軌道交通車(chē)輛動(dòng)力性能分析-車(chē)輛曲線通過(guò)

車(chē)輛的曲線通過(guò)分析任務(wù)4車(chē)輛的曲線通過(guò)目的與要求：1．曲線通過(guò)的一般概念；2．幾何曲線通過(guò)的分析難點(diǎn)：動(dòng)力曲線通過(guò)的分析。重點(diǎn)：幾何曲線通過(guò)的分析。解決措施：按要點(diǎn)詳細(xì)分析，使學(xué)生能清楚理解。幾何曲線通過(guò)幾何曲線通過(guò)要解決的問(wèn)題和方法幾何曲線通過(guò)要解決下面一些問(wèn)題：確定機(jī)車(chē)所能通過(guò)的最小曲線半徑和為此目的所需的輪對(duì)橫動(dòng)量；確定機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)的轉(zhuǎn)極位置；確定在曲線上機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架對(duì)于車(chē)體的偏轉(zhuǎn)角，以及機(jī)車(chē)與線路限界的關(guān)系等。從幾何關(guān)系方面，機(jī)車(chē)通過(guò)曲線采取的主要措施是：加寬曲線的軌距；給輪對(duì)以橫動(dòng)量。直線上的輪軌間隙δ為了使機(jī)車(chē)在直線順利行駛，鋼軌與輪緣外側(cè)之間亦須保持一定的間隙。這個(gè)間隙如圖6—1所示。計(jì)算公式如下： δ=S一(B+2t)圖6-1直線上的輪軌間隙，式中s——直線上的軌距，(1435±2)mm；B——輪對(duì)輪箍?jī)?nèi)側(cè)距。(1353±3)mm；t——輪緣厚度，(33±0)mm；兩側(cè)輪軌總間隙占的名義尺寸為16mm。輪軌間隙δ是不可沒(méi)有的，但也不能過(guò)大。過(guò)大的間隙不利機(jī)車(chē)的高速運(yùn)行，因?yàn)閯×业纳咝羞\(yùn)動(dòng)會(huì)顯著惡化機(jī)車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)和加重輪緣對(duì)鋼軌的沖擊作用。圖6-1直線上的輪軌間隙鐵路曲線區(qū)段的軌距加寬△輪軌間隙的存在有利于機(jī)車(chē)通過(guò)曲線。但是，還應(yīng)該比直線上取值更大一些，才能容納一定軸距的機(jī)車(chē)順利通過(guò)。因此，適當(dāng)?shù)膶⑶€上的內(nèi)軌內(nèi)移。內(nèi)軌內(nèi)移量△，叫曲線加寬度，如圖6—2所示。圖6-20曲線上的軌距加寬圖

δ+△稱(chēng)為曲線輪軌間的全間隙，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》，曲線半徑、曲線加寬度及全間隙的關(guān)系如表6—1所示。圖6－2曲線上的軌距加寬圖6-1曲線加寬度、全間隙和曲線半徑的關(guān)系。

圖6-20曲線上的軌距加寬

研究幾何曲線通過(guò)圖示法的作圖規(guī)定

因此，兩圓弧之間的距離為全間隙δ+△。這樣繪圖，實(shí)際上等于把左右兩輪緣外側(cè)距離B+2t縮為零值，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架就可以用一條直線來(lái)表示，輪對(duì)就可以用直線上的點(diǎn)來(lái)表示了。如圖6—3中，直線IⅡ表示一臺(tái)轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架中I軸外輪貼靠外軌運(yùn)行，內(nèi)輪與內(nèi)軌的間隙為全間隙；Ⅱ軸內(nèi)輪貼靠?jī)?nèi)軌運(yùn)行，外輪與外軌的間隙為全間隙。該轉(zhuǎn)向架各軸無(wú)需橫動(dòng)量，即可順利通過(guò)該曲線。圖6-3研究幾何曲線通過(guò)的軸線式圖示方法轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)的幾種位置根據(jù)以上分析，我們可以將機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線的典型位置歸納為下面3種，如圖6—5所示。最大偏斜位置：為低速位置。I軸貼靠外軌，Ⅱ'軸貼靠?jī)?nèi)軌；自由位置：為中速位置。I軸貼靠外軌，Ⅱ"軸既不貼靠?jī)?nèi)軌，也不貼靠外軌；6-5轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)的位置最大外移位置：為高速位置。I軸及Ⅱ'"軸都貼靠外軌。6-5轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)的位置III'—最大偏斜位置；III"—自由位置；III'"—最大外移位置。

轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)極設(shè)機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架在一定半徑的曲線上作穩(wěn)態(tài)移動(dòng)。如圖6—7所示，在某一瞬時(shí)t，轉(zhuǎn)向架在曲線上處于A1B1位置，過(guò)一段時(shí)間△t后處于A2B2位置。由曲線中心O分別向A1B1和A2B2作垂線，分別交A1B2于P1，交A2B2于P2?？梢?jiàn)轉(zhuǎn)向架由A1B1至A2B2的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是由A1B1至A’B’的平移和A’B’至A2B2繞P2的轉(zhuǎn)動(dòng)所合成。平移就是車(chē)輪在軌道上的滾動(dòng)，以P2為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)就是輪踏面在軌面上的滑動(dòng)。轉(zhuǎn)向架作穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，P1和P2其實(shí)是一個(gè)定點(diǎn)P。P稱(chēng)為轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)極。轉(zhuǎn)極至某輪對(duì)的距離稱(chēng)為該輪對(duì)的極距。轉(zhuǎn)極確定后，各輪對(duì)的極距即可確定。圖6-7轉(zhuǎn)向架曲線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)極和極距轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)角和沖角在曲線運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架縱中心線與車(chē)體縱中心線的交角，稱(chēng)為轉(zhuǎn)向架對(duì)于車(chē)體的轉(zhuǎn)角，如圖6-8中，a前、a后分別為前后轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)向架縱中心線與軌道切線方向的交角，稱(chēng)為轉(zhuǎn)向架相對(duì)線路的沖角，如圖6—8中，θ前、θ后分別為前后轉(zhuǎn)向架的沖角。在曲線運(yùn)行中，前后轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)角和沖角都不相同。研究轉(zhuǎn)角與沖角，可為校核機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)的某些尺寸，進(jìn)一步研究動(dòng)力曲線通過(guò)提供數(shù)據(jù)。圖6-8曲線運(yùn)行中轉(zhuǎn)向架運(yùn)行的轉(zhuǎn)角和沖角

動(dòng)力曲線通過(guò)研究機(jī)車(chē)動(dòng)力曲線通過(guò)所要達(dá)到的目的是，了解機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)發(fā)生在機(jī)車(chē)與線路問(wèn)的力學(xué)現(xiàn)象，明確不同的因素對(duì)上述現(xiàn)象的影響；還要確定機(jī)車(chē)通過(guò)某一曲線時(shí)的安全速度范圍，采取有效措施，用來(lái)改善機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能，等等。這些假定是：

1．軌道是絕對(duì)剛體，不考慮軌道的變形：

2．曲線是準(zhǔn)確的圓曲線；

3．不考慮牽引力的影響；

4．軸重保持不變，不考慮左右輪荷重的變化；

5．輪踏面為圓柱形；

6．所有水平作用力都作用在軌頂平面內(nèi)；

7．踏面與軌頂面的摩擦系數(shù)在各個(gè)方向都相等；

8．機(jī)車(chē)在曲線上穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)。外軌超高為了平衡機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)的離心力，在曲線上外軌都要高出內(nèi)軌，稱(chēng)為外軌超高。外軌超高引起的機(jī)車(chē)重力的水平分力指向曲線內(nèi)側(cè)，稱(chēng)為超高力H，如圖6—9所示。圖6-9外軌超高引起的超高力式中h——外軌超高度(mm)；

2S——輪對(duì)滾動(dòng)圓間距離(mm)；

α——軌面傾斜角；

G——機(jī)車(chē)重量(kN)。

軌超高度(例)若曲線最大外軌超高度hmax=150mm，即軌面傾斜度為0．1，則根據(jù)上述要求不難求得機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)的最高速度與曲線半徑的關(guān)系為

υmax=4.33(km/h)利用此式，可求得某一速度下可以通過(guò)的最小曲線半徑。例如求得υmax=120km／h時(shí)的最小曲線半徑為R=768M。案例分析膠濟(jì)鐵路4·28事故的原因分析資料圖：2008年4月28日晨4時(shí)41分，北京開(kāi)往青島的T195次列車(chē)運(yùn)行到膠濟(jì)鐵路周村至王村之間時(shí)脫線，與上行的煙臺(tái)至徐州5034次列車(chē)相撞。

據(jù)報(bào)道，膠濟(jì)鐵路4·28事故的原因是T195次列車(chē)超速行駛。而這背后其實(shí)有更為復(fù)雜的原因和背景。

救援善后工作這是張德江（前右二）在事故現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)救援工作。4月28日，膠濟(jì)鐵路發(fā)生一起客車(chē)脫線相撞重大事故。事故發(fā)生后，黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視，中共中央總書(shū)記胡錦濤、國(guó)務(wù)院總理溫家寶分別作出重要批示，并指派中共中央政治局委員、國(guó)務(wù)院副總理張德江立即趕赴現(xiàn)場(chǎng)，指導(dǎo)救援善后工作。轉(zhuǎn)向架技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目二轉(zhuǎn)向架技術(shù)改進(jìn)隨著曲線通過(guò)理論和分析技術(shù)的發(fā)展，一系列具有良好曲線通過(guò)性能的新型轉(zhuǎn)向架得到了發(fā)展和運(yùn)用。下面將引出徑向轉(zhuǎn)向架新技術(shù)。

改善機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力曲線通過(guò)的措施線路建筑方面的措施主要是外軌超高和放大曲線半徑。在機(jī)車(chē)車(chē)輛結(jié)構(gòu)方面，改善動(dòng)力曲線通過(guò)的措施很多，主要有：1．提高輪緣的耐磨性，降低輪緣鋼軌問(wèn)的摩擦系數(shù)。如加裝輪緣噴油器或輪緣噴脂器等潤(rùn)滑裝置。2．軸端設(shè)彈性橫動(dòng)裝置及軸箱彈性定位，這樣可使機(jī)車(chē)通過(guò)曲線時(shí)轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)極后移，從而使第一軸的導(dǎo)向力減小20％～25％。3．彈性擺式支承，車(chē)體和轉(zhuǎn)向架可以彈性橫動(dòng)，能緩和曲線不平順時(shí)的沖擊作用，減小導(dǎo)向力的數(shù)值。4．給三軸轉(zhuǎn)向架中間軸以較大的自由橫動(dòng)量，機(jī)車(chē)在曲線上運(yùn)行時(shí)，可使該軸在橫向不貼靠轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，而使其貼靠外軌，起一定的導(dǎo)向作用。中間軸參與導(dǎo)向，可使第一軸的導(dǎo)向力減少20％～30％。5．兩轉(zhuǎn)向架之間，進(jìn)行橫向連接。

機(jī)車(chē)車(chē)輛徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)具有代表性的徑向轉(zhuǎn)向架主要分為二類(lèi)。一種徑向轉(zhuǎn)向架采用的是迫導(dǎo)向技術(shù)。它是利用曲線通過(guò)時(shí)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)輪對(duì)相對(duì)構(gòu)架也相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，來(lái)達(dá)到徑向的目的。另一種徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)稱(chēng)自導(dǎo)向技術(shù)。這是一種利用錐形踏面或磨耗型踏面的輪對(duì)在曲線上的自發(fā)縱向蠕滑力矩推動(dòng)下趨向徑向。徑向轉(zhuǎn)向架主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是降低車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)的阻力，由此節(jié)約了牽引的能耗；二是減輕車(chē)輛各零部件間的磨耗；三是由于輪軌相互作用力的減小，可以適當(dāng)降低線路標(biāo)準(zhǔn)，減少投資費(fèi)用。

徑向轉(zhuǎn)向架機(jī)車(chē)徑向轉(zhuǎn)向架的特點(diǎn)下圖為普通3軸轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線的情況，為了傳遞縱向的牽引力，機(jī)車(chē)軸箱定位的縱向剛度很大。因此轉(zhuǎn)向架內(nèi)的幾根車(chē)軸總是保持平行，即使進(jìn)入曲線也是如此。第1軸的車(chē)輪平面與輪軌接觸點(diǎn)軌道切線的夾角稱(chēng)為前軸的沖角。由于沖角的存在，增大了輪軌間的橫向作用力，使車(chē)輪易于爬軌，而且使輪緣和軌側(cè)磨耗增加。徑向3軸轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線的情況，前軸和后軸都向曲線半徑方向偏斜而占徑向位置，使沖角為零，故稱(chēng)之為徑向轉(zhuǎn)向架。沖角為零的好處是減少了輪緣的磨耗，減小了輪軌橫向作用力，減小了車(chē)輪爬軌的危險(xiǎn)性，減少了踏面與軌面間的滑動(dòng)，從而改善曲線上機(jī)車(chē)的粘著性能。圖1普通3軸轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線的情況圖圖2徑向3軸轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線的情況

徑向轉(zhuǎn)向架在我國(guó)的發(fā)展前景與常規(guī)轉(zhuǎn)向架相比，機(jī)車(chē)徑向轉(zhuǎn)向架有下述優(yōu)點(diǎn)：

(1)曲線通過(guò)性能大大改善，輪緣及軌側(cè)磨耗大大減輕，防止脫軌的安全性明顯提高；

(2)直線運(yùn)行橫向穩(wěn)定性與曲線通過(guò)性能達(dá)到良好的協(xié)調(diào)；

(3)曲線上的粘降減少，機(jī)車(chē)牽引性能明顯提高。我國(guó)鐵路曲線所占比例較大，軌輪磨耗問(wèn)題非常突出，嚴(yán)重影響著鐵路運(yùn)輸能力，發(fā)展機(jī)車(chē)徑向轉(zhuǎn)向架有良好的前景，可以預(yù)料的應(yīng)用范圍包括：

(1)用于重載牽引，特別是多曲線區(qū)段的重載牽引；

(2)用于小半徑曲線的山區(qū)線路；

(3)用于提高既有線路的列車(chē)速度，特別是曲線半徑較小區(qū)段的提速；(4)地鐵及輕軌線路的曲線半徑較小，機(jī)車(chē)徑向轉(zhuǎn)向架可用于地鐵及輕軌車(chē)輛的動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架。二、轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)要求（一）轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)應(yīng)有高的可靠性轉(zhuǎn)向架是承載列車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，任何條件下，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不得出現(xiàn)斷裂和影響功能的變形，所以轉(zhuǎn)向架各部件必須具備良好的剛度，安裝安全可靠。構(gòu)架和各重要的受力部件都應(yīng)該按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。（二）轉(zhuǎn)向架要具有良好的動(dòng)力學(xué)性能轉(zhuǎn)向架應(yīng)降低自重，降低簧下質(zhì)量；轉(zhuǎn)向架要選擇合適的一系彈簧、二系彈簧和抗側(cè)滾扭力桿等彈簧件，以及阻尼系數(shù)合適的減振器，以建立良好的懸掛系統(tǒng)；為了避免共振，轉(zhuǎn)向架固有頻率（包括懸掛件的固有頻率）應(yīng)與車(chē)體及安裝在其上的設(shè)備的固有頻率分散；轉(zhuǎn)向架各部件在允許磨損范圍內(nèi)，在各種運(yùn)營(yíng)條件下，應(yīng)避免噪聲及額外振動(dòng)。（三）要考慮剛度、柔度之間的關(guān)系既要考慮合適的剛度，又要考慮合適的柔度，兩者中任何一方面考慮得不充分都會(huì)影響轉(zhuǎn)向架性能。一方面轉(zhuǎn)向架各部件本身應(yīng)有一定的剛度，以確保安全，又需要有一定的彈性，以緩和沖擊，減少受力，提高壽命。另一方面各部件之間的安裝和連接也要有一定的剛度和柔度，如牽引桿、吊桿等都通過(guò)橡膠關(guān)節(jié)來(lái)安裝，既可保證良好的定位，又可減少?zèng)_擊。此外，轉(zhuǎn)向架在橫向運(yùn)動(dòng)、垂向運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等方面應(yīng)具有一定的自由度，同時(shí)也受到減振器、摩擦副、止擋等部件的限制，才能確保轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能和曲線通過(guò)性能。（四）要確保良好的可維修性轉(zhuǎn)向架運(yùn)用過(guò)程中承受的沖擊和磨損使轉(zhuǎn)向架成為列車(chē)各部件中維護(hù)工作量最多的部件，轉(zhuǎn)向架運(yùn)用4～6年后就要分解檢修，所以轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮其可維修性。城軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架在可維修性方面應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：三、改進(jìn)措施1.改進(jìn)乘坐舒適性的懸掛技術(shù)2.改善牽引力和制動(dòng)力的粘著系數(shù)3.徑向轉(zhuǎn)向架新技術(shù)圖7—11常規(guī)轉(zhuǎn)向架與徑向轉(zhuǎn)向架的比較a)常規(guī)轉(zhuǎn)向架b)徑向轉(zhuǎn)向架徑向轉(zhuǎn)向架主要分有自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架和迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架兩種。廣州地鐵4、5號(hào)線列車(chē)采用的BM3000徑向轉(zhuǎn)向架的性能介于普通轉(zhuǎn)向架和自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架之間，不但軸箱縱向定位剛度有所下降，可通過(guò)最小半徑60m的曲線，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，被稱(chēng)為柔性轉(zhuǎn)向架。幾種徑向轉(zhuǎn)向架主要特點(diǎn)如下：常規(guī)轉(zhuǎn)向架與徑向轉(zhuǎn)向架的比較1.柔性定位轉(zhuǎn)向架柔性定位轉(zhuǎn)向架是指在運(yùn)行速度低、橫向穩(wěn)定性要求不高的情況下，一系采用柔性懸掛(彈簧定位剛度比常規(guī)轉(zhuǎn)向架?。┮越档洼唽?duì)橫移和搖頭剛度。減輕了被約束的輪對(duì)在通過(guò)曲線時(shí)由于踏面錐度的存在，輪對(duì)偏向外軌道，并能自動(dòng)趨向徑向位置。但輪對(duì)的徑向運(yùn)動(dòng)仍受一系彈簧定位影響，其輪對(duì)扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)有限，輪軌沖角不能減小到最佳狀態(tài)。此外，由于一系柔性定位轉(zhuǎn)向架無(wú)徑向裝置，在通過(guò)曲線時(shí)不能使前后輪對(duì)同時(shí)趨于徑向位置，故柔性定位轉(zhuǎn)向架不是真正意義上的徑向轉(zhuǎn)向架。2.自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是在同一轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)間加裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，將前后輪對(duì)的搖頭運(yùn)動(dòng)耦合起來(lái)，這樣，轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以將前輪對(duì)趨于曲線徑向位置的趨勢(shì)反向傳遞給后輪對(duì)，使前后輪對(duì)在通過(guò)曲線時(shí)均有趨于曲線徑向位置的作用。由于導(dǎo)向依然是靠輪軌間的蠕滑力導(dǎo)向，而不是附加設(shè)備的外力，所以稱(chēng)為自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架。3.迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架通過(guò)附加驅(qū)動(dòng)裝置能夠主動(dòng)控制通過(guò)曲線時(shí)輪軌間的沖角。其基本設(shè)計(jì)思想是：利用機(jī)車(chē)車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)回轉(zhuǎn)位移，通過(guò)連接車(chē)體和輪對(duì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，迫使前后輪對(duì)反向回轉(zhuǎn)而趨于曲線的徑向位置，這樣的徑向轉(zhuǎn)向架稱(chēng)為迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架。研究機(jī)車(chē)車(chē)輛曲線通過(guò)的意義任務(wù)4車(chē)輛的曲線通過(guò)目的與要求：1．曲線通過(guò)的一般概念；2．幾何曲線通過(guò)的分析難點(diǎn)：動(dòng)力曲線通過(guò)的分析。重點(diǎn)：幾何曲線通過(guò)的分析。解決措施：按要點(diǎn)詳細(xì)分析，使學(xué)生能清楚理解。(一)研究機(jī)車(chē)車(chē)輛曲線通過(guò)的意義機(jī)車(chē)車(chē)輛在曲線上運(yùn)行時(shí)，一般依靠鋼軌對(duì)輪緣的引導(dǎo)。機(jī)車(chē)車(chē)輛通過(guò)曲線，由于離心力的作用，輪對(duì)與鋼軌產(chǎn)生很大的橫向水平作用力。這將引起軌距被擠寬，輪緣和鋼軌的磨耗加劇，嚴(yán)重時(shí)