铁道车辆的运行性能.ppt

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1、第九章：铁道车辆的运行性能,对铁道车辆运行性能或运行品质的评价，主要有两个方面：一、运行平稳性，着重铁道车辆运行品质的 舒适性；二、运行稳定性，着重铁道车辆运行的 安全性。各种振动是影响车辆运行品质的主要因素。振动产生的原因及规律改进铁道车辆运行品质的思路和措施。,10.1引起车辆振动的原因,1、与轨道有关的激振因素 钢轨接头处的轮轨冲击（1）由接头处速度方向变化引起的冲量S SqVqV q：簧下质量V：速度变化量 V：接触时速度：前后轮轨接触点与轮心所张的角,（2）不同簧下质量引起的附加载荷Q,当没有弹簧装置时Q当有弹簧装置时Q+其中Q为轮轴荷重；q为簧下质量；为经过不平顺处产生的垂向加速度

2、，该值可达510g；K为弹簧装置的刚度。,2、轨道的垂向变形,轨头处的垂向变形大于轨道中间的垂向变形（10%15%）在有缝轨道上轮轨接触点轨迹用半个正弦波或一个余弦波简化：（也有用其它的周期函数）zt=-zt=,2:一根钢轨的端部与中部下沉量之差 Lr:轨条长度t:自某初始位置经历的时间V：车辆运行速度,3、轨道的局部不平顺,轨道超高顺波横向变化曲率半径变化轨距变化通过叉辙局部磨损局部隆起、下沉温度引起的涨轨,4、轨道的随机不平顺,不平顺：实际轨道中心线与理想轨道中心线的偏差。没有确定形式的不平顺，而只能用数学统计的方法来描述的情况，一般分为四种；（1）水平不平顺在直线区段，铁路两股钢轨顶面不

3、可能保持完全水平，而有一定的偏差，这个偏差称为水平不平顺。正线及到发线上，同一处高差不应超过4；其它线上不应超过6。,有两种水平误差：一种是水平差：在相当长的范围内，一轨顶面始终高于另一轨。一种是三角坑：如在18m内先是左轨高于右轨（3），然后右轨高于左轨。这两种水平不平顺对车辆的危害程度不同，三角坑的危害更大。,（2）轨距不平顺,铁路实际轨距与名义轨距之间有一定的偏差，称为轨距不平顺。无弄在直线或曲线上，容许偏差为最宽不超过6，最窄不小于2。（3）高低不平顺轨道中心线上下的不平顺称为高低不平顺。产生这类不平顺的原因：路基捣固坚实程度、扣件松动、钢轨磨耗等。,长度在4m以下的高低不平顺会引起轮

4、轨间很大的作用力。（长度在100300mm范围内有3mm的高低不平顺，当车辆以90km/h通过时，由不平顺产生的轮轨冲击力可达300kN左右，为轮轨静压力的三倍。而且很难用轨道检查车测得。）大修后的线路要用10m长的弦线测量线路的高低不平顺。在正线上高低不平顺不得超过4mm，站线或专用线不得超过6mm.,（4）方向不平顺,实际轨道中心线与理想轨道中心线的左右偏差称为方向不平顺。这种偏差用10长的弦线测量其方向误差，正线不超过4mm，站线及专用线不超过6mm.轨道谱：,轨道谱及作用,对测量记录的这些不平顺并用数理统计的方法整理，得出轨道的各种不平顺谱称为轨道谱。轨道谱的作用：利用这些轨道谱可以计

5、算机车车辆通过这些线路的随机响应，并可测算车辆的运行平稳性和结构疲劳性能，同时也可计算线路上所受的轮轨作用力。,10.2 与车辆结构有关的激振因素,1车轮偏心2车轮不均重3车轮踏面擦伤4锥形踏面轮对的蛇行运动,自由轮对在轨道上的蛇行运动,有如下假定：（1）轮对与转向架之间无任何刚性或弹性约束，轮对单独的在轨道上滚动；（2）钢轨顶部呈刀刃状且是两根平行直线；（3）轮对是两个对称圆锥体，轮对在轨道上运行时，轮轨之间无任何相对滑动；（4）不计轮对上任何作用力和惯性力。在上述假设下，只要轮对中心偏离轨道中心线，轮对就在横向产生正弦运动，y=y0sin这种运动称为自由轮对的蛇行运动。,轮对的蛇行运动的周

6、期为,蛇行运动的波长y0:轮对中心偏离轨道中心的初始值；y:轮对中心相对轨道中心的横移量；b:同一轮对左右车轮滚动圆跨距的一半；r0:车轮名义滚动圆半径；V：车辆运行速度；：轮对蛇行运动的角频率,10.2轮对簧上质量系统的振动 10.3 车辆系统的振动10.31车辆的自由度、广义坐标和振型,横摆 伸缩侧滚 X：伸缩运动，侧滚运动；Y：横摆运动，点头运动；Z：浮沉运动，摇头运动。,摇头,点头,浮沉,车辆的自由度,10.4 轮对的蛇形运动,蛇形运动 在轨道上，发生的摇头和橫摆运动的耦合,10.5.1车辆的运行品质及其评估标准,车辆的运行品质是从舒适性、完整性方面对车辆、转向架质量好坏进行评估的一个

7、述语。评估的方法：1、动荷系数2、车体加速度幅值3、sperling平稳性指数,1、动荷系数,动荷系数：是车辆在运行时产生的动载荷幅值Pd与车辆静止时的载荷Pst之比。分为横向和垂向两种。横向动荷系数Kld=Pst车体作用在 转向架上的静载荷垂向动荷系数Kwl=Pld Pvd分别作用在转 向架上横向和垂向动载荷,Pld Pvd可用计算或实测求得。若已知车体的横向及垂向加速度为 及，则动荷系数为 有时也用动簧动挠度来求动荷系数，其值为 弹簧静挠度 弹簧动挠度,在现埸试验发现，利用加速度和弹簧静挠度所得的动荷系数不一致，差别其原因有二：1、测出的动挠度往往只反应了大振幅低频振动；2、加速度计安装位

8、置不当。,客车运行品质标准及评定,货车运行品质标准及评定,3、sperling平稳性指数,欧洲国际铁路联盟（UIC）、前东欧、俄罗斯等均采用sperling提出的平稳性指数来评定车辆的运行品质。我国也采用这个指数来评价车辆的运行品质。我国还规定用平均最大加速度来确定客货车平稳性等级。用最大加速度来确定货车的限制速度。,sperling平稳性指数指数有两个评价因素:,1.位移对时间的三次导数 利用牛顿定律写成如下式 或者上式的意义是表明力F的增减变化引起冲动的感觉。在一定意义上代表力的变化率。如果车体作简谐振动其幅值为,2振动时动能的大小,车体振动时的最大动能为 所以3平稳性指数 两个因素的乘积

9、为 用W来表式 W=,式中z0:振幅；:振动频率；:加速度（cm/s2）；：与振动频率有关的加权系数；对于垂向和横向振动是不同 以上的平稳性指数只适用于一种频率一个振幅的单一振动。,在实际整理车辆的平稳性指数时，应先把实测的车辆振动的加速度记录，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，然后对每一频段计算各自的平稳性指数，然后再求出全部频段总的平稳性指数：,4客车、货车运行品质标准,对于客车、货车评定标准不同各国采用的标准不同我国客货车平稳性等级分为三个等级。,车辆运行平稳指标与等级,ISO标准,国际标准化组织把振动对人体的影响用疲劳时间T来表示，从维持工作效能、健康和舒适度出发

10、，相应提出下列三种限度：舒适度下降限度；工效下降限度；承受限度。就水平向振动而言，人对频率在2HZ以下的振动最为敏感；就垂向振动而言，人对48HZ的振动最为敏感,其它评价方法,法国的疲劳时间法；英国的平稳性指数法；日本的等舒适度曲线法。,10.52车辆的运行安全性及其评估标准,影响车辆运行安全的有车体在弹簧上的倾覆、车辆倾覆和车轮脱轨等状态。在车辆设计、制造、维修、运用工作中，应采取措施保证轮轨之间正常接触，使车辆上所受力保持在安全范围内。保障运行安全有如下方面的条件：主要包括：防止蛇行运动的稳定性；防止脱轨的稳定性；防止车辆倾覆的稳定性。,（1）防止蛇行运动的稳定性,在轮轨间蠕滑力的作用下，

11、车辆运行达到某一临界速度时会产生失稳的自激振动即蛇行运动。高速时蛇行运动表现为轮对和转向架的激烈的横向运动，威胁运行安全。要求：车辆的蛇行运动临界速度VC要远高于其运行速度，以保证有足够的安全裕量。车辆的各种振型在运行速度范围内有足够的阻尼。,（2）车辆抗倾覆稳定性及其评估标准,在横向力作用下车辆一侧车轮减载，另一侧车轮增载。在最不利情况下，车辆一侧车轮与钢轨之间的垂向作用力减少到零时，车辆有倾覆危险。车辆在横向力作用下可能倾覆的程度用倾货系数D表示。D的定义是 无横向力作用时轮轨间垂向静载荷；在横向力作用下轮轨间垂向力变化量；增载侧轮轨间垂向力；减载侧轮轨间垂向力。,当车辆的减载侧车轮上垂向

12、力=0时车辆已达到倾覆的临界状态，这中D=1。D=1即为倾覆的临界值。为了保证车辆不倾覆，倾覆系数D不能超过临界值。GB559-85F规定倾覆系数D0.8如果车辆以高于规定的速度通过曲线，则超高不足以平衡离心力，而且风力和振动惯性力与离心力一致时，则车辆向曲线外侧倾覆。其计算可参阅230页图5-38。其计算表达式如下：,其中 在横向力作用下车体的横移量根据同样的原理可计算车辆向曲线内侧的倾覆系数和在平直道上的倾覆系数。,（3）防止脱轨的稳定性,车辆运行时，在线路状态运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利组合下，可能导致脱轨。脱轨的几种形式：爬轨：低速运行时发生；跳轨：高速时发生；脱轨：评定防

13、止脱轨的稳定性的标准有如下几种(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,(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,公式：分别为作用在车轮上的横向力和垂向力；：轮缘角；：轮缘处的摩擦系数。上式中左边大于右边可能爬轨，反之则向下滑。所以爬轨的条件是,称为脱轨系数 车轮脱轨系数临界值 由式中可见，轮缘角越小，摩擦系数越大，越容易出现爬轨。我国标准锥形车轮的轮缘角为69012实测为680700，轮缘摩擦系数一般为0.200.30若取=680 取0.32 则=1.2根据GB559-85规定，当横向力Q的作用时间大于5秒时，脱轨系数容许值为 1.2安全值为 1.2,(二)根据构

14、架力H评定轮对抗脱轨稳定性,由于轮轨间的横向力Q较难测出，在试验中往往采用轮对与转向架相互作用的构架力H来评定轮对的脱轨系数。用 表示容许值安全值,(三)根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性,在横向力不是很大而一侧车轮严重减载的情况下也有脱轨的情况。采用轮重减载率来评定轮重减载率 左右车轮平均垂向力轮重减载率临界值 轮重减载量脱轨率数和轮重减载率是根据轮对爬上钢轨必要条件出发而导出的结果。在实测中发现脱轨系数和轮重减载率都已超过规定限度而并未出现脱轨的现象，这是其它条件不具备的缘故。,(四)车轮跳轨的评定标准,我国对轮对瞬时冲击而造成车轮跳上钢轨的脱轨系数无明确规定。国外规定，当轮对间横向力作用

15、时间小于0.05秒，容许的脱轨系数：t 轮轨间横向力作用时间(s)。,(五)轮轨间最大横向力Q的标准,轮轨间横向力Q过大时会造成轨距扩宽，道钉拔起或引起线路严重变形造成脱轨。道钉拔起，道钉应力为弹性极限的限度：Q19+0.3Pst Q 轮轨间横向力道钉拔起，道钉应力为屈服极限的限度：Q29+0.3Pst线路严重变形的限度：木轨枕 H H 轮轴横向力混凝土轨枕 H 分别为车轮平均，左轮右轮静载荷。,思考题,1.为什么车辆在线路上运行会出现各种振动？有哪些 主要原因？2.随机不平顺有哪些形式？各有什么意义？3.在Q 和Q 这两个公式 中可以说明一个什么问题？对具体的结构设计有何 意义？4.在车辆交车检查验收时同一车辆的车钩高度忽高忽 低为何不是一固定值？5.车辆有哪些振动形式？6.评定车辆运行平稳性采用什么标准？主要考虑哪些 因素？,6.如果想要提高列车直线运行速度，车轮踏 面的斜率是大还是小好？7.影响车辆运行安全性有哪些方面？评定的 标准是什么？,