车辆工程-第五章 铁道车辆的运行性能

第二节 车辆运行品质及其评估标准
▪ gc=0.1g，一般旅客能承受不频繁的这种 未被平衡的离心加速度
我国铁路用限制欠超高的形式来保证列车通 过曲线时的安全性和旅客舒适度： ▪ 等级较高的线路：hd<70mm ▪ 一般线路：hd<90mm ▪ 既有线路上提速：hd≤110mm
第五章 铁道车辆的运行性能
第五章 铁道车辆的运行性能
浮沉振动
伸缩振动
摇头振动
车体下心滚摆
点头振动
车体上心滚摆
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
二、与轨道有关的激振因素 1. 钢轨接头处的轮轨冲击
轮轨接触点跳跃形成轮轨之间的冲击， 如图5－1所示：
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
车轮上受到的冲量为： S＝MwΔV ＝ MwVaθ Mw－ 每个车轮上 的簧下质量
第二节 车辆运行品质及其评估标准
未被平衡的离心加速度与欠超高之间的关系
未被平衡 的离心加 速度gc
欠超高hd
0.05g 75mm
0.073g 0.077g 0.1g 110mm 115.5mm 150mm
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
（二）曲线限速及提速措施 列车在曲线上的限速为：
GB5599－96规定的客车容许倾覆系数D<0.8 二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准
三种脱轨方式： • 爬轨：发生在低速情况 • 跳轨：发生在高速情况 • 脱轨：横向力过大，车轮落入轨道内
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
（一）根据轮对作用于钢轨的横向力Q评定车 轮脱轨稳定性，如图5－39所示：
P
tan
－车轮脱轨与不脱轨的临界值
1 tan
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
（二）根据构架力H评定轮对抗脱轨稳定性
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
根据左右轮轨接触斑A、B上的各力平衡的 条件可得：
Q1
P1 Q2
tan1 1 1 1 tan1
tan2 2
P2 1 2 tan2
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
左右轮轨给左右接触斑的水平力Q1、Q2是 由构架力产生的，从图中可知：
H=Q1-Q2
则有：
H Q1 Q2 Q1 P2 tan2 2 P1 P1 P1 P1 P1 1 2 tan2
可取tana2= 0，于是可得轮对脱轨条件：
θ－车轮通过接头
前后轮轨接触点与 轮心所张的角
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
2. 轨道的垂向变形 钢轨接头附近的下沉量比轨条中部大10％－
15％ 轮轨接触点垂向轨迹简化为半个正弦波或整
个余弦坡 在一些研究中，也有用其他周期函数来表示
轮轨接触点垂向轨迹
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
式中： Pst 无横向力作用时轮轨间的垂向静载荷
Pd 在横向力作用下轮轨间的垂向力变化量 P2 增载侧轮轨间的垂向力 P1 增载侧轮轨间的垂向力
当P1＝0时，D＝1，即倾覆的临界值 为了保证车辆不倾覆，倾覆系数D不能超过
临界值
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
4. 轨道的随机不平顺 （1）水平不平顺
定义：在直线区段，铁路两股钢轨顶面存 在的高差
在正线和到发线上在同一处的高差不应超 过4mm，其他线上不应超过6mm
在1m距离内的变化不应超过1mm
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
（2）轨距不平顺 定义：铁路实际轨距与名义轨距之间的偏 差，称为轨距不平顺 直线和曲线上容许偏差最宽不超过名义轨 距6mm，最窄不小于名义轨距2mm
令 P＝(P1＋P2)/2 ΔP＝(P2－P1)/2
则：
tan1 1 tan2 2
P P
1 1 tan1 tan1 1
1 2 tan2 tan2 2
1 1 tan1 1 2 tan2
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
P 为轮重减载率 P
tan1 1 tan2 2
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
轮对脱轨系数：
容许值为: 安全值为:
H 0.24 P2 1.2 P1
H 0.24 P2 1.0 P1
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
（三）根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性
在实际运用中发现，当横向力并不很大而 一侧车轮严重减载情况也有脱轨的可能。
第一节 引起车辆振动的原因
（4）方向不平顺 轨道中心线与理想轨道中心线的左右差，
称为轨道方向不平顺
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
三、与车辆结构有关的激振因素 1. 车轮偏心 2. 车轮不均重 3. 车轮踏面擦伤
4. 锥形踏面轮对的蛇行运动
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
Vh
(h hd )R 11 .8
提高曲线上的限速的可能性：
加大曲线半径R，但受到地形地貌的限制
增加h，但不能超过150mm
增加hd，该值与旅客舒适度有关
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
提高曲线上的限速的措施： 发展各种形式的摆式列车（Tilting train）
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
（四）国外车轮跳轨的评定标准 当轮轨间横向作用力的作用时间小于0.05s时
容许的脱轨系数为：
Q1 0.04 P1 t
t为轮轨间横向力作用时间（s）
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
四、客车、货车运行品质标准
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
五、客车在曲线上舒适性及其标准 （一）未平衡的离心加速度及其标准
列车通过曲线时，离心加速度为：
V2 ac R
(m/ s2)
或写成重力加速度g的倍数：
gc
V2 gR
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
一、动荷系数
横向动荷系数： 垂向动荷系数：
K ld
Pld Pst
Kvd
Pvd Pst
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
二、车体加速度的幅值
横向加速度幅值： al
z0
2 z
垂向加速度幅值：
av
y0
2 y
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
三、Sperling平稳性指数 1. 位移对时间的三次导数，即：
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
车体有6种可能的运动方式：
• 沿x、y、z轴三个方向的直线运动 • 绕x、y、z轴的回转运动θ、φ、ψ • 车体在空间的位置由以上6个广义坐标
来确定 车体的运动是上述6种运动形式的组合 在车辆动力学中对6种运动形式的命名如下：
第五章 铁道车辆的运行性能
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
求车轮爬轨条件：
Psin Qcos N N Pcos Qsin
解方程可得：
Q tan P 1 tan
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
则车轮爬轨条件为：
Q tan P 1 tan
Q －称为轮对脱轨系数
第一节 引起车辆振动的原因
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
浮沉运动：车体沿z轴方向所作的平行位移 横摆运动：车体沿y轴方向所作的平行位移 伸缩运动：车体沿x轴方向所作的平行位移 摇头运动：车体绕z轴的回转ψ 点头运动：车体绕y轴的回转φ 侧滚运动：车体绕x轴的回转θ
第二节 车辆运行品质及其评估标准
若
hd
SV 2 gR
-h 0
即离心加速度小于
重力加速度横向分 量，hd称为过超高
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
若
hd
SV 2 gR
-h 0
即离心加速度等于重 力加速度横向分量， 这时的列车速度称为 平衡速度或均衡速度
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
3. 轨道的局部不平顺 车辆通过曲线时轨道在垂向的超高，横向的
方向变化、曲率半径变化和轨距的变化 车辆通过道岔的辙叉部时有上下运动，在横
向有方向和曲率变化 轨道存在上坡下坡、钢轨局部磨损、擦伤，
路基局部隆起或下沉 气温变化引起涨轨
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
（3）高低不平顺 定义：轨道中心线上下的不平顺称为高低 不平顺 长度在4m以下的高低不平顺会引起轮轨 间很大的作用力 长度在100－300mm范围内有3mm的高低 不平顺，当车辆以90km/h通过时的轮轨 冲击力是轮轨静压力的三倍
第五章 铁道车辆的运行性能
(z0 2f
)2
2Ed Mc
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
Sperling平稳性指数是把反映车辆冲 动和反映振动动能的乘积作为衡量标准来 评定车辆运行品质，即：
W
2.710
z03
f
5F(
f
)
0.89610
a3 f
F(
f
)
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
Vh
(h hd ht )R 11.8
ht－车体倾摆后的当量超高（mm）
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准 车辆在横向力作用下可能倾覆的程度用倾覆
系数D来表示，即：
D Pd P2 P1 Pst P2 P1
第五章 铁道车辆的运行性能
采用外轨超高以减少 离心加速度，如图5－ 37（a）所示。此时未 平衡的离心加速度为：
gc
V2 gR
-
h S
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
或写成：
gcS hd
SV 2 gR
-h
若
hd
SV 2 gR
-h 0
即离心加速度大于重
力加速度横向分量， hd称为欠超高
第五章 铁道车辆的运行性能
第五章 铁道车辆的运行性能
本章重点：
第一节 引起车辆振动的原因 第二节 车辆运行品质及其评估标准 第三节 车辆运行安全性及其评估标准
第五章 铁道车辆的运行性能
第一节 引起车辆振动的原因
一、车辆的自由度、广义坐标和振型 车辆的车体一般来讲有6个自由度 用6个广义坐标来确定车体的位置：
• 车体的质心o为广义坐标系统的原点 • x轴与车辆前进方向一致 • y轴水平向右 • z轴垂直向下
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
Q1 H P2 tan2 2 H 2P2 tan1 1
P1 P1 P1 1 2 tan2
P1
1 1 tan1
H 2P2 －称为轮对脱轨系数
P1
我国规定 取2 0.24，当H的作用时间大于0.05s
时，轮对脱轨系数为：
... .
z a （加速度变化率），两边乘以 M c
.
Mc
...
z
Mc
.
a
.
F
...
， 即：z
F Mc
代表力的变化
第五章 铁道车辆的运行性能
第二节 车辆运行品质及其评估标准
2. 振动时的动能大小，车体振动时的最大动 能为：
1 2
Mc
.2
z
1M 2
Hale Waihona Puke Baiduc( z0 )2
1 2
Mc (z0 2f
)2
Ed
所以
当
P P
1 1 tan1 tan1 1
1 2 tan2 tan2 2
时
1 1 tan1 1 2 tan2
称为轮重减载率的临界值
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
当 P 0.65 时，车轮有爬轨的危险 P
我国规定的轮重减载率为： 容许标准： P 0.65 P 安全标准： P 0.60 P
第二节 车辆运行品质及其评估标准
根据试验和实践证明，未被平衡的离心加速 度有如下经验数据： ▪ g无c<明0.显04感g，觉旅客对未被平衡的离心加速度 ▪ g速c=度0.，05但g，无旅不客舒能适觉的察感未觉被平衡的离心加 ▪ g平c=衡0.的07离7g心，加一速般度旅客能长时间承受未被
第五章 铁道车辆的运行性能
分析下式：
H Q1 Q2 Q1 P2 tan2 2 P1 P1 P1 P1 P1 1 2 tan2
令H＝0，并将式
Q1 tan1 1 P1 1 1 tan1
代入上式得：
第五章 铁道车辆的运行性能
第三节 车辆运行安全性及其评估标准
P2 tan2 2 tan1 1 P1 1 2 tan2 1 1 tan1