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Track Engineering

Track Engineering. Lateral/vertical wheel-rail forces. 垂向力 ( 關係軌道結構、舒適度 ) 靜態載重 動態力 ( 與速度成正比 ) 平衡側向力引起的垂向力變化 側向力 ( 關係行車安全、舒適度 ) 曲線上輪軸轉向力 曲線上離心力 車體運動與振動引起 道岔、接頭等特殊位置. 縱向力 ( 關係長軌結構 ) 軌溫變化 列車加速或制動 列車經過坡道 過彎轉向力在縱向之分力 軌道與車輛系統不同部分互制  輪軌力 來自車輛 ( 如蛇行、扁平車輪 ) 來自軌道 ( 如接頭或焊點不平 ).

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Presentation Transcript

  1. Track Engineering Lateral/vertical wheel-rail forces

  2. 垂向力 (關係軌道結構、舒適度) 靜態載重 動態力 (與速度成正比) 平衡側向力引起的垂向力變化 側向力 (關係行車安全、舒適度) 曲線上輪軸轉向力 曲線上離心力 車體運動與振動引起 道岔、接頭等特殊位置 縱向力 (關係長軌結構) 軌溫變化 列車加速或制動 列車經過坡道 過彎轉向力在縱向之分力 軌道與車輛系統不同部分互制  輪軌力 來自車輛 (如蛇行、扁平車輪) 來自軌道 (如接頭或焊點不平)

  3. Hunting(蛇行) 直線上車輛行進的擺動現象 側向力最主要來源 直線段可能甚於超高不足彎道上之側向力(下圖) 減低之道 設計良好的車輛 經常維修，使輪與軌錐度(conicity)合乎標準 側向力

  4. Switches and crossings • High speed curving︰ • 列車過彎能力 • 超高不足量(超高不足量增加，軌道側移力大) • 彎道線型 • 側向力 vs. 出軌風險 • 外側軌道之鋼輪垂直正向力也同時加大，減低出軌風險。 • 若同時出現軌道不整引起的行車擾動，出軌風險則升高。 • Small radius curves • 急彎(大攻角)  軌距力  內軌傾覆風險升高 • 長轉向架、多軸轉向架於小半徑彎道之側向力更巨

  5. Quasi-static loads 最明顯的垂直載重 影響道渣與路基(透過軸下附近數根軌枕) 影響鋼軌破壞 (輪軌間接觸面積與應力之大小) Dynamic loads 輪軌不整引發行進中的動態反應 波長數公分 (波狀磨耗) 波長數公尺 (線型起伏) 影響關鍵 (因) 車身設計(vehicle design) 軌道品質(track quality) 果：路線破壞與維修 垂直力

  6. 車廂設計、軌道品質也影響垂直力大小。

  7. Wheelflats and rail dips • wheelflats (out of round wheels) • rail dips (joints or welds) • 軌道受力往往先減低，隨之而來的是加重荷重。 • 嚴重時，甚至可能輪軌瞬時分離，再落下衝擊。 • 通常以P1、P2力特性研究討論。 • 通常wheelflats之嚴重程度遠甚於dips • wheelflats波長較短，較容易引起分離衝擊 • wheelflats衝擊為持續性、週而復始，dips則為偶發事件、有區域侷限性。

  8. Track Engineering Train Dynamics at Turnouts

  9. Turnout • 道岔是軌道的必要設施 • 道岔屬於軌道路線中極特殊之結構 • 受力情況複雜 • 在極短距離內完成方向改變或穿越 • 無法滿足一般舒適度之要求 • 曲率與超高漸變均異於一般路段規定 • 損壞率、危害度、維修法均為研究重點

  10. Courtesy of Prof. Coenraad Esveld, Delft Univ. of Technology

  11. Courtesy of Prof. Coenraad Esveld, Delft Univ. of Technology

  12. 道岔之關鍵 • Entry angle • 將車輪以一定角度(入岔角)轉換到曲軌。 • 尖軌必須服貼，卻無法切削到極薄(否則易碎裂)

  13. Planing radius/turnout radius • 早期尖軌是直線，行車安全與品質都不好。 • 導軌區的曲率半徑必須兼顧 • 入岔角度 • 轉彎平順度 • 岔心角度 • 無法考慮舒適度 • 固定規格，以簡化產品的規格

  14. Crossing (岔心) • 必須同時容許直行與轉向車輪的通行 • 存在的間隙，是產生巨大衝擊力的來源。

  15. 道岔的工程特性 • 道岔週遭常伴隨許多鋼軌接頭 • 道岔之超高度與介曲線標準不同於一般路段 • 舒適度並非道岔設計之重要因素 • 入岔角會對車輪產生突然的側向衝擊力 • 道岔入口之衝擊力使扣件在道渣中側移 • 岔心承受極高動力衝擊 • 岔心之高強度鋼材不易焊接，常以栓接組裝 • 道岔不易以一般維修機具維修

  16. Track Forces • 輪組在道岔處之行為與在彎道相似 • 當輪軸進入道岔區，外側輪緣會先衝擊軌道，承受側向衝擊力 P : 外側軌最大側向衝擊力 v︰車速 mm︰車廂之簧下重量 a︰車軸方向與道岔夾角(大於道岔角度) k︰衝擊點之軌道側向勁度

  17. 軌道側向勁度(k)影響因素 • 鋼軌抗彎力、扣件扣結力、道渣側向固定力 • k不易量測，typical value = 40 MN/m。 • 側向衝擊力公式提供各因素間之相對關係之意義大於對確實側向力之估算。 • 以BR為例 • av約固定為0.1 rad.m/sec，以車速決定道岔角度。 • 若mu=2400kg，外軌最大側向衝擊力約為40 kN。 • 公式預測值一般遠低於實測側向力 (高速尤其明顯) • 通過衝擊點，進入道岔後，受力行為比照彎道。

  18. 通過岔心時 • 短暫空隙對岔心造成垂直衝擊力 • 因此岔心之材質多為高硬度鋼 • 瞬時失去側向力引導方向。 • 加設護軌(check rail)確保鋼輪不出軌。 岔心垂向衝擊力相當於20mrad鋼軌折角。岔心材質勁度高，衝擊受力亦高

  19. 乘客舒適度 • 道岔區之舒適度標準大幅降低 (僅要求盡可能減少超高不足) • 入岔處是一個不連續點(曲率半徑=0)  超高不足無限大 • 入岔側向加速度可接受值約0.2 g，據此訂定道岔超高度標準 • 設計實務：考慮乘客位於車廂中心的運動軌跡，以近似versine線形計算effective radius，近似一般彎道處理。Versine曲線之長度則以車廂長度計算。 R: effective radius L: versine length (12.2m) V: versine offset

  20. 檢視入岔處之超高不足量變化 • 好道岔設計 (維持乘客舒適度)，在最短距離內完成轉轍 • 岔尖出現超高不足高峰之後，維持一定超高不足到底 • 曲尖軌有效改善超高不足量。 • BR之設計準則 • Max. cant deficiency : 90 mm • Max. r.o.c of cant deficiency : 80 mm/sec • Max. cant deficiency at entry : 125 mm

  21. 道岔新進發展 • Tangential switch • 採用極尖岔尖，幾乎沒有強度的一小段薄片，再銜接曲尖軌。 • 相當於在原來尖軌與基本軌相貼處之不連續點補上一片非常薄的薄鐵片 • 模擬分析證明顯著降低岔口處之理論衝擊力 • 減低磨損、增加舒適度 • 成本約增加12.5% • 仍在實驗階段

  22. 改良岔心鋼材 • 混凝土枕(基座) • 改良製程與設計，生產道岔段的混凝土基座 • 高速道岔 • 道岔長度增加 • 對稱設計(symmetric design) 增加難度、但可縮短長度 • 岔心間隙過大 • 可動式岔心(>225km/hr on BR) 機電複雜，但消除岔心缺口

  23. Track Engineering Basics of Flange Climbing Derailments

  24. 輪緣出軌機制 • 兩大基本要素 • Lateral force on the wheel (pushing into flange contact with rail) [lateral creep force] • Angle of attack 若x點沒有向下移動，則鋼輪將以x點為滾動中心爬上鋼軌出軌

  25. 脫軌原因補充： • 彎道軌距力過大 • 美國交通試驗中心(TTC) 試驗軌道的試驗結果 • 脫軌常發生在彎道內軌 • 往往因外軌潤滑過度，內軌乾燥 摩擦係數差異大 轉向架容易轉向  出現巨大軌距力  導致內軌外翻，內側輪落地而脫軌 • 防範重點：軌框剛度要高 (軌框不易扭曲)避免只潤滑外側鋼軌 Reference：Elkins, J. A., and Wilsoon, N. G.,

  26. Nadal's limit • 最常使用於控制爬行脫軌的準則 • Y/Q • Y = lateral force • Q = vertical load •  出軌機率 • 一般而言，Q愈大，出軌所需要之Y愈大。

  27. flange angle 愈大，愈不利爬行出軌 • m愈小，鋼輪較傾向滑回正軌，較不易出軌 • 理論與實驗 Y/Q < Nadal’s limit 不致出軌 • 通常Nadal’s limit對於大攻角、側向爬行力(摩擦力)接近臨界限度之情形較準確。 • Y/Q超過限制值也不必然立即出軌 ！ • 若攻角較小，可能超過限制值也不發生出軌 • 自開始爬上鋼軌到完全出軌，需要時間與行駛距離；Y/Q可能在爬行過程變小，重回安全狀態。 • 例如在0.5-2 m內能降回限度，則仍屬安全範圍。

  28. 影響爬行出軌之因素 • 側向力(lateral forces) • 鋼輪形狀設計，降低conicity  減低hunting引發側向力 • 彎道、道岔之側向力無法完全避免，必須加以注意 • 輪重減載(wheel unloading) • 盡量維持足夠大之垂直力，以降低Y/Q值 • 車廂重量平均分布，比軸重大小更重要 • 彎道上，若車廂重量分布不均  內側輪吃重 >外側輪 外移摩擦力大，外側輪無足夠垂直力抵抗輪翼上爬 • 重量左右不均的輪重減載訂有上限 • BR： < 60% • 對一般客車並不嚴苛，但氣墊懸吊充氣量不足時，極可能超限

  29. 扭曲軌道(track twist) • 最嚴重之輪重減載通常發生於出彎道緩和曲線 • 前方外側輪因超高減低而受力減低，轉移到內側輪  內側輪產生巨大外移摩擦力。若正好遭遇軌道不整或折角  出軌 • 鋼軌磨損(rail wear) • 鋼軌斷面變形  形成輪緣爬越之坡面  出軌機率大 • 一般sidewear出軌危機不大，側磨程度不同之路段則較危險 • 彎道上外側輪(側向力大+攻角) 若恰自磨損鋼軌滾向正常斷面，出軌危險高 • BR：彎道維修，入口需安置新軌，確保自新軌滾向舊軌。

  30. 脫軌防制措施 • (一) 軌道狀態 • 鋼軌潤滑 • 較不建議 (局部路段，僅限軌頭側面  效果有限) • 護軌 • 平順的線型設計 • 均勻穩定的路基 • 軌道結構的穩定與平順 • 施工精度與養護維修 • 剛度大、整體性高的橋樑

  31. 脫軌防制措施 • (二) 車輛結構 • 控制車輛製造、檢修公差，減小彈簧間高差，確保各輪均載。 • 適當選擇軸箱定位剛度或其它措施，使輪對處於徑向位置，減小衝角、輪軌間橫向力和衝擊力。 • 減小一次彈簧剛度或採用變剛度彈簧可減少空車時車輪的增減載。 • 車輛重心位置高，在橫向力作用下，左右車輪的增、減載大。因此應選抗脫軌穩定性較好的轉向架。 • 車輪平行度、輪緣角及摩擦系數等均對輪軌穩定行有影響，在製造檢修中應當注意。

  32. 脫軌防範 • (三) 運用情況 • 裝載狀態對脫軌有很大影響 • 避免長短車聯掛 • 依規定速限行駛

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