1、1 第一節 車輛系統基本結構 第二節 車輛系統運動認識 第三節 車輛運行安全性及其評估標準 第四節 車輛運行品質及其評估標準 結構：轉向架系統（走行系統）結構：轉向架系統（走行系統） 車體系統車體系統 功能：基本部件系統（輪對功能：基本部件系統（輪對4、構架、構架2、車體、車體1） 懸掛系統（一系懸掛、二系懸掛系統）懸掛系統（一系懸掛、二系懸掛系統） 牽引制動系統（驅動系統、制動系統）牽引制動系統（驅動系統、制動系統） 第一節第一節 車輛系統基本結構車輛系統基本結構 第四章 車輛系統動力 學模型 轉向架轉向架 動力輪對動力輪對 非動力輪對非動力輪對 第四章 車輛系統動力 學模型 構架構架 第四

2、章 車輛系統動力 學模型 軸距、滾動圓半徑與跨距軸距、滾動圓半徑與跨距 Tread Flange Flange2/ Back of wheel 滾動圓半徑、車輪踏面、輪緣滾動圓半徑、車輪踏面、輪緣 滾動圓到輪對內側距離滾動圓到輪對內側距離輪對內側距輪對內側距 車輛定距與質心高度車輛定距與質心高度 L1 Distance right left L2 H1 H2 B1 橫向懸掛距離橫向懸掛距離 第二節 車輛系統運動認識 一、車體和構架自由度一、車體和構架自由度 伸縮：縱向方向平移伸縮：縱向方向平移 橫移：橫向平移橫移：橫向平移 沉浮：垂直方向上振動沉浮：垂直方向上振動 側滾：繞側滾：繞X軸轉動的角

3、自由度軸轉動的角自由度 點頭：繞點頭：繞Y軸轉動的角自由度軸轉動的角自由度 搖頭：繞搖頭：繞Z軸轉動的角自由度軸轉動的角自由度 1. 1. 縱向運動縱向運動 3. 車體沉浮車體沉浮 4. 車體側滾車體側滾 5. 車體點頭車體點頭 6. 車體搖頭車體搖頭 車體橫移與側滾數值曲線車體橫移與側滾數值曲線 車體搖頭與點頭車體搖頭與點頭 l伸縮：縱向方向平移伸縮：縱向方向平移 l橫移：橫向平移橫移：橫向平移 l沉浮：垂直方向上振動沉浮：垂直方向上振動 l側滾：繞側滾：繞X X軸轉動的角自由度軸轉動的角自由度 l擾動：繞擾動：繞Y Y軸轉動的微小角自由度軸轉動的微小角自由度 l搖頭：繞搖頭：繞Z Z軸轉動

4、的角自由度軸轉動的角自由度 輪對擾動輪對擾動 輪對搖頭輪對搖頭 輪對搖頭輪對搖頭 輪對橫移、沉浮輪對橫移、沉浮 輪對側滾、搖頭輪對側滾、搖頭 28 動力動力 性能性能 平穩性 穩定性 曲線通過能力 Sperling 指標指標 ISO標準標準 防止蛇行運動穩定性防止蛇行運動穩定性 防止脫軌穩定性防止脫軌穩定性 防止車輛傾覆穩定性防止車輛傾覆穩定性 機車車輛/動車組動力性能 旅客乘坐舒適度旅客乘坐舒適度 裝運貨物的完整裝運貨物的完整 安全性安全性 磨耗性能磨耗性能 輪軌橫向力輪軌橫向力 磨耗指數磨耗指數 脫軌系數脫軌系數 傾覆系數傾覆系數 減載率減載率 臨界速度臨界速度 29 第三節 車輛運行安全

5、性及其評估標準 一、安全性指標 1. 脫軌系數 2. 輪重減載率 3. 傾覆系數 4. 輪軌間最大橫向力 5. 車輪跳軌的評定標準 30 31 32 33 34 1. 定義：在測量或計算到的輪軌力中，選定義：在測量或計算到的輪軌力中，選 用橫向力與垂向力同時發生的數值，來用橫向力與垂向力同時發生的數值，來 計算兩者的比值，并將其作為脫軌系數計算兩者的比值，并將其作為脫軌系數 2. 分類：不考慮持續時間的脫軌系數和考分類：不考慮持續時間的脫軌系數和考 慮持續時間的脫軌系數（跳軌脫軌）慮持續時間的脫軌系數（跳軌脫軌） 1. 脫軌系數 35 脫軌系數公式推導 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 脫軌系數公式推導 37 1. 輪緣角越小，越容 易出現爬軌。 2. 摩擦系數越大，越 容易出現爬軌。 1.1. 我國標準車輪的輪我國標準車輪的輪 緣角為緣角為68-7068-70度。度。 2.2. 摩擦系數一般為摩擦系數一般為 0.2-0.30.2-0.3 輪緣角與脫軌系數輪緣角與脫軌系數 38 摩擦系數與輪緣角摩擦系數與輪緣角 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 脫 軌 系 數 臨 界 值 脫軌系數與摩擦系數及輪緣角脫軌系數與摩擦系數及輪緣角 40 增大了安 全裕量的 標準 合格標準 =680, =0.32 我國脫軌系數標準 GB5599-85 95J01-L(M) 41 理解舉例理解舉例 1.8 m . 你們害你們害 我我! 1.4 m ! 哇噻哇噻! 強烈抗議強烈抗議! 1.2 m ! 1.6 m ? 安安 全全 深深 度度 ？ 42 其它國際標準其它國際標準 標 準脫軌系數 國際鐵路聯盟UIC1.2 德國ICE高速列車試驗標準

8、0.8 日本既有線路提速試驗標準0.8 北美鐵路聯盟1.0 43 根據構架力評定的輪對脫軌系數根據構架力評定的輪對脫軌系數 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 輪對脫 軌系數 45 2. 輪重減載率輪重減載率 1. 輪重較小時，與其對應的橫向壓力也就較小，計算脫軌 系數時受到輪重和橫向力測量誤差的影響也就較大，因 此要掌握正確的脫軌系數

9、比較困難。 2. 垂向力較小時，使用該垂向力和與之對應的橫向力得到 的脫軌系數很容易便達到脫軌限界值。另一方面，單側 車輪的輪重減少時，另一側車輪輪重一般就會增大，由 于極少的輪對沖角變化會導致較大的橫向壓力，從而加 大了脫軌的危險性。 3. 根據多次線路試驗所獲得的經驗來看，與其說脫軌系數 值較大容易導致列車脫軌，還不如說輪重減少得越多， 越容易導致列車脫軌。 46 2. 輪重減載率輪重減載率 22 22 1 2 1 1 1 tan1 tan P P P Q P H 0H輪重減載率應用條件： 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 輪重減載率輪重減載率 48 22 22 11 11 22 22 11 11 tan1 tan tan1 tan tan1 tan tan1 tan P P 輪重減 載率臨 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 輪重減載率 0.65 0.60 當輪重減載率超過臨界值后，輪對有可能脫軌。 上式即為輪重減載率可能造成脫軌的標準。 GB5599-85 49 輪重減載率為評定車輛在輪對橫向力為零或接近于零輪重減載率為評定車輛在輪對橫向力為零或接近于零 的條件下，因一側車輪嚴重減載而脫軌的安全性指標，的條件下，因一側車輪嚴重減載而脫軌的安全性指標， 與脫軌系數并用來對機車車輛脫軌安全性進行確認。與脫軌系數并用來對機車車輛脫軌安全性進行確認。 脫軌系數與輪重減載率脫軌系數與輪重減載率 輪重減載率不能單獨確保安全性的指標，而是需要和輪重減載率不能單

12、獨確保安全性的指標，而是需要和 脫軌系數一起使用。脫軌系數一起使用。 理論上，脫軌系數是一個能夠單獨對安全性進行確保理論上，脫軌系數是一個能夠單獨對安全性進行確保 的指標，可是實際上它具有一個弱點，那就是需要通的指標，可是實際上它具有一個弱點，那就是需要通 過輪重減載率來進行補充、修正。過輪重減載率來進行補充、修正。 50 3. 傾覆系數傾覆系數 車輛運行時，在側向風力、離心力和橫向振動慣性力 的最不利組合下可使車輛向一側傾覆，車輛是否傾覆用傾 覆系數D來衡量。 12 12 PP PP P P D st d 當車輛一側總的車輪輪重減載率減小到零，即D=1時，車 輛達到傾覆的臨界狀態，為防止車輛

13、傾覆，GB5599-85中 規定D0.8。 51 4. 軌道結構動力作用指標軌道結構動力作用指標 輪軌橫向力輪軌橫向力 輪軌垂向力輪軌垂向力 輪軸橫向力輪軸橫向力 52 1） 輪軌間最大橫向力輪軌間最大橫向力 53 54 日本及歐美最大輪軌橫向力標準日本及歐美最大輪軌橫向力標準 55 2） 輪軌間最大垂向力輪軌間最大垂向力 日本：新干線日本：新干線270kN，既有線，既有線255kN kN 600 kN 250 kN 400 21 2 1 PP P P 英國：英國： 德國：德國： 170kN 中國：中國： 170kN（ 95J01-L ） 56 3） 輪軸間最大橫向力輪軸間最大橫向力 對于無縫

14、鐵路穩定性問題的研究表明，過大的輪軸橫對于無縫鐵路穩定性問題的研究表明，過大的輪軸橫 向力是導致軌排橫移、無縫線路動態失穩產生脹軌跑向力是導致軌排橫移、無縫線路動態失穩產生脹軌跑 道現象的最主要原因。道現象的最主要原因。 57 車軸軸承結構車軸軸承結構 58 5. 車輪跳軌的評定標準車輪跳軌的評定標準 當輪軌間橫向作用力的作用時間小于0.05s時，容許的脫軌系數： ）（輪軌間橫向力作用時間s tP Q - t 04. 0 1 1 日本在國鐵時代，特別是20世紀60年代末70年代初，開展了大量的 脫軌理論與實驗研究，區分了穩態爬軌脫軌和動態跳軌脫軌的不同 作用性質，考慮了橫向力作用時間對脫軌的影

15、響，得到： )( 0.05s)(t 05. 0 0.05s)(t 脫軌系數的目標值 t P Q 59 GB5599-85對輪軌瞬時沖擊而造成車輪上鋼 軌的脫軌系數無明確規定。 95J01-L(M) 目前國內跳軌安全評定標準目前國內跳軌安全評定標準 60 第三節第三節 車輛運行品質及其評估標準車輛運行品質及其評估標準 列車運行中產生的振動是不舒適的重要列車運行中產生的振動是不舒適的重要 來源，人處于振動環境中，不僅會引起來源，人處于振動環境中，不僅會引起 疲勞，還會發生人體內部器官及全身組疲勞，還會發生人體內部器官及全身組 織與外界振動共振或諧振的可能。織與外界振動共振或諧振的可能。 61 軌道

16、接縫、道岔等的軌道面的不連續部位等，以及稱之軌道接縫、道岔等的軌道面的不連續部位等，以及稱之 為波狀磨耗的軌道表面的微小凹凸；為波狀磨耗的軌道表面的微小凹凸； 曲線軌道半徑的不規則、傾斜過度或不足等；曲線軌道半徑的不規則、傾斜過度或不足等； 車輛自身產生的激擾；車輛自身產生的激擾； 由發動機、電動機、空氣壓縮機和鼓風機等車輛上的機由發動機、電動機、空氣壓縮機和鼓風機等車輛上的機 器引起的激擾；器引起的激擾； 由車輪的偏心及剎車時車輛的滑行產生的外輪擦傷引起由車輪的偏心及剎車時車輛的滑行產生的外輪擦傷引起 的振動；的振動； 起動和剎車時鄰接車輛間產生的前后沖擊；隧道內氣流起動和剎車時鄰接車輛間產

17、生的前后沖擊；隧道內氣流 和與車輛錯過時的空氣動力產生的空氣力學的干擾等。和與車輛錯過時的空氣動力產生的空氣力學的干擾等。 車體輕量化車體變軟后，車體產生的顫振振動等；車體輕量化車體變軟后，車體產生的顫振振動等； 車輛部件經過長期運轉后出現老化現象也會影響車輛乘車輛部件經過長期運轉后出現老化現象也會影響車輛乘 坐舒適度。坐舒適度。 引起車輛系統振動的因素引起車輛系統振動的因素 62 乘座舒適性定義乘座舒適性定義 63 評估標準評估標準 Sperling平穩性指標 最大加速度平穩性 指標 ISO標準 動荷系數 客車在曲線上舒適性及其標準 64 1. Sperling平穩性指標平穩性指標 兩個因素

18、 的三次導數 位移對時間 振動動能 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 以上的平穩性指數只適用一種頻率一個振幅的單一震動，但實際上車 輛在線路上運行時的振動是隨機的， 即振動頻率都是隨時間變化的。 因此在 整理車輛平穩性指數時，

19、 把實測的車輛振動加速度記錄并按頻率分解， 進行 頻譜分析， 求出每段頻率范圍的振動幅值， 然后對每一頻段計算各自的平穩 性指數 i W，然后再求出全部頻段總的平穩性指數： 1 . 01010 2 10 1 )( ntot WWWW 凡新造的客、貨車，其平穩性等級不應低于二級標準 平穩性等級平穩性等級評語評語 平穩性指數平穩性指數W 客車客車貨車貨車機車機車 一級一級優優5 二級二級良好良好2.52.753.54.02.753.10 三級三級合格合格2.753.04.05 (GB5599-85) 66 用于乘坐舒適度的車體加速度采集位置 67 2. 最大

20、加速度平穩性指標最大加速度平穩性指標 68 平穩性等級 垂向振動橫向振動垂向振動橫向振動 優0.0250.0100.0600.080 良好0.0300.0180.0110.130 合格0.0350.0250.0160.180 p C f C 最大加速度指標最大加速度指標 69 高速動力車運行品質（高速動力車運行品質（95J01-L） 車體橫向振動加速度峰值車體橫向振動加速度峰值: 2 max ()1.47 m/s y a 2 max ()2.45 m/s z a 車體垂向振動加速度峰值車體垂向振動加速度峰值: 70 3. ISO標準標準 ISO（國際標準化組織）把振動對人體的影響用（國際標準化

21、組織）把振動對人體的影響用 疲勞時間疲勞時間T表示，從維持工作效能、健康和舒適表示，從維持工作效能、健康和舒適 度出發，相應提出了下列三種限度：度出發，相應提出了下列三種限度： 工效下降限度工效下降限度：當人體連續受到機械振動時，經 過一段時間后便因疲勞而使工作效能下降（因人 而異對飛行員和駕駛員測試研究結果）； 承受限度承受限度：工效下降曲線的振動加速度乘以2； 舒適度下降限度舒適度下降限度：工效下降曲線的振動加速度除 以3.15。 71 工效下降時間限度與振動加速度和頻率關系工效下降時間限度與振動加速度和頻率關系 疲勞時間與水平方向振動關系疲勞時間與水平方向振動關系疲勞時間與垂振動關系疲勞

22、時間與垂振動關系 -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 頻率/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 頻率/Hz 2.5h 72 4. 動荷系數動荷系數 架上橫向和垂向動載荷分別為車體作用在轉向、 靜載荷；車體作用在轉向架上的 垂向動荷系數： 橫向動荷系數： 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：彈簧動撓度法

24、： 動荷系數是車輛在運轉時產生的動載荷幅值與車輛靜載 荷之比。動荷系數分橫向和垂向兩種： 73 動荷系數客車運行品質標準及評定 運行品運行品 質評定質評定 動荷系數車體加速度（m/s2） 運行平 穩性指 數 垂向橫向垂向橫向 優等優等0.100.051.00.70.4755 74 動荷系數貨車運行品質標準及評定 運行品 質評定 動荷系數車體加速度（m/s2）運行平 穩性指 數垂向橫向垂向橫向 優等0.200.082.05 75 運行穩定性以脫軌系數、輪重減載率、傾覆系 數及橫向運行穩定性來衡量。 轉向架的橫向失穩采用構架上的橫向加速度進 行評判，條件為濾波 0.5 10 Hz 下連續出現 6次

25、以上的橫向加速度值不超過 810 m/s2 （與轉向架構架的設計相適應）。 動車組運行穩定性要求 76 77 曲線超高量設置： mm mm h mm mm mm h mm mm mm h 50 30 110 90 70 180 125 150 困難地段： 一般線路： ：最大過超高量 既有線路： 困難地段： 一般線路： ：最大欠超高量 京滬： 單線： 雙線： ：最大超高量 過 欠 我國曲線超高及設置標準我國曲線超高及設置標準 78 舒適性及其標準舒適性及其標準 S h ga sm R V a s c 超高引起的加速度： ）（離心加速度： 2 2 / S gh R V ad 2 未平衡離心加速度：

26、 h gR SV hd 2 S h gR V gc 2 0 0 0 d d d h h h 過超高： 平衡速度： 欠超高： 心加速度繁的這種未被平衡的離，一般旅客能承受不頻）（ 加速度受這種未被平衡的離心，一般旅客能長時間承）（ 舒服感的離心加速度，但無不，旅客能察覺未被平衡）（ 心加速度無明顯感覺，旅客對未被平衡的離）（ gg gg gg gg c c c c 1 . 04 077. 03 05. 02 04. 01 79 我國鐵路用限制欠超高的形式來保證列車通過曲線時的安全性和旅客舒適度， 按鐵路設計規定： （1） 在等級較高的線路上，旅客列車的欠超高mmhd70； （2） 在一般線路上，

27、欠超高mmhd90 （3） 在既有線路上提速時，某些線路的欠超高mmhd110。 我國鐵路關于曲線欠超高的規定 80 v 當列車速度較低時，軌道超高產生的重力分量大于 車體在曲線運行時的離心力或離心加速度稱為軌道 過超高。過超高使車內旅客產生未平衡向心加速度， 未平衡向心加速度過大也會使車內旅客感到不舒適； v 我國鐵路標準規定普通列車未平衡離心加速度不大 于0.05g。特殊情況不大于0.06g（90mm欠超高）。 我國開發擺式列車的設計任務書確定擺式列車未平 衡離心加速度不大于0.077g（115mm欠超高）； v 歐洲國家鐵路標準規定擺式列車未平衡離心加速度 不大于0.1g （150mm欠超高）。 軌道超高及相關規定軌道超高及相關規定 81 列車以