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輪軌動力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法對比

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第35卷第1期
2015年2月
鐵道機(jī)車車輛
RAILWAY LOCOMOTIVE&amp;amp;CAR
V01．35 No．1
Feb． 2015
君零薔逸琴芬塔～9
賽專題研究甏
p譬☆《長世《裂’
文章編號：1008—7842(2015)01--0025--07
輪軌動力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法對比+
林洋1，李宏偉2，唐玉杰3
(1 中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京100081；
2 中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；
3 華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013)
摘要我國高速列車與國外輪軌動力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法不盡相同，且已開通運(yùn)營里程高達(dá)近萬公里，所以有
必要對輪軌動力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法進(jìn)行評估。通過調(diào)研整理國內(nèi)外高速列車輪軌動力學(xué)理論研究成果與安全
性試驗(yàn)方法，確定了輪軌動力學(xué)和安全性試驗(yàn)方法的4方面內(nèi)容：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力和構(gòu)架橫向
穩(wěn)定性。然后依次從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、標(biāo)準(zhǔn)限值、測試方法和應(yīng)用情況等方面進(jìn)行梳理分析。對比結(jié)果顯示，我
國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試與車輛型式試驗(yàn)均對4方面內(nèi)容進(jìn)行測試，滿足高速列車動力學(xué)與安全性要求。
關(guān)鍵詞高速列車；輪軌動力學(xué)；安全性；試驗(yàn)方法
中圖分類號：U260．11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10．3969／j．issn．1008—7842．2015．01．05
我國已開通的高速鐵路運(yùn)營里程高達(dá)近萬公里，擁
有CRH系列動車組，如CRH。、CRH2、CRH。、CRH。、
CRH380型動車組等。高速鐵路工程建設(shè)與高鐵運(yùn)營
經(jīng)驗(yàn)日趨豐富；高速動車組的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等技術(shù)日
趨完善。不可否認(rèn)的是高速列車在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了
一些問題，如某一線路在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中發(fā)現(xiàn)缺陷、某一運(yùn)
營線路出現(xiàn)晃車現(xiàn)象等。輪軌的動力學(xué)直接決定著高
速列車運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、平穩(wěn)性。由于我國高速
鐵路發(fā)展歷史與科研體制與歐盟、日本等國不同，國內(nèi)
輪軌動力學(xué)理論研究成果和安全性的試驗(yàn)方法和國外
不盡相同。所以，有必要參照國外方法對我國現(xiàn)有的輪
軌動力學(xué)研究理論結(jié)果與高速列車安全性的試驗(yàn)方法
進(jìn)行評估。
通過調(diào)研整理歐盟、北美、日本和國內(nèi)高速鐵路輪
軌動力學(xué)理論研究成果和高速線路試驗(yàn)資料，并在確定
了以脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力和構(gòu)架橫向穩(wěn)
定性為安全性試驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，依次從國內(nèi)外研究現(xiàn)
狀、標(biāo)準(zhǔn)限值、測試方法和應(yīng)用情況等方面進(jìn)行梳理和
分析了國內(nèi)外的輪軌動力學(xué)理論研究成果和安全性試
驗(yàn)方法的應(yīng)用。
*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(20141CB711104)
林洋(1982～)男，工程師(收稿日期：2014一06—06)
1 國內(nèi)外輪軌動力學(xué)試驗(yàn)方法
1．1 脫軌系數(shù)
列車在鋼軌上運(yùn)行時(shí)，在車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、線路條件
及運(yùn)行狀態(tài)等不利的因素下，可能會有輪軌分離，從而
導(dǎo)致車輛脫軌[1]。為了描述、表征車輛運(yùn)行安全程度，
國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)采用多種方法對輪軌間的作用力進(jìn)行
了測量，提出了脫軌系數(shù)這一指標(biāo)，并規(guī)定了脫軌系數(shù)
的限值。隨著測試技術(shù)的發(fā)展和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，脫軌
系數(shù)這一重要指標(biāo)已被多數(shù)國家用來評價(jià)車輛運(yùn)行安
全性。脫軌系數(shù)是用于鑒定試驗(yàn)車輛輪緣因橫向力作
用是否會逐漸爬上軌頭而脫軌。脫軌臨界狀態(tài)時(shí)鋼軌
受力關(guān)系如圖1。
圖l 脫軌臨界時(shí)鋼軌受力關(guān)系
萬方數(shù)據(jù)
鐵道機(jī)車車輛第35卷
在整理比較了國內(nèi)、歐洲、日本、美國脫軌系數(shù)的標(biāo)
準(zhǔn)限值以后，說明了脫軌系數(shù)在我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試
及高速動車組型式試驗(yàn)中的應(yīng)用。
(1)中國標(biāo)準(zhǔn)
文獻(xiàn)[2]是中國車輛動力學(xué)性能比較全面、權(quán)威的
標(biāo)準(zhǔn)，對脫軌系數(shù)的限值、測量方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。
標(biāo)準(zhǔn)中指出評價(jià)車輛是否安全合格，脫軌系數(shù)應(yīng)滿足第
一限度標(biāo)準(zhǔn)，即：
魯≤1．2
為了增大安全裕量，脫軌系數(shù)應(yīng)滿足第二限度標(biāo)準(zhǔn)，即：
魯≤1-0
式中Q為輪軌橫向力；P為輪軌垂向力。
隨著我國高速動車組的研發(fā)、應(yīng)用，車輛脫軌方面
的研究和測試技術(shù)均取得長足的進(jìn)步，形成了《高速動
車組整車試驗(yàn)規(guī)范》這一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了脫軌系數(shù)的評判
新標(biāo)準(zhǔn)[3I：
罷≤o．8
與此同時(shí)，新建的多條高速鐵路已投入運(yùn)營。在新
建鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動態(tài)檢測過程中，將脫軌系數(shù)作為
一項(xiàng)重要的檢測項(xiàng)目，形成了文獻(xiàn)[4—6]等檢測標(biāo)準(zhǔn)。
在線路檢測中，要求脫軌系數(shù)滿足：
罷≤o．8
并規(guī)定：當(dāng)罟>o．8時(shí)需限速運(yùn)行；當(dāng)o．5<罟≤o．8>0．05 S
罟一{半悉。．。。。
(4)美國
美國綜合采用兩種方法限制脫軌：一種是規(guī)定單車
輪的脫軌系數(shù)需滿足：魯≤o．8；另一種是weinstock準(zhǔn)
則，對兩側(cè)車輪脫軌系數(shù)之和進(jìn)行了限制，規(guī)定Σ
I魯I<1．o～1．5。
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時(shí)間t／s
圖2 日本對脫軌系數(shù)安全限度的規(guī)定
國內(nèi)外脫軌系數(shù)的限值比較，見表1。
表1 國內(nèi)外脫軌系數(shù)的限值比較
脫軌系數(shù)關(guān)乎著軌道車輛運(yùn)行的安全性，一直是我
國鐵道車輛試驗(yàn)關(guān)注的內(nèi)容。尤其是近幾年我國高速
鐵路的快速發(fā)展，脫軌系數(shù)在車輛型式試驗(yàn)與聯(lián)調(diào)聯(lián)試
中得到廣泛的應(yīng)用。
(1)車輛型式試驗(yàn)中的應(yīng)用
脫軌系數(shù)是車輛動力學(xué)性能試驗(yàn)的一項(xiàng)重要測試
萬方數(shù)據(jù)
第1期輪軌動力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法對比
指標(biāo)，目前已廣泛應(yīng)用于普通客車、貨車、地鐵、動車組
等車型的試驗(yàn)與研究，而且已成為車輛研究、開發(fā)、檢驗(yàn)
過程中的基本指標(biāo)。動車組型式試驗(yàn)中通過采用逐級
提速方法，嚴(yán)密監(jiān)測脫軌系數(shù)等安全性指標(biāo)，來保障車
輛的運(yùn)行安全。我國的CRH，、CRH：、CRH。、CRH。等
類型的動車組的型式試驗(yàn)中，均對脫軌系數(shù)進(jìn)行了測試
和評價(jià)。
(2)線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的應(yīng)用
隨著我國高速鐵路的發(fā)展，脫軌系數(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用
于既有線和新建線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。包括京滬線、京哈
線、京廣線、滬昆線、膠濟(jì)線、隴海線等我國鐵路第6次
全國大提速的所有既有線路以及包括合寧客專、合武客
專、京津城際、武廣高鐵、鄭西高鐵、京滬高鐵等在內(nèi)的
新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中均嚴(yán)格監(jiān)測了脫軌系數(shù)這一指標(biāo)。
經(jīng)過多條線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，我國積累了豐富的工程經(jīng)
驗(yàn)，能夠有效的利用脫軌系數(shù)檢測出線路中的軌道缺
陷，指導(dǎo)軌道線路精調(diào)，提高線路質(zhì)量。其中，在武廣、
石太、甬臺溫、滬寧、滬杭等多條線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，均檢
測出因焊縫和信號軌斷片等原因引起的脫軌系數(shù)超限。
1．2減載率
輪重減載率是評定鐵道車輛運(yùn)行安全性的重要指
標(biāo)之一。輪重減載率定義為車輪垂向減載量與車輪質(zhì)
A D
量的比值，即U，一等，其中AP—P—P，式中P為左
P
右側(cè)車輪的平均輪重，P為實(shí)際輪重，△P為輪重減載
量。輪重減載率實(shí)際上是由Nadal公式派生出來的一
個(gè)評價(jià)脫軌安全性的輔助指標(biāo)[8]。
各國的減載率雖然定義相同，但具體標(biāo)準(zhǔn)限值各有
著自己的特點(diǎn)。
(1)中國
GB／T 5599—1985嘲第3．3．3條規(guī)定如下：輪重減
載率試驗(yàn)時(shí)，車輛應(yīng)在通過9號單開道岔以及低速通
過小半徑曲線的條件下測定(橫向力為0或近于o)。
A D
第一限度：等≤o．65
r
A D
第二限度：等≤o．6
r
除上述國家標(biāo)準(zhǔn)外，為規(guī)范高速列車試驗(yàn)，檢驗(yàn)高
速列車的性能，2008年原鐵道部運(yùn)輸局編制完成了《高
速動車組試驗(yàn)和評價(jià)規(guī)范》(鐵運(yùn)[2008]28號)，《高速
動車組試驗(yàn)和評價(jià)規(guī)范》對輪重減載率的規(guī)定如下：
，A D、
(昔)≤0．65(準(zhǔn)靜態(tài)) 、f ／lira
，A D、
(昔)≤0．8(動態(tài))
在中國輪重減載率作為運(yùn)行安全性的一個(gè)重要指
標(biāo)，不僅用于準(zhǔn)靜態(tài)測量評價(jià)，也用于動態(tài)測量評價(jià)。
2007年4月中國鐵路第六次提速后，輪重減載率廣泛
地應(yīng)用于高速動車組的型式試驗(yàn)和高速鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)
試試驗(yàn)。具體為：
①車輛型式試驗(yàn)中的應(yīng)用
CRH動車組的動力學(xué)性能試驗(yàn)中，多次出現(xiàn)輪重
減載率超過0．80的現(xiàn)象，為了利用輪重減載率判斷車
輛運(yùn)行安全性，對京津城際CRH動車組(CRH。。和
CRH。。)輪重減載率超過0．80時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性和振動
加速度進(jìn)行測量研究，分析了此狀態(tài)下車輛運(yùn)行安全性
和相關(guān)振動特性，給出了利用減載率來判斷車輛安全性
的參考。
②聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的應(yīng)用
在多條客運(yùn)專線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，所監(jiān)測的輪重減載
率在直線、曲線、道岔、焊縫等線況出現(xiàn)了大值。根據(jù)已
積累的聯(lián)調(diào)聯(lián)試經(jīng)驗(yàn)，通過多次線路的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)
均因線路的各種缺陷所致輪重減載率超標(biāo)，不僅發(fā)現(xiàn)了
明顯、易查的顯性缺陷，而且找出了隱密、難查，波長小
于1．5 m的短波缺陷。長期聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)踐證明，通過
軸監(jiān)測輪重減載率能有效地找出其值超標(biāo)處所對應(yīng)線
路的顯、隱性缺陷。
(2)歐洲
EN 14363的動態(tài)試驗(yàn)中沒有輪重減載率的評定指
標(biāo)。靜態(tài)測試中，當(dāng)不能直接測量輪軌力，不能通過脫
軌系數(shù)進(jìn)行評定時(shí)，才引入了輪重減載率作為評定安全
的指標(biāo)，具體限值如下：
等≤o．6 P 、
(3)日本
日本標(biāo)準(zhǔn)∞1中涉及到輪重減載率的標(biāo)準(zhǔn)如下：
亍tA_r"≤0．6(準(zhǔn)靜態(tài))
等≤0．8(動態(tài))
(4)北美
北美僅規(guī)定了車輛的動態(tài)輪重減載率
一／．,A-r≤0．8 P
1．3 輪軸橫向力
為了最大限度的限制因輪軸橫向力導(dǎo)致的軌排橫
移，對單個(gè)輪軸所施加給軌道的橫向力限值做了規(guī)定。
(1)中國
過大的輪軸橫向力可能會導(dǎo)致軌排橫移，造成無縫
線路動態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)生脹軌跑道現(xiàn)象，所以有必要限制輪軸
萬方數(shù)據(jù)
28 鐵道機(jī)車車輛第35卷
橫向力，文獻(xiàn)[3]對輪軸橫向力作如下規(guī)定：
Hl。。一10+P。／3
(2)歐洲
UIC 518規(guī)定了輪軸橫向力限值口]：
(H：。)。．。一p(10+P。／3)；P。是每個(gè)軸的靜載荷，
kN。盧的數(shù)值規(guī)定如表2。
表2盧數(shù)值規(guī)定
在車輛型式試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試中時(shí)常出現(xiàn)輪軸橫向
力值超限的情況?？偨Y(jié)多次聯(lián)調(diào)聯(lián)試的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輪軸
橫向力值超限值時(shí)的情況均為單峰值，均為線路小于
1．5 m的短波缺陷所致，而且一般對應(yīng)兩種線路缺陷，
即道岔缺陷、軌向不平順。
1．4構(gòu)架橫向穩(wěn)定性
由于車輪踏面具有錐度和輪軌間復(fù)雜的動力作用，
軌道車輛沿軌道運(yùn)行時(shí)，輪對會產(chǎn)生一種特有的自激振
動，即一面橫向移動，一面繞通過其重心的鉛垂軸轉(zhuǎn)動
(搖頭運(yùn)動)，輪軸中心運(yùn)動軌跡為周期為的波浪形曲
線，與蛇行相似，稱這種運(yùn)動為蛇行運(yùn)動。1j。在一定速
度范圍內(nèi)，因車輛結(jié)構(gòu)中的阻尼以及輪軌間的蠕滑，輪
對蛇行運(yùn)動振幅會衰減；當(dāng)速度超過某一臨界速度時(shí)，
輪對蛇行運(yùn)動的振幅不斷地增大，造成輪對左右搖擺，
輪緣碰撞鋼軌，轉(zhuǎn)向架或車體出現(xiàn)大振幅的劇烈振動，
這種現(xiàn)象稱為蛇行失穩(wěn)[1?。輪對蛇行運(yùn)動會引起轉(zhuǎn)向
架和車體在橫向平面內(nèi)的振動，相應(yīng)地稱轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)
動和車體蛇行運(yùn)動。由于蛇行運(yùn)動是在橫向平面內(nèi)發(fā)
生的振動，故將機(jī)車車輛在橫向平面內(nèi)的蛇行運(yùn)動穩(wěn)定
性，稱為橫向運(yùn)動穩(wěn)定性。構(gòu)架橫向穩(wěn)定性即為構(gòu)架在
橫向平面內(nèi)的蛇行穩(wěn)定性。
各國對構(gòu)架橫向加速度的濾波頻率、評價(jià)方法和標(biāo)
準(zhǔn)限值不同?，F(xiàn)說明如下：
(1)中國
構(gòu)架橫向加速度10 Hz濾波、峰值有連續(xù)6次以上
達(dá)到或超過極限值8～10 m／s2時(shí)，判定轉(zhuǎn)向架橫向失
穩(wěn)。
(2)歐洲
UIC 518采用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度10 Hz低通
濾波后計(jì)算100 m加速度的RMS值進(jìn)行評價(jià)，當(dāng)轉(zhuǎn)向
架構(gòu)架上的橫向加速度為Mn／5時(shí)判定轉(zhuǎn)向架橫向失
穩(wěn)‘?。其中M。是轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，該質(zhì)量是轉(zhuǎn)向架裝備完
整時(shí)的質(zhì)量，包括輪對。
(3)美國
最小截止頻率為10 Hz低通濾波器(LPF)濾波，并
去除線性趨勢項(xiàng)后，連續(xù)2 S內(nèi)的構(gòu)架橫向加速度
RMS值大于0．3 g，判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。
中國鐵道科學(xué)研究院自第六次鐵路提速以來，承擔(dān)
了高速動車組服役跟蹤工作，先后對廣深線、滬昆線、京
滬線、石太線、京哈線速度為200～250 km／h動車組的
振動服役性能以及京津城際、武廣客專、京滬高鐵速度
為300 350 km／h動車組的振動服役性能進(jìn)行了跟蹤
研究。其中，構(gòu)架橫向穩(wěn)定性是跟蹤測試的重要參數(shù)，
也是動車組服役運(yùn)行安全性關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)。在跟蹤過
程中，通過監(jiān)測構(gòu)架橫向加速度發(fā)現(xiàn)了多例轉(zhuǎn)向架蛇行
失穩(wěn)和車體失穩(wěn)現(xiàn)象。
1．5小結(jié)
各國脫軌系數(shù)與輪重減載率定義基本相同，但標(biāo)準(zhǔn)
限值明顯不同。日本還考慮了輪軌發(fā)生沖擊時(shí)，車輪脫
軌的安全性問題，即考慮了作用時(shí)間的脫軌系數(shù)。歐洲
動態(tài)試驗(yàn)中，沒有規(guī)定減載率的限值，其他各國輪重減
載率均有準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)之分，且兩種情況下限值不同。
輪軸橫向力各國標(biāo)準(zhǔn)限值也不同。除日本外，各國
采用構(gòu)架橫向加速度來判斷構(gòu)架是否失穩(wěn)，但構(gòu)架橫向
加速度的濾波方式、濾波的截止頻率、判斷構(gòu)架是否失
穩(wěn)的方法均不同。
2安全性試驗(yàn)方法
國內(nèi)外高速鐵路涉及到的輪軌動力學(xué)和安全性問
題是相同的，但相關(guān)的測試項(xiàng)目、測試方法和評價(jià)方法
不盡相同。
北美的安全評價(jià)要素目前僅被用于貨車車輛，對于
客車，不同客運(yùn)當(dāng)局的安全測試方式則各不相同。在英
國及歐洲，安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)普遍適用于所有的機(jī)車、客車、
鉸接式車輛及貨車車輛。北美、英國、歐洲并不對每種
車輛測試所有的安全評價(jià)要素，如果當(dāng)很有把握安全性
問題不會出現(xiàn)時(shí)，就不必對車輛進(jìn)行安全性測試。
北美及英國均針對車輛運(yùn)行的安全要求、出現(xiàn)安全
問題的條件以及需要特殊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，同時(shí)，車輛設(shè)
計(jì)者對車輛運(yùn)行要求(如荷載、速度和安全標(biāo)準(zhǔn))車輛運(yùn)
行環(huán)境需要做出明確的限定。不同的是歐洲大陸對輪
軌動力學(xué)和安全性的測試及評估，側(cè)重于確保車輛在穿
過國界時(shí)不會出現(xiàn)安全問題。因此，歐洲車輛安全要求
更趨向于要反映實(shí)際運(yùn)行狀況，而不是分析研究。
2．1 脫軌安全
(1)北美試驗(yàn)方法
對于貨車車輛，要求試驗(yàn)車輛通過許多具有特定幾
萬方數(shù)據(jù)
第1期輪軌動力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法對比
何形狀的軌道區(qū)，車輪踏面是標(biāo)準(zhǔn)的北美磨耗型踏面，
鋼軌表面摩擦系數(shù)不得小于0．4，試驗(yàn)車輛裝有測力輪
對及其他必要的試驗(yàn)儀器。試驗(yàn)數(shù)據(jù)濾去高于15 Hz
的高頻成分，并只考慮那些作用時(shí)間超過50 ms的輪軌
力。
①曲線通過性能試驗(yàn)
穩(wěn)態(tài)曲線通過要求輪軌作用力是安全的，并避免有
任何脫軌的趨勢。目前僅僅針對單個(gè)車輛系統(tǒng)進(jìn)行試
驗(yàn)評估，對多個(gè)連掛車輛的研究(模擬車鉤及牽引力影
響)正在進(jìn)行中。
②曲線進(jìn)出性能試驗(yàn)
車輛進(jìn)出這些具有特殊幾何形狀的線路要求在進(jìn)
出一定半徑曲線時(shí)符合一定的性能：大車輛定距及剛性
車體可扭轉(zhuǎn)。試驗(yàn)的分析結(jié)果要確定一個(gè)合理的脫軌
安全界限，尤其要獲得輪重減載的情況下的安全界限。
③通過有激擾軌道性能試驗(yàn)
為模擬車輛在運(yùn)行期間可能遇到各種工況時(shí)的激
擾，設(shè)計(jì)了各種類型的激擾線路。試驗(yàn)旨在說明設(shè)計(jì)的
車輛能夠提供足夠的結(jié)構(gòu)損壞和任何脫軌趨勢的安全
裕度。試驗(yàn)速度達(dá)112．5 km／h，或一直逐級提高試驗(yàn)
速度，至出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，密切關(guān)注臨界速度附近的性能。
④對軌面表面形狀突變的響應(yīng)試驗(yàn)
鋼軌接頭和軌道剛度分布不均造成鋼軌有載荷時(shí)
形狀突變，從而形成車輛的振動激擾。試驗(yàn)旨在確認(rèn)車
輛通過引起車輛點(diǎn)頭和浮沉的軌道時(shí)具有良好的動力
學(xué)性能。實(shí)際運(yùn)營中，這種情況會發(fā)生在道岔或橋墩
處。
⑤橫向高低不平順響應(yīng)試驗(yàn)
試驗(yàn)軌道的軌面上有一些交錯(cuò)連續(xù)的凸凹(波長為
11．9 m)，其波幅可引起振幅最大達(dá)19 mm的橫向振
動，軌長122 m。試驗(yàn)旨在確認(rèn)車輛通過存在側(cè)滾激擾
的扭曲軌道時(shí)具有良好的動力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果要求
輪軸橫向力Q和垂直力P，Q／P總值不超過1．5，車體
最大側(cè)滾角的峰值不超過6。，車輪最小垂直載荷始終
不小于車輪靜載荷的10％。此類軌道不平順一般出現(xiàn)
在道岔、低軟點(diǎn)或表面損壞的軌道處。
⑥方向不平順響應(yīng)試驗(yàn)
試驗(yàn)軌道軌面是波長11．9 rn、波幅31．8 mm的正
弦曲線，軌距1 460 mm，軌長61 m。試驗(yàn)旨在要確認(rèn)
車輛通過搖頭和側(cè)滾激擾的方向不平順線路時(shí)具有良
好的動力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果要求轉(zhuǎn)向架一側(cè)Q／P值不
超過0．6，輪軸Q／P總值不超過1．5。
⑦動態(tài)曲線通過性能試驗(yàn)
試驗(yàn)外側(cè)軌道含有首尾相接、波幅為25．4 mm的
波段構(gòu)成的圓弧所形成25．4 mm的軌距偏差，波幅為
25．4 mm的橫向高低不平順。試驗(yàn)的目的要確認(rèn)車輛
通過具有軌距偏差和橫向高低偏差的曲線軌道時(shí)具有
良好的動力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果要求在試驗(yàn)中單個(gè)車輪
Q／P值不超過1．0，輪軸Q／P總值不超過1．5，車輪最
小垂直載荷始終不小于車輪靜載荷的10％。
(2)歐洲試驗(yàn)方法
①準(zhǔn)靜態(tài)測量
歐洲規(guī)定車輛通過所有類型的曲線，因輪緣爬軌引
起的脫軌可能性很低，但對機(jī)車并沒有特殊的要求。而
對于客車車輛來說，必須驗(yàn)證車輛在通過具有下述特征
的線路時(shí)不能脫軌：車輛定距扭曲度一15／2a++2．0，
其中2口’為車輛定距，m；轉(zhuǎn)向架固定軸距扭曲度一7—
5／2a+，其中2以+為轉(zhuǎn)向架固定軸距；上述兩種情況的
組合。
貨車車輛標(biāo)準(zhǔn)對輪緣爬軌性能做了簡單的假設(shè)。
針對不同參數(shù)，如車輛總長、軸距(二軸車輛)、車輛定距
(轉(zhuǎn)向架車輛)、輪載、車體扭曲剛度、垂直彈簧剛度等，
制定了相應(yīng)的安全條件。如果車輛符合相應(yīng)條件，則合
格。
②動態(tài)(高速條件下測量)
至少要在裝有測試儀器的轉(zhuǎn)向架的每個(gè)外側(cè)軸端
上測量輪軌接觸橫向力Q和垂直力P。如果是軸式的
貨車，則簡化測量轉(zhuǎn)向架外側(cè)軸的橫向力H。
(3)日本測試方法
提高最高運(yùn)行速度、曲線通過速度及通過道岔、曲
線時(shí)的速度時(shí)，測量并驗(yàn)證脫軌系數(shù)。利用安裝在被試
車輛上的測力輪對進(jìn)行測量，原則上采用電阻應(yīng)變計(jì)來
測量車輪上產(chǎn)生的應(yīng)變(困難的情況下也可以測量車軸
應(yīng)變)，測量輪重、橫向力的同時(shí)，測量測力輪對上的軸
箱垂向振動加速度，以便檢測鋼軌接頭的位置和輪重變
化的時(shí)間歷程。使用輪重測量波形瞬時(shí)值或略去車輪
輪重測量波形中急劇變化的成分(僅用于比較緩慢變化
的脫軌系數(shù))的值作為輪重值。最后，將同時(shí)測得的橫
向力與輪重的比值作為脫軌系數(shù)。
2．2 輪軌橫向力
(1)北美試驗(yàn)方法
北美對垂向或橫向軌道力(輪軌作用力)的臨界值
并未作具體的限制要求。
(2)歐洲試驗(yàn)方法
歐洲除對輪軌橫向力有限制規(guī)定，并不對輪軌垂向
力作限制。歐洲對橫向軌道力的限定與英國相似，但限
值為英國限值的85％。
客車采用與英國相同的線路試驗(yàn)。雖然希望機(jī)車
萬方數(shù)據(jù)
30 鐵道機(jī)車車輛第35卷
能符合客車車輛的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但歐洲對機(jī)車并沒有特殊
的要求。貨車車輛也要符合相似的標(biāo)準(zhǔn)，也要通過線路
試驗(yàn)，不同的是歐洲采用的限值標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)軸重而不是
結(jié)合輪重和作用在一系懸掛上的橫向力。
Hmx≤o．85(10+P。／3)，其中HⅢx為作用在軸箱
上的橫向力，kN。
此外還規(guī)定了下列要求：
H?。。+艿≤o．5(10+P。／3)，式中占為軌道試驗(yàn)中
得到的H的標(biāo)準(zhǔn)偏差，kN。
(3)日本測試方法
主要用于直線提速、曲線提速、道岔提速、側(cè)線提速
的各種試驗(yàn)，曲線提速和道岔側(cè)線提速時(shí)主要驗(yàn)證橫向
力。另外為了比較試驗(yàn)列車不同類型車軸或者運(yùn)營列
車等橫向力的發(fā)生狀態(tài)，根據(jù)需要一般可在地面采用鋼
軌動態(tài)剪切應(yīng)變進(jìn)行橫向力的測量。
2．3 轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性試驗(yàn)
(1)北美試驗(yàn)方法
試驗(yàn)在具有良好性能的軌道上進(jìn)行，旨在確認(rèn)車輛
在運(yùn)行速度范圍內(nèi)不會出現(xiàn)橫向失穩(wěn)或蛇行失穩(wěn)。對
于客車，要求在高于臨界速度時(shí)，構(gòu)架橫向加速度有適
當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度；規(guī)定貨車車輛的試驗(yàn)速度在112．5
km／h以下。分析同時(shí)，需要輪軌力和車體橫向加速度
的大小維持在足以保證車輛有足夠的脫軌安全裕度范
圍內(nèi)。
根據(jù)已經(jīng)測試過的并在有效范圍內(nèi)的車輛參數(shù)建
立分析模型，對車輛通過直線、半徑為3．5 km和
1．75 km曲線的狀態(tài)進(jìn)行分析。通過分析確定車輛在
高于某一速度運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)因輪對橫向振動的振幅過大
而引起輪緣與軌緣連續(xù)接觸這一情況下的速度。
試驗(yàn)采用具有北美標(biāo)準(zhǔn)磨耗踏面的空載車輛，通過
一段假定軌面干燥的新軌道，摩擦系數(shù)為0．5，線路為
直線且性能優(yōu)良，輪軌匹配等效錐度不小于0．15(必要
時(shí)可通過調(diào)節(jié)軌距來獲得這一錐度)。并在該車輛每個(gè)
轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向軸位置裝測力輪對。
分析和試驗(yàn)結(jié)果若滿足在610 m長的線路上，車
輛橫向加速度的未加權(quán)方差不得超過2．6 m／s2，軸Q／
P總值不得超過1．5即為合格。
(2)英國的試驗(yàn)方法
仿真計(jì)算試驗(yàn)采用目前已認(rèn)可的多自由度模型直
線計(jì)算方法，需要車輛對臨界速度有一定的安全裕量
(通常為10％)，等效錐度要能夠反映實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能
遇到的等效錐度，蠕滑力要在Kalker蠕滑力系數(shù)的一
半到全值之間變動，并要求阻尼值不得低于特定的值。
線路試驗(yàn)也被用來確定是否存在規(guī)定范圍內(nèi)的阻
尼。在檢測到失穩(wěn)的情況下，要在存在問題的地方測量
鋼軌廓形和試驗(yàn)車輛的車輪型面。
(3)歐洲的試驗(yàn)方法
歐洲通過線路試驗(yàn)測量相關(guān)加速度來確定車輛是
否符合相關(guān)規(guī)定，測量每個(gè)端部輪對上方轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的
橫向加速度Y+。對于客車，歐洲規(guī)定構(gòu)架的橫向加速
度不得超過8．0 m／s2，頻率介于4．0～8．0 Hz，對機(jī)車
并沒有特殊的要求。貨車車輛通過參照在軸箱上測到
的橫向力進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定性能評價(jià)。
2．4評價(jià)方法對比
(1)脫軌評價(jià)方法對比
北美對貨車車輛脫軌的安全性評價(jià)是通過大量的
線路試驗(yàn)并輔以仿真分析來完成。線路試驗(yàn)在設(shè)有特
定幾何形狀并有激擾的軌道上進(jìn)行，以此激起車輛系統(tǒng)
的非正常運(yùn)行狀態(tài)。軌道根據(jù)波長為1．9 m(不必用最
差狀況軌道)建造的，并不力求和任何實(shí)際運(yùn)用中的軌
道幾何形狀和狀況完全相同，被試車輛安裝了包括測力
輪對在內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備。仿真分析時(shí)，設(shè)計(jì)者輸人參量來
確定既定的軌道幾何形狀，從而檢測已設(shè)計(jì)的方案。
英國對于車輛脫軌評價(jià)的方法和北美有著明顯的
不同。英國不對車輛進(jìn)行線路測試，而是基于靜態(tài)試驗(yàn)
和非線性模擬。靜態(tài)試驗(yàn)用來確定軌道扭曲和轉(zhuǎn)向架
轉(zhuǎn)動對車輛脫軌的影響；非線性模擬用來確定車輛在通
過極端但又現(xiàn)實(shí)軌道時(shí)的脫軌安全性能。
歐洲將測試和仿真分析結(jié)合運(yùn)用。通過仿真分析
得出具體的軌道扭曲對車輛脫軌安全性能的影響；測試
在具有最小曲線半徑和極端扭曲的實(shí)際運(yùn)行軌道上進(jìn)
行且車輛裝有測力輪對。
日本還利用輪重減載率評價(jià)運(yùn)行安全，歐洲和北美
則沒有該項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)。
(2)輪軌作用力評價(jià)方法對比
除北美外，英國、日本和歐洲都對最大輪軌力作了
限定，但北美對靜軸重做了限定。英國對橫向和垂向輪
軌力都有限定，歐洲只對橫向輪軌力有限定。
英國測試過程通常都先采用分析的方法進(jìn)行，對特
定分散的軌道不平順進(jìn)行計(jì)算(在垂直方向上，這種不
平順表現(xiàn)為嚴(yán)重的平行軌接頭下沉)，橫向軌道輸人作
為一個(gè)理想的具有變化幅值和波長的不平順，且足以引
起橫向懸掛裝置的極限運(yùn)動。此外，還用到了如道岔和
岔芯這樣的結(jié)構(gòu)。最后，將輪對慣性力和一系懸掛力相
萬方數(shù)據(jù)
第1期輪軌動力學(xué)與安全性試驗(yàn)方法對比
加后得到動態(tài)輪軌力。在對分析結(jié)果存在疑問時(shí)，才進(jìn)
行線路試驗(yàn)。歐洲和日本對橫向輪軌力的測定是通過
測力輪對在線路試驗(yàn)完成的。
(3)關(guān)于動態(tài)穩(wěn)定性(橫向穩(wěn)定性)評價(jià)方法的對比
無論北美、英國還是歐洲，都采用線路試驗(yàn)并輔以
分析計(jì)算對車輛進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定性評價(jià)。北美要求車體
橫向加速度和軸Q／P總值符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而英國和
歐洲以車體和構(gòu)架橫向加速度為標(biāo)準(zhǔn)對客車進(jìn)行動態(tài)
穩(wěn)定性測試，對于貨車車輛則以橫向輪軌力為標(biāo)準(zhǔn)。日
本不采用構(gòu)架加速度對構(gòu)架橫向穩(wěn)定性進(jìn)行判定。
2．5小結(jié)
北美、英國和歐洲的車輛安全性評價(jià)方法有著很大
的區(qū)別。主要的區(qū)別在于北美致力于確定避免脫軌。
因?yàn)楸泵黎F路主要用于貨物運(yùn)輸，而英國和歐洲鐵路則
主要用于客運(yùn)，所以北美線路幾何品質(zhì)差、軸重大；英
國、歐洲線路質(zhì)量要求高。考慮到北美的軸重要比英國
和歐洲高得多，北美的另一顯著特點(diǎn)是沒有對動態(tài)垂向
和橫向輪軌力做出限定。
運(yùn)行品質(zhì)在北美不屬于貨車車輛安全性評價(jià)范圍。
但由于將來會更多的測重于運(yùn)行品質(zhì)(特別是在用于運(yùn)
輸汽車的用途條件下)，這一點(diǎn)可能會改變。
在北美和歐洲的線路試驗(yàn)中，測力輪對起著重要作
用，但英國卻不用測力輪對。
英國的安全性評價(jià)方法對非線性模擬計(jì)算的依賴
程度比歐洲和北美高得多。對新車進(jìn)行安全性評價(jià)投
入的費(fèi)用相當(dāng)多，尤其是采用北美的方法。隨著非線性
模擬計(jì)算的發(fā)展，對新車進(jìn)行安全性評價(jià)的費(fèi)用相應(yīng)會
減少。然而，由非線性模擬程序所做出的預(yù)測準(zhǔn)確性必
須要通過所有類型車輛的驗(yàn)證才能進(jìn)行安全性評價(jià)。
尤其是許多貨車車輛的設(shè)計(jì)采用了復(fù)雜的懸掛裝置，模
擬的精確度大大依賴于所用的車輛參數(shù)。所以，這些參
數(shù)要經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，才能進(jìn)行非線性模擬計(jì)算。
日本與歐洲存在2個(gè)差別：不采用構(gòu)架橫向加速度
來評價(jià)轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性；但采用輪重減載率來評價(jià)脫
軌安全。
3結(jié)論與建議
綜上所述，得出的結(jié)論如下：
(1)國內(nèi)外鐵道行業(yè)關(guān)于列車運(yùn)行的輪軌動力學(xué)和
安全性全部試驗(yàn)項(xiàng)目為：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪重
(垂向力)、輪軌橫向力、構(gòu)架橫向穩(wěn)定性、車體加速度。
前4項(xiàng)基本通過測力輪對測試，最后兩項(xiàng)主要通過在構(gòu)
架和車體安裝加速度傳感器進(jìn)行測量。
(2)中國的高速列車型式試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試，對以上
項(xiàng)目均進(jìn)行測量、驗(yàn)證，涵蓋了國外列車運(yùn)行時(shí)輪軌動
力學(xué)和安全性的所有測量項(xiàng)目。
(3)國內(nèi)外鐵道行業(yè)關(guān)于輪軌動力學(xué)和安全性試驗(yàn)
項(xiàng)目的具體測量方法和評定限值存在諸多差別。
(4)我國輪軌動力學(xué)研究成果及限值和安全性試驗(yàn)
方法經(jīng)歷了不同型號、不同速度等級高速動車組型式試
驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試的考驗(yàn)，能夠滿足高速列車試驗(yàn)要求。
雖然近年來國內(nèi)外許多學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大
量的研究工作，提出了一些新的評判方法和限值，但這
些評定限值尚未得到廣泛的認(rèn)可，還未形成新的標(biāo)準(zhǔn)。
目前我國車輛型式試驗(yàn)與聯(lián)調(diào)聯(lián)試的輪軌動力學(xué)與安
全性試驗(yàn)方法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成，但跟蹤試驗(yàn)的有關(guān)
標(biāo)準(zhǔn)尚未形成，建議有更多學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)研究制定跟
蹤試驗(yàn)輪軌動力學(xué)與安全性的試驗(yàn)方法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以
掌握高速列車在服役過程中的性能變化規(guī)律以及運(yùn)行
安全狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)
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(下轉(zhuǎn)第84頁)
萬方數(shù)據(jù)
84 鐵道機(jī)車車輛第35卷
表2測量的一批電纜終端套管尺寸
注：(1)在測量中發(fā)現(xiàn)每個(gè)裙邊間距沿圓周方向變化較大，即裙邊變形引起的不平行，變形最嚴(yán)重的兩個(gè)裙邊不同位置的間距從30～52 mm變化；(2)表中
l～6中為出現(xiàn)變形的某公司電纜終端測量數(shù)據(jù)，7～10為未出現(xiàn)變形的另一公司的電纜終端測量數(shù)據(jù)。
專用清洗液對終端表面進(jìn)行擦拭。對該工作的監(jiān)督常
態(tài)化。
(4)控制新上車終端的螺栓長度。在保證正常緊固
要求的同時(shí)，盡量縮短裸露螺栓長度。
(5)控制車頂編織線長度，使其最低點(diǎn)與車頂問保
證不小于400 mm安全距離。
(6)電纜終端支座平臺上涂絕緣漆，防止電弧爬電。
5 結(jié)束語
通過采取措施以后，進(jìn)行跟蹤，在2013年的跟蹤中
未再發(fā)現(xiàn)一例因電纜故障造成的放電。
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Cause Analysis and Improvement Measures of High Voltage
Cable Terminal Discharge for HXD l C—type Electric Locomotive
LJ Xin 1’2
(1 School of Mechanical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330012 Jiangxi，China；
2 Luoyang Locomotive Depot，Zhengzhou Railway Bureau，Luoyang 471002 Henan，China)
Abstract：This paper analyzes the cause of high—voltage cable terminal discharge for HXD 1 C—type electric locomotives of Luoyang Loco—
motive Depot and puts forward the corresponding improvement measures．The application effect after implementation of reform meas—
ures in 2013 is also tracked．The contents of this paper can be used for reference of locomotive operation．
K霧e迎y 潞wo零rd霧s：零H祭X牙D 1迎C—器t岔ype迎e孓le零ctr零ic霧l零oco零mo零ti牙ve她；潞hi霧gh零v分olt迎ag薄e零ca零bl祭e；牙te迎rm黔in撰al撰d牙is迎ch潞ar牙ge；迎a薄na零ly祭si零s；努i迎mp薄ro霧ve墟me器nt零祭祭a蘆芬迎黔霧磅≠弛孓
(上接第31頁)
Comparison of the Wheel Rail Dynamics Method
L工N Yan91。L工Hongwei 2．TANG Yujie 3
(1 Locomotive&amp;amp;Car Research Institute，China Academic of Railway Science，Beijing 100081，China：
2 CNR Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，Changchun 130062 Jilin，China；
3 East China Jiaotong University，Nanchang 330013 Jiangxi，China)
Abstract：High speed trains wheel rail dynamics and safety test method is not all the same in our country and abroad．China Railway
High—speed has operation mileage reaching into nearly 10，000 kilometers，SO it is necessary to evaluate the wheel rail dynamics and safe—
ty test method．Domestic and foreign high speed trains wheel rail dynamics theory and method of safety test are explored，and the four
aspects of wheel rail dynamics and safety test methods including the derailment coefficient，reduction rate of wheel load，wheel—rail lat—
eral force and the bogie stability are confirmed．Then，the standard research status，the limit value。test methods and applications at
home and abroad are analyzed concretely．The evaluation result shows that china railway high—sped lines experiment and vehicles test
cover the above four aspects of testing，and all aspects can meet the high speed trains dynamics and safety requirements．
Key words：high speed trains；wheel rail dynamics；safety；test method
萬方數(shù)據(jù)

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02-21