车辆系统动力学第二讲

图2-2（b）中各作用力分别向轮对接触点A的切线方 向和法线方向投影，可得： N=Pcos +Qsin T=Psin -Qcos （2-1）
Q——作用于轮缘上的横向力； P——作用于车轮上的垂向力； N——钢轨对车轮的法向反力； T——钢轨对车轮的切向反力； ——车轮轮缘角。
国际铁路联盟UIC规定Q/P≤1.2；德国ICE高速列 车试验标准Q/P≤0.8；日本既有线铁路提速试验 标准也规定Q/P≤0.8,；北美铁路则规定Q/P≤1.0.
第二章 车辆系统动力学指标 及评估标准
主要内容：
第一节 铁道车辆系统动力性能
第二节 车辆运行安全性及评判标准 第三节 车辆运行平稳性及评价标准
重点
介绍目前常用的Sperling评价方法以及 ISO标准。
第一节 铁道车辆系统动力性能
高速铁路动态安全性和运行舒适性的评价标准将直接 影响线路结构设计的安全性。衡量这些性能的主要指 标如下表。
我国制定的脱轨系数标准见下表。表中的第一限 度为合格标准，第二标准为增大了安全裕度的标 准。
2)、考虑作用时间的脱轨系数
在JR标准中，还考虑了轮轨间发生冲击时车轮的脱轨安 全性问题。考虑横向冲击力的作用时间t大于0.05s以上 时，以0.8作为标准值，若作用时间小于0.05s,将 Q/P=0.04/t所得的值作为标准值。
1）、不考虑作用时间的脱轨系数
脱轨系数最初由法国科学家Nadal提出，他是根据 爬轨侧车轮在脱轨临界状态时轮轨接触点上力的平 衡条件，推倒出的表达式。 假设车轮与钢轨接触点位于轮对中心线垂直平面内 （无轮对冲角），图2-2（a）所示的车轮处于脱轨 临界状态时的钢轨受力关系，接触斑处车轮受力如 图2-2（b）。
一、防止蛇行运动的稳定性
在轮轨间蠕滑力的作用下，车辆运行到达某一临界速度时 会发生蛇行失稳的自激振动即蛇行运动。
高速时的蛇行运动表现为轮对和转向架的激烈的横向振动， 它威胁到行车安全。
为此，要求车辆蛇行运动的临界速度Vc要远高于其最高 运行速度，以保证有足够的安全裕量。
此外，一辆车即使有足够的速度裕量，但如阻尼过小，仍有 可能在运行中收到某些激励致使振动不能很快衰减。
The end. Thank you!
那为什么有些人不会晕车，有些人却会晕呢?
内耳前庭器是人体平衡感受器官，可感受各种特定运动状态 的刺激。当我们乘坐的交通工具发生旋转或转弯时，或汽车 启动、加减速刹车、船舶晃动、颠簸，电梯和飞机升降时， 运动刺激被感受到。每个人对这些刺激的强度和时间的耐受 性有一个限度。
如果刺激超过了这个限度就要出现运动病症状。每个人耐受 性差别又很大，这除了与遗传因素有关外，还受视觉、个体 体质、精神状态以及客观环境（如空气异味）等因素影响， 所以在相同的客观条件下，只有部分人出现运动病症状。
因此，要求车辆的各种振型在运行速度范围 内应有足够的阻尼。
二、防止脱轨的稳定性 车辆运行时，在线路状态、运行条件、车辆结构 参数和装载等因素最不利的组合下可能导致车轮 脱轨。 评定防止车轮脱轨稳定性的指标用“脱轨系数”。
1、脱轨系数
定义：脱轨系数用于评定车辆的车轮轮缘在横向力作用
下是否会爬上轨头而脱轨。脱轨系数为爬轨侧车轮作用 于钢轨上的横向力Q与其作用于钢轨上的垂向力P的比值， 即Q/P 。 一直以来所使用的脱轨系数，无论从理论计算还是测量 数据整理上来看，均可以分为两类： （1）不考虑作用时间的脱轨系数，它是判定车轮是否有 可能对轨道产生“逐渐升高现象”而使用的脱轨系数。 （2）考虑作用时间的脱轨系数，它是为了判定当产生较 大的冲击性横向力时，车轮是否会有可能产生“腾空现 象”，是一种考虑了横向力作用时间的评价方法。
3) 第三个频率范围是16-32Hz的振动，对人体有不良 影响。
什么导致晕车晕船？
晕车晕船除了和人体的个体差异有关系以外还和人 体的前庭平衡感受器有关系。运动病又称晕动病，是晕 车、晕船、晕机等的总称。 它是指乘坐交通工具时，人体内耳前庭平衡感受器 受到过度运动刺激，前庭器官产生过量生物电，影响神 经中枢而出现的出冷汗、恶心、呕吐、头晕等症状群。
{车内的舒适性}最广义的乘坐舒适性 关于车内环境的事情（乘务员服务态度、其他乘客态度等）
{车辆的舒适性} 车内环境中的物理部分 （车辆内部装饰、温度湿度、车内噪声等）
（乘坐舒适度） 列车晃动、滚动等 （线路、轨道状态、车辆 状态等）
列车的振动从人体生理学的角度，有三个有害范围：
1) 第一个频率范围是小于1Hz的振动，会使人头晕； 2) 第二个频率范围是4-8Hz的振动，会使人迅速疲劳；
1、轮轨垂向力
设计载荷：是考虑了因车轮扁疤等因素引起的轮 轨动力冲击作用而采用的载荷。 最大扁疤引起的轮重可取静轮重的3倍，并将其 作为设计载荷。
德国联邦铁路规定，轮轨垂向力不允许超过极限 值170kN。我国 《高速试验列车动力车强度及动 力学性能规范》（95J01—L）规定
2、轮轨横向力
轮轨横向力的限值主要根据木枕线路道钉所能承受的 横向力极限、钢轨弹性和扣件的横向设计载荷来确定。 木枕钩头道钉轨道在过大的轮轨横向力作用下，表现 为道钉被挤出引起轨距扩大、道钉上拔引起钢轨转动 两种破坏形式。日本研究之后，提出了道钉挤压、拔 起的横向辆达到倾覆的临界状 态。此时，D=1。 因此为了防止车辆倾覆，必须满足D<1条件。我国《铁道 车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599-85）、 《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》 （95J01—L）规定D<0.8。
4、轨道结构动力作用评价标准
在提速及高速线路上，由于列车运行速度提高， 轮轨之间动力作用随之增加。必须对轮轨间的动 力作用加以限制。主要包括：轮轨垂向力、轮轨 横向力和轮轴横向力。
2)、轮重减载率
对于脱轨安全性指标来说最基本的就是脱轨系数。但 是，仅依靠脱轨系数来判定安全性，却不充分。其主 要原因是：
（1）轮重较小时与其对应的横向力一般也较小，计算脱轨系 数时受到轮重和横向力测量误差的影响就较大，因此要获得正 确的脱轨系数比较困难。 （2）垂向力较小时，使用该垂向力和与其对应的横向力得到 的脱轨系数很容易达到脱轨极限值；另一方面，单侧车轮轮重 减小时，另一侧车轮轮重一般会增大，此时极小的轮对冲角变 化会导致较大的横向力，从而加大了脱轨的危险性。 （3）根据多次线路试验来看，与其说脱轨系数值较大容易导 致列车脱轨，还不如说轮重减少的越多越容易导致列车脱轨。
因此，提出了轮重减载率这个指标评判机车车辆/动车 组脱轨的安全性。
我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》 （GB5599-85）、《高速试验列车动力车强度及动 力学性能规范》（95J01—L）
注：一般在过曲线时采用。
3、防止车辆倾覆的稳定性
车辆运行时，在侧向风力、离心力和横向振动惯性力的最不 利组合下可使车辆向一侧倾覆，车辆是否倾覆用倾覆系数D 来衡量。
为了考核列车的乘坐舒适度，需要对车体的振动加速 度进行评定，其评价指标主要包括平稳性指标、舒适 度指标。
评价铁道车辆乘坐舒适性最直接的指标是车体 振动加速度，为了更准确地对舒适度进行评价， 不仅要考虑加速度的大小，还要考虑加速度振 动频率的影响。我国铁路对对车辆运行的平稳 性分别按平稳性指标和车体振动加速度来评定。
第二节 车辆运行安全性及评价标准
车辆运行安全性主要涉及车辆是否会出 现脱轨和倾覆问题。 车轮脱轨根据过程不同大体可分为
爬轨脱轨 跳轨脱轨 掉道脱轨
车辆运行稳定性主要包括防止蛇行运动的稳定性、 防止脱轨的稳定性和车辆倾覆的稳定性。
评价指标：脱轨系数、轮重减载率，倾覆系数。
我国主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标。
用于舒适度的评价
F f 对于垂向振动和横向振动是不同的。
以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一振 动，但实际上车辆在线路上运行时的振动时随机的。在 整理车辆平稳性指数时，通常把实测的车辆振动加速度 按频率，求出每段频率范围的振幅值，然后对每一段计 算各自的平稳性指数 Wi，然后再求出全部频率段总的 平稳性分解，进行频谱分析指数：
二、运行舒适度指标评价方法 为了与国际接轨，我国铁道行业现已采用欧洲的 UIC513作为旅客乘坐舒适度的评价。
三、振动加速度评价方法
Aymax 2.5m/s 2 Az max 2.5m/s
2
思考题： 1、什么是自激振动、强迫振动和自由振动？ 2、蛇行运动属于哪一种？并阐述蛇行运动 的原理过程？ 请做PPT，用文字图片和视频进行举例阐 述。
测定客车车体垂直和横向加速度的加速度传感器安装 在距1、2位心盘一侧1000mm的车体地板面上，
图4-2 加速度测量点布置 1—垂直加速度传感器；2—横向加速度传感器
一、Sperling 平稳性指标
欧洲铁路联盟（UIC）以及前社会主义国家铁路合作组 织（OCKII）均采用Sperling平稳性指数来评定车辆的 运行品质和旅客乘坐舒适度，运行品质由车辆本身来衡 量，而舒适度则还与旅客对振动环境的敏感度有关。。
我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》 （GB5599-85）规定： （1）道钉拔起，道钉应力为弹性极限的限度：
（2）道钉拔起，道钉应力为屈服极限的限度：
欧美铁路根据试验结果，要求：
3、轮轴横向力
对于无缝铁路稳定性问题的研究表明，过大的轮轴 横向力是导致轨排横移、无缝线路动态失稳产生胀 轨跑道现象的最主要原因。
我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》 （GB5599-85）规定
我国 《高速试验列车动力车强度及动力学性能规 范》（95J01—L）和《高速试验列车客车强度及 动力学性能规范》（95J01—M）参照了UIC标准。
第三节 车辆运行平稳性及评价标准
乘坐舒适度的含义：
{旅行的舒适性} 关于旅行的事情（从准备到回忆的全过程） {利用铁路旅行的舒适性} 关于利用铁路旅行的事情（车站设备、购票难度等）