车辆系统动力学第二讲

1、主要内容：第一节第一节 铁道车辆系统动力性能铁道车辆系统动力性能第二节第二节 车辆运行安全性及评判标准车辆运行安全性及评判标准第三节第三节 车辆运行平稳性及评价标准车辆运行平稳性及评价标准 重点介绍目前常用的介绍目前常用的Sperling评价方法以及评价方法以及ISO标准。标准。第一节第一节 铁道车辆系统动力性能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。标如下表。第二节第二节 车辆运行安全性及评价标准车辆运行安全性及评价标准

2、车辆运行安全性主要涉及车辆是否会出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。现脱轨和倾覆问题。车轮脱轨根据过程不同大体可分为车轮脱轨根据过程不同大体可分为爬轨脱轨爬轨脱轨跳轨脱轨跳轨脱轨掉道脱轨掉道脱轨 车辆运行稳定性主要包括防止蛇行运动的稳定性、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。防止脱轨的稳定性和车辆倾覆的稳定性。评价指标：评价指标：脱轨系数、轮重减载率，倾覆系数。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。我国主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标。一、防止蛇行运动的稳定性一、防止蛇行运动的稳定性 在轮轨间

3、蠕滑力的作用下，车辆运行到达某一临界速度时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。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，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。它威胁到行车安全。 为此，要求车辆蛇行运动的临界速度为此，要求车辆蛇行运动的临界速度Vc要远高于其最高要远高于其最高运行速度，以保证有足够的安全裕量。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

4、致使振动不能很快衰减。可能在运行中收到某些激励致使振动不能很快衰减。因此，要求车辆的各种振型在运行速度范围因此，要求车辆的各种振型在运行速度范围内应有足够的阻尼。内应有足够的阻尼。车辆运行时，在线路状态、运行条件、车辆结构车辆运行时，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参数和装载等因素最不利的组合下可能导致车轮脱轨。脱轨。二、防止脱轨的稳定性二、防止脱轨的稳定性评定防止车轮脱轨稳定性的指标用评定防止车轮脱轨稳定性的指标用“脱轨系数脱轨系数”。1、脱轨系数、脱轨系数定义定义：脱轨系数用于评定车辆的车轮轮缘在横向力作用脱轨系数用于评定车辆的车轮轮缘在横向力作用下

5、是否会爬上轨头而脱轨。脱轨系数为爬轨侧车轮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于钢轨上的横向力横向力Q与其作用于钢轨上的与其作用于钢轨上的垂向力垂向力P的比值，的比值，即即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：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）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可能对轨道产生“逐渐升高现象逐渐升高现象”而使用的脱轨系数。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

6、产生较）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大的冲击性横向力时，车轮是否会有可能产生“腾空现腾空现象象”，是一种考虑了横向力作用时间的评价方法。，是一种考虑了横向力作用时间的评价方法。1）、不考虑作用时间的脱轨系数）、不考虑作用时间的脱轨系数脱轨系数最初由脱轨系数最初由法国科学家法国科学家Nadal提出，他是根据提出，他是根据爬轨侧车轮在爬轨侧车轮在脱轨临界状态时脱轨临界状态时轮轨接触点上力的平轮轨接触点上力的平衡条件，推倒出的表达式。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假设车轮与钢轨接触点位于轮对中心线垂直平面内

7、（无轮对冲角），（无轮对冲角），图图2-2（a）所示的车轮处于脱轨）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临界状态时的钢轨受力关系，接触斑处车轮受力如图图2-2（b）。）。图图2-2（b）中各作用力分别向轮对接触点）中各作用力分别向轮对接触点A的切线方的切线方向和法线方向投影，可得：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；作用于轮缘上的横向力；P作用于车轮上的垂向力；作用于车轮上的垂向力；N钢轨对车轮的法向反力；钢轨对车轮的法向反力；T钢轨对车轮的切向反力；钢轨对车轮的切向反力； 车轮轮缘角车轮轮缘角

8、。 国际铁路联盟国际铁路联盟UIC规定规定Q/P1.2；德国；德国ICE高速列高速列车试验标准车试验标准Q/P0.8；日本既有线铁路提速试验；日本既有线铁路提速试验标准也规定标准也规定Q/P0.8,；北美铁路则规定；北美铁路则规定Q/P1.0.我国制定的脱轨系数标准见下表。表中的第一限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度为合格标准，第二标准为增大了安全裕度的标准。准。2)、考虑作用时间的脱轨系数、考虑作用时间的脱轨系数在在JR标准中，还考虑了轮轨间发生冲击时车轮的脱轨安标准中，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

9、间全性问题。考虑横向冲击力的作用时间t大于大于0.05s以上以上时，以时，以0.8作为标准值，若作用时间小于作为标准值，若作用时间小于0.05s,将将Q/P=0.04/t所得的值作为标准值。所得的值作为标准值。2)、轮重减载率、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。其主是，仅依靠脱轨系数来判定安全性，却不充分。其主要原因是：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）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

10、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。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）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。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）根据多次线路试验来看，与其说脱轨系

11、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。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，提出了因此，提出了轮重减载率轮重减载率这个指标评判机车车辆这个指标评判机车车辆/动车动车组脱轨的安全性。组脱轨的安全性。 我国我国铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范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高速试验列车动力车强度及动力学性能规范力学性能规范（95J01L）注：一般在过曲线时采用。注：一般在过曲线时采用。车辆运行时，在侧向风力、离心力和横向振动惯性力的最不车辆运行时，在侧向风力、离心力和横向振动惯性力的最

12、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。来衡量。当车辆一侧车轮轮重减载至零时，车辆达到倾覆的临界状当车辆一侧车轮轮重减载至零时，车辆达到倾覆的临界状态。此时，态。此时，D=1。因此为了防止车辆倾覆，必须满足因此为了防止车辆倾覆，必须满足D1条件。我国条件。我国铁道铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范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高速试验列车动力车强度及动力学性能规范（95J01L）规定）规定D0.8。3、防止车辆倾覆的稳定性、防止车辆倾覆的稳定性 式中 、

13、 式中式中、式中、-分别为车辆同一侧车轮上总的动、静载荷。分别为车辆同一侧车轮上总的动、静载荷。 4、轨道结构动力作用评价标准、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、轮轨轮轨垂向力、轮轨横向力和轮轴横向力。横向力和轮轴横向力。1、轮轨垂向力设计载荷：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静轮重的3倍倍，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（95

14、J01L）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、拔起的横向力极限值。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

15、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（95J01L）和高速试验列车客车强度及动力学性能规范（95J01M）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：乘坐舒适度的含义：（乘坐舒适度）（乘坐舒适度）列车晃动、滚动等列车晃动、滚动等（线路、轨道状态、车辆（线路、轨道状态、车辆状态等）状态等）车辆的舒适性车辆的舒适性车内环境中的物理部分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（车辆内部装饰、温度湿度、车内噪声等）车内的舒适性车内的舒适性最广义的乘坐舒适性最广义

16、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）关于车内环境的事情（乘务员服务态度、其他乘客态度等）利用铁路旅行的舒适性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）关于利用铁路旅行的事情（车站设备、购票难度等）旅行的舒适性旅行的舒适性关于旅行的事情（从准备到回忆的全过程）关于旅行的事情（从准备到回忆的全过程）列车的振动从人体生理学的角度，有三个有害范围：列车的振动从人体生理学的角度，有三个有害范围：第一个频率范围是小于第一个频率范围是小于1Hz的振动，会使人头晕；的振动，会使人头晕；2) 第二个频率范围是第二个频率范围是4-8Hz的振动，会使人迅速疲劳；的

17、振动，会使人迅速疲劳； 3) 第三个频率范围是第三个频率范围是16-32Hz的振动，对人体有不良的振动，对人体有不良影响。影响。什么导致晕车晕船？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。运动病又称体的前庭平衡感受器有关系。运动病又称晕动病晕动病，是晕，是晕车、晕船、晕机等的总称。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，受到过度运动刺激，前庭器官前庭器官产生过量生物电，影响神产生过量生物电，影响神经中枢而出现的出

18、冷汗、恶心、呕吐、头晕等症状群。经中枢而出现的出冷汗、恶心、呕吐、头晕等症状群。那为什么有些人不会晕车，有些人却会晕呢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，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。性有一个限

19、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，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。所以在相同的客观条件下，只有部分人出现运动病症状。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、舒适平稳性指标、舒适度指标。度指标。评价铁道车辆乘坐舒适性最直接的指标是车体车体振动加速度振动加速度，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平稳性指标和车体振动加速度来评定。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、一、Sperling 平稳性指标平稳性指标欧洲铁路联盟（欧洲铁路联盟（UIC）以及前社会主义国家铁路合作组）以及前社会主义国家铁路合作组织（织（OCKII）均采用）均采用Sperling平稳性指数来评定车辆的