铁道车辆动力学性能.ppt

第二章 铁道车辆动力学性能,第一节 铁道车辆动力学性能概述 第二节 车辆运行平稳性 第三节 车辆运行稳定性（安全性） 第四节 转向架主要部件的动强度 第五节 车辆蛇行运行稳定性,2.1 铁道车辆动力学性能概述,1. 车辆运行平稳性 （一）客车：旅客乘坐的舒适性 评价指标：平稳性指标、平均最大振动加速度、疲劳时间、 在曲线上舒适性、等舒适度曲线、动荷系数等指标 （二）货车：确保运送货物的完整性 评价指标：平稳性指标、最大振动加速度 平均最大振动加速度、动荷系数等指标,2. 车辆运行安全性 （一）倾覆系数 （二）脱轨系数 （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 （四）车辆曲线通过性能,2.1 铁道车辆动力学性能概述,3. 转向架主要部件的动强度 转向架的摇枕、构架（侧架） 动力系数 疲劳破坏,2.1 铁道车辆动力学性能概述,4. 相关标准 1 GB T 5599-1985 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范； 2 200 km/h及以上动车组动力学性能试验鉴定方法及评定标准。 3 TB T 2542-2000 铁路机车车辆振动试验方法（JIS E4031-1994）； 4 TB T3058-2002 铁路应用 机车车辆设备冲击和振动试验(IEC 61373:1999)； IEC国际电工委员会；JIS 日本工业标准；,2.1 铁道车辆动力学性能概述,4. 相关标准 4 UIC 518 铁路车辆动力学性能、行车安全性、轨道疲劳和运行品质的试验及验收； 5 UIC513 铁道车辆旅客振动舒适性评定指南; 6 AAR M-1001 新造货车运用性能的试验和分析 ； 7 EN 14363 铁路应用 铁路机车车辆运行特性验收试验 运行特性试验和静态试验 UIC国际铁路联盟；AAR 美国铁路协会。,2.1 铁道车辆动力学性能概述,2.2 平稳性评定标准,平稳性主要是指客车上旅客的乘坐舒适度、货车上装运货物的完整性。主要的评价参数是车体上规定位置的各方向的振动加速度，将其统计处理后得到评价指标值。 各国都有自己的评价体系，例如我国的GB5599-85；UIC513；ISO2613；日本、英国等各国的评价标准。 我国现在采用改变了的Sperling指标，在高速车和出口车辆平稳性计算中还采用Wz值(Sperling指标)、Nmv值(舒适度指标)。,Sperling等人提出影响车辆平稳性的两个重要因素： （1）位移对时间的三次导数：加速度变化率,（2）振动时动能的大小：,在一定意义上代表力的变化率 ， F的增减变化引起冲动的感觉。,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,2.2 平稳性评定标准,将反映冲动和反映振动动能两项的乘积作为衡量标准来评定车辆运行品质,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,加速度幅值，cm/s-2,根据人体对振动疲劳感受不同，由实验获得的频率修正函数,2.2 平稳性评定标准,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,0.5-5.9 单增,5.9-20 单减,20,垂 向 振 动,0.5-5.4 单增,5.4-26 单减,26,横 向 振 动,2.2 平稳性评定标准,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,上式只适用于一种频率一个振幅的单一振动。但实际车辆在线路上运行时的振动频率和振幅都是随时间变化的。因此在整理车辆平稳性指数时，把实测的车辆振动加速度记录，通常按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振幅值，然后对每频段计算各自的平稳性指数，然后再求出全部频段总的平稳性指数 ：,2.2 平稳性评定标准,我国主要采用Sperling的平稳性指数来评价车辆的平稳性等级。 GB5599-85规定，客车用距离1、2位心盘一侧横向偏离1m处地板面上、货车用在1或2位心盘内侧距心盘中心线小于1000mm的车体底架中梁下盖板上的的横向及垂向加速度，来统计计算客货车垂直、横向平稳性指标，最大加速度和平均加速度。新造客车、货车的横向及垂向平稳性指标应满足GB5599-85的良好标准。,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,2.2 平稳性评定标准,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,地板面上布置测点,前进方向,前转向架中心,后转向架中心,1m,GB5599-85 客车测点,2.2 平稳性评定标准,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,底架中梁下盖板上布测点,前进方向,前转向架中心,后转向架中心,1m,GB5599-85 货车测点,2.2 平稳性评定标准,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,平稳性等级 平稳性指标分横向和垂向，平稳性等级是一样的。 客车 货车 W2.5 优 W3.5 优 W2.75 良好 W4.0 良好 W3.0 合格 W4.25 合格,2.2 平稳性评定标准,一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：,车辆平稳性指标和车速的关系,2.2 平稳性评定标准,二、舒适性(Nmv)指标：,舒适性指标分简化方法和完全方法，一般仿真计算采用简化方法。其测点如下图：,前进方向,前转向架中心,后转向架中心,2.2 平稳性评定标准,二、舒适性(Nmv)指标：,舒适性指标的计算方法和Sperling指标计算方法不同。 首先得到各测点的纵向、横向和垂向加速度时间历程； 对时间历程按5s分成至少60个数据段； 再对每数据段进行傅立叶变换和频域加权（或滤波）； 求每段数据各方向的最大加速度； 对各方向各段加速度最大值取95%的最大值，再按以下公式计算：,加速度均方根,2.2 平稳性评定标准,二、舒适性(Nmv)指标：,舒适性的等级 NMV1 最佳舒适性 1NMV2 良好舒适性 2NMV4 中等舒适性 4NMV5 不好舒适性 5NMV 极差舒适性 舒适性和平稳性指标的差异 1. 测量点和测量的加速度不同； 2. 计算方法不同； 3. 评价方法(有无纵向)和等级不同；,2.2 平稳性评定标准,GB5599-85规定： 货车车体： 横向最大振动加速度0.5g； 垂向最大振动加速度0.7g。 我国规定用最大加速度来确定货车的限制速度。在100km的试验区段内，按规定标准测定货车通过直道、弯道、车站侧线时的最大振动加速度，在货车限制速度范围内超限加速度不应大于3个。若超限加速度大于3个，则应重新规定试验货车的限制速度。,三、 最大加速度：,2.2 平稳性评定标准,四、平均最大加速度：,当车辆进行动力学试验时，每次记录的分析段时间为6s，在每个分析段中选取一个最大加速度，在每个分析段中选取一个最大加速度 ，平均最大加速度为 ：,2.2 平稳性评定标准,四、 最大平均加速度：,当用平均最大加速度评定速度 140km/h的客车平稳性等级时，采用下列公式：,当用平均最大加速度评定速度 100km/h的货车平稳性等级时，采用下列公式：,垂向振动：,横向振动：,单位：,2.2 平稳性评定标准,四、平均最大加速度：,2.2 平稳性评定标准,五、客车在曲线上舒适性及其指标：,（一）未平衡的离心加速度及其标准：,2.2 平稳性评定标准,注意单位,h外轨超高，mm； S两钢轨顶面中心距，1500mm； V车辆运行速度，m/s； g重力加速度，9.81m/s-2; R曲线半径，m hd欠超高，mm,五、客车在曲线上舒适性及其指标：,（一）未平衡的离心加速度及其标准：,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。规定：,（1）等级较高的线路上，客车欠超高小于70mm； （2）一般线路上，欠超高小于90mm； （3）既有线上提速，某些线路的欠超高小于110mm。,2.2 平稳性评定标准,五、客车在曲线上舒适性及其指标：,（二）曲线限速及提速措施：,曲线限速，km/h； 实设超高、欠超高，mm； 曲线半径，m。,2.2 平稳性评定标准,五、客车在曲线上舒适性及其指标：,（二）曲线限速及提速措施：,2.2 平稳性评定标准,摆式列车,五、客车在曲线上舒适性及其指标：,（三）车辆通过缓和曲线时的舒适度标准：,我国铁路铁路设计标准规定：,（1）一般线路：,（2）困难地段：,2.2 平稳性评定标准,七、动荷系数：,2.2 平稳性评定标准,前苏联采用,六、ISO疲劳时间：,2.2 平稳性评定标准,工效下降时间、振动加速度、频率之间的关系； 飞机和汽车驾驶员：2Hz以下横向振动、48Hz垂向振动最敏感,垂向振动,水平方向振动,2.2 安全性评定标准,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。 本节就是研究车辆安全运行的条件及其评定指标，分析其影响因素，提出改善的措施，以确保车辆运行安全。,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。如果各种横向力载最不利组合作用下，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。,2.2 安全性评定标准,一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：,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。,2.2 安全性评定标准,一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：,倾覆系数：,GB 5599-85规定“试验鉴定车辆的倾覆系数应满足下列要求：,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。 考虑气动力作用，,（一）倾覆系数及评估标准：,2.2 安全性评定标准,一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：,上式中第一项是由于车辆通过曲线时未被平衡的离心力引起的（向曲线外侧方向的离心力和由于外轨超高引起的车辆重量向内侧的水平分力之差）。第二项是由于车辆横向振动惯性力引起的。第三项是由于侧向风力引起的。,上式为车辆向曲线外侧倾覆的情况，而风压相反时，则为向曲线内侧倾覆地情况，等号右边第二、三项符号由“+”变成“”。这时，倾覆临界值 。,。,（一）倾覆系数及评估标准：,2.2 安全性评定标准,一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：,（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，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。,2.2 安全性评定标准,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。到达临界点以前Q减小或P增大，轮对可能下滑，恢复到原来的位置。接触点超过临界点后Q、P的变化不大，由于轮缘倾角,变小，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。,2.2 安全性评定标准,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。,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。,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。,轮 对 脱 轨 方 式,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,2.2 安全性评定标准,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,（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：,2.2 安全性评定标准,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,（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：,车轮脱轨系数,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 、 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。,爬轨条件：,2.2 安全性评定标准,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,（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：,我国车辆标准车轮轮缘角,，实测结果,摩擦系数 一般为0.200.30。,确定脱轨系数的允许限度时，可取摩擦系数的上限0.30.35，取,的下限。,当,根据GB 5599-85轨道，当横向力作用时间大于0.05s时，脱轨系数：,容许值：,安全值：,2.2 安全性评定标准,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,（二）根据构架力H评定轮对抗脱轨稳定性：,2.2 安全性评定标准,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,（二）根据构架力H评定轮对抗脱轨稳定性：,数值不大，可取,，于是可得轮对脱轨条件：,轮对脱轨系数,我国轨道取 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,安全值,2.2 安全性评定标准,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,（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：,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。,2.2 安全性评定标准,（四）根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性 ：,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,2.2 安全性评定标准,（四）根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性 ：,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,2.2 安全性评定标准,（四）根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性 ：,轮重减载率,脱轨必要条件：,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,2.2 安全性评定标准,（四）根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性 ：,我国TB 449-76锥形踏面的,，,，,，则,0.65时，车轮有爬轨的危险。,我国规定轮重减载率为：,容许标准,安全标准,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,2.2 安全性评定标准,（五）轮轨间最大横向力Q的标准：,，,，,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：,道钉应力为屈服极限时的限度：,横向力Q单位为KN,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,2.2 安全性评定标准,（五）轮轨间最大横向力Q的标准：,，,，,线路严重变形的限度：,对于混凝土轨枕：,对于木轨枕：,二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：,2.2 安全性评定标准,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）,2.2 安全性评定标准,我国采用的安全性评定标准,2.2 安全性评定标准,四、 车辆曲线通过性能（安全性能）,UIC518规定的评价指标主要包括： 轮轴横向力 脱轨系数 轮轨垂向力,车辆曲线通过动力学主要校核车辆的运行安全性和车辆对轨道的作用力。GB中规定的主要有： 轮轨横向力 轮轴横向力（一条轮对左右轮轨横向力之和） 脱轨系数 轮重减载率 倾覆系数,2.2 安全性评定标准,曲线通过指标还包括曲线通过时的轮轨磨耗性能。一般通过计算蠕滑力和蠕滑率的表达式、或考虑其他的接触条件。,两者的评价方法存在差异。比较而言，UIC标准规定得更加具体，可操作性更强。,四、 车辆曲线通过性能（安全性能）,2.2 安全性评定标准,五、讨论：,脱轨系数和轮重减载率都是根据轮对爬上钢轨的必要条件（非充分条件）出发而导出的结果。从爬轨的过程来看，轮对爬上钢轨轮缘必需贴靠钢轨，轮对与轨道应有一定正冲角并且爬轨过程需要一定时间。往往在实测中发现，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，这是因为其他条件不具备的缘故。尤其是轮重减载率并不能直接反映轮缘与钢轨贴靠情况。,2.2 安全性评定标准,五、讨论：,脱轨系数和轮重减载率都是衡量车辆是否会脱轨的指标。不同的是，在分析脱轨系数时，轮对侧向力 ；而分析轮重减载率时，轮对侧向力 。由此可得出下列关系：脱轨系数与轮重减载率是在两种不同情况下评价车轮脱轨的指标；轮重减载率是脱轨系数的一种特殊工况，即是轮对侧向力为零时的脱轨系数的另一种表达形式。,究竟采用哪个指标来衡量防止脱轨安全性为好，还是两个指标同时来衡量？ 过去曾将它们作为两个独立的指标来使用，尤其是在进行车辆动力学试验时，作为两个独立的测试项目进行。这样就会引出互相矛盾的结论。,2.2 安全性评定标准,五、讨论：,在客货车动力试验中，曾经遇到这样的情况：同样一个,值，小于1.0，结论是安全的；但整理其,数据，整理其,值，则超过了0.6，结论是不安全的。,产生这种矛盾的原因就在于轮重减载率的前提是,这只有在低速运行时才有可能。,应理解为静的轮,重减载率，它不能作为运行中动的轮重减载率。在一般情况,下，应以脱轨系数 作为衡量防止脱轨安全的指标。,货车的速度在1020公里/小时范围内，曲线半径小于300米时，容易发生因轮重减载率而脱轨的事故。因此，对于小半径曲线低速运行的场合，采用轮重减载率作为衡量防止脱轨安全性的标准，还是具有一定实际意义的。,2.2 安全性评定标准,GB 5599-85 3.3.3规定“轮重减载率用于车轮轮重,的条件下，是否会因一侧车轮减载过大而导致脱轨。试验时，车辆应通过9号单开道岔以及低速通过小半径曲线的条件下测定（横向力为零或接近零）。“3.3.3.3规定”轮重减载率为货车在特定工况下因轮重减载而脱轨的另一种脱轨安全性指标，客车试验鉴定是否需要测定该项指标，需依其类型和运用条件，由生产、使用部门和试验鉴定单位商定。,五、讨论：,2.2 安全性评定标准,采用构架力H评定轮对抗脱轨稳定性 ，主要是由于轮轨之间的横向力较难测量，而轮对与转向架相互作用的构架力相对容易测量。采用构架力H评定轮对抗脱轨稳定性的轮对脱轨系数是从车轮脱轨系数推导而来，因此两种脱轨系数不矛盾。,车轮跳轨的评定标准是用于评价侧向力作用时间小于0.05秒时，是否会跳轨。,轮轨间最大横向力Q的标准是考核是否会导致扩轨距或线路产生严重变形，并导致掉轨。,倾覆系数用于鉴定试验车辆在侧向风力、离心力、横向振动惯性力的同时作用下是否会导致车辆倾覆。,五、讨论：,2.2 安全性评定标准,六、影响脱轨的原因及防止脱轨的安全措施：,影响脱轨原因是轮轨间的横向力过大和垂向力减载。如果轮轨横向力大的一侧又出现垂向力减少和车轮处于正冲角状态时，脱轨的可能性增大 。,1、线路状态： （1）曲线超高； （2）线路的顺坡、三角坑以及局部不平顺： （3）线路方向不平顺，曲线半径过小、道岔局部不平顺： （4）S曲线：,2.2 安全性评定标准,2、车辆结构： （1）车辆定距、转向架轴距； （2）心盘和旁承摩擦力矩过大、轴箱定位刚度过大； （3）转向架第一系悬挂垂向刚度大； （4）车辆重心位置高； （5）车轴平行度、轮缘角及摩擦系数； （6）转向架构架或车体扭曲。,六、影响脱轨的原因及防止脱轨的安全措施：,2.2 安全性评定标准,3、运用情况： （1）装载状况； （2）长短车联挂； （3）通过曲线速度。,六、影响脱轨的原因及防止脱轨的安全措施：,2.2 安全性评定标准,