機(jī)車車輛制動顫振現(xiàn)象分析和減振措施

1、黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘭州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文鐵道車輛專業(yè) 題目：鐵道車輛制動顫動現(xiàn)象分析與減振措施 摘要:對機(jī)車車輛在低速制動工況下轉(zhuǎn)向架及制動系統(tǒng)發(fā)生的顫振現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)分析， 通過對制動中輪對閘瓦摩擦副特性曲線、制動系統(tǒng)動態(tài)特性的分析研究可知, 摩擦副負(fù)特性曲線是引起制動系統(tǒng)顫振的根本原因, 可通過加強(qiáng)制動器與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架連接剛度的方法來抑制和消除制動系統(tǒng)顫振，同時實施有效的減振措施也是必不可少的，現(xiàn)代軌道交通車輛不斷地朝著高速化、輕量化以及低噪音方向發(fā)展，所以提高車輛的運(yùn)行狀態(tài)是勢在必行也是大勢所趨，這里我將簡要介紹車輛制動顫動現(xiàn)象和減振一些措施。目錄1、機(jī)車車輛顫振現(xiàn)象 3 2、機(jī)

2、車車輛顫振機(jī)理分析 42.1、 自激振動的概念 42.2 制動顫振的原因 5 3、 減 振 措 施 83.1 空氣彈簧減振 93.2 空氣彈簧懸掛系統(tǒng)的構(gòu)成 9 3.3 空氣彈簧在不同轉(zhuǎn)向架中的應(yīng)用 12 3.4 補(bǔ)充 134 結(jié)語 135 致 謝 14 1機(jī)車車輛顫振現(xiàn)象制動裝置是機(jī)械設(shè)備中不可缺少的部件之一, 如飛機(jī)著陸, 列車和汽車行駛中的減速、停止, 起重設(shè)備的升降、位置的控制等都需要在傳動系統(tǒng)中裝設(shè)制動裝置目前大多數(shù)采用的是摩擦制動裝置, 即用摩擦力作為制動力, 使運(yùn)動物體達(dá)到減速、停止的目的l因此制動系統(tǒng)的制動效果與制動副摩擦性能的關(guān)系極大l為保證制動的安全可靠性和制動裝置壽命,

3、就應(yīng)保持和穩(wěn)定一定的摩擦力和制動副表面的耐摩性.凡是影響制動副摩擦磨損性能的因素, 均會影響其制動性能的改變及變化規(guī)律, 尤其以制動過程令動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮? 使摩擦表面溫度急劇上升的影響最大, 制動副材質(zhì)的選配及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計都與此有關(guān)。機(jī)車車輛一般采用摩擦制動, 在低速制動時只采用摩擦制動l制動時, 制動控制裝置根據(jù)制動指令使制動缸內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的制動缸壓力, 該壓力通過制動缸使制動缸活塞桿產(chǎn)生推力, 經(jīng)基礎(chǔ)制動裝置中的一系列桿件的傳遞、分配, 使每塊閘瓦都貼靠車輪踏面, 并產(chǎn)生閘瓦壓力l由于車輪與閘瓦之間有相對滑動, 產(chǎn)生摩擦力, 最后, 通過輪軌關(guān)系轉(zhuǎn)化為輪軌之間的制動力l緩解時, 制動控

4、制裝置將制動缸內(nèi)壓力空氣排出, 制動缸活塞在制動缸緩解彈簧的作下退回, 通過各桿件帶動閘瓦離開車輪踏面l如果機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及其制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計得不合理, 在實際運(yùn)用中會使機(jī)車車輛在低速制動工況下出現(xiàn)顫振現(xiàn)象, 制動顫振是一種十分有害的振動, 對機(jī)車車輛走行部損壞較大, 應(yīng)在設(shè)計時采取措施予以避免。制動工況下的顫振表現(xiàn)為, 機(jī)車車輛在低速時(速度一般低于20 km )沒有周期性外力作用下(無牽引力等) 實施制動, 閘瓦與車輪踏面或閘片與制動盤之間產(chǎn)生劇烈振動, 該振動同時引起轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及其懸掛零部件發(fā)生強(qiáng)烈振動, 該振動通過彈簧和減振裝置及其他連接裝置又傳遞給車體, 激起車體及其內(nèi)部各種元器

5、件的各階模態(tài)振動, 對機(jī)車車輛內(nèi)部設(shè)施和轉(zhuǎn)向架破壞極大該振動頻率為100200 hz, 通常稱作制動顫振機(jī)車車輛制動時的顫振是一種非常有害的高頻振動, 該振動對車體內(nèi)設(shè)備、轉(zhuǎn)向架零部件、制動系統(tǒng)產(chǎn)生較大的破壞作用, 惡化了機(jī)車車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性, 危害乘務(wù)員的身心健康,伴隨顫振產(chǎn)生的刺耳尖叫聲對鐵道沿線的噪音污染加重, 機(jī)車車輛不能平穩(wěn)停車影響車輛的正常使用隨著環(huán)境問題日益受到重視, 對車外噪聲的要求越來越嚴(yán)格, 減小制動系統(tǒng)顫振及噪聲是機(jī)車車輛設(shè)計中急需解決的問題在機(jī)車車輛實際運(yùn)用中, 對出現(xiàn)了制動顫振的機(jī)車車輛, 為了避免顫振引起的不良影響, 只有被迫改變制動參數(shù)(如減少制動壓力、制動倍率或

6、更換制動機(jī)) 等被動手段來避免顫振的發(fā)生, 但這樣使得機(jī)車或車輛的制動效率受到影響,達(dá)不到設(shè)計要求, 影響了正常的生產(chǎn)運(yùn)用顫振問題在機(jī)床和運(yùn)載工具上出現(xiàn)亦較多, 諸如切削顫振、飛機(jī)機(jī)翼顫振、飛機(jī)在地面運(yùn)行時的走步問題、潛艇舵低速顫振等 不同系統(tǒng)的顫振其機(jī)理和振動強(qiáng)度不同, 目前已有再生顫振、摩擦顫振和振動耦合型等顫振, 到目前為止尚有一些系統(tǒng)的顫振機(jī)理未完全清楚, 有待進(jìn)一步的研究機(jī)車車輛顫振, 是機(jī)車車輛制動過程中車輪踏面和閘瓦之間產(chǎn)生的一種十分強(qiáng)烈的振動, 屬于自激振動顫振降低制動效率, 降低制動系統(tǒng)的使用壽命, 產(chǎn)生污染周圍環(huán)境的摩擦噪音制動摩擦顫振研究已成為機(jī)車車輛動力學(xué)的一個新的研究

7、課題, 是其一個新的分支, 制動顫振研究是對車輛動力學(xué)的補(bǔ)充和完善。 2機(jī)車車輛顫振機(jī)理分析對于機(jī)車車輛制動顫振的研究, 很自然是從顫振的機(jī)理與模型的研究開始的 制動顫振的研究內(nèi)容可分為三個方面: 一是顫振機(jī)理與模型的研究, 主要包括顫振產(chǎn)生的物理原因、線性或非線性數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)定性條件等; 二是系統(tǒng)動態(tài)特性研究, 包括轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的動態(tài)特性、制動過程的動態(tài)特性; 三是顫振預(yù)防及控制, 包括轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的設(shè)計與改進(jìn), 構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式和制動參數(shù)的調(diào)整等。2. 1自激振動的概念自激振動是指在沒有周期性外力的作用下, 由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)及反饋的相互作用而產(chǎn)生的穩(wěn)定的周期性振動自激振動由非振蕩性能源、調(diào)節(jié)系統(tǒng)和振

8、動系統(tǒng)三個部分組成, 如圖1 所示非振蕩性能源供給自激振動系統(tǒng)所消耗的能量, 具有反饋特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)將振動系統(tǒng)所產(chǎn)生的交變運(yùn)動量變換為交變力, 并反饋到振動系統(tǒng), 以維持振動持續(xù)進(jìn)行。 圖1自激振動系統(tǒng)f ig. 1sef2excited system 2. 2制動顫振的原因根據(jù)制動顫振形成的物理原因, 一般認(rèn)為有摩擦型顫振和振動耦合型顫振兩種 對于后一種模型的研究資料不是很多, 大部分的研究主要以摩擦型顫振為主 摩擦型顫振是指滑動速度方向上閘片與車輪踏面之間的相互摩擦所引起的顫振由于機(jī)車車輛制動工況下顫振是由于在施加制動力情況下才出現(xiàn), 同時在摩擦片和輪對踏面之間有摩擦力存在,因此可認(rèn)為該顫

9、振屬摩擦型顫振, 也稱作摩擦噪聲。摩擦顫振機(jī)理一般認(rèn)為是摩擦力- 相對滑動速度關(guān)系的負(fù)斜率機(jī)理(也稱粘滑機(jī)理) , 車輪踏面和閘瓦制動摩擦副摩擦力- 相對滑動速度實測曲線如圖2所示圖2高磷與中磷閘瓦摩擦系數(shù)f ig. 2coefficient of h igh and m idde p brake shoe任何閘瓦應(yīng)具有適當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù), 必須使列車在一定制動率范圍內(nèi), 在規(guī)定的距離內(nèi)停車, 即使在潮濕及冬季氣候條件下, 摩擦系數(shù)衰減少, 也能夠保證制動距離的停車要求 目前大部分國家仍以鑄鐵作為主要閘瓦制動摩擦材料, 鑄鐵閘瓦隨著含磷量增加, 摩擦系數(shù)逐漸提高, 特別是高速區(qū)段摩擦系數(shù)衰減少,

10、也能夠保證制動距離的要求當(dāng)含磷量為2.5% 3% 時, 摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定 由圖2 可看到, 隨著車輛運(yùn)行速度的不斷提高, 閘瓦和車輪間的摩擦系數(shù)逐漸下降, 即當(dāng)制動壓力一定情況下摩擦力和車輪踏面和閘瓦相對滑動速度呈現(xiàn)負(fù)斜率情況 這種情況符合摩擦顫振發(fā)生的基本要求。機(jī)車車輛在制動過程中, 在沒有周期性外力的作用下, 閘瓦和車輪踏面之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對振動,這種現(xiàn)象的振動屬于轉(zhuǎn)向架及制動系統(tǒng)的自激振動, 稱為制動顫振，制動顫振發(fā)生時, 動態(tài)制動力隨之而產(chǎn)生, 在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體上有明顯的、有規(guī)律的振動, 這不僅降低了制動效率, 而且對制動系統(tǒng)和車體上的電器元件的使用壽命帶來了不利的影響。 制動過程中

11、產(chǎn)生的自激振動具有以下特征:(1) 自激振動是在沒有周期性外力干擾下所產(chǎn)生的振動運(yùn)動(2) 自激振動的頻率接近于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和制動系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率, 即自激振動頻率取決于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及制動系統(tǒng)固有頻率。轉(zhuǎn)向架與制動過程形成一個閉環(huán)系統(tǒng), 如圖3示，制動力激起制動塊與踏面之間的相對振動, 而相對振動又使得制動力變動, 進(jìn)一步激起制動塊與車輪的顫振轉(zhuǎn)向架與制動過程的這種內(nèi)部反饋, 決定了振動(即顫振) 是自激振動, 而構(gòu)成自激振動的整個總系統(tǒng)可稱作轉(zhuǎn)向架制動顫振系統(tǒng)。圖3轉(zhuǎn)向架及制動系統(tǒng)顫振框圖f ig. 3the chat ter chart of bogie and brake設(shè)制動塊質(zhì)量為

12、m , 支撐剛度為k , 車輪踏面線速度為va0, 制動塊速度為v,兩者相對位移和相對速度分別為z = v - v 0, z= v- v0在干摩擦或潤滑不充分的摩擦工況下, 滑動摩擦摩擦面之間的摩擦力<與摩擦面之間的相對滑動速度va之間的關(guān)系如圖2z當(dāng)滑動開始后, 摩擦力會隨著相對滑動速度的上升而下降, 在原點(diǎn)附近的阻尼特性具有負(fù)阻尼性質(zhì), 位移較大時轉(zhuǎn)化為正阻尼z 車輪和制動塊振動系統(tǒng)如圖4 所示根據(jù)動力學(xué)定律可寫出制動塊的垂向運(yùn)動方程為:m v+ <(va- va0) + kv= 0 （1）利用等傾線法繪出制動塊的相軌跡, 如圖5圖4制動系統(tǒng)顫振分析模型f ig. 4chat

13、ter mode of brake system所示：圖5制動塊相軌跡f ig. 5phase ocus of brake bake原點(diǎn)處的奇點(diǎn)為不穩(wěn)定焦點(diǎn), 對應(yīng)于不穩(wěn)定的制塊平衡位置, 當(dāng)制動塊因擾動偏離平衡位置時, 相點(diǎn)沿螺線向外運(yùn)動, 振幅不斷增大, 一旦相點(diǎn)達(dá)到水平段p 1p 2, 即沿此線段移動到達(dá)右邊的端點(diǎn)p 2, 然后環(huán)繞原點(diǎn)一周后再與p 1p 2 線段相遇, 并再次重復(fù)此過程, 于是過點(diǎn)p 2 的相軌跡成為相平面內(nèi)的極限環(huán), 這種具有恒定頻率和恒定振幅的周期運(yùn)動就是制動塊的自振, 即制動顫振z無粘滑現(xiàn)象時制動塊相軌跡為以坐標(biāo)原點(diǎn)為焦點(diǎn)的對數(shù)螺旋線, 這表明制動塊不會發(fā)生周期運(yùn)

14、動, 即如果摩擦力- 相對速度曲線斜率均為正值, 則系統(tǒng)不會發(fā)生自振了z由此可得出如下結(jié)論: 粘滑現(xiàn)象是摩擦引起制動塊自振的根本原因。在設(shè)計時, 考慮構(gòu)架的抗振性, 對構(gòu)架的剛度和阻尼進(jìn)行合理的匹配, 特別是優(yōu)化制動座與主振方向上的剛度和阻尼, 或在轉(zhuǎn)向架使用階段, 對構(gòu)架薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn), 通過補(bǔ)焊筋板等手段調(diào)整制動系統(tǒng)的安裝剛度與阻尼, 通過這些方法可減弱和消除顫振現(xiàn)象。調(diào)整制動參數(shù)的控制方法主要是針對已經(jīng)批量生產(chǎn), 問題暴露晚, 結(jié)構(gòu)無法改變的轉(zhuǎn)向架, 調(diào)整的參數(shù)主要通過更換制動機(jī)或調(diào)整制動壓力等進(jìn)行,以減小顫振的發(fā)生, 但是這種方法是以犧牲制動效率為代價的。3 減 振 措 施車輛要

15、想高速運(yùn)行和制動平穩(wěn)就必須有較好的減震措施，我國目前的減振方式也有以前的單一的剛彈簧減振轉(zhuǎn)為多種減振方式共同減振，例如剛彈簧減振、橫向和垂向油壓減振器減振，其中只得以提的是運(yùn)用于高速列車具有較好減振措施的空氣彈簧減振?？諝鈴椈蓱覓煜到y(tǒng)具有理想的反s形非線性剛度特性，在正常工作范圍內(nèi)剛度很低，而振幅較大時其剛度具有陡增的特點(diǎn)，可以限制車體發(fā)生過大的位移?？諝鈴椈蛇€能夠有效地吸收高頻振動和隔離噪音，并且由于自動高度控制閥的采用使空氣彈簧懸掛可以保持地板高度不隨車輛靜載荷的變化而發(fā)生變化（除一系懸掛和車輪磨耗外）即空氣彈簧具有恒定的工作高度。此外，更為重要的是，隨著空氣彈簧技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是低橫

16、向剛度、大扭轉(zhuǎn)變形空氣彈簧的實用化，使得無搖枕轉(zhuǎn)向架的研制成為可能。在無搖枕轉(zhuǎn)向架中，利用高柔性空氣彈簧低橫向剛度和允許大扭轉(zhuǎn)變形的特點(diǎn)，取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架二系懸掛結(jié)構(gòu)中的搖動臺和搖枕裝置而采用空氣彈簧直接支承車體，使轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)大為簡化，減輕轉(zhuǎn)向架的重量8001000kg，實現(xiàn)了輕量化，同時提高了轉(zhuǎn)向架的易維護(hù)性和安全可靠性。相同條件下，決定空氣彈簧剛度特性的主要因素是橡膠囊的形狀、材質(zhì)、簾線角以及上蓋和下座的幾何參數(shù)等。此外，所采用的金屬疊層橡膠輔助彈簧的形式對空氣彈簧系統(tǒng)的性能也有重要影響。一般對于采用空氣彈簧懸掛的車輛要求車輛垂向和橫向的低頻自振頻率不大于1hz。評價空氣彈簧性能的主要參

17、數(shù)有：有效直徑，約450640mm。垂直靜/動剛度，垂直靜剛度一般為0.30.4mn/m。水平靜/動剛度，水平靜剛度一般為0.150.2mn/m。最大允許的垂向位移，±30mm。最大允許的橫向位移，±60120mm。工作高度，約200300mm。3.1空氣彈簧減振與空氣彈簧相比，鋼彈簧由于具有線性剛度特性，使其在軌道交通車輛上的應(yīng)用受到限制，這主要有兩方面的原因：（1）在高速軌道交通領(lǐng)域剛彈簧不能夠大幅度提高車輛懸掛系統(tǒng)靜撓度以降低車體的自振頻率，尤其是車輛的載客量較大時；（2）城市軌道交通車輛的載客量大而且要求地板高度在不同載客量時基本不變，鋼彈簧不具備這種特性總之，空氣

18、彈簧懸掛的采用可以顯著提高車輛系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性，大大簡化轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向架實現(xiàn)輕量化和易于維護(hù)。一般來講，軌道交通車輛對空氣彈簧的采用可以分為三個階段：利用空氣彈簧的垂向特性，提高車輛系統(tǒng)的垂向運(yùn)行平穩(wěn)性；空氣彈簧的垂向和橫向特性并用，取消轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置中的搖動臺，簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)；充分利用大變位（包括扭轉(zhuǎn)）、低橫向剛度空氣彈簧的三維特性，取消搖枕，徹底實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置的輕量化，同時使抗蛇行運(yùn)動減振器的采用成為可能，可更好地協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性和良好的曲線通過性能之間的矛盾3.2 空氣彈簧懸掛系統(tǒng)的構(gòu)成 圖-3 空氣彈簧懸掛系統(tǒng) 1.空氣彈簧 2.高度控制閥 3.高度調(diào)整連桿

19、4. 高度調(diào)整杠桿5.列車風(fēng)源 6.排氣口 7.節(jié)流孔(閥) 8. 附加空氣室 9.差壓閥空氣彈簧懸掛的整個系統(tǒng)如圖-3所示，主要由空氣彈簧本體、附加空氣室、高度控制裝置、差壓閥和節(jié)流孔(閥)等組成。該系統(tǒng)的工作原理為：車輛靜載荷增加時，空氣彈簧1被壓縮使空氣彈簧工作高度降低，這樣高度控制閥2隨車體下降，由于高度調(diào)整連桿3的長度固定，此時高度調(diào)整杠桿4發(fā)生轉(zhuǎn)動打開高度控制閥的進(jìn)氣機(jī)構(gòu)，壓力空氣由列車風(fēng)源5通過高度控制閥的進(jìn)氣機(jī)構(gòu)進(jìn)入空氣彈簧1和附加空氣室8，直到高度調(diào)整杠桿回到水平位置即空氣彈簧恢復(fù)其原來的工作高度；車輛靜載荷減小時，空氣彈簧1伸長使空氣彈簧的工作高度增大，高度控制閥2隨車體上升，同樣由于高度調(diào)整連桿3的長度固定，高度調(diào)整杠桿4發(fā)生反向轉(zhuǎn)動打開高度控制閥的排氣機(jī)構(gòu)，壓力空氣由空氣彈簧1和附加空氣室8通過高度控制閥的排氣機(jī)構(gòu)經(jīng)排氣口6排入大氣，直到高度調(diào)整杠桿回到水平位置。3.3 空氣彈簧在不同轉(zhuǎn)向架中的應(yīng)用空氣彈簧二系懸掛的結(jié)構(gòu)有三種基本形式的應(yīng)用：搖動臺式、有搖枕式和無搖枕式。這三種形式既是依次進(jìn)步的，也是共同并存的，三者對空氣彈簧性能的要求有很大的區(qū)別。對于用于有搖動臺和搖枕裝置的轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧主要是利用了其低的垂向剛度而二系懸掛低的橫向剛度主要有搖枕吊桿裝置提供，對空氣彈簧的縱向剛度沒有要求。車輛運(yùn)行中空氣彈簧的橫向位移很小，基本沒有縱向和扭轉(zhuǎn)位