轨道交通车辆动力学基础(二)

造成车辆的一侧车轮减载，另一侧车轮增载。 如果各种横向力在最不利组合作用下，车辆一侧车轮与 钢轨之间的垂向力减少到零，车辆有倾覆的危险。
车辆倾覆的三种情况： 1、曲线外倾覆：车辆在曲线上运行时，由于受风力、离 心力和横向振动惯性力等的作用及其不利的组合时，使车辆 向曲线外侧倾覆。这种情况一般发生在高速运行时； 2、曲线内倾覆：当车辆缓慢地驶入曲线时，由于车体内 倾，同时受侧向力（风力、振动惯性力等）的作用下，使车 辆向曲线内侧倾覆； 3、直线倾覆：当车辆在直线上运行时，由于受极大的侧 向风力作用，或者再加上由于线路原因造成车辆严重的横向 振动致使车辆倾覆。
道钉应力为屈服极限时的限度：
横向力Q单位为KN
Q 29 0.3Pst
屈服点：钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继 续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。 弹性极限：指金属材料受外力（拉力）到某一限度时，若除去外力，其变形（伸长）即消失而 恢复原状
1 P P 1 P 2 2
脱轨必要条件：
P
1 P2 P1 2
tana2 2 tana1 1 P 1 2 tana2 1 1 tana1 tana1 1 tana2 2 P 1 1 tana1 1 2 tana2
线路严重变形的限度： 对于木轨枕：
Pst 1 Pst 2 H 0.8510 2
对于混凝土轨枕：
Pst 1 Pst 2 H 0.8515 2
三、柔度系数及其标准：
欧洲铁路联盟（UIC）标准规定： 确定动态限界、防止车辆与沿线固定设备和移动设备相 碰撞而影响行车安全。 客车的柔度系数 ： 货车的柔度系数 ： （以装载状态为准）
P
P
（二）根据构架力H评定轮对抗脱轨稳定性：
Q1 t an a1 1 P 1 t an a 1 1 1 Q2 t an a2 2 P2 1 2 t an a2
H Q1 Q2
H Q1 Q2 Q1 P2 tana2 2 P P P P 1 1 1 1 1 2 tan a2
（一）根据车轮作用于钢轨的横向力Q评定车轮抗脱 轨稳定性：
P sin a Q cosa N P cosa Q sin a N
Q tana P 1 tana
爬轨条件： Q
tan a P 1 tan a
车轮脱轨系数
Q P
上式是一种最基本的脱轨条件，实际情形往往复杂得 多。脱轨系数不仅与 、 a 有关，而且与轮轨冲角、曲线 半径、车轮直径、运行速度以及轮轨之间的蠕滑力等因 素相关。
（二）防止车辆倾覆的安全措施 ：
对于车辆结构来说，车辆倾覆主要取决于车辆弹簧悬 挂装置的横向刚度和角刚度以及重心高度。 在一定外力的作用下，横向刚度越小，车体横向偏移 也越大；角刚度越小，车体倾角越大；重心越高，车体横 向偏移也越大。因此，增大其横向刚度、角刚度及降低重 心高度，对于防止车辆倾覆地效果较为显著。 为了既能改善车辆振动性能，又能防止车辆倾覆，通 常采用增大弹簧角刚度的办法。也就是在不增大弹簧垂直 刚度的前提下，尽量增大左右侧弹簧的横向间距来增大抵 抗车体侧向转动的反力矩，从而减小车体的倾角。此外， 可以采用抗侧滚减振器。
P P
轮重减载率
1 我国TB 449-76锥形踏面的 a1 68 ~ 70 a2 arctan 20 P 1 0.2 ~ 0.25，则 ≥0.65时，车轮有爬轨的危险。 P 我国规定轮重减载率为：
容许标准
安全标准
P 0.65 P P 0.60 P
（五）轮轨间最大横向力Q的标准：
tana2 数值不大，可 H 2 P2 tana1 1 P P 1 1 tana1 1 1
H 2 P2 P 1
轮对脱轨系数 我国轨道取 2 为0.24，当H的作用时间不大于0.05s时，轮对脱 轨系数，即：
容许值
（一）倾覆系数及评估标准：
Pd P2 ' P 1' 倾覆系数： D Pst P2 ' P 1'
GB 5599-85规定“试验鉴定车辆的倾覆系数应满足下列要求：
D 0.8
倾覆系数应在试验车辆以线路容许的最高速度通过时的运行 状态下测试。 试验鉴定车辆同一侧各车轮或一台转向架同一侧各车轮其倾 覆系数同时达到或超过0.8时，方被认为有倾覆危险。
轨道交通车辆动力学基础 （二）
董英荣 2016.11.12
车辆运行安全性只有在轮轨处于正常接触状态时才能 得到保证。 由于车辆在线路上运行时受到各种力的作用，在最不 利的组合情况下，可能破坏车辆正常运行的条件，使轮轨 分离，从而造成车辆脱轨或倾覆事故，这就称为车辆失去 运行安全性。
车辆运行安全性及其评估标准
（一）倾覆系数； （二）抗脱轨稳定性及其评估标准： （1）车轮脱轨系数 （2）轮对脱轨系数 （3）轮重减载率 （4）车轮跳轨 （5）横向力允许限度 （三）柔度系数
一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：
车辆在运行时受到各种横向力的作用，如风力、离心力、
线路超高引起的重力横向分量以及横向振动惯性力等，从而
a 68 ~ 70 我国车辆标准车轮轮缘角 a 69 12，实测结果 摩擦系数 一般为0.20～0.30。


确定脱轨系数的允许限度时，可取摩擦系数的上限0.3～ 0.35，取 a 的下限。 当
a 68 0.32

Q 1 .2 P
根据GB 5599-85轨道，当横向力作用时间大于0.05s时，脱轨 系数： Q Q 安全值： 1.0 容许值： 1.2
二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：
车轮给钢轨的横向力Q很大，垂向力P很小，新的接触点 逐渐移向轮缘根部，车轮逐渐升高。 轮缘上接触点位置到达轮缘圆弧面上的拐点，即轮缘根 部与中部圆弧连接处轮缘倾角最大的一点时，就达到爬轨 的临界点。由于轮缘倾角 变小，车轮有可能逐 渐爬上钢轨直到轮缘 顶部达到钢轨顶面而 脱轨。
S 0 .4
S 0 .2
我国采用的安全性评定标准
评价指标 表达式 容许值 安全值 1.2 1.0 车轮脱轨系数 Q/P 脱 轮对脱轨系数 1.2 1.0 H 2 P2 / P1 轨 车轮跳轨 Q/P 0.04/t 系 P / P 0.65 0.6 轮轴减载率 数 29 0.3Pst 19 0.3Pst Q 轮轨最 道钉 大横向 轨 木 0.8510 P H st 1 P st 2 / 2 力 枕 0.8515 P H st 1 P st 2 / 2 混凝土 0.8 倾覆系数 D Pd / Pst
H 0.24P2 1.2 P 1
安全值
H 0.24P2 1.0 P 1
（三）车轮跳轨的评定指标：
侧向力只在很短的时间内起作用，并认为侧向力作用 时间大于0.05秒时为爬轨，小于0.05秒时为跳轨。据此， 有些国家的脱轨系数安全指标为： 对于侧向力作用时间大于0.05秒时，采用前述的车轮 脱轨系数标准。 对于侧向力作用时间小于0.05秒时为：
轮对脱轨方式
爬轨：车轮爬上钢轨需要一定时间，这种脱轨方式称为 爬轨，一般发生在低速通过小半径曲线时。 （车体内倾） 跳轨：在高速情况下，由于轮轨之间的冲击力造成车轮 跳上钢轨，这种脱轨方式称跳轨。 掉轨：当轮轨之间的横向力过大，使轨距扩宽，使车轮落 入轨道内侧而脱轨。特别是车辆在不良线路上高速 运行和长大货物车通过曲线时，会有这种情况。
GB 5599-85轨道“推荐应用横向力运行限度鉴定试验车辆在 运行过程中是否会导致轨距扩宽（道钉拔起）或线路产生严重 ， 变形（钢轨和轨枕在道床上出现横向滑移或挤翻钢轨），按车 辆通过时对线路的影响，横向力的允许限度采用以下标准： 道钉拔起，道钉应力为弹性极限时的限度：
，
Q 19 0.3Pst
Q 0.04 P t
我国对轮轨瞬时冲击而造成车轮跳轨的脱轨系数无明确规定。
（四）根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性 ：
H Q1 P2 tana2 2 P P P 1 1 1 1 2 tan a2
Q1 tana1 1 P1 1 1 tana1
H 0
P2 tana2 2 tana1 1 1 tana 1 tana P 1 2 2 1 1