第十章 鐵道車輛的運行性能.ppt

1、第九章：鐵道車輛的運行性能,對鐵道車輛運行性能或運行品質(zhì)的評價，主要有兩個方面： 一、運行平穩(wěn)性，著重鐵道車輛運行品質(zhì)的 舒適性； 二、運行穩(wěn)定性，著重鐵道車輛運行的 安全性。 各種振動是影響車輛運行品質(zhì)的主要因素。 振動產(chǎn)生的原因及規(guī)律 改進(jìn)鐵道車輛運行品質(zhì)的思路和措施。,10.1引起車輛振動的原因,1、與軌道有關(guān)的激振因素 鋼軌接頭處的輪軌沖擊 （1）由接頭處速度方向變化引起的沖量S SqVqV q：簧下質(zhì)量 V：速度變化量 V：接觸時速度 ：前后輪軌接觸點與輪心所張的角,（2）不同簧下質(zhì)量引起的附加載荷Q,當(dāng)沒有彈簧裝置時Q 當(dāng)有彈簧裝置時Q + 其中Q為輪軸荷重；q為簧下質(zhì)量； 為經(jīng)過

2、不平順處產(chǎn)生的垂向加速度， 該值可達(dá)510g ； K為彈簧裝置的剛度。,2、軌道的垂向變形,軌頭處的垂向變形大于軌道中間的垂向變形（10%15%） 在有縫軌道上輪軌接觸點軌跡用半個正弦波或一個余弦波簡化： （也有用其它的周期函數(shù)） zt=- zt=,2 :一根鋼軌的端部與中部下沉量之差 Lr:軌條長度 t:自某初始位置經(jīng)歷的時間 V：車輛運行速度,3、軌道的局部不平順,軌道超高 順波 橫向變化 曲率半徑變化 軌距變化 通過叉轍 局部磨損 局部隆起、下沉 溫度引起的漲軌,4、軌道的隨機(jī)不平順,不平順：實際軌道中心線與理想軌道中心線的偏差。 沒有確定形式的不平順，而只能用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法來描述的情況

3、，一般分為四種； （1）水平不平順 在直線區(qū)段，鐵路兩股鋼軌頂面不可能保持完全水平，而有一定的偏差，這個偏差稱為水平不平順。 正線及到發(fā)線上，同一處高差不應(yīng)超過4； 其它線上不應(yīng)超過6。,有兩種水平誤差： 一種是水平差：在相當(dāng)長的范圍內(nèi)，一軌頂面始終高于另一軌。 一種是三角坑：如在18m內(nèi)先是左軌高于右軌（3），然后右軌高于左軌。 這兩種水平不平順對車輛的危害程度不同，三角坑的危害更大。,（2）軌距不平順,鐵路實際軌距與名義軌距之間有一定的偏差，稱為軌距不平順。 無弄在直線或曲線上，容許偏差為 最寬不超過6，最窄不小于2。 （3）高低不平順 軌道中心線上下的不平順稱為高低不平順。 產(chǎn)生這類不平

4、順的原因： 路基搗固堅實程度、扣件松動、鋼軌磨耗等。,長度在4m以下的高低不平順會引起輪軌間很大的作用力。 （長度在100300mm范圍內(nèi)有3mm的高低不平順，當(dāng)車輛以90km/h通過時，由不平順產(chǎn)生的輪軌沖擊力可達(dá)300kN左右，為輪軌靜壓力的三倍。而且很難用軌道檢查車測得。） 大修后的線路要用10m長的弦線測量線路的高低不平順。在正線上高低不平順不得超過4mm，站線或?qū)Ｓ镁€不得超過6mm.,（4）方向不平順,實際軌道中心線與理想軌道中心線的左右偏差稱為方向不平順。 這種偏差用10長的弦線測量其方向誤差，正線不超過4mm，站線及專用線不超過6mm. 軌道譜：,軌道譜及作用,對測量記錄的這些不

5、平順并用數(shù)理統(tǒng)計的方法整理，得出軌道的各種不平順譜稱為軌道譜。 軌道譜的作用：利用這些軌道譜可以計算機(jī)車車輛通過這些線路的隨機(jī)響應(yīng)，并可測算車輛的運行平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)疲勞性能，同時也可計算線路上所受的輪軌作用力。,10.2 與車輛結(jié)構(gòu)有關(guān)的激振因素,1車輪偏心 2車輪不均重 3車輪踏面擦傷 4錐形踏面輪對的蛇行運動,自由輪對在軌道上的蛇行運動,有如下假定： （1）輪對與轉(zhuǎn)向架之間無任何剛性或彈性約束，輪對單獨的在軌道上滾動； （2）鋼軌頂部呈刀刃狀且是兩根平行直線； （3）輪對是兩個對稱圓錐體，輪對在軌道上運行時，輪軌之間無任何相對滑動； （4）不計輪對上任何作用力和慣性力。 在上述假設(shè)下，只要輪

6、對中心偏離軌道中心線，輪對就在橫向產(chǎn)生正弦運動， y=y0sin 這種運動稱為自由輪對的蛇行運動。,輪對的蛇行運動的周期為,蛇行運動的波長 y0:輪對中心偏離軌道中心的初始值； y:輪對中心相對軌道中心的橫移量； b:同一輪對左右車輪滾動圓跨距的一半； r0:車輪名義滾動圓半徑； V：車輛運行速度 ； ：輪對蛇行運動的角頻率,10.2輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)的振動 10.3 車輛系統(tǒng)的振動 10.31車輛的自由度、廣義坐標(biāo)和振型,橫擺 伸縮側(cè)滾 X：伸縮運動，側(cè)滾運動； Y：橫擺運動，點頭運動； Z：浮沉運動，搖頭運動。,搖頭,點頭,浮沉,車輛的自由度,10.4 輪對的蛇形運動,蛇形運動 在軌道上，發(fā)

7、生的搖頭和橫擺運動的耦合,10.5.1車輛的運行品質(zhì)及其評估標(biāo)準(zhǔn),車輛的運行品質(zhì)是從舒適性、完整性方面對車輛、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量好壞進(jìn)行評估的一個述語。 評估的方法： 1、動荷系數(shù) 2、車體加速度幅值 3、 sperling平穩(wěn)性指數(shù),1、動荷系數(shù),動荷系數(shù)：是車輛在運行時產(chǎn)生的動載荷幅值Pd與車輛靜止時的載荷Pst之比。 分為橫向和垂向兩種。 橫向動荷系數(shù)Kld= Pst車體作用在 轉(zhuǎn)向架上的靜載荷 垂向動荷系數(shù)Kwl= Pld Pvd分別作用在轉(zhuǎn) 向架上橫向和垂向動載荷,Pld Pvd可用計算或?qū)崪y求得。 若已知車體的橫向及垂向加速度為 及 ，則 動荷系數(shù)為 有時也用動簧動撓度來求動荷系數(shù)， 其值

8、為 彈簧靜撓度 彈簧動撓度,在現(xiàn)埸試驗發(fā)現(xiàn)，利用加速度和彈簧靜撓度所得的動荷系數(shù)不一致，差別其原因有二： 1、測出的動撓度往往只反應(yīng)了大振幅低頻振動； 2、加速度計安裝位置不當(dāng)。,客車運行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及評定,貨車運行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及評定,3、sperling平穩(wěn)性指數(shù),歐洲國際鐵路聯(lián)盟（UIC）、前東歐、俄羅斯等均采用sperling提出的平穩(wěn)性指數(shù)來評定車輛的運行品質(zhì)。 我國也采用這個指數(shù)來評價車輛的運行品質(zhì)。 我國還規(guī)定用平均最大加速度來確定客貨車平穩(wěn)性等級。 用最大加速度來確定貨車的限制速度。,sperling平穩(wěn)性指數(shù)指數(shù)有兩個評價因素:,1.位移對時間的三次導(dǎo)數(shù) 利用牛頓定律寫成如下式 或者

9、上式的意義是表明力F的增減變化引起沖動的感覺。 在一定意義上代表力的變化率。 如果車體作簡諧振動 其幅值為,2振動時動能的大小,車體振動時的最大動能為 所以 3平穩(wěn)性指數(shù) 兩個因素的乘積為 用W來表式 W =,式中z0:振幅； :振動頻率； :加速度（cm/s2）； ：與振動頻率有關(guān)的加權(quán)系數(shù)； 對于垂向和橫向振動是不同 以上的平穩(wěn)性指數(shù)只適用于一種頻率一個振幅的單一振動。,在實際整理車輛的平穩(wěn)性指數(shù)時，應(yīng)先把實測的車輛振動的加速度記錄，通常按頻率分解，進(jìn)行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振幅值，然后對每一頻段計算各自的平穩(wěn)性指數(shù)，然后再求出全部頻段總的平穩(wěn)性指數(shù)：,4客車、貨車運行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),對于

10、客車、貨車評定標(biāo)準(zhǔn)不同 各國采用的標(biāo)準(zhǔn)不同 我國客貨車平穩(wěn)性等級分為三個等級。,車輛運行平穩(wěn)指標(biāo)與等級,ISO標(biāo)準(zhǔn),國際標(biāo)準(zhǔn)化組織把振動對人體的影響用疲勞時間T來表示， 從維持工作效能、健康和舒適度出發(fā)，相應(yīng)提出下列三種限度： 舒適度下降限度； 工效下降限度； 承受限度。 就水平向振動而言，人對頻率在2HZ以下的振 動最為敏感； 就垂向振動而言，人對48HZ的振動最為敏感,其它評價方法,法國的疲勞時間法； 英國的平穩(wěn)性指數(shù)法； 日本的等舒適度曲線法。,10.52車輛的運行安全性及其評估標(biāo)準(zhǔn),影響車輛運行安全的有車體在彈簧上的傾覆、車輛傾覆和車輪脫軌等狀態(tài)。 在車輛設(shè)計、制造、維修、運用工作中，

11、應(yīng)采取措施保證輪軌之間正常接觸，使車輛上所受力保持在安全范圍內(nèi)。 保障運行安全有如下方面的條件： 主要包括：防止蛇行運動的穩(wěn)定性； 防止脫軌的穩(wěn)定性； 防止車輛傾覆的穩(wěn)定性。,（1）防止蛇行運動的穩(wěn)定性,在輪軌間蠕滑力的作用下，車輛運行達(dá)到某一臨界速度時會產(chǎn)生失穩(wěn)的自激振動即蛇行運動。 高速時蛇行運動表現(xiàn)為輪對和轉(zhuǎn)向架的激烈的橫向運動，威脅運行安全。 要求：車輛的蛇行運動臨界速度VC要遠(yuǎn)高于其運行速度，以保證有足夠的安全裕量。 車輛的各種振型在運行速度范圍內(nèi)有足夠的阻尼。,（2）車輛抗傾覆穩(wěn)定性及其評估標(biāo)準(zhǔn),在橫向力作用下車輛一側(cè)車輪減載，另一側(cè)車輪增載。在最不利情況下，車輛一側(cè)車輪與鋼軌之間

12、的垂向作用力減少到零時，車輛有傾覆危險。 車輛在橫向力作用下可能傾覆的程度用傾貨系數(shù)D表示。 D的定義是 無橫向力作用時輪軌間垂向靜載荷； 在橫向力作用下輪軌間垂向力變化量； 增載側(cè)輪軌間垂向力； 減載側(cè)輪軌間垂向力。,當(dāng)車輛的減載側(cè)車輪上垂向力 =0時 車輛已達(dá)到傾覆的臨界狀態(tài)，這中D=1。 D=1即為傾覆的臨界值。 為了保證車輛不傾覆，傾覆系數(shù)D不能超過臨界值。 GB559-85F規(guī)定傾覆系數(shù)D0.8 如果車輛以高于規(guī)定的速度通過曲線，則超高不足以平衡離心力，而且風(fēng)力和振動慣性力與離心力一致時，則車輛向曲線外側(cè)傾覆。其計算可參閱230頁圖5-38。 其計算表達(dá)式如下：,其中 在橫向力作用下

13、車體的橫移量 根據(jù)同樣的原理可計算車輛向曲線內(nèi)側(cè)的傾覆系數(shù)和在平直道上的傾覆系數(shù)。,（3）防止脫軌的穩(wěn)定性,車輛運行時，在線路狀態(tài)運用條件、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝載等因素最不利組合下，可能導(dǎo)致脫軌。 脫軌的幾種形式： 爬軌：低速運行時發(fā)生； 跳軌：高速時發(fā)生； 脫軌： 評定防止脫軌的穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)有如下幾種 (一)根據(jù)車輪作用于鋼軌的橫向力Q評定車輪抗脫軌穩(wěn)定性,(一)根據(jù)車輪作用于鋼軌的橫向力Q評定車輪抗脫軌穩(wěn)定性,公式： ：分別為作用在車輪上的橫向力和垂向力； ：輪緣角； ：輪緣處的摩擦系數(shù)。 上式中左邊大于右邊可能爬軌，反之則向下滑。所以爬軌的條件是,稱為脫軌系數(shù) 車輪脫軌系數(shù)臨界值 由式中可見

14、，輪緣角越小，摩擦系數(shù)越大，越容易出現(xiàn)爬軌。 我國標(biāo)準(zhǔn)錐形車輪的輪緣角為69012實測為680700，輪緣摩擦系數(shù)一般為0.200.30 若取 =680 取0.32 則 =1.2 根據(jù)GB559-85規(guī)定，當(dāng)橫向力Q的作用時間大于5秒時，脫軌系數(shù)容許值為 1.2 安全值為 1.2,(二)根據(jù)構(gòu)架力H評定輪對抗脫軌穩(wěn)定性,由于輪軌間的橫向力Q較難測出，在試驗中往往采用輪對與轉(zhuǎn)向架相互作用的構(gòu)架力H來評定輪對的脫軌系數(shù)。 用 表示 容許值 安全值,(三)根據(jù)輪重減載率評定車輪抗脫軌穩(wěn)定性,在橫向力不是很大而一側(cè)車輪嚴(yán)重減載的情況下也有脫軌的情況。 采用輪重減載率來評定 輪重減載率 左右車輪平均垂向

15、力 輪重減載率臨界值 輪重減載量 脫軌率數(shù)和輪重減載率是根據(jù)輪對爬上鋼軌必要條件出發(fā)而導(dǎo)出的結(jié)果。在實測中發(fā)現(xiàn)脫軌系數(shù)和輪重減載率都已超過規(guī)定限度而并未出現(xiàn)脫軌的現(xiàn)象，這是其它條件不具備的緣故。,(四) 車輪跳軌的評定標(biāo)準(zhǔn),我國對輪對瞬時沖擊而造成車輪跳上鋼軌的脫軌系數(shù)無明確規(guī)定。國外規(guī)定，當(dāng)輪對間橫向力作用時間小于0.05秒，容許的脫軌系數(shù)： t 輪軌間橫向力作用時間 (s)。,(五) 輪軌間最大橫向力Q的標(biāo)準(zhǔn),輪軌間橫向力Q過大時會造成軌距擴(kuò)寬，道釘拔起或引起線路嚴(yán)重變形造成脫軌。 道釘拔起，道釘應(yīng)力為彈性極限的限度： Q19+0.3Pst Q 輪軌間橫向力 道釘拔起，道釘應(yīng)力為屈服極限的限度： Q29+0.3Pst 線路嚴(yán)重變形的限度： 木軌枕 H H 輪軸橫向力 混凝土軌枕 H 分別為車輪平均，左輪右輪靜載