铁道车辆动力学性能.ppt

1、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 （

2、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

3、；,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

4、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

5、：,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，

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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，1500

11、mm； 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：

12、,（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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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：,