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图书分类

Book classification
  1. 本书是高等教育铁道机车车辆动力学方向教材。铁道车辆系统动力学是高速铁路、城轨列车、货物列车设计、运营和维护的重要基础,关系到运营安全性、乘坐舒适性。我国高速列车从引进技术到引领世界技术,积累了丰富的动力学成果,作者所在课题组是其中最核心的研究团队,这为本书提供了先天条件。本书以铁道车辆动力学理论为基础,以我国高速列车引进消化吸收再创新为背景,以我国高速列车自主创新研发为目标,对铁道车辆系统动力学理论体系进行了梳理和完善,将我国高速列车动力学工程具体问题作为案例,是我国高速列车动力学近十年来的总结。本书内容涵盖了车辆动力学理论体系、边界条件、仿真分析、台架和线路试验等。...查看更多
  2. 前言



    我国铁路运输在21世纪取得了突飞猛进的发展。最近十年来,我国高速列车经历了一条从技术引进到消化吸收,最后自主创新的发展之路。最近具有自主知识产权的“复兴号”中国标准动车组投入运营,标志着我国高速列车技术进入了新阶段。近年来,城市轨道列车也取得了众多进展,开发出了各种城际列车、市域列车、地铁列车、低地板列车、跨座式列车和吊挂式列车。我国货车技术也在不断发展,包括各种稳定可靠的新型转向架、重载列车和提速快捷货车的深入研究和广泛运用。
    车辆系统动力学是铁道车辆的重要基础理论,也是一门紧密结合工程实际的学科。我国在发展高速列车的过程中,车辆系统动力学发挥了重要作用,为高速列车悬挂参数优化、安全舒适地运行、减振降噪等相关动力学问题的解决提供了理论保障和研究平台,在车辆系统动力学的支撑下,我国高速动车组技术不断进步。不同形式的城轨列车补充了车辆系统动力学的研究内容,并且形成了具有特殊性的城轨车辆动力学评价体系、建模仿真方法和试验方法。我国货运列车除了向重载发展之外,近年来一直在研究高速快捷货运列车,这也离不开车辆系统动力学的支撑。在我国铁路运输不断发展的同时,车辆系统动力学也得到了大力发展,尤其是理论与工程结合,贯穿了每种车型的发展轨迹。我国铁道车辆在大量运营实践中发现了许多动力学现象和问题,为车辆系统动力学的研究提供了基础,大大丰富了车辆系统动力学的研究内容。
    近年来,我国学者出版了多本关于轨道车辆系统动力学的书籍,包括很多专著和教材。在对我校研究生授课过程中,以及和工程技术人员交流过程中,发现大部分专著针对性太强,不太适合相关工程技术人员基础知识学习和解决车辆工程实际问题,也不适合用于研究生课程“车辆系统动力学”的讲授。现有的教材要么内容过于宽泛,铁道车辆的专业知识篇幅较少;要么偏重于基础理论,缺乏与我国工程实践的结合,尤其是缺少我国高速列车领域最新的动力学研究成果和应用。在我国轨道交通快速发展的这十几年中,本书作者及所在团队有幸参与了这一过程并在车辆动力学领域做出了相应贡献,主研或参与了绝大部分动车组及大量货物列车、城轨列车的动力学研究,包括动力学仿真、台架试验和线路测试。为此,结合我们多年来在车辆系统动力学领域的部分研究进展和工程经验编写了这本书。本书既可用于研究生教学,也可以供相关工程技术人员参考。
    本书分为三个部分:第一部分是车辆系统动力学和相关学科的基础知识,包括振动力学理论、轮轨接触关系和蠕滑理论、车辆系统动力学研究概述以及车辆系统动力学边界条件;第二部分是车辆系统动力学理论,包括蛇行运动稳定性理论、车辆系统随机振动理论、车辆曲线通过理论、列车动力学等;第三部分是工程应用,包括动力学性能评价体系、动力学台架和线路试验、动力学仿真和控制等。很多工程应用实例分布在相关章节中,限于篇幅没有深入探讨,仅给出了基本过程和基本结论。本书注重基础理论和工程应用的融会贯通,更注重基本概念和知识点的深入理解,力求做到深入浅出,适应不同层次读者的需求。
    本书由罗仁编写了除第10章以外的章节,并最终统稿;石怀龙编写了第10章,并在后期对书稿进行了校正。本书部分内容引用了研究团队硕士和博士研究生的学位论文,特别是高浩、郝建华、干锋和李忠继的学位论文;部分工程应用实例参考了牵引动力国家重点实验室的相关报告,还有部分图片和示例来源于网络,在此一并致谢。
    感谢牵引动力国家重点实验室曾京教授、邬平波研究员、张卫华教授、戴焕云研究员、池茂儒研究员、王勇副研究员、王建斌博士及动强组各位老师的指导或帮助。特别感谢沈志云院士不辞辛劳为本书作序,并积极推动本书的修订和出版,鞭策着我们不断前进。感谢国家自然科学基金(51475388,U1334206,51005189)为本书的相关研究和出版提供的资助。
    限于作者水平,书中疏漏和不妥之处,敬请指正。

    罗 仁
    2017年9月 
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  1.  目录
    基础篇
    1  铁道车辆系统动力学概述 2
    1.1  铁道车辆的发展 2
    1.1.1  铁路运输的发展 2
    1.1.2  机车车辆的发展 3
    1.1.3  未来发展 5
    1.2  车辆系统动力学发展概述 6<br/>1.2.1  车辆系统动力学理论 6
    1.2.2  车辆系统动力学仿真 10
    1.2.3  车辆系统动力学试验 12
    1.3  车辆系统动力学研究概述 13
    1.3.1  车辆系统动力学主要研究方法 13
    1.3.2  车辆系统动力学的重要应用 16
    1.3.3  车辆系统动力学的难点 18
    2  车辆系统动力学理论基础 20
    2.1  多体系统动力学理论简介 20
    2.1.1  多体系统简介 20
    2.1.2  坐标系及姿态变换 22
    2.1.3  动力学模型 25
    2.1.4  数值积分 30
    2.2  振动理论简介 31
    2.2.1  线性振动 31
    2.2.2  非线性振动 41
    2.2.3  运动稳定性基本概念 45
    2.2.4  常微分方程几何分岔理论 49
    2.3  减振理论简介 55
    2.3.1  基本概念和分类 55
    2.3.2  两自由度系统 59
    2.3.3  动力吸振器理论 62
    2.3.4  RUZICKA隔振系统 66
    2.4  车辆运动姿态 70
    2.4.1  车辆运动姿态 70
    2.4.2  车辆悬挂模态 71
    2.4.3  轮轨约束 73
    3  轮轨接触和蠕滑理论 74
    3.1  车轮与钢轨型面 74
    3.1.1  车轮型面 74
    3.1.2  钢轨型面 79
    3.2  轮轨几何接触理论 81
    3.2.1  轮轨接触几何关系的定义 82
    3.2.2  轮轨接触几何关系的计算 90
    3.2.3  HERTZ和非HERTZ接触理论 101
    3.3  轮轨蠕滑率 111
    3.3.1  蠕滑率的定义 111
    3.3.2  简化的蠕滑率公式 113
    3.3.3  更完整的蠕滑率表达式 115
    3.4  轮轨滚动接触经典理论 116
    3.4.1  KALKER线性理论 118
    3.4.2  沈氏理论 120
    3.4.3  KALKER简化理论(FASTSIM) 121
    3.4.4  POLACH滚动接触理论 123
    3.4.5  轮轨法向力的求解 125
    3.4.6  各种蠕滑理论的比较和适用范围 127
    4  车辆系统动力学边界条件 130
    4.1  铁路轨道与线路 131
    4.1.1  典型线路 131
    4.1.2  轨道空间坐标描述 136
    4.2  轨道不平顺 140
    4.2.1  轨道不平顺类型 140
    4.2.2  轨道不平顺描述及常用轨道谱 146
    4.3  气动载荷 154
    4.3.1  常用的风载荷获取方法 154
    4.3.2  常用的风载荷类型 157
    理论篇
    5  车辆系统蛇行运动稳定性 162
    5.1  蛇行运动的基本概念 162
    5.2  轮对蛇行运动 164
    5.2.1  动力学方程 164
    5.2.2  蛇行运动规律及数值验证 170
    5.3  转向架蛇行运动 172
    5.3.1  刚性转向架 172
    5.3.2  柔性定位转向架 174
    5.3.3  转向架蛇行运动特征 176
    5.4  整车蛇行运动 180
    5.4.1  车辆横向模型 180
    5.4.2  车辆横垂耦合模型 185
    5.4.3  车辆蛇行运动特征 189
    5.5  蛇行运动分岔 193
    5.5.1  分岔类型和特征 194
    5.5.2  蛇行运动分岔图 198
    5.5.3  临界速度 201
    5.6  蛇行稳定性的影响因素 205
    5.6.1  轮轨因素 205
    5.6.2  一系、二系悬挂参数 207
    5.6.3  车辆结构参数 210
    5.6.4  车辆质量参数 212
    5.6.5  车间减振器 214
    6  车辆系统随机振动 216
    6.1  随机振动简介 216
    6.1.1  基本概念 216
    6.1.2  随机变量 217
    6.1.3  随机函数 219
    6.2  车辆系统垂向随机振动 220
    6.2.1  车辆垂向随机振动模型 220
    6.2.2  车辆系统垂向随机振动规律 227
    6.3  车辆系统横向随机振动 234
    6.3.1  车辆横向动力学模型 235
    6.3.2  轮轨蠕滑 235
    6.3.3  车辆横向随机振动规律 236
    6.4  乘坐性能的影响因素 238
    6.4.1  轮轨因素 238
    6.4.2  一系悬挂参数 239
    6.4.3  二系悬挂参数 240
    6.4.4  车辆结构参数 243
    7  车辆系统曲线通过性能 244
    7.1  蠕滑力导向机理 244
    7.1.1  纯滚线 244
    7.1.2  蠕滑力 245
    7.1.3  蠕滑力导向 246
    7.2  车辆曲线通过模型及分析 250
    7.2.1  车辆曲线通过动力学方程 250
    7.2.2  车辆稳态曲线通过 253
    7.2.3  车辆动态曲线通过 255
    7.3  车轮磨耗和损伤 257
    7.3.1  车轮磨耗 257
    7.3.2  车轮损伤 261
    7.4  车辆曲线通过性能影响因素 263
    7.4.1  动力学指标 263
    7.4.2  车辆曲线通过影响因素 263
    8  列车系统动力学 268
    8.1  列车动力学因素 268
    8.1.1  车钩缓冲装置 268
    8.1.2  牵引制动 271
    8.1.3  线路条件 274
    8.2  列车动力学模型 276
    8.2.1  采用单自由度车辆的列车纵向动力学模型 276
    8.2.2  列车横向动力学模型 277
    8.2.3  全自由度列车模型 278
    8.3  列车动力学应用 279
    8.3.1  列车连挂模拟 280
    8.3.2  司机驾驶模拟 281
    8.3.3  尾车晃动分析 284
    实践篇
    9  车辆系统动力学评价方法和指标 290
    9.1  蛇行运动稳定性 290
    9.1.1  渐进稳定性判断方法 290
    9.1.2  线路评判蛇行稳定性的方法 293
    9.2  运行平稳性 294
    9.2.1  SPERLING平稳性指标 295
    9.2.2  舒适度指标 296
    9.2.3  ISO2631振动性能 299
    9.2.4  运行品质 299
    9.3  运行安全性 301
    9.3.1  常规指标 301
    9.3.2  扭曲线路通过 303
    9.3.3  转向架转动系数 304
    9.4  其余动力学指标 304
    9.4.1  柔度系数 304
    9.4.2  P1、P2力 306
    9.4.3  轮轨磨耗指标 308
    10  车辆系统动力学试验 310
    10.1  比例模型及部件试验 310
    10.1.1  轮对试验 310
    10.1.2  悬挂元件试验 313
    10.1.3  转向架及车体试验 319
    10.1.4  弓网关系试验台 325
    10.2  整车台架试验 325
    10.2.1  整车滚动试验台 325
    10.2.2  整车振动试验台 326
    10.2.3  机车车辆滚动振动试验台 326
    10.2.4  整车参数试验台 330
    10.3  线路试验 332
    10.3.1  线路常规试验 332
    10.3.2  线路跟踪试验 336
    10.3.3  线路研究性试验 339
    11  车辆系统动力学仿真 340
    11.1  动力学仿真基本方法 340
    11.1.1  车辆动力学建模的基本方法 340
    11.1.2  动力学仿真常用软件 349
    11.2  动力学现象分析 353
    11.2.1  常规动力学现象 353
    11.2.2  车辆异常振动问题 353
    11.2.3  车辆晃动 358
    11.3  动力学性能预测和参数优化 364
    11.3.1  车辆动力学性能预测 364
    11.3.2  车辆系统参数优化 377
    12  车辆系统动力学控制技术 380
    12.1  铁道车辆半主动和主动控制 380
    12.1.1  半主动控制 381
    12.1.2  主动控制 384
    12.2  摆式列车 386
    12.2.1  摆式列车的基本原理 386
    12.2.2  摆式列车类型 388
    12.2.3  摆式列车工程应用 393
    12.3  径向转向架 394
    12.3.1  径向转向架的机理 394
    12.3.2  径向转向架的种类 395
    12.3.3  应用及效果 398
    参考文献 400
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