動 車 組 轉 向 架1

1、動 車 組 轉 向 架 技 術,北京交大機電學院金 新 燦,第一講 高速動車組轉向架的發(fā)展及理論第一節(jié) 高速動車組的興起 隨著經濟的持續(xù)發(fā)展，城市化進程逐漸加快，城市之間的人員和物資交流日益頻繁，對城際間快速交通的需求顯著增長。鐵路作為一種經濟、安全、大運量的大眾化交通工具，在各個國家的經濟生活中具有關鍵性的作用。二十世紀五十年代，鐵路遇到了航空和高速公路的嚴峻挑戰(zhàn)，促使各國鐵路進行內部

2、的體制改革和運輸手段上的技術創(chuàng)新。,自上個世紀八十年代以來，世界鐵路進入了高速化的新時期。世界各國在發(fā)展高速列車時均在高速轉向架上投入了很大精力，但目前只有少數(shù)國家的轉向架運營速度能夠達到或超過300km/h。其根本原因在于當提高車輛速度的同時，保持和提高車輛的乘坐舒適性是非常困難的。目前運行速度超過250km/h的高速客車轉向架的典型代表有法國 TGV列車的Y231、Y237，德國ICE 列車的MD530、SGP400和SF500，

3、日本新干線300系的TDT203、TR7001，500系的WDT205和700系的TDT204、TR7002。,第二節(jié) 國外主要高速動車組轉向架概述,1、日本新干線電動車組的高速轉向架,隨著新干線高速列車不斷發(fā)展與改進，其轉向架的結構與性能也不斷地在發(fā)展，開發(fā)了多種系列的高速動車組轉向架。 據(jù)統(tǒng)計新干線電動車組的高速轉向架前后共研制了30多種型式，其中有些是試驗型，有些是成批生產型。就轉向架技術的發(fā)展而言，大體上可以

4、分為三代。第一代是以DT200為代表的無搖動臺轉向架；第二代是以TDT203和TTR7001為代表的無搖枕轉向架；第三代是500系700系用的新型轉向架。,(1)DT200(DT201，DT202)型轉向架,DT200型轉向架的設計目標，首先是抑制蛇行運動，保證高速時的安全性；其次是性能不隨運用時間而變化，當然也要考慮減輕自重，剛性大和便于維修。主要用于0系列、100系列車。 DT200轉向架的主要特點是：①取

5、消搖動臺，利用空氣彈簧的橫向剛度；②采用IS式軸箱定位裝置，利用橡膠襯套使前后左右有適當?shù)膹椥?；③車體采用全旁承支重；④裝有車輪踏面清掃裝置等。,,IS式軸箱定位裝置,(2)、300系TDT203，TTR7001型無搖枕轉向架,為了開發(fā)既能滿足高速，曲線通過性能又良好的轉向架，日本鐵道綜合技術研究所不斷設計和改進無搖枕轉向架，在1980～1988年間，先后研制推出了5種無搖枕轉向架DT9022、DT9023A/B、DT9023E

6、/F及WDT9024A型。這些轉向架在1986～1991年間進行了大量試驗，在提高速度、輕量化、提高乘坐舒適性方面取得了良好的效果。在此基礎上，日本東海鐵路客運公司以DT9023E/F轉向架為原型，設計制造了用于300系電動車組的新一代無搖枕轉向架TDT203型（動力）和TTR7001型（非動力）。,由于東海道新干線當年所定的最小曲線半徑為2500m，而且曲線較多，所以進一步提高速度不是很容易的。TDT203型轉向架與DT200型轉向架

7、相比，做了大量的改進，重量減輕了2.1t，長度減小了0.8m，屬于新一代即第二代無搖枕轉向架。TDT203和TTR7001型轉向架的設計和結構特點：,為了降低對軌道的破壞、提高高速運行時的穩(wěn)定性，減輕了簧下重量；取消了搖枕、牽引拉桿、心盤和旁承，在謀求降低簧間重量的同時，取消了維修費事的滑動部位，使運行性能不會隨運用時間而惡化。,為了很好的兼顧并確保高速運行穩(wěn)定性和曲線通過性能，采用螺旋彈簧、圓筒橡膠組合的軸箱定位方式，取代過去的IS

8、式軸箱定位。采用了抗蛇行減振器。,,為了減輕車軸重量，做成內徑60mm的平直型空心車軸。為了減輕車輪的重量，新造時的車輪直徑從現(xiàn)在的910mm改為810mm。與100系相同，踏面采用圓弧形踏面。軸箱體采用鋁合金(鍛造)，以減輕重量。,,a.TDT203型轉向架 b.TTR7001型轉向架圖 TDT203和TTR7001型轉向架（300系）,(3).500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型 高

9、速轉向架,500系電動車組最高速度達350km/h，1997年開始投入運營。采用WDT205型新型無搖枕轉向架。轉向架采用了許多新技術，如主動懸掛控制、鋁合金制動盤等。500系全部采用動力轉向架，轉向架重量減到6.5t。WDT205型轉向架軸距2500mm，中央空氣彈簧橫向跨距2600mm，輪徑860/790mm，其軸箱懸掛采用鋁制轉臂式，其定位剛度在縱向是每軸24.5kN/mm，在橫向是每軸9.8kN/mm。轉向架軸重11.2t，采用

10、空心軸。,圖 500系WDT205型動車轉向架,700系動車組的轉向架是TDT204型（動力）及TTR7002型（非動力），它的主要特點是采用半主動控制減振器以控制車體的左右振動。轉向架的二系懸掛為無搖枕結構，其軸箱定位裝置為螺旋彈簧+圓柱疊層橡膠，與300系的TDT203型和TTR7001型轉向架的軸箱定位裝置相同。500系WDT205型和700系TDT204及TTR7002型高速轉向架均可稱為日本第三代高速轉向架。為進一步提高舒

11、適度，這些轉向架上均采用了主動或半主動懸掛控制系統(tǒng)，這也是第三代高速轉向架的一大特色。,,圖 700系電動車組轉向架,(4). E2系電車組用轉向架,E2系電動車組是為適應北陸新干線而研制的，轉向架為無搖枕結構，軸距2500mm，輪徑860mm，軸重13t，采用空心車軸，拉板式定位，圓柱滾子軸承。,2. 德國ICE系列高速轉向架,（1）ICE用MD530型轉向架1982年德國決定研制城間試驗列車ICE，編組為2M+3T，設計速度為3

12、50km/h。在ICE試驗列車的基礎上于1986年開始研制ICE(或稱ICE1)高速動車組，設計速度280km/h，采用MD530型有搖枕轉向架。MD530型轉向架是在性能良好的MD52型轉向架的基礎上發(fā)展而來的。固定軸距為2.5m，速度可達300km/h，每臺轉向架重7.5t,車輪踏面采用DIN5573（UIC/ORES1002）磨耗型踏面。 由兩平行配置的彈性拉板構成無磨耗的軸箱定位，在輪對軸箱與彈性拉板之間設有縱向彈性鉸，

13、它由金屬橡膠元件所構成。由螺旋彈簧和與其平行,,配置的液壓減振器組成一系彈簧減振裝置.,圖 MD530型轉向架,（2）ICE2用SGP400型徑向轉向架 1993年秋，ICE2型電動車組經過對比調研，最后選用了SGP400型徑向無搖枕轉向架，該轉向架最大的改進有三個方面: 輪對導向的改進;二系懸掛的橫向主動控制系統(tǒng);電子控制回轉阻尼系統(tǒng)“DES”.：,,圖 SGP400轉向架,（3）ICE3用SF500型轉

14、向架由于采用動力分散模式，ICE3動車組的轉向架，不論是動力還是非動力轉向架均要求具備高的運行品質，并要求整個壽命周期內成本最底。為此，SGP公司和Adtranz公司聯(lián)合設計制成了SF500型無搖枕轉向架8。動力轉向架和非動力轉向架均采用相同的形式。轉向架構架為箱形焊接結構，由兩根中間為凹形的側梁組成，一系懸掛是螺旋彈簧加垂直減振器，單側拉桿定位。二系懸掛為加有橡膠堆的空氣彈簧，以及裝有抗側滾裝置和抗蛇行減振器。,ICE3要求最高運

15、行速度330km/h，為此每噸質量的功率要從ICE1的10kW/t增加到20kW/t，同時要求最大軸重不超過17t，全列車中，動力轉向架和非動力轉向架各占50%。,德國SF500型動車組轉向架圖,3. 法國TGV用高速轉向架 （1）第一代TGV-PSE用的Y231和Y230型轉向架1976年法國決定制造兩列TGV列車，1981年9月TGV-PSE開始投入運營，營業(yè)速度260km/h。1983年5月營業(yè)速度達到270km/h。TG

16、V-PSE所用的鉸接式轉向架為Y231型無搖枕轉向架，動力轉向架為Y230型無搖枕轉向架。動力轉向架和非動力轉向架均采用相同的結構形式。,Y231轉向架軸距3m，輪徑920mm，自重7775kg，軸重17t，一系懸掛裝置由一組螺旋彈簧和二組鋼一橡膠夾層彈簧組成，該二組鋼一橡膠夾層彈簧同時可保證軸箱相對于構架在橫向和縱向的定位。二系懸掛為高柔度的螺旋彈簧。每臺轉向架安裝兩個垂直減振器，兩個抗蛇行減振器和一個橫向減振器。其基礎制動裝置包括單

17、元式的踏面制動、盤形制動和磁軌制動。,（2）第二代TGV-A用Y237型轉向架第二代TGV-A運行于大西洋沿岸，1989年投入運行，最高運行速度300km/h，1990年最高試驗速度達到515.3km/h。TGV-A所用的拖車轉向架為Y237型。Y237轉向架與Y231相比，在結構性能方面都有較大的改進。軸箱懸掛改為轉臂定位，中央懸掛改用空氣彈簧，并加裝了抗側滾扭桿，基礎制動取消了踏面制動裝置。,Y231轉向架在運行中暴露出向車體傳

18、遞約10Hz的高頻振動，與車體的彎曲振動相耦合，導致運行平穩(wěn)性不良，為此，采用由Continent公司制造的SR10空氣彈簧，使二系懸掛在垂向和橫向都具有高的柔性，使得車體在簧上的垂向和橫向自振頻率分別降低到0.7和0.75Hz。顯著地改善了車輛的垂向和橫向振動性能，提高了在直線和曲線上的運行平穩(wěn)性，因而這種懸掛不僅在TGV-A的Y237上使用，又在TGV-PSE的Y231的轉向架推廣應用，Y237在二系懸掛中還加裝抗側滾扭桿裝置，這是

19、采用高柔軟性的二系懸掛后所必需的。,法國TGV Y237型轉向架圖,,圖 Y237型轉向架的空氣彈簧及其與車端的連接結構,（4）第三代TGV-2N用237-A型轉向架為了滿足高客流量的需要，法國又研制了TGV-2N雙層客車，1995年投入使用，它能增加45%的載客量，為了仍保持17t軸重，采用鋁合金車體，同時要求轉向架進一步減重，用于TGV-2N的動車轉向架如圖11a，與以往動力轉向架不同之處主要是用輪盤式盤型制動取代了閘瓦踏面制

20、動，每一輪對僅在一個輪子上安裝一套輪盤式制動盤，對角布置，采用鍛鋼制動盤及粉末冶金閘片。拖車轉向架是Y237的改進型Y237-A型轉向架，如圖11b。Y237-A的基本結構與Y237相同，Y237-A轉向架在有的場合被稱為Y237的改進型，在有的場合被稱為第3代(或第2.5代)TGV轉向架。,,圖 TGV-2N的動車轉向架,,圖 TGV-2N的拖車轉向架(Y237的改進型Y237A),4. 意大利的ETR高速轉向架1983 年意大

21、利鐵路對300km/h動車組進行了可行性研究，著手開發(fā)ETR500電動車組。動車轉向架構架支撐在2個軸箱螺旋彈簧上，軸箱用兩根對角布置的拉桿定位，橡膠元件可以保證構架和軸箱之間的彈性聯(lián)接。 采用直徑為1100mm的整體車輪，車軸上裝有圓錐滾動軸承的軸箱。二系懸掛裝置設有四個帶橡膠件的螺旋彈簧。 每臺轉向架上裝有兩臺牽引電機，使用四個關節(jié)式橡膠元件和不傳遞垂直載荷的銷，把電機固定的轉向架上。,,圖 ETR500的動

22、車轉向架,ETR500拖車轉向架是意大利鐵路（FS）早已使用的7195C型和Y0270S型的高速轉向架的改進型。,構架由兩根縱向梁和兩根管形橫梁組成，軸距3m，直徑為890mm的車輪具有雙波紋輻板，這種形狀可使車輪減輕簧下重量。一系懸掛的結構與動車相同，采用雙拉桿彈性定位。二系懸桂為高柔度螺旋彈簧加橡膠墊，每軸裝有三個制動盤。ETR500約于1996年投入米蘭—羅馬之間的營業(yè)運行，最高運行速度為275km/h。,,ETR500的拖車

23、轉向架圖,表 國外主要高速動車轉向架技術參數(shù),6．我國主要轉向架結構特點 根據(jù)轉向架的運行速度，即一般速度運行、準高速運行及高速運行，我國適應不同速度等級的主要轉向架結構懸掛特點可見表7至表10所示。這些轉向架主要包含209型系列、206型系列、CW型系列和SW型系列、以及動車組CRH系列用動力和非動力系列轉向架。 209型系列轉向架是在我國傳統(tǒng)的客車轉向架結構上改進的，具有結構簡單、性能可靠、磨耗件少、檢修方便、運

24、行平穩(wěn)等優(yōu)點，廣泛應用于23.6m和25.5m客車上。,206型系列轉向架屬U型客車轉向架系列。它的主要結構特點是構架側梁中部下凹成U形，使搖枕得以從構架側梁中部上方通過。這樣的結構形式，便于增加搖枕彈簧的靜撓度和加大搖枕彈簧的橫向距離。,CW型系列轉向架是在吸收了英國BT10高速客車轉向架的先進技術上，結合我國實際情況，設計制造的準高速和高速客車轉向架。 SW型系列轉向架是與日本川崎重工合作研制的產物，其性能優(yōu)越，維修便利。

25、,普通客車轉向架特點表,準高速客車轉向架特點表,高速客車轉向架特點表,轉向架結構示意圖,第三節(jié) 高速動車組轉向架主要發(fā)展方向 由上述典型高速動車組轉向架的結構特點與主要參數(shù)可以看出高速轉向架的發(fā)展方向主要有以下幾點：(1) 采用無搖枕結構。使結構簡潔，重量輕，無磨耗，易維護。(2) 進行強度分析和優(yōu)化，并采用新結構和新材料。實現(xiàn)輕量化， 減輕轉向架自重特別是簧下重量，降低輪軌沖擊。例如：空心車軸

26、、鋁合金齒輪箱和軸箱。,(3) 通過動力學軟件分析和相關結構試驗，優(yōu)化懸掛參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)的非線性控制，兼顧高速穩(wěn)定性和曲線通過能力。(4) 采用主動和半主動懸掛裝置，提高高速列車的舒適性。(5) 開發(fā)轉向架故障自動診斷系統(tǒng)，實時監(jiān)測轉向架運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，實現(xiàn)按狀態(tài)檢修，降低全壽命成本，保證高速運行的安全等。,第四節(jié) 高速動車組轉向架動力學性能高速轉向架的動力學性能包含以下幾個方面內容：高速運行穩(wěn)定性：它主要是當列車因

27、直線高速運行時，可能出現(xiàn)的橫向自激振動問題，通常被稱為蛇行穩(wěn)定性。它不但影響列車的平穩(wěn)性，而且也會導至脫軌，危及運行安全。走行安全性：一般出現(xiàn)在列車通過曲線時，輪/軌作用力不當而產生脫軌的可能性。 當列車在直線上出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象時，也會引起脫軌的危險。,舒適性：即走行部振動平穩(wěn)性對車輛內旅客的反映。它將反映在列車運行中所有 線路和速度之中。曲線通過性能：是指列車通過曲線時，對軌道和轉向架產生不利的靜態(tài)和動態(tài)作用力。,1.動力學性

28、能（1）直線運行穩(wěn)定性運行穩(wěn)定性問題是高速轉向架設計的首要關鍵技術問題，它也是高速轉向架區(qū)別于低速轉向架的主要特點。傳統(tǒng)對車輛運動穩(wěn)定性的分析，是由車輪踏面錐度及輪軌游間，建立的線性運動方程，求解蛇行運動速度和頻率?；蛴删€性微分方程穩(wěn)定性理論，求解失穩(wěn)臨界速度。實際上在高速直線運行中出現(xiàn)的蛇行運動，是輪/軌滾動接觸引起的自激振動，研究這種自激振動穩(wěn)定性問題，必須應用非線性理論。有的采用線性理論和方法，有的采用部分非線性計算失穩(wěn)前的

29、臨界速度。,分析中發(fā)現(xiàn)，一系懸掛系統(tǒng)中的軸箱定位剛度和簧下質量對直線運動穩(wěn)定性有較大影響。臨界速度隨轉向架系統(tǒng)的參數(shù)不同而大不相同。此外，車輪踏面的等效錐度，軸距等對車輛臨界速度均有一定影響。,（2）垂向振動平穩(wěn)性隨著列車運行速度的提高，即使高速鐵路的軌道不平順比一般鐵路更小，但也可能引起車體和車內旅客承受很大的振動。因此在高速鐵路發(fā)展初期，振動性能曾經是困擾高速轉向架設計的問題之一?？諝鈴椈傻膽?，成功地解決了車體振動，特別是垂向振

30、動及乘坐舒適性問題。,2．高速列車運行安全性和平穩(wěn)性及其評價一般把安全性，平穩(wěn)性統(tǒng)稱為動力學性能，對安全性和平穩(wěn)性的定量評價各國有所不同，從發(fā)展歷史看，由于測量技術和數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，有關安全性與平穩(wěn)性的認識也在不斷研究中更新。（1）運行安全性及其評價高速列車走行部是決定列車能否在高速運行時保證安全和平穩(wěn)的關鍵部件。運行安全性（也稱運行穩(wěn)定性），是指為保證列車在設計規(guī)定的最高速度范圍內，在規(guī)定的線路條件下，不會產生脫軌、顛覆和對

31、軌道產生破壞的基本性能。運行安全（穩(wěn)定）性通常以脫軌系數(shù)、輪重減載率及傾覆系數(shù)來衡量。,（2）運行舒適性及其評價標準 運行舒適性(或稱運行平穩(wěn)性)是列車在規(guī)定的線路條件，以設計最高速度范圍運行，不會產生過大的振動，并盡量使乘客感到舒適，設備能平穩(wěn)工作的基本性能。一般均以測量車輛指定部位的振動加速度及其計算值作為平穩(wěn)性或振動舒適度標準的評價值。測量位置首先是在車體的地板上或底架上。為了評價車廂內旅客舒適性，還需用規(guī)定的測量方

32、法和設備測量座椅的振動加速度。,（１）蛇行運動穩(wěn)定判別計算輸出例,四、車輪踏面斜度和等效斜度,錐形踏面車輪在滾動圓附近是一段斜度為λ的直線段，在直線段范圍內車輪踏面斜度為常數(shù)。 當輪對中心離開對中位置時， 則左右車輪的實際滾動圓半徑發(fā)生變化，為,由以上關系可得出：,當輪對橫移量保持車輪和鋼軌的接觸點在踏面的直線段范圍時， λ為常數(shù)。如輪軌接觸點范圍超出直線段范圍，則λ不再為常數(shù)，而是隨著輪對橫移量的變化而變化，

33、這時計算車輪踏面斜度要取其等效值，稱為踏面等效斜度。 當車輪磨耗后或車輪踏面為磨耗形時，車輪踏面外形不再存在直線段，這時可由輪軌接觸幾何關系求出輪軌橫移時左右車輪實際滾動半徑之差，然后確定其踏面等效斜度：,磨耗形踏面車輪不存在直線段，故 不為常數(shù)，是輪對橫移的函數(shù)。,4.3 等效錐度 (UIC519),輪對橫向位移與等價錐度geq 的對應關系，適用軌距S = 1435 mm其它情況：,,S = 1435 mm

34、,穩(wěn)定性檢驗,傾擺檢驗,5. 輪軌接觸對橫向穩(wěn)定性的影響,新車輪外形與R60型鋼軌外形的接觸產生低的等效錐度，對橫向穩(wěn)定性有力,仿真結果表明, 在正常操作條件下, 車輛滿足的技術規(guī)范要求為： Vmax = 200 kph + 10%,車輪的磨耗型外形 與R60 型鋼軌外形的接觸，不同的軌距, 產生高的等效錐度，因此需檢驗橫向穩(wěn)定性。,,車輛動力學及其對設計的意義,轉向架頻率與車體頻率的對比,要 求 性 能,,測力輪對,,,轉向架參數(shù)的計

35、算 和協(xié)調,,空氣動力學及其對設計的影響,交叉風的安全較低的空氣動力阻礙,封閉的底架,空氣進口,轉向架,受電弓,少量突出部件,表面摩擦,,流線型前端,,制動散熱,較小的車輛間隙,,U,,,,,,,,,,,,,第五節(jié) 高速動車組轉向架結構強度,轉向架構架強度計算及試驗過程,1、轉向架結構作用載荷（或力）的分析確定 作為既承載又作用于線路上的高速運行的轉向架結構，在運行中承受著各種復雜且隨機的作用載荷（或

36、力），因此，如何分析確定這些載荷之間的組合及取值是十分必要的。,因此，作用在高速轉向架上的載荷主要從如下二個方面予以考慮：（1）超常載荷—指運用中可能發(fā)生的最大載荷（2）模擬運營載荷—指實際運用中經常發(fā)生的載荷,2、轉向架結構在載荷作用下靜強度計算分析傳統(tǒng)方法是利用理論力學、材料力學、結構力學和彈性力學來求解，其中，“力法”在鐵道車輛結構強度計算中得到了普及和廣泛的使用，這種方法的計算精度較差，尤其對不規(guī)則的結構形狀，計算誤差較大

37、。隨著有限元法的發(fā)展和普及，目前在對鐵道車輛結構的計算中，有限元法已起到了主導作用，可以獲得較高的計算精度，并可以通過應力云圖顯示結構上的應力分布等。,3、轉向架構架疲勞分析與評定 為實現(xiàn)車輛的高速化，采用了輕量化的轉向架結構，因此正確評價轉向架構架的安全性和可靠性是非常重要的。 轉向架構架，作為走行裝置的重要部件，它承受著復雜的交變載荷。目前，在高速轉向架焊接構架的疲勞強度設計方面，已形成了以UIC規(guī)程和JISE4208

38、“鐵道車輛轉向架構架設計通用條件”（以下簡稱JIS技術條件）為代表的設計、評價體系。,（1）UIC規(guī)程方法,Goodman疲勞極限線圖示意,（2）JIS技術條件方法,疲勞極限圖示意,第二講動車組轉向架基本要求與性能,動車組轉向架是保證列車200km/h及以上速度安全平穩(wěn)運行的關鍵部件。隨著列車速度的不斷提高，對轉向架性能的要求也越來越高。同傳統(tǒng)轉向架相比，保持高速運行穩(wěn)定性、充分利用輪軌之間的粘著和減輕輪軌相互作用力是動車組轉向架特有

39、的任務和技術關鍵。,一、動車組轉向架的基本要求與理念良好的運行穩(wěn)定性和舒適感（動力學）簡單的結構和輕量化（可靠性）方便出色的維修保養(yǎng)性（維修性）防止脫軌的安全性（動力學）,1、良好的運行穩(wěn)定性和舒適感柔軟的一系軸箱彈簧最優(yōu)化的軸箱定位支撐剛度無滑動摩擦部件（可靠維修性）轉向架彈簧組（系）的最佳設計,2、簡單的結構和輕量化轉臂式軸箱支撐定位裝置無搖枕式構架及車體支撐裝置單連桿式牽引裝置輕量化和強度與可靠性相結

40、合的轉向架構架,3、良好出色的維修性便于組裝?拆開的轉向架結構方便輪對更換的二分割式軸箱結構無滑動摩擦部分，能夠長期免維修,4、防止脫軌的安全性空氣彈簧前后剛度的柔軟化　?減少旋轉力矩軸彈簧上下彈簧系數(shù)的柔軟化　?出色的輪重變動特性、以及　　　便利的輪重平衡調整,二、高速列車輪軌相互作用,隨著列車速度的不斷提高，輪軌系統(tǒng)的動態(tài)相互作用將迅速增強。解決好機車車輛和軌道之間的動態(tài)作用問題十分重要，它將直接關系到高速列車的

41、行車安全和運行平穩(wěn)性，及軌道結構的強度和壽命。對于高速列車而言，降低軸重和簧下質量將有效的減輕輪軌間的動態(tài)作用，改善列車運行品質和對線路的損傷。,軸重與軌道的關系 軸重增加會導致增加整個軌道及其各部件的損壞，特別是鋼軌的損壞。隨著軸重的增加，鋼軌承受輪載而產生的輪軌接觸應力，軌頭內部的剪切應力，局部應力和彎曲應力將相應增加，同時鋼軌疲勞循環(huán)荷載作用下的應力水平也將隨之提高，使鋼軌所能承受的載荷循環(huán)次數(shù)大為減少，縮短了鋼軌的

42、使用壽命。,研究結果表明，鋼軌頭部損傷幾乎全是疲勞損傷，而且都是由于超載引起的，鋼軌折損率隨軸重的增加而增加。其他軌道部件也同樣出現(xiàn)這種情況。由于各種疲勞現(xiàn)象而導致鋼軌的折損以及軌道幾何形位的破壞，都與軸重有關。法國依據(jù)鋼軌疲勞損傷統(tǒng)計資料的分析得到鋼軌疲勞折損率與軸載荷的2.25次方成正比的關系，美國則認為與軸載的3.8次方成正比。接觸理論表明，輪軌面上的接觸應力和軌頭的內部剪切應力與軸載成正比，且與車輪直徑及踏面外形有關。所以減小軸

43、重將可減少鋼軌的損傷和提高使用壽命。,日本高速列車為動力分散式，早期軸重和簧下質量較大，輪軌動力作用和因此產生的鋼軌磨耗和破壞嚴重，所以日本高速列車的發(fā)展中、非常重視降低軸重。最大軸重從0系列的16t降至100系列的15t和300系列的14t，“歐洲高速鐵路聯(lián)網高速列車技術條件”在軸重中規(guī)定“允許的靜態(tài)軸重為17t。新建線路上和300km/h的速度時每個輪子作用在正常維護的線路鋼軌上的靜態(tài)和動態(tài)力之和不得超過170kN。,軌道不平順時的

44、輪軌相互作用 當列車行駛過程中，如果存在車輪偏心和扁疤或遇到軌道不平順時，將產生輪軌間的沖擊載荷，這是造成線橋上部結構及有關部件破壞的主要因素，這種載荷屬“動態(tài)作用力”。動態(tài)作用力的大小隨軌道不平順的長度、深度，線路結構彈性及阻尼參數(shù)，機車車輛結構和懸掛參數(shù)，行車速度及軸重和量下質量的不同而變化。,動態(tài)試驗研究表明此時鋼軌受到的沖擊載荷如下圖所示。由圖可以看出此時輪軌力P(t)隨時間變化出現(xiàn)兩個峰值，在車輪越過鋼軌接頭后

45、的極短時間內出現(xiàn)第一個力的峰值這是一個高頻力，稱之為P1。車輪越過接頭后出現(xiàn)的第二個峰值，是個中頻力，稱之為P2。,圖 接頭區(qū)動力P1、P2,P1力是高頻瞬時沖擊載荷，其作用很快被鋼軌及軌道的慣性反作用力所低消，很快衰減，來不及向上和向下傳播，其破壞作用對鋼軌和車輪最嚴重，并且會引起道床振動加速度對道床斷面的穩(wěn)定性的較大破壞作用。P2力是中頻動載荷，可直接向鋼軌以下和車輪以上傳遞對軌枕、道床和路基的破壞較大，并造成列車重直動力學性能

46、惡化。,下圖是在其它因素不變的前提下，行車速度不斷提高時P1力和P2力的變化情況?？梢钥闯鯬1和P2力隨行車速度的提高而增大很快，當速度由80km/h提高到250km/h時，P1力增加1倍，P2力增加0.8倍。,圖 各種車速下的輪軌沖擊力響應,國外高速列車非常重視車輛輕量化，降低軸重和減小簧下質量。日本新干線高速列車的低軸重和較小的簧下質量，減輕了車輛對線路的沖擊，減少了鋼軌的摩耗和損傷，降低了線路的基建投資和維護費用，同時減輕了輪軌