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1、第九章：铁道车辆的运行性能第九章：铁道车辆的运行性能 l对对铁铁道道车车辆辆运运行行性性能能或或运运行行品品质质的的评评价价，主主要要有两个方面：有两个方面：l一、一、运行平稳性运行平稳性，着重铁道车辆运行品质的，着重铁道车辆运行品质的l 舒适性；舒适性；l二、二、运行稳定性运行稳定性，着重铁道车辆运行的，着重铁道车辆运行的l 安全性。安全性。l各种振动是影响车辆运行品质的主要因素。各种振动是影响车辆运行品质的主要因素。l振动产生的原因及规律振动产生的原因及规律l改进铁道车辆运行品质的思路和措施。改进铁道车辆运行品质的思路和措施。10.1引起车辆振动的原因引起车辆振动的原因 l1、与轨道有关的
2、激振因素、与轨道有关的激振因素 l钢轨接头处的轮轨冲击钢轨接头处的轮轨冲击 l（1）由接头处速度方向变化引起的冲量）由接头处速度方向变化引起的冲量S l SqVqV l q：簧下质量簧下质量lV：速度变化量速度变化量l V：接触时速度接触时速度l ：前后轮轨接触点与轮心所张的角前后轮轨接触点与轮心所张的角（2 2）不同簧下质量引起的附加载荷）不同簧下质量引起的附加载荷）不同簧下质量引起的附加载荷）不同簧下质量引起的附加载荷QQ l当没有弹簧装置时当没有弹簧装置时Q Ql当有弹簧装置时当有弹簧装置时Q Q +ll其中其中Q Q为轮轴荷重；为轮轴荷重；q q为簧下质量；为簧下质量；l 为经过不平顺
3、处产生的垂向加速度，为经过不平顺处产生的垂向加速度，l 该值可达该值可达5 51010g g；lK K为弹簧装置的刚度。为弹簧装置的刚度。2 2 2 2、轨道的垂向变形、轨道的垂向变形、轨道的垂向变形、轨道的垂向变形 l轨轨头头处处的的垂垂向向变变形形大大于于轨轨道道中中间间的的垂垂向向变形（变形（10%10%15%15%）l在在有有缝缝轨轨道道上上轮轮轨轨接接触触点点轨轨迹迹用用半半个个正正弦波或一个余弦波简化：弦波或一个余弦波简化：l（也有用其它的周期函数）（也有用其它的周期函数）lz zt t=-=-l lz zt t=l2 :2 :一根钢轨的端部与中部下沉量之差一根钢轨的端部与中部下沉
4、量之差l L Lr r:轨条长度轨条长度lt:t:自某初始位置经历的时间自某初始位置经历的时间lV V：车辆运行速度车辆运行速度 3 3、轨道的局部不平顺、轨道的局部不平顺l轨道超高轨道超高l顺波顺波l横向变化横向变化l曲率半径变化曲率半径变化l轨距变化轨距变化l通过叉辙通过叉辙l局部磨损局部磨损l局部隆起、下沉局部隆起、下沉l温度引起的涨轨温度引起的涨轨4 4、轨道的随机不平顺、轨道的随机不平顺l不平顺：实际轨道中心线与理想轨道中心线的偏差。不平顺：实际轨道中心线与理想轨道中心线的偏差。l没没有有确确定定形形式式的的不不平平顺顺，而而只只能能用用数数学学统统计计的的方方法法来描述的情况，一般
5、分为四种；来描述的情况，一般分为四种；（1 1）水平不平顺）水平不平顺l在在直直线线区区段段，铁铁路路两两股股钢钢轨轨顶顶面面不不可可能能保保持持完完全全水水平，而有一定的偏差，这个偏差称为水平不平顺。平，而有一定的偏差，这个偏差称为水平不平顺。l正线及到发线上，同一处高差不应超过正线及到发线上，同一处高差不应超过4 4；l其它线上不应超过其它线上不应超过6 6。l有两种水平误差：有两种水平误差：l一一种种是是水水平平差差：在在相相当当长长的的范范围围内内，一一轨轨顶面始终高于另一轨。顶面始终高于另一轨。l一一种种是是三三角角坑坑：如如在在1818m m内内先先是是左左轨轨高高于于右轨（右轨（
6、3 3），然后右轨高于左轨。），然后右轨高于左轨。l这两种水平不平顺对车辆的危害程度不这两种水平不平顺对车辆的危害程度不同，三角坑的危害更大。同，三角坑的危害更大。（2 2）轨距不平顺）轨距不平顺 l铁路实际轨距与名义轨距之间有一定的偏差，铁路实际轨距与名义轨距之间有一定的偏差，称为轨距不平顺。称为轨距不平顺。l无弄在直线或曲线上，容许偏差为无弄在直线或曲线上，容许偏差为l最宽不超过最宽不超过6 6，最窄不小于，最窄不小于2 2。（3 3）高低不平顺）高低不平顺l轨道中心线上下的不平顺称为高低不平顺。轨道中心线上下的不平顺称为高低不平顺。l产生这类不平顺的原因：产生这类不平顺的原因：l路基捣固
7、坚实程度、扣件松动、钢轨磨耗等。路基捣固坚实程度、扣件松动、钢轨磨耗等。l长长度度在在4 4m m以以下下的的高高低低不不平平顺顺会会引引起起轮轮轨轨间间很很大大的作用力。的作用力。l（长长度度在在100100300300mmmm范范围围内内有有3 3mmmm的的高高低低不不平平顺顺，当当车车辆辆以以9090km/hkm/h通通过过时时，由由不不平平顺顺产产生生的的轮轮轨轨冲冲击击力力可可达达300300kNkN左左右右，为为轮轮轨轨静静压压力力的的三三倍倍。而且很难用轨道检查车测得。）而且很难用轨道检查车测得。）l大修后的线路要用大修后的线路要用1010m m长的弦线测量线路的高低长的弦线测
8、量线路的高低不平顺。在正线上高低不平顺不得超过不平顺。在正线上高低不平顺不得超过4 4mmmm，站站线或专用线不得超过线或专用线不得超过6 6mm.mm.（4 4 4 4）方向不平顺）方向不平顺）方向不平顺）方向不平顺 l实实际际轨轨道道中中心心线线与与理理想想轨轨道道中中心心线线的的左左右右偏差称为方向不平顺。偏差称为方向不平顺。l这这种种偏偏差差用用1010长长的的弦弦线线测测量量其其方方向向误误差差，正正线线不不超超过过4 4mmmm，站站线线及及专专用用线线不不超超过过6 6mm.mm.l轨道谱：轨道谱：轨道谱及作用轨道谱及作用l对对测测量量记记录录的的这这些些不不平平顺顺并并用用数数
9、理理统统计计的的方方法法整整理理，得得出出轨轨道道的的各各种种不不平平顺顺谱谱称称为为轨道谱。轨道谱。l轨道谱的作用：利用这些轨道谱可以计算轨道谱的作用：利用这些轨道谱可以计算机车车辆通过这些线路的随机响应，并可机车车辆通过这些线路的随机响应，并可测算车辆的运行平稳性和结构疲劳性能，测算车辆的运行平稳性和结构疲劳性能，同时也可计算线路上所受的轮轨作用力。同时也可计算线路上所受的轮轨作用力。10.2 10.2 与车辆结构有关的激振因素与车辆结构有关的激振因素 l1 1车轮偏心车轮偏心l2 2车轮不均重车轮不均重l3 3车轮踏面擦伤车轮踏面擦伤l4 4锥形踏面轮对的蛇行运动锥形踏面轮对的蛇行运动
10、自由轮对在轨道上的蛇行运动自由轮对在轨道上的蛇行运动 l有如下假定：有如下假定：l（1 1）轮轮对对与与转转向向架架之之间间无无任任何何刚刚性性或或弹弹性性约约束束，轮对单独的在轨道上滚动；轮对单独的在轨道上滚动；l（2 2）钢轨顶部呈刀刃状且是两根平行直线；）钢轨顶部呈刀刃状且是两根平行直线；l（3 3）轮轮对对是是两两个个对对称称圆圆锥锥体体，轮轮对对在在轨轨道道上上运运行时，轮轨之间无任何相对滑动；行时，轮轨之间无任何相对滑动；l（4 4）不计轮对上任何作用力和惯性力。）不计轮对上任何作用力和惯性力。l在在上上述述假假设设下下，只只要要轮轮对对中中心心偏偏离离轨轨道道中中心心线线，轮对就
11、在横向产生正弦运动，轮对就在横向产生正弦运动，ly y=y y0 0sinsinl这种运动称为自由轮对的蛇行运动。这种运动称为自由轮对的蛇行运动。轮对的蛇行运动的周期为轮对的蛇行运动的周期为 ll蛇行运动的波长蛇行运动的波长lly y0 0:轮对中心偏离轨道中心的初始值；轮对中心偏离轨道中心的初始值；ly y:轮对中心相对轨道中心的横移量；轮对中心相对轨道中心的横移量；lb b:同一轮对左右车轮滚动圆跨距的一半；同一轮对左右车轮滚动圆跨距的一半；lr r0 0:车轮名义滚动圆半径；车轮名义滚动圆半径；lV V：车辆运行速度车辆运行速度；l ：轮对蛇行运动的角频率：轮对蛇行运动的角频率 l10.
12、210.2轮对簧上质量系统的振动轮对簧上质量系统的振动l l10.3 10.3 车辆系统的振动车辆系统的振动l10.310.31 1车辆的自由度、广义坐标和振型车辆的自由度、广义坐标和振型l 横摆ll 伸缩侧滚 lX：伸缩运动，侧滚运动；lY：横摆运动，点头运动；lZ：浮沉运动，摇头运动。摇头 点头 浮沉车辆的自由度车辆的自由度10.4 10.4 10.4 10.4 轮对的蛇形运动轮对的蛇形运动轮对的蛇形运动轮对的蛇形运动 l蛇形运动蛇形运动l 在轨道上，发生的摇头和橫摆运动的耦在轨道上，发生的摇头和橫摆运动的耦合合10.5.110.5.110.5.110.5.1车辆的运行品质及其评估标准车辆
13、的运行品质及其评估标准车辆的运行品质及其评估标准车辆的运行品质及其评估标准 l车辆的运行品质是从舒适性、完整性方面对车辆、转向架质量好坏进行评估的一个述语。l评估的方法：l1、动荷系数l2、车体加速度幅值l3、sperling平稳性指数1、动荷系数l动荷系数：是车辆在运行时产生的动载荷幅值Pd与车辆静止时的载荷Pst之比。l分为横向和垂向两种。l横向动荷系数Kld=Pst车体作用在l 转向架上的静载荷l垂向动荷系数Kwl=Pld Pvd分别作用在转l 向架上横向和垂向动载荷lPld Pvd可用计算或实测求得。l若已知车体的横向及垂向加速度为 及 ，则l动荷系数为 l有时也用动簧动挠度来求动荷系
14、数，l其值为l 弹簧静挠度l 弹簧动挠度l l在现埸试验发现，利用加速度和弹簧静挠度所得的动荷系数不一致，差别其原因有二：l1、测出的动挠度往往只反应了大振幅低频振动；l2、加速度计安装位置不当。l 客车运行品质标准及评定运行品质评定垂向动荷系数横向动荷系数垂向加速度m/s2橫向加速度运行平稳性指数W优等0.100.05 0.10.70.4755l 货车运行品质标准及评定运行品质评定垂向动荷系数横向动荷系数垂向加速度m/s2橫向加速度运行平稳性指数W优等0.200.08 2.053、sperling平稳性指数l 欧洲国际铁路联盟（欧洲国际铁路联盟（UICUIC）、）、前东欧、前东欧、俄罗斯等均
15、采用俄罗斯等均采用sperlingsperling提出的平稳性提出的平稳性指数来评定车辆的运行品质。指数来评定车辆的运行品质。l我国也采用这个指数来评价车辆的运行我国也采用这个指数来评价车辆的运行品质。品质。l我国还规定用平均最大加速度来确定客我国还规定用平均最大加速度来确定客货车平稳性等级。货车平稳性等级。l用最大加速度来确定货车的限制速度。用最大加速度来确定货车的限制速度。sperlingsperling平稳性指数指数有两个评价因素平稳性指数指数有两个评价因素:l1.1.位移对时间的三次导数位移对时间的三次导数 l利用牛顿定律写成如下式利用牛顿定律写成如下式ll 或者或者l上式的意义是表明
16、力上式的意义是表明力F F的增减变化引起冲动的感觉。的增减变化引起冲动的感觉。l 在一定意义上代表力的变化率。在一定意义上代表力的变化率。l如果车体作简谐振动如果车体作简谐振动ll其幅值为其幅值为 2 2振动时动能的大小振动时动能的大小 l车体振动时的最大动能为l l所以l3平稳性指数 l两个因素的乘积为l l用W来表式 W =l式中式中z z0 0:振幅；振幅；l :振动频率；振动频率；l :加速度（加速度（cm/scm/s2 2）；）；l l ：与振动频率有关的加权系数；与振动频率有关的加权系数；l 对对于垂向和横向振于垂向和横向振动动是不同是不同 l以上的平以上的平稳稳性指数只适用于一种
17、性指数只适用于一种频频率一个率一个振幅的振幅的单单一振一振动动。l l在实际整理车辆的平稳性指数时，应先把在实际整理车辆的平稳性指数时，应先把实测的车辆振动的加速度记录，通常按频实测的车辆振动的加速度记录，通常按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振幅值，然后对每一频段计算各自的围的振幅值，然后对每一频段计算各自的平稳性指数，然后再求出全部频段总的平平稳性指数，然后再求出全部频段总的平稳性指数：稳性指数：l 4 4客车、货车运行品质标准客车、货车运行品质标准 l对于客车、货车评定标准不同对于客车、货车评定标准不同l各国采用的标准不同各国采用的标准不同l
18、我国客货车平稳性等级分为三个等级。我国客货车平稳性等级分为三个等级。l 车辆运行平稳指标与等级 平稳性等级评定平稳性指标客车货车1级优2.53.52级良好2.52.753.54.03级合格2.7534.04.25ISOISO标准标准 l国际标准化组织把振动对人体的影响用疲劳时间T来表示，l从维持工作效能、健康和舒适度出发，相应提出下列三种限度：l舒适度下降限度；l工效下降限度；l承受限度。l就水平向振动而言，人对频率在2HZ以下的振l动最为敏感；l就垂向振动而言，人对48HZ的振动最为敏感其它评价方法其它评价方法 l法国的疲劳时间法；法国的疲劳时间法；l英国的平稳性指数法；英国的平稳性指数法；
19、l日本的等舒适度曲线法。日本的等舒适度曲线法。10.52车辆的运行安全性及其评估标准 l影响车辆运行安全的有车体在弹簧上的倾覆、车辆倾覆和车轮脱轨等状态。l在车辆设计、制造、维修、运用工作中，应采取措施保证轮轨之间正常接触，使车辆上所受力保持在安全范围内。l保障运行安全有如下方面的条件：l主要包括：防止蛇行运动的稳定性；l防止脱轨的稳定性；l防止车辆倾覆的稳定性。（1）防止蛇行运动的稳定性 l在轮轨间蠕滑力的作用下，车辆运行达到某一临界速度时会产生失稳的自激振动即蛇行运动。l 高速时蛇行运动表现为轮对和转向架的激烈的横向运动，威胁运行安全。l要求：车辆的蛇行运动临界速度VC要远高于其运行速度，
20、以保证有足够的安全裕量。l车辆的各种振型在运行速度范围内有足够的阻尼。（2）车辆抗倾覆稳定性及其评估标准l在横向力作用下车辆一侧车轮减载，另一侧车轮增载。在最不利情况下，车辆一侧车轮与钢轨之间的垂向作用力减少到零时，车辆有倾覆危险。l车辆在横向力作用下可能倾覆的程度用倾货系数D表示。lD的定义是l 无横向力作用时轮轨间垂向静载荷；l 在横向力作用下轮轨间垂向力变化量；l 增载侧轮轨间垂向力；l 减载侧轮轨间垂向力。l当车辆的减载侧车轮上垂向力 =0时l车辆已达到倾覆的临界状态，这中D=1。lD=1即为倾覆的临界值。l为了保证车辆不倾覆，倾覆系数D不能超过临界值。lGB559-85F规定倾覆系数
21、D0.8l如果车辆以高于规定的速度通过曲线，则超高不足以平衡离心力，而且风力和振动惯性力与离心力一致时，则车辆向曲线外侧倾覆。其计算可参阅230页图5-38。l其计算表达式如下：l其中l 在横向力作用下车体的横移量l根据同样的原理可计算车辆向曲线内侧的倾覆系数和在平直道上的倾覆系数。（3）防止脱轨的稳定性 车辆运行时，在线路状态运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利组合下，可能导致脱轨。脱轨的几种形式：爬轨：低速运行时发生；跳轨：高速时发生；脱轨：l评定防止脱轨的稳定性的标准有如下几种 l(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(一)根据车轮作用于钢轨的横向力Q评定车轮抗脱轨稳
22、定性l公式：l ：分别为作用在车轮上的横向力和垂向力；：轮缘角；l ：轮缘处的摩擦系数。l上式中左边大于右边可能爬轨，反之则向下滑。所以爬轨的条件是l 称为脱轨系数l 车轮脱轨系数临界值l 由式中可见，轮缘角越小，摩擦系数越大，越容易出现爬轨。l我国标准锥形车轮的轮缘角为69012实测为680700，轮缘摩擦系数一般为0.200.30l若取 =680 取0.32 则 =1.2l根据GB559-85规定，当横向力Q的作用时间大于5秒时，脱轨系数容许值为l 1.2l安全值为 1.2(二)根据构架力H评定轮对抗脱轨稳定性l由于轮轨间的横向力Q较难测出，在试验中往往采用轮对与转向架相互作用的构架力H来
23、评定轮对的脱轨系数。l用 表示l容许值l安全值 (三)根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性l在横向力不是很大而一侧车轮严重减载的情况下也有脱轨的情况。l采用轮重减载率来评定l轮重减载率 左右车轮平均垂向力l轮重减载率临界值 轮重减载量l脱轨率数和轮重减载率是根据轮对爬上钢轨必要条件出发而导出的结果。在实测中发现脱轨系数和轮重减载率都已超过规定限度而并未出现脱轨的现象，这是其它条件不具备的缘故。(四)车轮跳轨的评定标准l我国对轮对瞬时冲击而造成车轮跳上钢轨的脱轨系数无明确规定。国外规定，当轮对间横向力作用时间小于0.05秒，容许的脱轨系数：l t 轮轨间横向力作用时间(s)。(五)轮轨间最大横向力
24、Q的标准l轮轨间横向力Q过大时会造成轨距扩宽，道钉拔起或引起线路严重变形造成脱轨。l道钉拔起，道钉应力为弹性极限的限度：l Q19+0.3Pst Q 轮轨间横向力l道钉拔起，道钉应力为屈服极限的限度：l Q29+0.3Pstl线路严重变形的限度：l 木轨枕 H H 轮轴横向力l混凝土轨枕 H l 分别为车轮平均，左轮右轮静载荷。思考题l1.为什么车辆在线路上运行会出现各种振动？有哪些l 主要原因？l2.随机不平顺有哪些形式？各有什么意义？l3.在Q 和Q 这两个公式l 中可以说明一个什么问题？对具体的结构设计有何l 意义？l4.在车辆交车检查验收时同一车辆的车钩高度忽高忽l 低为何不是一固定值？l5.车辆有哪些振动形式？l6.评定车辆运行平稳性采用什么标准？主要考虑哪些l 因素？l6.如果想要提高列车直线运行速度，车轮踏 l 面的斜率是大还是小好？l7.影响车辆运行安全性有哪些方面？评定的l 标准是什么？