轨道工程技术讲义

TrackEngineeringIntorductionMainReferences:CoenraadEsveld,ModernRailwayTrack,2ndEdition,MRT-Productions,2001軌道工程技術講義,高速鐵路工程籌備處,1993新世紀鐵路工程學,黃民仁,文笙書局,2005References1.翟婉明,車輛—軌道耦合動力學,中國鐵道出版社,19822.黃民仁，新世紀鐵路工程學，文笙書局，20073.新軌道力學，佐藤吉彥著，徐涌譯，中國鐵道出版社，2001GradingMid-termexam：30％Presentation&report：35％Termprojectreport:25%Presence&participation:10%Office：土木系大地工程館47348室TEL：分機63170E-mail：[e-mail]Website:PartIIntroductionofinteractionsSection1Vehicle/TrackInteraction1.1BasicsofVehicleDynamics1.5BasicsOfCurveLayout1.6VehicleResponseInCurving1.8TrackStandardsAndDesignCriteriaForCurvesAndTransitionsSection2Wheel/RailInteractionPartIIAnalysisofinteractionsSection3TrainDynamicsAtTurnoutsSection4TrackRelatedDerailmentRisks4.1BasicsOfFlangeClimbingDerailments4.2Lateral/VerticalWheel-RailForces4.3TrackStability4.4TrackBucklingSection6StructureGaugeRequirementsPartIIIMaintenance&managementSection5TrackLoadingandDamageTrackLoadingandDamageMINI-MARPASSection7RailwayNoiseandVibrationSection26TrackMonitoringEquipmentTrackirregularity1.2PassengerComfortCriteria1.3MeasuresforTrackRoughness1.4RequiredTrackStandards1.7CurvingAndPassengerComfortPartIVTrackcomponentsSection8RailTechnology8.1Types8.2RailManufactureandIdentification8.3RailWelding8.4RailFatigueProblems8.5RailCorrugations8.6RailSidewearSection9Crossings,SwitchSection11FasteningSystemsandPadsSection10SleepersSection12BallastSection14NonballastedTracks十三高速鐵路技術動態環境基本技術課題關鍵技術十七鐵路提高速度鐵路最高度速度提高速度試驗曲線通過速度傾斜式列車提高速度的可行途徑與速度相關的議題十四軌道結構省力化最適化輪軌關係軌道結構其他發展軌道結構基本設計各國省力化軌道現況二十鐵路工程與環境噪音評價量鐵路噪音標準鐵路與環境生態十六鐵路車站涵意、功能建築型式規劃與建設十八鐵路工程與經營EU鐵路改革英國國鐵民營化的教訓Railtrack的教訓日本國鐵改革鐵路經營效率日本民營鐵路的表現各國鐵路改革比較鐵路工程與鐵路經營十九鐵路工程與地震地震的強度與規模地震警報系統地震時的軌道變形與安全性鐵路結構物抗震考慮要點車輛脫軌十五橋軌互制縱向力斷縫檢算軌條及扣件佈置鋼軌伸縮接頭佈置新世紀鐵路工程學Vehicle/TrackInteraction1.1BasicsofVehicleDynamics2.0Wheel/RailInteraction1.5BasicsOfCurveLayout1.6VehicleResponseInCurving1.8TrackStandardsAndDesignCriteriaForCurvesAndTransitions車輛與軌道分別是不同組成的動力系統車輛：車體、避震彈簧、消能裝置、、軌道：鋼軌、墊片、軌枕、道渣、、自然振動頻率阻尼(Damping)Nodamping,freevibrationUnderdampedOverdamped複雜系統自振頻率Mass,MSpring,kc,damperMkf21SimpledynamicsystemBasicsofVehicleDynamicsSuspensionSoftCarmass大ContactStiffTracksupportBodySuspensionWheelsetContactstiffnessRailTracksupport高f低fpiecewise-linearspring在每一段皆為線性斜率遞增bumpstopsoremergencyspringsVehicleSuspensionComponentsLinearSpringsSimplestFrictionDampers2塊橡皮墊消能(便宜、簡單)最陽春：摩擦力固定最常見：摩擦力與受力成正比VehicleSuspensionComponentsViscousDampers阻尼力隨速度增加阻尼力上限：避免高速作用產生極大反力ForceVelocityForceDeflectionForceDisplacementWedgefriction車輛與軌道分別是不同組成的動力系統車輛：車體、避震彈簧、消能裝置、、軌道：鋼軌、墊片、軌枕、道渣、、Conventionalbogiewithbolster(heavy)Source:JapaneseRailwayTechnologyToday,2001LightweightbolsterlessdesignSource:JapaneseRailwayTechnologyToday,2001ShinkansenlightweightbolsterlessbogiewithairspringsSource:JapaneseRailwayTechnologyToday,2001Source:SiemensBogie有緩衝軌道起伏的功能RailwayVerhicleModelling用數學模式表現車輛的重要組成¸以了解其動力行及進行進一步的分析。VAMPIRE：BritishResearchVehicleDynamicsSoftwareADAMS：AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystemsBodyBogieWheelsetsSecondaryPrimary單自由度輪對模型一系懸掛輪對模型單輪對簡化模型轉向架半車模型整車詳細模型車輛模型軌道模型分佈參數模型集總參數模型彈性基礎梁模型彈性點支承梁模型Euler模型Timoshenko模型單層支承梁模型多層支承梁模型單自由度軌道模型雙自由度軌道模型多自由度軌道模型輪軌系統模型輪軌系統動力因果關係車輪踏面不圓順軌面幾何不平順軌下基礎不平順輪軌系統激勵車輛子系統輪軌耦合關係軌道子系統總體耦合系統車輛結構動態輪軌動態作用力軌道結構動力反應耦合系統響應簡化程度不同關聯方式不同著重焦點不同車輛、軌道為一體輪軌耦合關係RailwayVehicleModesofVibrationPassengerVehicleLowerSway客車lowestfrequencymode對於乘客舒適度很重要晃動中心位於軌道面附近主要來自於secondarysuspension以上，bogie搖動輕微頻率約0.5Hz(1/sec)左右(人體對10Hz以下振動較為敏感)應注意軌道起伏避開該頻率，避免產生共振VehicleDesignCriteriaSafetyThefirstpriorityStability例如鋼輪磨耗後，錐度(conicity)加大，造成穩定性問題以適當阻尼控制，使列車在營運速度範圍內保持穩定StructureGauging車廂必須不碰撞沿線設備與錯車之車廂懸吊愈柔軟，車身包絡線的影響更形重要RideandPassengerComfort舒適度是安全之外的另一個重點較柔軟的懸吊、低自然頻率車廂，舒適度較佳TrackForceandTrackDamage軌道與車輛的損害程度與車輪給予軌道之力相關車輛設計的考量重點之一簧下質量(unsprungmass)—主懸吊以下部分之質量，直接衝擊軌道，造成軌道損害最鉅。車體其他部分對軌道影響因懸吊避震設計而有不同DesignCompromises車輛設計考慮因素常常會相互衝突smoothride-softsuspension-structuregauging問題(ex.軌道空間)。heavyvehicles-高行車舒適度(共振頻率低)-對軌道負擔及損害較大。車輛之設計必須針對個別行駛需求量身訂做，在不同考量下，使車輛運行與軌道設計求得妥協，達到車廂設計最佳化。TrackEngineeringBasicsofCurveLayout離心力v:車速,m:車廂質量,W:車重,R:半徑,g:重力加速度通常以車體側向加速度度量離心力之大小gRWvRmvF22cantcGaugeGmgF=mv2/R在平衡超高路線上，側向淨合力等於零，對乘客舒適度與軌道摩擦力都是最佳狀況。極小半徑的彎道上需要極大的超高度來達成高速下之平衡。(平衡超高是速度平方函數)實際應用上車速達到路線最大速度時超高不足低車速時超高過量gRGvc2影響超高度上限因素各級列車之通過速度差異列車停止時之安全與舒適超高路段之維修標準所需之介曲線長度超高不足或過量設計須考量乘客舒適度輪軌磨損軌道零件壽命軌道穩定度彎道阻力噪音實務上超高度設計仍需額外考慮軌道線型平整度軌道施工標準軌枕與道渣之側向阻抗力彎道對路線瑕疵極敏感盡量設計較大半徑以減低超高度轉向架設計軸重車身懸吊系統根據主要車速設計超高量，減低超高不足或過量引起磨耗。緩和曲線曲率漸變之曲線，提供超高與曲率漸漸變化至設計值之區間曲率變化之方式影響行車平順度。普通的超高漸變率為線性。具代表性之曲線為克羅梭曲線曲率是彎道距離之函數若緩和曲線夠長，常以簡單的三次曲線替代。曲率是水平距離之函數。緩和曲線之設計必須考慮軌道高差變化率過大可能引起輪載重嚴重不均；因超高不足或過量引起的乘客舒適度問題；即使在平衡超高設計，也不容許車廂側傾過快。一般必須根據超高變化率、超高不足變化率，規範緩和曲線長度下限。transitionstraightcurveconstantradiussx曲線正矢(Curveversines)曲線佈設與維修的重要度量。曲線上兩點間直線中點與曲線之距離V︰正矢，L︰正矢弦長，R︰曲線半徑因數值極小，一般多適用於機械維修。VersineVL/2L/2RLV82豎曲線一般採用大半徑圓曲線不擔心曲率過大，亦不需要緩和曲線。高