轨道交通车辆动力学基础(二)

轨道交通车辆动力学基础（二）董英荣2016.11.12车辆运行安全性只有在轮轨处于正常接触状态时才能得到保证。由于车辆在线路上运行时受到各种力的作用，在最不利的组合情况下，可能破坏车辆正常运行的条件，使轮轨分离，从而造成车辆脱轨或倾覆事故，这就称为车辆失去运行安全性。（一）倾覆系数；（二）抗脱轨稳定性及其评估标准：（1）车轮脱轨系数（2）轮对脱轨系数（3）轮重减载率（4）车轮跳轨（5）横向力允许限度（三）柔度系数车辆运行安全性及其评估标准一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：车辆在运行时受到各种横向力的作用，如风力、离心力、线路超高引起的重力横向分量以及横向振动惯性力等，从而造成车辆的一侧车轮减载，另一侧车轮增载。如果各种横向力在最不利组合作用下，车辆一侧车轮与钢轨之间的垂向力减少到零，车辆有倾覆的危险。车辆倾覆的三种情况：1、曲线外倾覆：车辆在曲线上运行时，由于受风力、离心力和横向振动惯性力等的作用及其不利的组合时，使车辆向曲线外侧倾覆。这种情况一般发生在高速运行时；2、曲线内倾覆：当车辆缓慢地驶入曲线时，由于车体内倾，同时受侧向力（风力、振动惯性力等）的作用下，使车辆向曲线内侧倾覆；3、直线倾覆：当车辆在直线上运行时，由于受极大的侧向风力作用，或者再加上由于线路原因造成车辆严重的横向振动致使车辆倾覆。倾覆系数：''''1212PPPPPPDstdGB5599-85规定“试验鉴定车辆的倾覆系数应满足下列要求：8.0D倾覆系数应在试验车辆以线路容许的最高速度通过时的运行状态下测试。试验鉴定车辆同一侧各车轮或一台转向架同一侧各车轮其倾覆系数同时达到或超过0.8时，方被认为有倾覆危险。（一）倾覆系数及评估标准：（二）防止车辆倾覆的安全措施：对于车辆结构来说，车辆倾覆主要取决于车辆弹簧悬挂装置的横向刚度和角刚度以及重心高度。在一定外力的作用下，横向刚度越小，车体横向偏移也越大；角刚度越小，车体倾角越大；重心越高，车体横向偏移也越大。因此，增大其横向刚度、角刚度及降低重心高度，对于防止车辆倾覆地效果较为显著。为了既能改善车辆振动性能，又能防止车辆倾覆，通常采用增大弹簧角刚度的办法。也就是在不增大弹簧垂直刚度的前提下，尽量增大左右侧弹簧的横向间距来增大抵抗车体侧向转动的反力矩，从而减小车体的倾角。此外，可以采用抗侧滚减振器。二、轮对抗脱轨稳定性及其评估标准：车轮给钢轨的横向力Q很大，垂向力P很小，新的接触点逐渐移向轮缘根部，车轮逐渐升高。轮缘上接触点位置到达轮缘圆弧面上的拐点，即轮缘根部与中部圆弧连接处轮缘倾角最大的一点时，就达到爬轨的临界点。由于轮缘倾角变小，车轮有可能逐渐爬上钢轨直到轮缘顶部达到钢轨顶面而脱轨。爬轨：车轮爬上钢轨需要一定时间，这种脱轨方式称为爬轨，一般发生在低速通过小半径曲线时。（车体内倾）跳轨：在高速情况下，由于轮轨之间的冲击力造成车轮跳上钢轨，这种脱轨方式称跳轨。掉轨：当轮轨之间的横向力过大，使轨距扩宽，使车轮落入轨道内侧而脱轨。特别是车辆在不良线路上高速运行和长大货物车通过曲线时，会有这种情况。轮对脱轨方式（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：NaQaPNaQaPsincoscossinaaPQtan1tanaaPQtan1tan车轮脱轨系数上式是一种最基本的脱轨条件，实际情形往往复杂得多。脱轨系数不仅与、有关，而且与轮轨冲角、曲线半径、车轮直径、运行速度以及轮轨之间的蠕滑力等因素相关。爬轨条件：PQa2.1PQ我国车辆标准车轮轮缘角2169a，实测结果70~68a摩擦系数一般为0.20～0.30。确定脱轨系数的允许限度时，可取摩擦系数的上限0.3～0.35，取的下限。a当32.068a2.1PQ根据GB5599-85轨道，当横向力作用时间大于0.05s时，脱轨系数：容许值：安全值：0.1PQ（二）根据构架力H评定轮对抗脱轨稳定性：222222111111tan1tantan1tanaaPQaaPQ21QQH222212111211tan1tanaaPPPQPQQPH2tana数值不大，可取0tan2a，于是可得轮对脱轨条件：111112211tan1tanaaPPHPQ122PPH轮对脱轨系数我国轨道取为0.24，当H的作用时间不大于0.05s时，轮对脱轨系数，即：2.124.012PPH容许值0.124.012PPH安全值2（三）车轮跳轨的评定指标：侧向力只在很短的时间内起作用，并认为侧向力作用时间大于0.05秒时为爬轨，小于0.05秒时为跳轨。据此，有些国家的脱轨系数安全指标为：对于侧向力作用时间大于0.05秒时，采用前述的车轮脱轨系数标准。对于侧向力作用时间小于0.05秒时为：tPQ04.0我国对轮轨瞬时冲击而造成车轮跳轨的脱轨系数无明确规定。（四）根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性：111111tan1tanaaPQ222212111tan1tanaaPPPQPH1111222212tan1tantan1tanaaaaPP0H2121PPP1221PPP2222111111112222tan1tantan1tantan1tantan1tanaaaaaaaaPPPP轮重减载率脱轨必要条件：65.0PP我国TB449-76锥形踏面的70~681a201arctan2a25.0~2.01，则PP≥0.65时，车轮有爬轨的危险。我国规定轮重减载率为：容许标准安全标准60.0PP（五）轮轨间最大横向力Q的标准：，，GB5599-85轨道“推荐应用横向力运行限度鉴定试验车辆在运行过程中是否会导致轨距扩宽（道钉拔起）或线路产生严重变形（钢轨和轨枕在道床上出现横向滑移或挤翻钢轨），按车辆通过时对线路的影响，横向力的允许限度采用以下标准：道钉拔起，道钉应力为弹性极限时的限度：stPQ3.019道钉应力为屈服极限时的限度：stPQ3.029横向力Q单位为KN屈服点：钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。弹性极限：指金属材料受外力（拉力）到某一限度时，若除去外力，其变形（伸长）即消失而恢复原状线路严重变形的限度：对于混凝土轨枕：21085.021ststPPH对于木轨枕：21585.021ststPPH三、柔度系数及其标准：欧洲铁路联盟（UIC）标准规定：确定动态限界、防止车辆与沿线固定设备和移动设备相碰撞而影响行车安全。客车的柔度系数：4.0S货车的柔度系数：2.0S（以装载状态为准）评价指标表达式容许值安全值脱轨系数车轮脱轨系数1.21.0轮对脱轨系数1.21.0车轮跳轨0.04/t轮轴减载率0.650.6轮轨最大横向力道钉轨枕木混凝土倾覆系数0.8PQ/122/PPHPP/QHstdPPD/PQ/stP3.019stP3.029H2/1085.021ststPP2/1585.021ststPP我国采用的安全性评定标准