动机理 180
4.2 车辆横向运行稳定性仿真分析方法 185
4.2.1 车辆横向运行稳定性线性分析方法 185
4.2.2 车辆横向运行稳定性非线性分析方法 193
4.3 车辆的蛇行失稳极限环分岔形式 209
4.3.1 机车车辆系统常微分方程的分岔 209
4.3.2 机车车辆 Hopf分岔形式及影响因素 212
4.4 高速车辆横向运行稳定性评价方法 217
4.4.1 高速车辆稳定性评价方法案例比较分析 218
4.4.2 高速车辆稳定性评价方法的新建议 226
4.5 提高机车车辆横向运行稳定性的方法 228
4.5.1 合理的轴箱定位刚度 228
4.5.2 设置抗蛇行减振器和横向减振器 228
4.5.3 选择合理的车轮踏面斜率 230
4.5.4 其他方法 230
参考文献 232
第五章 机车车辆曲线通过分析方法 233
5.1 蠕滑力导向机理 233
5.1.1 轮对通过曲线时的纯滚线 233
5.1.2 曲线通过时作用在轮对上的蠕滑力 234
5.1.3 蠕滑力导向机理 236
5.2 车辆稳态曲线通过分析方法 237
5.2.1 线性稳态曲线通过 238
5.2.2 非线性稳态曲线通过 243
5.3 车辆动态曲线通过分析方法 248
5.3.1 轨道模型 249
5.3.2 蠕滑力‐蠕滑率模型 250
5.3.3 轮对动态曲线通过的运动方程 251
5.3.4 转向架及车体动态曲线通过的运动方程 255
5.4 径向转向架 257
5.4.1 自导向径向转向架 257
5.4.2 迫导向径向转向架 258
5.4.3 动力学特性分析模型及运动方程 259
5.5 独立轮对 261
5.5.1 独立轮对的结构及特点 261
5.5.2 自调节独立轮对的导向原理 262
5.6 车辆曲线通过性能评价方法 265
5.6.1 轮对与轨道间的横向力 266
5.6.2 脱轨系数 266
5.6.3 离心加速度 266
5.6.4 冲角 267
5.6.5 磨耗数和磨耗指数 267
参考文献 268
第六章 机车车辆脱轨安全性 269
6.1 脱轨类型及原因分析 269
6.1.1 脱轨的过程及其分类 269
6.1.2 脱轨原因及影响因素 273
6.2 脱轨仿真研究 276
6.2.1 对准静态爬轨过程的仿真研究 277
6.2.2 高频轮重变化对脱轨影响的仿真研究 278
6.2.3 对蛇行失稳导致脱轨过程的仿真研究 279
6.2.4 动态脱轨过程的仿真研究 281
6.3 脱轨试验研究 287
6.3.1 脱轨试验简介 287
6.3.2 日本狩胜试验线上的货车脱轨试验 289
6.3.3 中国的货物列车脱轨试验 292
6.3.4 意大利实心车轴单轮对脱轨试验 294
6.4 现行脱轨评价方法 297
6.4.1 车辆爬轨脱轨准则 297
6.4.2 JNR以及 E MD的脱轨系数持续时间指标 303
6.4.3 由轨距扩大或钢轨翻转引起的脱轨的评价准则 305
6.5 脱轨评价新方法 307
6.5.1 根据车轮抬升量评判车辆脱轨的方法与准则 307
6.5.2 车辆脱轨安全评判的动态限度 308
6.5.3 列车脱轨能量随机分析理论 309
6.5.4 三维准静态脱轨准则的研究 309
6.5.5 高速列车动态脱轨评价方法 311
6.6 脱轨预防措施 311
6.6.1 车辆设计方面 312
6.6.2 轨道设计方面 312
6.6.3 运用维护方面 312
参考文献 313
第七章 机车车辆动力学性能试验技术 316
7.1 试验方案设计 316
7.1.1 试验的必要性 316
7.1.2 试验方案选择 317
7.1.3 试验条件 317
7.1.4 试验线路的选定 319
7.1.5 试验主要参数 319
7.2 试验方案实施 329
7.2.1 一般方法及原理 330
7.2.2 测试用传感器 331
7.2.3 测点布置 339
7.2.4 测试设备 339
7.2.5 测试流程 341
7.3 试验数据采集与处理方法 341
7.3.1 数据采集 342
7.3.2 数据检验 343
7.3.3 数据的统计处理方法 348
7.4 试验结果评判标准 350
7.4.1 车辆安全性评判标准 351
7.4.2 轨道疲劳 355
7.4.3 平稳性(舒适性)评判标准 357
参考文献 364
第八章 机车车辆动力学新发展 366
8.1 刚柔耦合系统动力学 366
8.1.1 机车车辆刚柔耦合系统建模方法 367
8.1.2 机车车辆刚柔体系统动力学应用实例 372
8.2 主动及半主动控制技术 377
8.2.1 主动及半主动控制技术的控制原理 377
8.2.2 主动及半主动控制技术在机车车辆性能优化中的应用 380
8.3 机车车辆状态监测及故障诊断技术 394
8.3.1 机车车辆监测诊断技术的发展趋势 395
8.3.2 状态监测及故障诊断方法 395
8.3.3 机车车辆故障诊断技术应用实例 398
8.4 高速铁路大系统耦合研究体系及其系统建模 406
8.4.1 高速列车耦合大系统的基本构成 406
8.4.2 高速列车耦合大系统的功能 410
8.4.3 高速列车耦合大系统服役模拟研究 413
8.5 优化技术在机车车辆中的应用 415
8.5.1 车轮型面优化的研究进展 416
8.5.2 遗传算法在机车车辆动力学性能优化中的应用 422
参考文献 426