【正文】 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院車輛運(yùn)行安全性和垂向振動(dòng)的校核與計(jì)算XXXXXXXXXXXXXX摘要：既有線的提速及高速鐵路的修建，標(biāo)志著我國鐵路邁上了一個(gè)新的臺(tái)階，同時(shí)列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性問題也愈顯突出。高速、安全和舒適是高速鐵路運(yùn)輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)的三大要素。本文從動(dòng)力學(xué)角度，通過對CRHCRH2兩種車型的參數(shù)，來分析車輛的運(yùn)行安全性和垂向振動(dòng)并進(jìn)行校核和計(jì)算。值得關(guān)注的是運(yùn)用VB編程、數(shù)據(jù)庫等計(jì)算機(jī)技術(shù)做出具有良好操作性、直觀性的課程設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)用MATLAB模擬車輛受激擾時(shí)的垂向振動(dòng)。關(guān)鍵詞：安全性；脫軌系數(shù)；減載率；傾覆系數(shù)；平穩(wěn)性[18]1引言實(shí)際的鐵路軌道不可能是絕對平直和剛性的，鐵路軌道上存在各種各樣的不平順，實(shí)際的車輪也不是一個(gè)理想幾何圖形。因此，車輛在軌道上運(yùn)行時(shí)，輪軌之間會(huì)出現(xiàn)不斷變化著的輪軌作用力，這些作用力會(huì)激起車輛振動(dòng)。引起車輛振動(dòng)的原因很多，有些是確定的，有些是隨機(jī)的。在輪軌相互作用下，鐵道車輛線路是一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)過程十分復(fù)雜。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，車輛各構(gòu)件振動(dòng)加劇，運(yùn)動(dòng)件磨耗嚴(yán)重，輪軌間相互作用力加大。這將惡化車輛的動(dòng)力性能，直接影響旅客舒適和車輛的壽命。為改善車輛的動(dòng)力性能，適應(yīng)旅客列車擴(kuò)編和提高運(yùn)行速度的要求，在車輛特別是走行部的設(shè)計(jì)中必須對車輛進(jìn)行振動(dòng)分析，選取合理的懸掛參數(shù)，接下來將為讀者介紹CRH1和CRH2兩種車的安全性和平穩(wěn)性。在介紹之前首先要了解下安全性和平穩(wěn)性的指標(biāo)，即怎樣評價(jià)其安全性和平穩(wěn)性。2安全性評價(jià)對于車輛安全性有這樣三個(gè)指標(biāo)：脫軌系數(shù)，輪重對減載率和傾覆系數(shù)。 脫軌系數(shù)列車脫軌會(huì)給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來重大損失，因而安全運(yùn)行的最基本要求是保證列車不發(fā)生脫軌事故。隨著運(yùn)行速度的不斷提高，列車運(yùn)行的安全問題更加突出，高速重載運(yùn)行的列車一旦脫軌將會(huì)帶來更大的災(zāi)難。雖然自從1908年法國學(xué)者Nadal提出了著名的脫軌系數(shù)判別準(zhǔn)則以來，已經(jīng)有近百年的歷史，廣大鐵路科研工作者對脫軌問題也進(jìn)行了長期大量的研究，但這個(gè)問題目前仍然沒有得到很好解決，脫軌事故還是時(shí)有發(fā)生，因此，從機(jī)理上掌握輪對的脫軌規(guī)律，提出更加合理的脫軌判別準(zhǔn)則是非常必要的。輪對爬軌脫軌是脫軌的一種重要形式，主要發(fā)生于曲線軌道上，通常由于大的輪軌橫向力或大的輪重減載引起，其爬軌過程可以認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)的，即忽略輪對的慣性效應(yīng)。爬軌脫軌的判別有至今還在廣泛采用的著名的Nadal公式，但其是基于簡單的輪軌力平衡關(guān)系得出的．文獻(xiàn)[2]在試驗(yàn)臺(tái)上再現(xiàn)了脫軌現(xiàn)象，并給出了輪重減載率對脫軌的影響規(guī)律。雖然各國學(xué)者從理論和試驗(yàn)兩方面致力于脫軌系數(shù)與輪重減載率的量值研究，并制定了各自的規(guī)范限值，有關(guān)脫軌研究成果對預(yù)防列車脫軌發(fā)揮了重要作用。但由于此問題的復(fù)雜性，已有脫軌評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在一定局限性，因此，非常有必要從脫軌機(jī)理和判別準(zhǔn)則方面進(jìn)行更深入研究，找到脫軌的內(nèi)在規(guī)律，提出更加合理的輪對爬軌脫軌的判別準(zhǔn)則。車輛在運(yùn)行過程中，因橫向振動(dòng)的慣性力及彈簧力等的作用而產(chǎn)生側(cè)向力Q，該側(cè)向力使車輪對可能形成輪緣根部的圓弧與軌頭側(cè)面的圓弧部分接觸，出現(xiàn)爬軌趨勢(圖la)；當(dāng)側(cè)向力大到一定程度時(shí)，使作用于車輪上垂直力不足以阻止車輪上爬時(shí)，車輪進(jìn)一步抬高，脫軌可能性增大；如果輪緣與軌頭的接觸點(diǎn)達(dá)到輪緣輪廓線的拐點(diǎn)，就出現(xiàn)臨界狀態(tài)(圖lb)，此時(shí)若橫向力稍稍增大，就會(huì)發(fā)生脫軌現(xiàn)象(圖lc)。脫軌過程如圖1所示，分析臨界狀態(tài)接觸點(diǎn)處受力狀況(圖lb)： P1sinαQ1cosα=μN(yùn) (1) P1cosα+Q1sinα=N (2)式中，N——鋼軌對輪緣的法向反力；μ——輪緣與鋼軌間摩擦系數(shù)聯(lián)立解方程式(1)、(2)，得：Q1P1=tanαμ1+μtanα 上式為輪緣與軌頭接觸力的平衡方程式，表示輪軌相互作用的臨界狀態(tài)。通常稱Q1P1為脫軌系數(shù)，其值大于公式右邊的值則有脫軌的可能。目前我國車輛科研部門常采用脫軌系數(shù)的安全指標(biāo)為95J01L(M)：Q1P1≤ 輪重對減載率 對于脫軌安全性指標(biāo)來說最基本的是脫軌系數(shù)。但是，僅依靠脫軌系數(shù)來判定安全性，卻并不充分。其主要原因是：(1)輪重較小時(shí)與其對應(yīng)的橫向壓力也較小，計(jì)算脫軌系數(shù)時(shí)受到輪重和橫向力測量誤差的影響相應(yīng)增加，因此要掌握正確的脫軌系數(shù)比較困難；(2)一方面，垂向力較小時(shí)，使用該垂向力和與之對應(yīng)的橫向力得到的脫軌系數(shù)很容易便達(dá)到脫軌限界值,另一方面，單側(cè)車輪的輪重減少時(shí)，另一側(cè)車輪輪重一般會(huì)增大，由于極少的輪對沖角變化會(huì)導(dǎo)致較大的橫向壓力，從而加大了脫軌的危險(xiǎn)性；(3)根據(jù)多次線路試驗(yàn)所獲得的經(jīng)驗(yàn)來看，與其說脫軌系數(shù)值較大容易導(dǎo)致列車脫軌，還不如說輪重減少得越多，越容易導(dǎo)致列車脫軌。因此，除了脫軌系數(shù)以外，還有必要對顯示輪重減少程度的指標(biāo)進(jìn)行限定，并以此來判斷機(jī)車車輛/動(dòng)車組脫軌的安全性問題，該指標(biāo)成為輪重減載率。輪重減載率為評定車輛在輪對橫向力為零或接近于零的條件下，因一側(cè)車輪嚴(yán)重減載而脫軌的安全性指標(biāo)，與脫軌系數(shù)并用來對機(jī)車車輛/動(dòng)車組脫軌安全性進(jìn)行確認(rèn)。設(shè)PP2為車輪實(shí)際載荷， P為輪對左右兩個(gè)輪載平均值，?P為輪重的減載量（軌道高度差引起），則P=(P1+P2)2?P=(P2P1)2定義△PP為爬軌側(cè)車輪的輪重減載率。我國《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB559985）規(guī)定車輛輪重減載率應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。指 標(biāo)GB559985第一限度第二限度減 載 率≤≤表1我國減載率安全限定值車輛通過曲線時(shí)，輪對將承受著車體傳來的橫向力，在橫向力的作用下，前輪對的外側(cè)輪緣緊靠鋼軌，并在導(dǎo)向力作用下，引導(dǎo)著前輪對連同整個(gè)轉(zhuǎn)向架沿曲線方向運(yùn)行。這時(shí)，導(dǎo)向輪在橫向力作用下，可能由于某種因數(shù)使車輪浮起離開軌面，形成輪緣的跟部與軌頭側(cè)面的圓弧部分接觸，出現(xiàn)爬軌趨勢，通過力學(xué)計(jì)算得輪對不脫軌的安全條件公式如下：H+μ2P2 /P1≤tanα1μ1/1+μ1tanα1式中：PP2曲線外軌、里軌承受的垂直輪重；μμ2輪對外、內(nèi)軌的輪軌摩擦系數(shù)；α1外輪軌緣傾角，假設(shè)里外軌的輪軌摩擦系數(shù)相同，則上式變?yōu)椋篐+μP2 /P1≤tanα1μ/1+μtanα1=K若輪對作用于外軌的橫向力H=0，則：