1、1 车辆运行安全性和垂向振动的校核与计算车辆运行安全性和垂向振动的校核与计算 XXXXXXXXXXXXXX 摘要：既有线的提速及高速铁路的修建，标志着我国铁路迈上了一个新的台阶，同时列车运行的安 全性和稳定性问题也愈显突出。高速、安全和舒适是高速铁路运输得以实现的三大要素。本文从动力学角 度，通过对 CRH1、CRH2 两种车型的参数，来分析车辆的运行安全性和垂向振动并进行校核和计算。值得关 注的是运用 VB 编程、数据库等计算机技术做出具有良好操作性、直观性的课程设计软件，同时用 MATLAB 模拟车辆受激扰时的垂向振动。 关键词：安全性；脱轨系数；减载率；倾覆系数；平稳性 1 引言 实际的
2、铁路轨道不可能是绝对平直和刚性 的， 铁路轨道上存在各种各样的不平顺， 实际的 车轮也不是一个理想几何图形。 因此， 车辆在轨 道上运行时， 轮轨之间会出现不断变化着的轮轨 作用力， 这些作用力会激起车辆振动。 引起车辆 振动的原因很多， 有些是确定的， 有些是随机的。 在轮轨相互作用下，铁道车辆线路是一个 多自由度振动系统，其运动过程十分复杂。随 着列车运行速度的不断提高，车辆各构件振动 加剧，运动件磨耗严重，轮轨间相互作用力加 大。这将恶化车辆的动力性能，直接影响旅客 舒适和车辆的寿命。为改善车辆的动力性能， 适应旅客列车扩编和提高运行速度的要求，在 车辆特别是走行部的设计中必须对车辆进行
3、振 动分析，选取合理的悬挂参数，接下来将为读 者介绍CRH1和CRH2两种车的安全性和平稳性。 在介绍之前首先要了解下安全性和平稳性的指 标，即怎样评价其安全性和平稳性。 2 安全性评价 对于车辆安全性有这样三个指标：脱轨系 数，轮重对减载率和倾覆系数。 2.1 脱轨系数 列车脱轨会给人民的生命和财产安全带来 重大损失，因而安全运行的最基本要求是保证 列车不发生脱轨事故。随着运行速度的不断提 高，列车运行的安全问题更加突出，高速重载 运行的列车一旦脱轨将会带来更大的灾难。虽 然自从1908年法国学者Nadal提出了著名的脱 轨系数判别准则以来，已经有近百年的历史， 广大铁路科研工作者对脱轨问题
4、也进行了长期 大量的研究，但这个问题目前仍然没有得到很 好解决，脱轨事故还是时有发生，因此，从机 理上掌握轮对的脱轨规律，提出更加合理的脱 轨判别准则是非常必要的。轮对爬轨脱轨是脱 轨的一种重要形式，主要发生于曲线轨道上， 通常由于大的轮轨横向力或大的轮重减载引起， 其爬轨过程可以认为是准静态的，即忽略轮对 2 的惯性效应。爬轨脱轨的判别有至今还在广泛 采用的著名的 Nadal 公式，但其是基于简单的 轮轨力平衡关系得出的 文献2在试验台上再 现了脱轨现象，并给出了轮重减载率对脱轨的 影响规律。虽然各国学者从理论和试验两方面 致力于脱轨系数与轮重减载率的量值研究，并 制定了各自的规范限值，有关
5、脱轨研究成果对 预防列车脱轨发挥了重要作用。但由于此问题 的复杂性， 已有脱轨评价标准存在一定局限性， 因此，非常有必要从脱轨机理和判别准则方面 进行更深入研究，找到脱轨的内在规律，提出 更加合理的轮对爬轨脱轨的判别准则。 车辆在运行过程中，因横向振动的惯性力 及弹簧力等的作用而产生侧向力Q，该侧向力 使车轮对可能形成轮缘根部的圆弧与轨头侧面 的圆弧部分接触，出现爬轨趋势(图 la)；当侧 向力大到一定程度时，使作用于车轮上垂直力 不足以阻止车轮上爬时，车轮进一步抬高，脱 轨可能性增大；如果轮缘与轨头的接触点达到 轮缘轮廓线的拐点，就出现临界状态(图 lb)， 此时若横向力稍稍增大， 就会发生
6、脱轨现象(图 lc)。 脱轨过程如图 1 所示， 分析临界状态接触 点处受力状况(图 lb)： 1 1 = (1) 1 +1 = (2) 式中，钢轨对轮缘的法向反力；轮 缘与钢轨间摩擦系数 联立解方程式(1)、(2)，得： 1 1 = 1 + 上式为轮缘与轨头接触力的平衡方程式，表示 轮轨相互作用的临界状态。 通常称1 1 为脱轨 系数， 其值大于公式右边的值则有脱轨的可能。 目前我国车辆科研部门常采用脱轨系数的安全 指标为 95J01-L(M)：1 1 0.8 2.2 轮重对减载率 对于脱轨安全性指标来说最基本的是脱轨 系数。但是，仅依靠脱轨系数来判定安全性， 却并不充分。其主要原因是： (1)轮重较小时与其对应的横向压力也较 小，计算脱轨系数时受到轮重和横向力测量误 差的影响相应增加，因此要掌握正确的脱轨系 数比较困难； (2)一方面， 垂向力较小时，
