机车车辆轨道系统动力学

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出版者:中国铁道出版社
作者:
出品人:
页数:242
译者:
出版时间:1996-01
价格:13.40
装帧:平装
isbn号码:9787113020477
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具体描述

内 容 简 介

本书将机车车辆和轨道作为一个系统,研究机车车辆与轨道间的相互作用问题。

主要内容包括:基础知识――轮对与轨道接触几何学,蠕滑,轨道不平顺;机车车辆沿

直线轨道运行中的动力学问题――运动方程的矩阵组装法,机车车辆横向稳定性,机

车车辆对轨道不平顺的响应;机车车辆沿圆曲线和非圆曲线运行中的轮轨相互作用

问题;粘着、滑动和轴载荷的转移;轮轨系统对钢轨接头及存在于轮轨表面的“扁瘢”

和擦伤等的冲击响应。

本书可作为铁路高等学校机械工程系和土木工程系高年级学生和研究生的教学

参考书,也可供有关人员在研究机车车辆(含地下铁道和“轻轨”铁道的动车和拖车)

与轨道相互作用或汽车动力学等问题时参考。此外,“矩阵组装法”(附有程序)还可

供处理一般工程振动时,为自由度数量众多的多刚体系统简捷有效地列出运动方

程;有关稳定性和响应等部分供在分析研究多自由度系统的固有振动、强迫振动、自

激振动、非稳态振动和随机振动等问题时参考。

铁轨之上:现代交通的脉搏与未来 本书聚焦于现代交通运输体系中最核心、最基础的物理学与工程学原理,深入剖析了高速铁路、城市轨道交通以及传统货运铁路系统在运行过程中所面临的复杂动力学挑战。我们并非探讨车辆的结构设计或信号控制,而是将焦点完全集中于“车——轨”相互作用这一瞬时、动态且至关重要的物理现象。 第一部分:基础力学与系统建模 本章首先为读者构建了一个坚实的理论基础,涉及牛顿-欧拉力学在多体系统中的应用,特别是针对轨道车辆的刚体和柔体运动学建模。我们详细阐述了如何从宏观运动(如直线运动、爬坡、转弯)过渡到微观的接触力学分析。重点在于阐明: 车辆-轨道耦合系统: 传统的分析方法往往将车辆和轨道视为独立系统,而本书强调两者之间不可分割的反馈机制。我们介绍了如何建立车辆的垂向、侧向和旋转运动方程,并将其与轨道的弹性变形、波传播特性联系起来。 轮轨接触几何学: 轮轨接触点是所有动力学现象的源头。本节详尽讨论了基于阿德莱斯-布歇(Adhesion-Bouchot)理论和现代解析几何学在车轮踏面和钢轨廓形匹配上的应用。通过引入非线性函数描述接触椭圆的尺寸和位置变化,精确预测接触斑点处的法向力与切向力的分布。 基础振动分析: 引入模态分析的概念,识别车辆系统(如转向架、车体)的固有频率和振型。这对于理解车辆在不同速度下可能出现的共振现象至关重要。同时,对轨道结构(扣件、轨枕、扣件系统)的离散化处理,建立多自由度轨道梁模型,是后续研究动态响应的基础。 第二部分:轮轨相互作用的非线性现象 轨道交通系统的动力学复杂性主要源于轮轨接触界面的高度非线性特性。本部分深入探讨了导致系统失稳和乘坐舒适性下降的关键物理过程。 蠕滑理论的精细化研究: 传统的卡森-福克(Kassner-Fukuta)蠕滑理论在低蠕滑率下表现良好,但对于高速运行或紧急制动工况下的高蠕滑率,需要更精确的描述。我们引入了基于黏滑转化区域的精细化模型,详细分析了横向蠕滑与纵向蠕滑之间的交互作用如何影响驱动与制动的效率。 蛇行运动与稳定性分析: 蛇行运动是高速列车在直线轨道上固有的不稳定性现象。本章运用李雅普诺夫稳定性判据和特征值分析方法,探讨了系统参数(如轴距、导向刚度、阻尼比)对临界蛇行速度的影响。并通过分析反馈机制,提出如何通过优化悬挂系统参数来抑制或延迟蛇行失稳的发生。 轮对的侧滚与爬坡: 在曲线轨道上,轮对的侧滚运动是保证车辆安全通过的关键。我们运用赫兹接触理论结合运动学约束,分析了轮缘与钢轨侧面的接触过程,并讨论了侧滚角、横向力的积累如何影响轮缘磨耗和脱轨风险。 第三部分:轨道系统的动态响应与波传播 轨道系统并非一个静态的支撑结构,而是一个具有自身动力特性的弹性波导。本章关注外部激励(车辆荷载)在轨道上传播的方式及其对系统整体性能的影响。 轨道梁的离散化与连续体模型: 比较了将轨条视为连续弹性梁模型与考虑扣件和轨枕离散特性的有限元模型。重点在于分析如何准确地模拟钢轨的弯曲、扭转和局部变形。 冲击载荷与轨道冲击: 当车轮出现跳动或严重剥离时,会在轨道上产生高频、高幅值的冲击载荷。本节利用傅里叶变换分析车轮不圆顺度对轨道动应力的影响,并探讨了如何通过优化轨枕间距和扣件刚度来分散冲击能量。 轨道振动与噪声源: 轨道振动是向周围环境辐射噪声的主要路径。我们应用声-固耦合理论,分析了车辆-轨道作用力如何激发轨面和轨下结构产生辐射噪声。同时,讨论了在扣件和轨枕下放置隔振垫层对降低轨道振动传递的有效性。 第四部分:系统辨识与主动控制策略 现代轨道交通对安全性和舒适性的要求越来越高,这驱动了动力学研究向主动控制和精确状态监测方向发展。 模态参数识别技术: 介绍如何利用车载传感器采集的加速度和轮轨力数据,应用频域分解(FDD)或随机子空间辨识(SSI)等系统辨识方法,精确反演出实际运行工况下的车辆和轨道关键模态参数。 主动悬挂与导向控制: 阐述了基于线性二次调节器(LQR)和滑模控制等先进控制理论,设计主动悬挂和主动导向系统以抑制车体振动和轮对蛇行。重点在于如何实时补偿非线性蠕滑力带来的不稳定因素。 轨道状态监测与预测性维护: 将动力学模型应用于轨道状态评估。通过分析车辆在通过特定路段时动态响应的变化,实现对轨道扣件松动、轨枕下沉或焊接缺陷的早期识别,从而变被动维修为预测性维护。 本书旨在为轨道交通设计工程师、结构动力学研究人员提供一个全面、深入且注重实际应用的动力学分析框架,是理解和优化现代轨道交通系统运行性能的必备参考。

作者简介

目录信息

目 录
绪 论
第一章 轮轨接触几何学
第一节 轮轨接触几何学参数
第二节 轮轨外形的测量
第三节 轮轨接触几何学参数的计算方法
第四节 计算实例
第二章 蠕 滑
第一节 基本概念
第二节 蠕滑理论的发展
第三节 切向力作用下轮轨滚动接触理论
第四节 Kalker滚动接触蠕滑理论
第五节 实验工作简介
第三章 轨道不平顺
第一节 轨道不平顺的分类
第二节 轨道不平顺的定义
第三节 轨道不平顺的功率谱密度
第四节 轨道不平顺的测量方法和典型的测量结果
第五节 滚动线偏距
第六节 轨道不平顺的互谱密度
第四章 运动方程――矩阵组装法
第一节 运动方程的计算机形成
第二节 变换矩阵法的原理和应用
第三节 轮轨接触力
第四节 蠕滑系数和接触刚度的处理
第五章 机车车辆横向稳定性
第一节 基本概念
第二节 线性模型及特征值和特征向量的处理
第三节 交叉支撑式转向架的横向稳定性
第四节 转向架式机车横向稳定性
第五节 非线性模型
第六节 改善机车车辆蛇行稳定性的措施
第六章 机车车辆对轨道不平顺的响应
第一节 响应研究的现实意义
第二节 垂向响应和横向响应
第三节 非齐次运动方程的求解法
第七章 机车车辆对轨道随机不平顺的响应
第一节 单轴车对轨道随机不平顺的垂向响应
第二节 二轴车对轨道随机不平顺的垂向响应
第三节 轨道结构的力学模型
第四节 机车车辆对轨道随机不平顺的垂向响应
第五节 机车车辆对轨道随机不平顺的横向响应
第八章 机车车辆簧上部分对轨道离散不平顺的垂向响应
第一节 力学模型
第二节 运动方程组
第三节 运动方程组的时域解法――四阶Runge-Kutta法
第四节 运动方程组的频域解法――FFT法
第九章 机车车辆振动水平的评估
第一节 Sperling平稳性指标
第二节 英国铁路的平稳性指标
第三节 平稳性指标在我国的应用
第四节 ISO2631法
第五节 ISO法在机车车辆上的应用问题
第十章 数学模型的验证
第一节 模型的验证
第二节 C116委员会和BR的工作
第三节 结束语
第十一章 稳态曲线通过
第一节 历史的回顾
第二节 蠕滑率
第三节 蠕滑 力
第四节 轮对转速
第五节 有效推力
第六节 欠超高和车轮的增减载
第七节 运动方程――二轴车
第八节 运动方程――H型转向架
第九节 运动方程――三大件式转向架
第十节 蠕滑引导和轮缘引导
第十一节 稳态曲线通过的性能指标
第十二节 稳态曲线通过理论的验证、应用和发展
第十二章 动态曲线通过
第一节 轨道模型
第二节 蠕滑力―堆滑率模型
第三节 B0―B0机车动态曲线通过的运动方程
第四节 B0―B0机车动态曲线通过计算实例
第十三章 轮轨间的粘着与滑动
第一节 车轮在滑动过程中切向力随滑动率的变化
第二节 粘着系数的几种不同定义
第三节 粘着系数的变化范围以及和滑动率的关系
第四节 机车结构因素及运行速度对粘着系数的影响
第五节 轨道结构对粘着系数的影响
第六节 其它一些因素对粘着系数的影响
第七节 车轮空转和滑行的防止方法
第八节 轮对的粘滑振动
第十四章 牵引力作用下的轴载荷转移
第一节 轴载荷转移研究的发展概况
第二节 B0―B0―B0式机车的轴载荷转移计算
第三节 影响轴载荷转移的机车结构因素
第四节 牵引销的高度
第五节 轴载荷转移的最小极限值
第六节 根据理论计算公式求取h的最佳值
第七节 轴载荷转移极限值的进一步讨论
第八节 斜牵引拉杆的作用
第九节 牵引电动机全悬挂时的轴载荷转移
第十五章 轮轨系统的冲击响应
第一节 引 言
第二节 力学模型
第三节 运动方程组及其求解法
第四节 确定P2力的简化模型
第五节 Lyon模型的应用
第六节 P1和P2力的许用值
第七节 车轮扁瘢的动力学效应
附 录
参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书的排版和语言风格,着实让人体验了一把“硬核”的学术阅读之旅。它的文字密度极高,几乎没有多余的修饰词或者引导性的过渡句。每一页都塞满了复杂的微分方程组和矩阵运算,仿佛作者在用一种近乎密码学的方式来阐述他的观点。我尝试着跟着作者的思路去理解那些关于“随机扰动下系统响应的渐进稳定性”的论证,但很快就被那些层出不穷的希腊字母和下标符号淹没了。更令人抓狂的是,书中的插图少得可怜,好不容易出现一个图表,也往往是抽象的特征值曲线或模态形状示意图,缺乏实际的物理场景对照。这使得许多关键概念,比如“小幅值振动”与“大幅值振动”的分界点,完全依赖于读者自身的经验积累去想象。我花了大量时间在查阅参考文献和搜索专业术语上,这严重打断了阅读的流畅性。这本书显然是为那些已经对轨道车辆动力学有深厚背景的学者量身定制的,对于初入此领域的新手来说,这简直是一道难以逾越的高墙。它更像是一份内部研究报告的合集,而非一本旨在普及知识的教材。

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我必须承认,尽管阅读过程充满荆棘,这本书在理论深度上达到了一个令人敬佩的高度。它并没有停留在常见的线性化模型上,而是勇敢地深入探讨了非线性效应的复杂影响。特别是关于“转向架耦合振动”的章节,作者引入了一种基于李雅普诺夫函数的方法来分析系统在外部激励下的长期行为,这在同类书籍中是极为罕见的。这种分析的精妙之处在于,它试图揭示那些在常规频域分析中容易被忽略的、可能导致灾难性后果的潜在不稳定性源泉。然而,这种极致的深度也带来了清晰度的牺牲。书中对于如何将这些高度复杂的理论模型转化为可验证的仿真参数,几乎没有提供任何实用指导。例如,在讨论到轨道不平顺对车辆影响时,它只给出了随机过程模型的统计特性,却没提及如何从实测数据中可靠地提取这些参数。这使得我对理论的掌握停留在“知其然,而不能知其所以用”的阶段。我感觉自己像个刚学会了微积分的物理学家,被扔进了一个需要应用量子场论才能解决问题的研究前沿。

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阅读这本《机车车辆轨道系统动力学》的过程,更像是一次智力上的“探险”,而非知识的“获取”。作者的视角非常独特,他似乎更倾向于将整个轨道交通系统视为一个巨大的、处于临界平衡状态的物理实体,任何微小的扰动都可能被放大。这种宏大叙事的能力令人印象深刻。书中对“能量耗散机制”的分析尤其深刻,它巧妙地运用了耗散函数和能量守恒定律,来解释为什么某些特定的轮轨接触状态会导致系统快速进入非稳态。然而,这种“宏大”往往是以牺牲具体细节为代价的。例如,在讨论到轴箱的悬挂系统对车体振动传递的影响时,作者的描述过于笼统,仅仅提到了刚度和阻尼比对主共振峰的影响,却没有深入分析不同类型减震器(如橡胶垫、液压减震器)在实际温度和载荷变化下的非线性特性。对于一个想深入了解车辆部件选型和参数优化的读者来说,这本书提供的理论支撑是丰满的,但工程指导价值却略显单薄。它为我们描绘了动力学的蓝图,但建造房子的砖块和水泥,我们还需要去别处寻找。

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《机车车辆轨道系统动力学》这本书,恕我直言,它在某些方面简直是本“反直觉”的学术著作。我原以为我会看到大量关于车轮与钢轨接触几何的精细建模,或是深入探讨粘着系数变化的复杂分析。然而,这本书的重心似乎更多地放在了系统的稳定性和振动模式的定性描述上,而非具体的数值计算和工程应用细节。例如,它花了相当大的篇幅来讨论“平稳性”这一概念,用了一些我不太熟悉的拓扑学工具来描绘车辆运动状态的相空间轨迹。初读时,我感到有些困惑,因为书中的公式推导往往在关键的物理意义阐释上戛然而止,留下大量的空白让读者自行脑补。我期待的是那种能让我合上书本后,立刻能拿起CAD软件或者有限元分析工具进行实际操作的指导,但这本书给我的感觉更像是在哲学层面探讨轨道交通系统的“存在性”危机。它挑战了我固有的认知,即动力学研究必须以精确的数值解为最终目标。这种过于抽象的论述,对于那些急需解决实际轮轨磨耗问题的工程师来说,恐怕会觉得有些“空中楼阁”。总体来说,如果把动力学比作一门烹饪艺术,这本书更像是在讨论食材的本源和火候的哲学,而不是具体的菜谱。

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这本书的结构安排,给我的感觉是极度不平衡的。前三分之一的内容似乎是关于基础理论的铺陈,虽然枯燥,但尚算严谨。但进入到中段,内容突然跳跃到了极其前沿和细分的领域,比如“柔性轨道-车辆耦合系统的多尺度建模”。这种突兀的加速让我措手不及,仿佛作者在介绍完牛顿定律后,下一章就开始讲弦理论了。我期待的是一个循序渐进的知识构建过程,从基础的单轴动力学,逐步过渡到整车、线路耦合,最后才是前沿探索。但这本书似乎将“重点”完全倾斜于那些最难、最晦涩的部分,而对基础概念的复习和巩固则一带而过。这使得像我这样需要系统性学习的读者,在跨越那些鸿沟时缺乏必要的脚手架。它更像是一本针对特定研究方向的深度综述,而不是一本覆盖“机车车辆轨道系统动力学”全貌的教科书。如果作者能花更多篇幅梳理清晰不同模型之间的内在逻辑联系,而不是仅仅堆砌数学工具,这本书的价值可能会大大提升。

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