铁道车辆动力学性能
轮对弹性对铁道车辆动力学性能仿真结果的影响
１ 概述
在铁道 车辆 的仿 真分 析 中 ， 轮对通 常视 为 刚性体 ， 这种建 模对 研究频 率 ｆ＜２ 的低频 动力 学 响应是 ０Ｈｚ 合适 的＿ 。考虑 到轮 轨 接 触对 于微 小 的位 移很 敏感 ， 】 ］
轮对 的弹性 变形对 轮轨 接触 是否会 有影 响 ？铁道 车辆 低频 直线 运行 时 ， 界 速度 是主要 指 标 。运行 速度 临 低于 临界速 度 ， 即 ＜ ， 。 车辆 稳定 运 行 ； 时 如果 ≥ 时 ， 引起 车辆极 限环 运 动 ， 则 即蛇 行 运 动 ， 常 运行 正 中要避 免这 种情况 发 生 。
轨 道子 系统 。
＾屠
遣聿鞣
在 车辆 的设计 过 程 中要 仿 真计 算 ， 有必 要 研究 轮 对为 刚性 体 和 弹性 体 时 是 否会 产 生 不 同的 仿 真 结 果 。本 文建 立 了轮 对 为 弹 性体 的整 车 分 析模 型 ， 与 并
刚性轮对 模 型 的计ห้องสมุดไป่ตู้ 结 果进 行 了对 比。
Ｊ ＧＥ ＮＯＬ 等 （ ） ＵＲ Ｎ ＡＲ Ｄ， 德
摘 要： 研究了轮对分别 为弹性体和刚性体 情况下客车 的直线运行 性能 ， 型 中轮轨 接触 为非线性 。仿 模
真 结果 表 明 ， 对 弹 性 对 车 辆 运行 性 能 具 有 显 著 影 响 ， 其 降低 了 临 界 速 度 。 轮 尤 关 键 词 ： 道 车 辆 ； 力 学 ； 真 ； 对 ； 国 铁 动 仿 轮 德 中 图分 类 号 ： ７ ． １ Ｕ２０ １ 文 献 标 识 码 ： Ｂ ．
Ｔｈｅ Ｉ ｌ ｅ ｅ ｏ ａ ｔｃ Ｗ ｈｅ ｌ ｅ ｓ ｏ ｈｅ Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｎ Ｒｅ ｕ ｔ ｆ ｎｆ ｕ ｎｃ ｆＥｌ ｓ ｉ ｅ ｓ ｔ ｎ ｔ ｍ ｌ ｔｏ ｓ ｌｓ ｏ
铁道车辆动力学性能
2.2 平稳性评定标准
Sperling （斯佩林）平稳性指数：
车辆平稳性指标和车速的关系
01
04
02
03
前进方向
前转向架中心
后转向架中心
舒适性(Nmv)指标： 舒适性指标分简化方法和完全方法，一般仿真计算采用简化方法。其测点如下图：
2.2 平稳性评定标准
2.2 平稳性评定标准
二、舒适性(Nmv)指标：
（一）倾覆系数及评估标准：
2.2 安全性评定标准
一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：
上式中第一项是由于车辆通过曲线时未被平衡的离心力引起的（向曲线外侧方向的离心力和由于外轨超高引起的车辆重量向内侧的水平分力之差）。第二项是由于车辆横向振动惯性力引起的。第三项是由于侧向风力引起的。
——加速度均方根
2.2 平稳性评定标准
二、舒适性(Nmv)指标：
舒适性的等级 NMV<1 最佳舒适性 1<NMV<2 良好舒适性 2<NMV<4 中等舒适性 4<NMV<5 不好舒适性 5<NMV 极差舒适性 舒适性和平稳性指标的差异 1. 测量点和测量的加速度不同； 2. 计算方法不同； 3. 评价方法(有无纵向)和等级不同；
2.2 安全性评定标准
一、车辆抗倾覆稳定性及其评估标准：
倾覆系数：
GB 5599-85规定“试验鉴定车辆的倾覆系数应满足下列要求：
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。 考虑气动力作用，
≤
当用平均最大加速度评定速度 ≤100km/h的货车平稳性等级时，采用下列公式：
车辆动力学基础
车辆动力学基础第一章1．车体在空间的位置由6个自由度的运动系统描述。
浮沉、摇头、点头、横摆、伸缩、侧滚2．轴重：铁道车辆的轴重是指车辆每一根轮轴能够承受的允许静载。
3．轴距：是指同一转向架下两轮轴中心之间的纵向距离。
4．轴箱悬挂：是将轴箱和构架在纵向、横向以及垂向联结起来、并使两者在这三个方向的相对运动受到相互约束的装置。
5．中央悬挂：是将车体和构架/侧架联结在一起的装置，一般具有衰减车辆系统振动、提高车辆运行平稳性和舒适性的作用。
6．曲线通过：曲线通过是指车辆通过曲线时，曲线通过能力的大小，反映在系统指标上，主要表现为车辆轮轨横向力、轮对冲角以及轮轨磨耗指数等的大小上。
7．自由振动：是指在短时间内，由于某种瞬间或过渡性的外部干扰而产生的振动，其振动振幅如果逐渐变小，该系统将趋于稳定；相反，若振幅越来越大，则系统将不稳定。
第二章1．车辆的动力性能主要包括运行稳定性（安全性）、平稳性（舒适性）以及通过曲线能力等。
2．车辆脱轨根据过程不同大体可分为爬轨脱轨、跳轨脱轨、掉道脱轨。
3．目前我国车辆部门主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标。
4．当横向力作用时间t小于0.05s时，用0.04/t计算所得的值作为标准值。
5．不仅仅依靠脱轨系数来判断安全性的原因：（1）轮重较小时与其对应的横向力一般也较小，计算脱轨系数时受到轮重和横向力的测量误差的影响就较大，因此要获得正确的脱轨系数比较困难。
（2）垂向力较小时，使用该垂向力和与其对应的横向力得到的脱轨系数很容易达到脱轨限界值；另一方面，单侧车轮轮重减小时，另一侧车轮轮重一般会增大，此时极小的轮对冲角变化会导致较大的横向力，从而加大了脱轨的危险性。
（3）根据多次线路试验来看，与其说脱轨系数值较大容易导致列车脱轨，还不如说轮重减少的越多越容易导致列车脱轨。
6．评价铁道车辆乘坐舒适性最直接的指标就是车体振动加速度。
第三章1．轮对的组成：轮对由一根车抽和两个相同的车轮组成。
铁路货车动力学性能试验标准对比
技术装备铁路货车动力学性能试验标准对比王鼎，苗晓雨，熊芯（中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京100081）摘要：随着我国铁路货车提速，机车车辆动力学性能评定和试验鉴定需使用改进的试验方法，以提高试验质量。
对比GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》与GB/T5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》的异同点，从试验条件、评定指标和测试数据处理等方面，将动力学性能试验数据分别按照2个标准中的试验方法进行数据处理，对处理后的结果进行对比分析，包括运行稳定性、运行品质、运行平稳性对比分析，并对货车动力学性能试验提出建议。
关键词：铁路货车；动力学性能；性能试验；标准对比；试验数据中图分类号：U266.2 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）08-0082-09DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2023.05.25.0040 引言GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》（简称2019版标准）于2019年12月10日发布，2020年7月1日正式实施，代替了GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（简称1985版标准）［1-2］。
2019版标准在1985版标准的基础上，对动力学性能试验评定指标等级限值、数据处理方法以及采样要求进行修改。
30多年来，我国铁路货车的动力学性能指标执行1985版标准，由于该标准制定时铁路货车的运行速度较低，在近几年铁路货车提速、提高轴重的大背景下，有必要使用改进的试验方法以提高试验质量［3-5］，更好地服务于货车行业的发展。
2019版标准改进后的试验方法与1985版标准有何区别，以及2019版标准动力学性能的评定方式对铁路货车动力学性能的评价有哪些影响，值得进行对比分析研究。
首先从试验条件、试验方法、数据处理方法等几方面对2019版标准和1985版标准进行对比；其次详细分析2019版标准动力学性能的评定方法对铁路货车动力学性能评价的影响；再次使用动力学性能试验实际数据分别按照2个标准的数据处理方法进行数据处理，并对得到的结果进行对比分析，最后提出更有利于2019版标准实施的建议。
第二章铁道车辆动力学性能
第一节 铁道车辆动力学性能概述 第二节 车辆运行平稳性 第三节 车辆运行稳定性（安全性） 第四节 转向架主要部件的动强度
第五节 车辆蛇行运行稳定性
2.1 铁道车辆动力学性能概述
1. 车辆运行平稳性
（一）客车：旅客乘坐的舒适性 评价指标：平稳性指标、平均最大振动加速度、疲劳时间、 在曲线上舒适性、等舒适度曲线、动荷系数等指标
2.2 平稳性评定标准
五、客车在曲线上舒适性及其指标： （三）车辆通过缓和曲线时的舒适度标准： 我国铁路铁路设计标准规定：
（1）一般线路： V
max
ls 9h ls 7h
（2）困难地段： Vmax
2.2 平稳性评定标准
七、动荷系数：
前苏联采用
Pld al K ld Pst g
Pvd av Kvd Pst g
（1）等级较高的线路上，客车欠超高小于70mm； （2）一般线路上，欠超高小于90mm； （3）既有线上提速，某些线路的欠超高小于110mm。
2.2 平稳性评定标准
五、客车在曲线上舒适性及其指标：
（二）曲线限速及提速措施：
SV 2 hd h Vh gR 3.6
h hd gR
amax ≤ 0.00027 C p V
当用平均最大加速度评定速度 稳性等级时，采用下列公式：
横向振动：
单位： cm/s
2
V ≤100km/h的货车平
amax ≤ 0.00135 C f V 垂向振动： max ≤ 0.00215 C a V f
2.2 平稳性评定标准
四、平均最大加速度：
fd Kvd f st
2.2 平稳性评定标准
地下铁道车辆动力学模型研究
地下铁道车辆动力学模型研究引言地下铁道车辆动力学模型的研究一直是轨道交通领域中的重点问题之一。
车辆的动力学模型不仅能够揭示车辆的动力学特性，还能为车辆的安全控制和优化设计提供重要的理论支持。
本文将从车辆的悬挂系统、车辆的能量转换以及车辆运动学三个方面，对地下铁道车辆动力学模型进行详细的研究。
第一章悬挂系统模型地下铁道车辆的悬挂系统是车辆动力学的重要组成部分。
其主要作用是保证车辆在运行过程中的平稳性和稳定性。
目前，常用的地下铁道车辆悬挂系统主要分为悬挂式和刚性式两种。
其中悬挂式是通过悬挂系统将车体和轮对分离，从而减少车体受到的震动和振动；而刚性式则是将车体和轮对连在一起，通过传动系统传递动力。
对于悬挂式车辆，其悬挂系统的动力学模型主要包括弹簧-阻尼模型和蠕动模型两种。
其中弹簧-阻尼模型是通过弹簧和阻尼来模拟车辆在运行过程中受到的力和阻力；而蠕动模型则是通过蠕动函数来模拟车辆车体在悬挂系统的作用下的运动过程。
这些模型可以用于优化车辆的悬挂系统设计和预测车辆的运动特性。
第二章能量转换模型地下铁道车辆能量的转换是车辆动力学的另一个重要组成部分。
能量的转换主要是指车辆运动过程中车辆的动能和势能之间的相互转换。
在车辆加速和减速过程中，车辆的动能和势能分别发生变化，这些变化可以用能量转换模型来描述。
对于地下铁道车辆的能量转换模型，则主要包括动能和势能两种形式。
其中动能的转换是通过牵引系统和制动系统来实现；而势能的转换则是通过车辆的升降机系统来实现。
这些模型可以用于优化车辆的能量转换效率和预测车辆在不同工况下的能量变化。
第三章运动学模型地下铁道车辆的运动学模型是揭示车辆运动过程中的位置、速度、加速度等动力学变量的重要手段。
这些变量对于车辆的安全性和运行效率都具有重要的影响。
因此，建立准确的运动学模型是优化车辆设计和车辆运行控制的关键。
对于地下铁道车辆的运动学模型，则主要包括平动模型和转动模型两种。
其中平动模型主要用于描述车辆在直线段上的运动特性；而转动模型则主要用于描述车辆在弯道上的运动特性。
铁路车辆的轨道动力学性能研究
铁路车辆的轨道动力学性能研究铁路交通作为一种重要的交通方式，对于整个国家的经济发展和人民生活起着至关重要的作用。
在铁路系统中，车辆的轨道动力学性能是影响列车运行安全与舒适性的重要因素之一。
因此，对铁路车辆的轨道动力学性能进行深入研究，对于提高铁路系统的运行效率和安全性具有重要意义。
一、轨道动力学性能的定义和影响因素在铁路系统中，轨道动力学性能是指车辆在轨道上行驶时所表现出的稳定性、舒适性和安全性等特性。
它受到多个因素的影响，包括列车的速度、曲线半径、轨道的几何形状、轨道的弯曲半径、弯道半径变化率、线路高程起伏等。
二、轨道动力学性能测试与评估方法为了研究铁路车辆的轨道动力学性能，需要采用一定的测试与评估方法。
常用的方法包括实际线路试验、模拟仿真试验和理论计算等。
1. 实际线路试验：实际线路试验是最直接、最真实的测试方法之一，即在实际的铁路线路上设置测试装置，通过对列车的运行状态进行监测和数据采集，得到真实的轨道动力学性能数据。
这种方法的优点是结果准确可靠，但需要占用大量时间和资源。
2. 模拟仿真试验：模拟仿真试验是通过建立合适的仿真模型，对车辆在不同行驶条件下的动力学性能进行模拟与分析。
这种方法的优点是成本低廉，可以快速获得测试结果，但对于模型的准确性和仿真参数的选择需要特别注意。
3. 理论计算：理论计算是一种基于数学模型和物理规律的方法，可以通过解析解或数值解的方式，通过计算得到车辆在不同条件下的轨道动力学性能。
这种方法的优点是计算结果准确度高，但对于复杂的系统和边界条件模拟较为困难。
三、轨道动力学性能调控与改进方法为了提高铁路车辆的轨道动力学性能，需要针对性地进行调控与改进。
具体方法包括：1. 设计合理的轨道几何形状：合理的轨道几何形状可以降低车辆在弯道行驶时的滚动倾覆和偏心力，提高列车的稳定性和舒适性。
因此，轨道设计应考虑列车运行速度、曲线半径等因素，并采取适当的几何形状来满足车辆的动力学要求。
62第二章铁道车辆动力学性能PPT课件
我国现在采用改变了的Sperling指标，在高速车 和出口车辆平稳性计算中还采用Wz值(Sperling指标)、 Nmv值(舒适度指标)。
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
Sperling等人提出影响车辆平稳性的两个重要因素：
za （1）位移对时间的三次导数：加速度变化率
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
1m
地板面上布置测点
后转向架中心
前进方向
前转向架中心
GB5599-85 客车测点
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
<1m 底架中梁下盖板上布测点
后转向架中心
前进方向
前转向架中心
GB5599-85 货车测点
4. 相关标准
[1] GB T 5599-1985 铁道车辆动力学性能评定和试 验鉴定规范；
[2] 200 km/h及以上动车组动力学性能试验鉴定方法 及评定标准。
[3] TB T 2542-2000 铁路机车车辆振动试验方法 （JIS E4031-1994）；
[4] TB T3058-2002 铁路应用 机车车辆设备冲击和 振动试验(IEC 61373:1999)； IEC国际电工委员会；JIS 日本工业标准；
2. 车辆运行安全性
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2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
我国主要采用Sperling的平稳性指数来评价车辆的平 稳性等级。
GB5599-85规定，客车用距离1、2位心盘一侧横向 偏离1m处地板面上、货车用在1或2位心盘内侧距心盘中 心线小于1000mm的车体底架中梁下盖板上的的横向及 垂向加速度，来统计计算客货车垂直、横向平稳性指标， 最大加速度和平均加速度。新造客车、货车的横向及垂 向平稳性指标应满足GB5599-85的良好标准。
2. 车辆运行安全性
（一）倾覆系数 （二）脱轨系数
（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 （四）车辆曲线通过性能
2.1 铁道车辆动力学性能概述
3. 转向架主要部件的动强度
转向架的摇枕、构架（侧架） 动力系数 疲劳破坏
2.1 铁道车辆动力学性能概述
z02f 3 z0 2f 2 2f 5 z03
W
10
2f
5 z03F f
2.710
z03
f
5F f
10
0.896
a3 f
Ff
a z02 z0 2f 2 加速度幅值，cm/s-2
F f
根据人体对振动疲劳感受不同，由实验获得的频 率修正函数
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
4. 相关标准
[1] GB T 5599-1985 铁道车辆动力学性能评定和试 验鉴定规范；
[2] 200 km/h及以上动车组动力学性能试验鉴定方法 及评定标准。
[3] TB T 2542-2000 铁路机车车辆振动试验方法 （JIS E4031-1994）；
[4] TB T3058-2002 铁路应用 机车车辆设备冲击和 振动试验(IEC 61373:1999)； IEC国际电工委员会；JIS 日本工业标准；
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
• 平稳性等级 平稳性指标分横向和垂向，平稳性等级是一样的。
客车 W<2.5 优 W<2.75 良好 W<3.0 合格
货车 W<3.5 优 W<4.0 良好 W<4.25 合格
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
式计算：
NMV 6
a a a Wd 2 px95
Wd 2 py95
Wb 2 pz95
a ——加速度均方根
2.2 平稳性评定标准
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
1m
地板面上布置测点
后转向架中心
前进方向
前转向架中心
GB5599-85 客车测点
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：<1m 底架中梁来自盖板上布测点后转向架中心
前进方向
前转向架中心
GB5599-85 货车测点
我国现在采用改变了的Sperling指标，在高速车 和出口车辆平稳性计算中还采用Wz值(Sperling指标)、 Nmv值(舒适度指标)。
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
Sperling等人提出影响车辆平稳性的两个重要因素：
（1）位移对时间的三次导数：加速度变化率
UIC国际铁路联盟；AAR 美国铁路协会。
2.2 平稳性评定标准
平稳性主要是指客车上旅客的乘坐舒适度、货
车上装运货物的完整性。主要的评价参数是车体上规
定位置的各方向的振动加速度，将其统计处理后得
到评价指标值。 各国都有自己的评价体系，例如我国的GB5599-
85；UIC513；ISO2613；日本、英国等各国的评价标 准。
后转向架中心
前进方向
前转向架中心
2.2 平稳性评定标准
二、舒适性(Nmv)指标：
舒适性指标的计算方法和Sperling指标计算方法不同。 • 首先得到各测点的纵向、横向和垂向加速度时间历程； • 对时间历程按5s分成至少60个数据段； • 再对每数据段进行傅立叶变换和频域加权（或滤波）； • 求每段数据各方向的最大加速度； • 对各方向各段加速度最大值取95%的最大值，再按以下公
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
平稳性指标
2.0
1.9
1.8
横向平稳性指标
垂向平稳性指标
1.7
1.6
1.5
1.4 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
运行速度/(km/h)
车辆平稳性指标和车速的关系
2.2 平稳性评定标准
二、舒适性(Nmv)指标：
• 舒适性指标分简化方法和完全方法，一般仿真计算采 用简化方法。其测点如下图：
2.1 铁道车辆动力学性能概述
1. 车辆运行平稳性
（一）客车：旅客乘坐的舒适性 评价指标：平稳性指标、平均最大振动加速度、疲劳时间、 在曲线上舒适性、等舒适度曲线、动荷系数等指标
（二）货车：确保运送货物的完整性 评价指标：平稳性指标、最大振动加速度 平均最大振动加速度、动荷系数等指标
2.1 铁道车辆动力学性能概述
f Ff
垂 0.5-5.9
向 振
5.9-20
动 >20
0.325 f 2 单增 400 / f 2 单减
1
横 0.5-5.4
向 振
5.4-26
动 >26
0.8 f 2 单增 650 / f 2 单减
1
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
Wtot (W110 W210 Wn10 )0.1
2.1 铁道车辆动力学性能概述
4. 相关标准
[4] UIC 518 铁路车辆动力学性能、行车安全性、轨 道疲劳和运行品质的试验及验收；
[5] UIC513 铁道车辆旅客振动舒适性评定指南;
[6] AAR M-1001 新造货车运用性能的试验和分析 ；
[7] EN 14363 铁路应用— 铁路机车车辆运行特性验 收试验— 运行特性试验和静态试验
z a
z max
z0
2f
3
z在一定意义上代表力的变化率 ，F ma
F的增减变化引起冲动的感觉。
（2）振动时动能的大小：
z z0 sin t
1 2
M c z2
1 2
Mc z02
1 2
Mc z0 2f
2
Ed
z0
2f
2
2Ed Mc
2.2 平稳性评定标准
一、 Sperling （斯佩林）平稳性指数：
将反映冲动和反映振动动能两项的乘积作为衡量标准来 评定车辆运行品质