车辆动力性能与评判标准

1车辆动力性能与评判标准第一节车辆系统基本结构第二节车辆系统运动认识第三节车辆运行安全性及其评估标准第四节车辆运行品质及其评估标准结构：转向架系统（走行系统）车体系统功能：基本部件系统（轮对4、构架2、车体1）悬挂系统（一系悬挂、二系悬挂系统）牵引制动系统（驱动系统、制动系统）第一节车辆系统基本结构第四章车辆系统动力学模型转向架动力轮对非动力轮对第四章车辆系统动力学模型构架第四章车辆系统动力学模型轴距、滚动圆半径与跨距TreadFlangeFlange2/Backofwheel滚动圆半径、车轮踏面、轮缘滚动圆到轮对内侧距离轮对内侧距车辆定距与质心高度L1DistancerightleftL2H1H2B1横向悬挂距离第二节车辆系统运动认识一、车体和构架自由度伸缩：纵向方向平移横移：横向平移沉浮：垂直方向上振动侧滚：绕X轴转动的角自由度点头：绕Y轴转动的角自由度摇头：绕Z轴转动的角自由度1.纵向运动3.车体沉浮4.车体侧滚5.车体点头6.车体摇头车体横移与侧滚数值曲线车体摇头与点头二、轮对自由度伸缩：纵向方向平移横移：横向平移沉浮：垂直方向上振动侧滚：绕X轴转动的角自由度扰动：绕Y轴转动的微小角自由度摇头：绕Z轴转动的角自由度轮对扰动轮对摇头轮对摇头轮对横移、沉浮轮对侧滚、摇头28动力性能平稳性稳定性曲线通过能力Sperling指标ISO标准防止蛇行运动稳定性防止脱轨稳定性防止车辆倾覆稳定性机车车辆/动车组动力性能旅客乘坐舒适度装运货物的完整安全性磨耗性能轮轨横向力磨耗指数脱轨系数倾覆系数减载率临界速度29第三节车辆运行安全性及其评估标准一、安全性指标1.脱轨系数2.轮重减载率3.倾覆系数4.轮轨间最大横向力5.车轮跳轨的评定标准30313233341.定义：在测量或计算到的轮轨力中，选用横向力与垂向力同时发生的数值，来计算两者的比值，并将其作为脱轨系数2.分类：不考虑持续时间的脱轨系数和考虑持续时间的脱轨系数（跳轨脱轨）1.脱轨系数35脱轨系数公式推导PQANNPQsincoscossinQPNNQPtan1tanPQNadal公式36NNQPosincoscossinNPQNPQ(cossin)sincosPQPQ(sincos)(sincos)QPsincossincosQP脱轨系数公式推导371.轮缘角越小，越容易出现爬轨。2.摩擦系数越大，越容易出现爬轨。1.我国标准车轮的轮缘角为68-70度。2.摩擦系数一般为0.2-0.3轮缘角与脱轨系数38摩擦系数轮缘角0.200.250.300.456801.521.371.251.146901.581.431.291.187001.641.481.341.22摩擦系数与轮缘角395560657075800.10.20.30.40.51.01.52.02.53.03.5脱轨系数临界值脱轨系数与摩擦系数及轮缘角40第一限度第二限度车轮脱轨系数1.21.0增大了安全裕量的标准合格标准=680,=0.32我国脱轨系数标准GB5599-85动力学客车车轮脱轨系数0.80.056/t0.80.04/t95J01-L(M)41理解举例1.8m.你们害我!1.4m!哇噻!强烈抗议!1.2m!!!1.6m?安全深度？42其它国际标准标准脱轨系数国际铁路联盟UIC1.2德国ICE高速列车试验标准0.8日本既有线路提速试验标准0.8北美铁路联盟1.043根据构架力评定的轮对脱轨系数44111111tan1tanPQ222222tan1tanPQ21QQH2222121112111tan1tanPPPQPQPQPH0tan2111111122tan1tanPQPPH轮对脱轨系数452.轮重减载率1.轮重较小时，与其对应的横向压力也就较小，计算脱轨系数时受到轮重和横向力测量误差的影响也就较大，因此要掌握正确的脱轨系数比较困难。2.垂向力较小时，使用该垂向力和与之对应的横向力得到的脱轨系数很容易便达到脱轨限界值。另一方面，单侧车轮的轮重减少时，另一侧车轮轮重一般就会增大，由于极少的轮对冲角变化会导致较大的横向压力，从而加大了脱轨的危险性。3.根据多次线路试验所获得的经验来看，与其说脱轨系数值较大容易导致列车脱轨，还不如说轮重减少得越多，越容易导致列车脱轨。462.轮重减载率222212111tan1tanPPPQPH0H轮重减载率应用条件：111111tan1tanPQ12221122tan1tanQPPP111111tan1tanQP1122211122tantan1tan1tanPP471221()/2()/2PPPPPP2222111122221111tan1tantan1tantan1tantan1tanPP211PPPPPP1122211122tantan1tan1tanPP轮重减载率482222111122221111tan1tantan1tantan1tantan1tanPP轮重减载率临界值25.02.0)20/1(tan706811200165.0PP第一限度第二限度轮重减载率0.650.60当轮重减载率超过临界值后，轮对有可能脱轨。上式即为轮重减载率可能造成脱轨的标准。GB5599-8549轮重减载率为评定车辆在轮对横向力为零或接近于零的条件下，因一侧车轮严重减载而脱轨的安全性指标，与脱轨系数并用来对机车车辆脱轨安全性进行确认。脱轨系数与轮重减载率轮重减载率不能单独确保安全性的指标，而是需要和脱轨系数一起使用。理论上，脱轨系数是一个能够单独对安全性进行确保的指标，可是实际上它具有一个弱点，那就是需要通过轮重减载率来进行补充、修正。503.倾覆系数车辆运行时，在侧向风力、离心力和横向振动惯性力的最不利组合下可使车辆向一侧倾覆，车辆是否倾覆用倾覆系数D来衡量。1212PPPPPPDstdstP-无横向作用时轮轨间垂向静载荷dP-有横向力作用下时轮轨间垂向力变化量2P-增载侧轮轨间垂向力1P-减载侧轮轨间垂向力当车辆一侧总的车轮轮重减载率减小到零，即D=1时，车辆达到倾覆的临界状态，为防止车辆倾覆，GB5599-85中规定D〈0.8。514.轨道结构动力作用指标•轮轨横向力•轮轨垂向力•轮轴横向力521）轮轨间最大横向力轮轨间横向力过大时会造成轨距扩宽,道钉拔起或引起线路严重变形，如钢轨和轨枕在横向滑移或挤翻钢轨等。轮轨间最大横向力应当限制。轮轨间最大横向力Q的标准：a．道钉拔起，道钉应力为弹性极限的限度：stPQ3.019。b．道钉拔起，道钉应力为屈服极限的限度：stPQ3.029c．线路严重变形的限度：对于木轨枕21085.021ststPPH对于混凝土轨枕21585.021ststPPH上面各表达式中，Q为轮轨横向力（kN），H为轮轴横向力（构架力）（kN），stP、1stP和2stP分别为车轮平均、左轮及右轮静载荷（kN）。由于近几年国内在一般线路及道岔设计中，均采用弹性扣件来替代道钉，因此，针对道钉拔起限制的最大横向力已无甚意义，而一般都采用线路严重变形时的最大横向力作为其限制标准。5354日本新干线采用的扣件横向设计载荷极限值为轴重的0.4倍。欧美铁路根据试验结果，一般也取0.4倍轴重作为轮轨横向力的极限值，即要求：)(4.021ststPPQkN（1stP、2stP为车轮静载荷）日本及欧美最大轮轨横向力标准552）轮轨间最大垂向力日本：新干线270kN，既有线255kNkN600kN250kN4002121PPPP英国：德国：170kN中国：170kN（95J01-L）563）轮轴间最大横向力对于无缝铁路稳定性问题的研究表明，过大的轮轴横向力是导致轨排横移、无缝线路动态失稳产生胀轨跑道现象的最主要原因。57车轴轴承结构585.车轮跳轨的评定标准当轮轨间横向作用力的作用时间小于0.05s时，容许的脱轨系数：）（轮轨间横向力作用时间stPQ-t04.011日本在国铁时代，特别是20世纪60年代末70年代初，开展了大量的脱轨理论与实验研究，区分了稳态爬轨脱轨和动态跳轨脱轨的不同作用性质，考虑了横向力作用时间对脱轨的影响，得到：)(0.05s)(t05.00.05s)(t脱轨系数的目标值tPQ59动力学客车车轮脱轨系数0.80.056/t0.80.04/tGB5599-85对轮轨瞬时冲击而造成车轮上钢轨的脱轨系数无明确规定。95J01-L(M)目前国内跳轨安全评定标准60第三节车辆运行品质及其评估标准列车运行中产生的振动是不舒适的重要来源，人处于振动环境中，不仅会引起疲劳，还会发生人体内部器官及全身组织与外界振动共振或谐振的可能。61①轨道接缝、道岔等的轨道面的不连续部位等，以及称之为波状磨耗的轨道表面的微小凹凸；②曲线轨道半径的不规则、倾斜过度或不足等；③车辆自身产生的激扰；④由发动机、电动机、空气压缩机和鼓风机等车辆上的机器引起的激扰；⑤由车轮的偏心及刹车时车辆的滑行产生的外轮擦伤引起的振动；⑥起动和刹车时邻接车辆间产生的前后冲击；隧道内气流和与车辆错过时的空气动力产生的空气力学的干扰等。⑦车体轻量化车体变软后，车体产生的颤振振动等；⑧车辆部件经过长期运转后出现老化现象也会影响车辆乘坐舒适度。引起车辆系统振动的因素62乘座舒适性定义63评估标准Sperling平稳性指标最大加速度平稳性指标ISO标准动荷系数客车在曲线上舒适性及其标准641.Sperling平稳性指标两个因素的三次导数位移对时间振动动能dcccEfzMzMzM20202)2(21)(2121cdMEfz2)2(20azFaMaMzMcccFaMaMzMccccMFztzzsin0tzzsin3030max)2(fzz10310530)(896.0)(7.2fFfafFfzW20)2(fzatzzsin065以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一震动，但实际上车辆在线路上运行时的振动是随机的，即振动频率都是随时间变化的。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并按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振动幅值，然后对每一频段计算各自的平稳性指数iW，然后再求出全部频段总的平稳性指数：1.010102101)(ntot凡新造的客、货车，其平稳性等级不应低于二级标准平稳性等级评语平稳性指数W客车货车机车一级优2.53.52.75二级良好2.5～2.753.5～4.02.75～3.10三级合格2.75～3.04.0～4.253.10～3.45(GB5599-85)66用于乘坐舒适度的车体加速度采集位置672.最大加速度平稳性指标车辆进行动力学试验时，每次记录的分析段时间为6秒，在每个分析段中选取一个最大加速度maxia，若在每个速度等级有m个分析段，则平均最大加速度为：客车（V140km/h）：pCVa00027.0max货车（V100km/h）：ffCVaCVa00135.000215.0maxmax横向振动：垂向振动：)(cm/s)21(21maxmax,m,,imaamii68平稳性等级垂向振动横向振动垂向振动横向振动优0.0250.0100.0600.080良好0.0300.0180.0110.130合格0.03