车辆动力性能与评判标准

1、1 第一节 车辆系统基本结构 第二节 车辆系统运动认识 第三节 车辆运行安全性及其评估标准 第四节 车辆运行品质及其评估标准 结构：转向架系统（走行系统）结构：转向架系统（走行系统） 车体系统车体系统 功能：基本部件系统（轮对功能：基本部件系统（轮对4、构架、构架2、车体、车体1） 悬挂系统（一系悬挂、二系悬挂系统）悬挂系统（一系悬挂、二系悬挂系统） 牵引制动系统（驱动系统、制动系统）牵引制动系统（驱动系统、制动系统） 第一节第一节 车辆系统基本结构车辆系统基本结构 第四章 车辆系统动力 学模型 转向架转向架 动力轮对动力轮对 非动力轮对非动力轮对 第四章 车辆系统动力 学模型 构架构架 第四

2、章 车辆系统动力 学模型 轴距、滚动圆半径与跨距轴距、滚动圆半径与跨距 Tread Flange Flange2/ Back of wheel 滚动圆半径、车轮踏面、轮缘滚动圆半径、车轮踏面、轮缘 滚动圆到轮对内侧距离滚动圆到轮对内侧距离轮对内侧距轮对内侧距 车辆定距与质心高度车辆定距与质心高度 L1 Distance right left L2 H1 H2 B1 横向悬挂距离横向悬挂距离 第二节 车辆系统运动认识 一、车体和构架自由度一、车体和构架自由度 伸缩：纵向方向平移伸缩：纵向方向平移 横移：横向平移横移：横向平移 沉浮：垂直方向上振动沉浮：垂直方向上振动 侧滚：绕侧滚：绕X轴转动的角

3、自由度轴转动的角自由度 点头：绕点头：绕Y轴转动的角自由度轴转动的角自由度 摇头：绕摇头：绕Z轴转动的角自由度轴转动的角自由度 1. 1. 纵向运动纵向运动 3. 车体沉浮车体沉浮 4. 车体侧滚车体侧滚 5. 车体点头车体点头 6. 车体摇头车体摇头 车体横移与侧滚数值曲线车体横移与侧滚数值曲线 车体摇头与点头车体摇头与点头 l伸缩：纵向方向平移伸缩：纵向方向平移 l横移：横向平移横移：横向平移 l沉浮：垂直方向上振动沉浮：垂直方向上振动 l侧滚：绕侧滚：绕X X轴转动的角自由度轴转动的角自由度 l扰动：绕扰动：绕Y Y轴转动的微小角自由度轴转动的微小角自由度 l摇头：绕摇头：绕Z Z轴转动

4、的角自由度轴转动的角自由度 轮对扰动轮对扰动 轮对摇头轮对摇头 轮对摇头轮对摇头 轮对横移、沉浮轮对横移、沉浮 轮对侧滚、摇头轮对侧滚、摇头 28 动力动力 性能性能 平稳性 稳定性 曲线通过能力 Sperling 指标指标 ISO标准标准 防止蛇行运动稳定性防止蛇行运动稳定性 防止脱轨稳定性防止脱轨稳定性 防止车辆倾覆稳定性防止车辆倾覆稳定性 机车车辆/动车组动力性能 旅客乘坐舒适度旅客乘坐舒适度 装运货物的完整装运货物的完整 安全性安全性 磨耗性能磨耗性能 轮轨横向力轮轨横向力 磨耗指数磨耗指数 脱轨系数脱轨系数 倾覆系数倾覆系数 减载率减载率 临界速度临界速度 29 第三节 车辆运行安全

5、性及其评估标准 一、安全性指标 1. 脱轨系数 2. 轮重减载率 3. 倾覆系数 4. 轮轨间最大横向力 5. 车轮跳轨的评定标准 30 31 32 33 34 1. 定义：在测量或计算到的轮轨力中，选定义：在测量或计算到的轮轨力中，选 用横向力与垂向力同时发生的数值，来用横向力与垂向力同时发生的数值，来 计算两者的比值，并将其作为脱轨系数计算两者的比值，并将其作为脱轨系数 2. 分类：不考虑持续时间的脱轨系数和考分类：不考虑持续时间的脱轨系数和考 虑持续时间的脱轨系数（跳轨脱轨）虑持续时间的脱轨系数（跳轨脱轨） 1. 脱轨系数 35 脱轨系数公式推导 P Q A N N P Q sincos

6、 cossin QPN NQP tan1 tan P Q Nadal 公式 36 N N Q P o sincos cossin NPQ NPQ (cossin)sincosPQPQ ( sincos)(sincos)QP sincos sincos Q P 脱轨系数公式推导 37 1. 轮缘角越小，越容 易出现爬轨。 2. 摩擦系数越大，越 容易出现爬轨。 1.1. 我国标准车轮的轮我国标准车轮的轮 缘角为缘角为68-7068-70度。度。 2.2. 摩擦系数一般为摩擦系数一般为 0.2-0.30.2-0.3 轮缘角与脱轨系数轮缘角与脱轨系数 38 摩擦系数与轮缘角摩擦系数与轮缘角 39 5

7、5 60 65 70 75 80 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 脱 轨 系 数 临 界 值 脱轨系数与摩擦系数及轮缘角脱轨系数与摩擦系数及轮缘角 40 增大了安 全裕量的 标准 合格标准 =680, =0.32 我国脱轨系数标准 GB5599-85 95J01-L(M) 41 理解举例理解举例 1.8 m . 你们害你们害 我我! 1.4 m ! 哇噻哇噻! 强烈抗议强烈抗议! 1.2 m ! 1.6 m ? 安安 全全 深深 度度 ？ 42 其它国际标准其它国际标准 标 准脱轨系数 国际铁路联盟UIC1.2 德国ICE高速列车试验标准

8、0.8 日本既有线路提速试验标准0.8 北美铁路联盟1.0 43 根据构架力评定的轮对脱轨系数根据构架力评定的轮对脱轨系数 44 11 11 1 1 tan1 tan P Q 22 22 2 2 tan1 tan P Q 21 QQH 22 22 1 2 1 1 1 2 1 1 1 tan1 tan P P P Q P Q P Q P H 0tan 2 1 1 11 11 1 22 tan1 tan P Q P PH 轮对脱 轨系数 45 2. 轮重减载率轮重减载率 1. 轮重较小时，与其对应的横向压力也就较小，计算脱轨 系数时受到轮重和横向力测量误差的影响也就较大，因 此要掌握正确的脱轨系数

9、比较困难。 2. 垂向力较小时，使用该垂向力和与之对应的横向力得到 的脱轨系数很容易便达到脱轨限界值。另一方面，单侧 车轮的轮重减少时，另一侧车轮轮重一般就会增大，由 于极少的轮对冲角变化会导致较大的横向压力，从而加 大了脱轨的危险性。 3. 根据多次线路试验所获得的经验来看，与其说脱轨系数 值较大容易导致列车脱轨，还不如说轮重减少得越多， 越容易导致列车脱轨。 46 2. 轮重减载率轮重减载率 22 22 1 2 1 1 1 tan1 tan P P P Q P H 0H轮重减载率应用条件： 11 11 1 1 tan1 tan P Q 1222 1122 tan 1tan QP PP 11

10、 11 11 tan 1tan QP 11222 11122 tantan 1tan1tan P P 47 12 21 ()/2 ()/2 PPP PPP 22 22 11 11 22 22 11 11 tan1 tan tan1 tan tan1 tan tan1 tan P P 21 1 PPP PPP 11222 11122 tantan 1tan1tan P P 轮重减载率轮重减载率 48 22 22 11 11 22 22 11 11 tan1 tan tan1 tan tan1 tan tan1 tan P P 轮重减 载率临 界值 25. 02 . 0 )20/1 (tan 70

11、68 1 1 2 00 1 65. 0 P P 第一限度 第二限度 轮重减载率 0.65 0.60 当轮重减载率超过临界值后，轮对有可能脱轨。 上式即为轮重减载率可能造成脱轨的标准。 GB5599-85 49 轮重减载率为评定车辆在轮对横向力为零或接近于零轮重减载率为评定车辆在轮对横向力为零或接近于零 的条件下，因一侧车轮严重减载而脱轨的安全性指标，的条件下，因一侧车轮严重减载而脱轨的安全性指标， 与脱轨系数并用来对机车车辆脱轨安全性进行确认。与脱轨系数并用来对机车车辆脱轨安全性进行确认。 脱轨系数与轮重减载率脱轨系数与轮重减载率 轮重减载率不能单独确保安全性的指标，而是需要和轮重减载率不能单

12、独确保安全性的指标，而是需要和 脱轨系数一起使用。脱轨系数一起使用。 理论上，脱轨系数是一个能够单独对安全性进行确保理论上，脱轨系数是一个能够单独对安全性进行确保 的指标，可是实际上它具有一个弱点，那就是需要通的指标，可是实际上它具有一个弱点，那就是需要通 过轮重减载率来进行补充、修正。过轮重减载率来进行补充、修正。 50 3. 倾覆系数倾覆系数 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。 12 12 PP PP P P D st d 当车辆一侧总的车轮轮重减载率减小到零，即D=1时，车 辆达到倾覆的临界状态，为防止车辆

13、倾覆，GB5599-85中 规定D0.8。 51 4. 轨道结构动力作用指标轨道结构动力作用指标 轮轨横向力轮轨横向力 轮轨垂向力轮轨垂向力 轮轴横向力轮轴横向力 52 1） 轮轨间最大横向力轮轨间最大横向力 53 54 日本及欧美最大轮轨横向力标准日本及欧美最大轮轨横向力标准 55 2） 轮轨间最大垂向力轮轨间最大垂向力 日本：新干线日本：新干线270kN，既有线，既有线255kN kN 600 kN 250 kN 400 21 2 1 PP P P 英国：英国： 德国：德国： 170kN 中国：中国： 170kN（ 95J01-L ） 56 3） 轮轴间最大横向力轮轴间最大横向力 对于无缝

14、铁路稳定性问题的研究表明，过大的轮轴横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。道现象的最主要原因。 57 车轴轴承结构车轴轴承结构 58 5. 车轮跳轨的评定标准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： ）（轮轨间横向力作用时间s tP Q - t 04. 0 1 1 日本在国铁时代，特别是20世纪60年代末70年代初，开展了大量的 脱轨理论与实验研究，区分了稳态爬轨脱轨和动态跳轨脱轨的不同 作用性质，考虑了横向力作用时间对脱轨的影

15、响，得到： )( 0.05s)(t 05. 0 0.05s)(t 脱轨系数的目标值 t P Q 59 GB5599-85对轮轨瞬时冲击而造成车轮上钢 轨的脱轨系数无明确规定。 95J01-L(M) 目前国内跳轨安全评定标准目前国内跳轨安全评定标准 60 第三节第三节 车辆运行品质及其评估标准车辆运行品质及其评估标准 列车运行中产生的振动是不舒适的重要列车运行中产生的振动是不舒适的重要 来源，人处于振动环境中，不仅会引起来源，人处于振动环境中，不仅会引起 疲劳，还会发生人体内部器官及全身组疲劳，还会发生人体内部器官及全身组 织与外界振动共振或谐振的可能。织与外界振动共振或谐振的可能。 61 轨道

16、接缝、道岔等的轨道面的不连续部位等，以及称之轨道接缝、道岔等的轨道面的不连续部位等，以及称之 为波状磨耗的轨道表面的微小凹凸；为波状磨耗的轨道表面的微小凹凸； 曲线轨道半径的不规则、倾斜过度或不足等；曲线轨道半径的不规则、倾斜过度或不足等； 车辆自身产生的激扰；车辆自身产生的激扰； 由发动机、电动机、空气压缩机和鼓风机等车辆上的机由发动机、电动机、空气压缩机和鼓风机等车辆上的机 器引起的激扰；器引起的激扰； 由车轮的偏心及刹车时车辆的滑行产生的外轮擦伤引起由车轮的偏心及刹车时车辆的滑行产生的外轮擦伤引起 的振动；的振动； 起动和刹车时邻接车辆间产生的前后冲击；隧道内气流起动和刹车时邻接车辆间产

17、生的前后冲击；隧道内气流 和与车辆错过时的空气动力产生的空气力学的干扰等。和与车辆错过时的空气动力产生的空气力学的干扰等。 车体轻量化车体变软后，车体产生的颤振振动等；车体轻量化车体变软后，车体产生的颤振振动等； 车辆部件经过长期运转后出现老化现象也会影响车辆乘车辆部件经过长期运转后出现老化现象也会影响车辆乘 坐舒适度。坐舒适度。 引起车辆系统振动的因素引起车辆系统振动的因素 62 乘座舒适性定义乘座舒适性定义 63 评估标准评估标准 Sperling平稳性指标 最大加速度平稳性 指标 ISO标准 动荷系数 客车在曲线上舒适性及其标准 64 1. Sperling平稳性指标平稳性指标 两个因素

18、 的三次导数 位移对时间 振动动能 dccc EfzMzMzM 2 0 2 0 2 )2( 2 1 )( 2 1 2 1 c d M E fz 2 )2( 2 0 az FaM aMzM c cc FaM aMzM c cc c M F z tzzsin 0 tzzsin 3 0 3 0 max )2(fzz 10 3 10 53 0 )( 896. 0)( 7 . 2fF f a fFfzW 2 0 )2(fza tzzsin 0 65 以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一震动，但实际上车 辆在线路上运行时的振动是随机的， 即振动频率都是随时间变化的。 因此在 整理车辆平稳性指数时，

19、 把实测的车辆振动加速度记录并按频率分解， 进行 频谱分析， 求出每段频率范围的振动幅值， 然后对每一频段计算各自的平稳 性指数 i W，然后再求出全部频段总的平稳性指数： 1 . 01010 2 10 1 )( ntot WWWW 凡新造的客、货车，其平稳性等级不应低于二级标准 平稳性等级平稳性等级评语评语 平稳性指数平稳性指数W 客车客车货车货车机车机车 一级一级优优5 二级二级良好良好2.52.753.54.02.753.10 三级三级合格合格2.753.04.05 (GB5599-85) 66 用于乘坐舒适度的车体加速度采集位置 67 2. 最大

20、加速度平稳性指标最大加速度平稳性指标 68 平稳性等级 垂向振动横向振动垂向振动横向振动 优0.0250.0100.0600.080 良好0.0300.0180.0110.130 合格0.0350.0250.0160.180 p C f C 最大加速度指标最大加速度指标 69 高速动力车运行品质（高速动力车运行品质（95J01-L） 车体横向振动加速度峰值车体横向振动加速度峰值: 2 max ()1.47 m/s y a 2 max ()2.45 m/s z a 车体垂向振动加速度峰值车体垂向振动加速度峰值: 70 3. ISO标准标准 ISO（国际标准化组织）把振动对人体的影响用（国际标准化

21、组织）把振动对人体的影响用 疲劳时间疲劳时间T表示，从维持工作效能、健康和舒适表示，从维持工作效能、健康和舒适 度出发，相应提出了下列三种限度：度出发，相应提出了下列三种限度： 工效下降限度工效下降限度：当人体连续受到机械振动时，经 过一段时间后便因疲劳而使工作效能下降（因人 而异对飞行员和驾驶员测试研究结果）； 承受限度承受限度：工效下降曲线的振动加速度乘以2； 舒适度下降限度舒适度下降限度：工效下降曲线的振动加速度除 以3.15。 71 工效下降时间限度与振动加速度和频率关系工效下降时间限度与振动加速度和频率关系 疲劳时间与水平方向振动关系疲劳时间与水平方向振动关系疲劳时间与垂振动关系疲劳

22、时间与垂振动关系 -2 水平方向均方根加速度/m.s 10dB 1min 16min 25min 1h 4h 16h 8h 24h 80.050.031.520.012.58.05.03.152.00.016 10.0 8.0 6.3 5.0 4.0 3.15 2.50 2.0 1.60 1.25 1.0 0.80 0.63 0.50 0.40 0.31 0.25 0.20 0.10 0.16 0.125 频率/Hz 2.5h -2 垂直方向均方根加速度/m.s 10dB 1min 16min 25min 1h 4h 16h 8h 24h 80.050.031.520.01

23、2.58.05.03.152.00.016 10.0 8.0 6.3 5.0 4.0 3.15 2.50 2.0 1.60 1.25 1.0 0.80 0.63 0.50 0.40 0.31 0.25 0.20 0.10 0.16 0.125 频率/Hz 2.5h 72 4. 动荷系数动荷系数 架上横向和垂向动载荷分别为车体作用在转向、 静载荷；车体作用在转向架上的 垂向动荷系数： 横向动荷系数： vdld st st vd vd st ld ld PP P P P K P P K g a g a K vl ld vd K st d vd f f K 加速度法：弹簧动挠度法

24、： 动荷系数是车辆在运转时产生的动载荷幅值与车辆静载 荷之比。动荷系数分横向和垂向两种： 73 动荷系数客车运行品质标准及评定 运行品运行品 质评定质评定 动荷系数车体加速度（m/s2） 运行平 稳性指 数 垂向横向垂向横向 优等优等0.100.051.00.70.4755 74 动荷系数货车运行品质标准及评定 运行品 质评定 动荷系数车体加速度（m/s2）运行平 稳性指 数垂向横向垂向横向 优等0.200.082.05 75 运行稳定性以脱轨系数、轮重减载率、倾覆系 数及横向运行稳定性来衡量。 转向架的横向失稳采用构架上的横向加速度进 行评判，条件为滤波 0.5 10 Hz 下连续出现 6次

25、以上的横向加速度值不超过 810 m/s2 （与转向架构架的设计相适应）。 动车组运行稳定性要求 76 77 曲线超高量设置： mm mm h mm mm mm h mm mm mm h 50 30 110 90 70 180 125 150 困难地段： 一般线路： ：最大过超高量 既有线路： 困难地段： 一般线路： ：最大欠超高量 京沪： 单线： 双线： ：最大超高量 过 欠 我国曲线超高及设置标准我国曲线超高及设置标准 78 舒适性及其标准舒适性及其标准 S h ga sm R V a s c 超高引起的加速度： ）（离心加速度： 2 2 / S gh R V ad 2 未平衡离心加速度：

26、 h gR SV hd 2 S h gR V gc 2 0 0 0 d d d h h h 过超高： 平衡速度： 欠超高： 心加速度繁的这种未被平衡的离，一般旅客能承受不频）（ 加速度受这种未被平衡的离心，一般旅客能长时间承）（ 舒服感的离心加速度，但无不，旅客能察觉未被平衡）（ 心加速度无明显感觉，旅客对未被平衡的离）（ gg gg gg gg c c c c 1 . 04 077. 03 05. 02 04. 01 79 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， 按铁路设计规定： （1） 在等级较高的线路上，旅客列车的欠超高mmhd70； （2） 在一般线路上，

27、欠超高mmhd90 （3） 在既有线路上提速时，某些线路的欠超高mmhd110。 我国铁路关于曲线欠超高的规定 80 v 当列车速度较低时，轨道超高产生的重力分量大于 车体在曲线运行时的离心力或离心加速度称为轨道 过超高。过超高使车内旅客产生未平衡向心加速度， 未平衡向心加速度过大也会使车内旅客感到不舒适； v 我国铁路标准规定普通列车未平衡离心加速度不大 于0.05g。特殊情况不大于0.06g（90mm欠超高）。 我国开发摆式列车的设计任务书确定摆式列车未平 衡离心加速度不大于0.077g（115mm欠超高）； v 欧洲国家铁路标准规定摆式列车未平衡离心加速度 不大于0.1g （150mm欠超高）。 轨道超高及相关规定轨道超高及相关规定 81 列车以