铁道车辆运行安全性是铁路运输的最基本要求，主要涉及车辆是否出现脱轨和倾覆。一般以脱轨系数、轮轨减载率和轮轴横向力等指标来评定车辆运行稳定性。
1 脱轨系数
脱轨系数是瞬时作用的轮轨横向力和垂向力之比，用于评定车轮脱轨的可能性。目前，各国广泛采用的是由1908年法国学者Nadal定义的脱轨系数。Nadal根据爬轨侧车轮在脱轨临界状态时轮轨接触点的平衡条件，推导了脱轨系数的表达式。设车轮轮缘与钢轨间的摩擦因数为μ，车轮轮缘角为δ，脱轨系数的临界值为：
$$\frac{Q}{P} =\frac{\tan \delta -\mu }{1+ \mu \tan \delta } \qquad （式1）$$
由式1可见,脱轨系数临界值大小取决于轮缘角和轮轨间的摩擦因数,轮缘角越大，脱轨系数临界值越大;摩擦因数越大,脱轨系数临界值越小。
轮轨接触点上的受力关系如图1所示。
《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T5599-2019)规定的脱轨系数评定限值见表1。
表1 脱轨系数评定限值
| 车种 | 脱轨系数Q/P | |
| 曲线半径250m≤R≤400m；侧向通过9号、12号道岔 | 其他线路(曲线半径R＞400m) | |
| 客车、动车组 | ≤1.0 | ≤0.8 |
| 机车 | ≤0.9 | ≤0.8 |
| 货车 | ≤1.2 | ≤1.0 |
近年来国内外均有研究表明,经典的Nadal公式并不完善,只适用于行车速度较低的情况。对于高速客车的行车安全性评定指标，需要根据国内外高速列车的运行经验及研究成果重新确定。
国外高速铁路关于脱轨系数的有关规定包括：国际铁路联盟UIC规定Q/P<1.2；欧洲铁路联盟的“EUROCODE”采用Q/P<0.8；德国ICE高速列车在高速试验中采用Q/P<0.8；日本《铁道结构设计标准》同样也采用了Q/P<0.8。
我国《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB10761-2013)、《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)、《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)中规定高速铁路、城际铁路及客货共线铁路脱轨系数采用0.8作为限值；重载铁路机车脱轨系数采用0.8，货车采用1.0。
2 轮重减载率
轮重减载率为评定车辆在轮对横向力为零或接近于零的条件下，因一侧车轮严重减载而脱轨的安全性指标，与脱轨系数并用来对铁道车辆脱轨安全性进行判定。轮重减载率定义为减载侧车轮的轮重减载量△P与轮对的平均静轮重\(\bar{P}\)之比，记作\(\bar{P}\)。
《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T5599-2019)规定轮重减载率评定按速度分类如下:
(1)当试验速度\(\nu \le 160km/h，\frac{\bigtriangleup P}{\bar{P} } \le 0.65\)；
(2)当试验速度\(\nu > 160km/h，\frac{\bigtriangleup P}{\bar{P} } \le 0.80\)；
需要指出的是,脱轨系数和轮重减载率是主要针对轮对横向力H>0和H=0两种不同情况下评价车轮脱轨的指标，都是根据车轮的受力平衡条件得出的。一般情况下，应以脱轨系数作为行车安全性的评价指标，而上述轮重减载率的限值可视为静态或准静态条件下的评价指标，不适合于动态减载时的评定。
动态减载是指机车车辆以较高速度运行时，由于车辆通过钢轨接头、轨面局部凹凸不平或道岔等地段可能产生冲击振动而引起较大的瞬态轮重减载现象。德国在高速列车试验中,动态轮重减载率限值为0.9；美国采用的限值也为0.9；日本在新干线铁路提速时，动态轮重减载率限值为0.8；我国在提速和高速行车试验中,采用动态轮重减载率限值，一般为0.8。
我国《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB10761-2013)规定，当采用间断式测力轮对时限值0.8，采用连续式测力轮对时限值0.65。《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中规定在车桥动力分析时限值0.6，时速350km以上时可采用限值0.8。《高速动车组整车试验规范》(铁运(2008]28号)规定轮重减载率准静态限值0.65，动态限值0.8。
在采用轮重减载率评价标准时,需考虑试验测试或仿真计算时是否包括高频动态成分。
3 轮轴横向力
对无缝线路稳定性问题的研究表明，过大的轮轴横向力H(一个轮对上左右两侧车辆横向力Q1和Q2之和)是导致轨排横移、无缝线路动力失稳产生胀轨跑道现象的主要原因。轮轴横向力H用于评定车辆在运行过程中是否会因为过大的横向力而导致轨距扩宽或线路产生严重变形。
国际铁路联盟(UIC)所采用的轮轴横向力限值计算公式为
$$H\le \beta \left ( 10+P_0/3 \right ) \qquad (式2)$$
式中，\(P_0\)为静轴重，kN；\(\beta\)取值：客车为1，货车空车0.75，重车0.8。
《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB10761-2013)和《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)规定轮轴横向力限值为
$$H\le \beta \left ( 10+P_0/3 \right ) \qquad (式3)$$
《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T5599-2019)规定轮轴横向力评定
$$H\le 15+P_0/3 \qquad (式4)$$
4 轮轨作用力
(1)轮轨横向力
轮轨间横向力过大将引起轨距扩大、线路严重变形，目前我国铁路很少直接采用轮轨横向力进行评定。欧美铁路根据试验，一般取0.4倍轴重作为横向力的允许限度，如式5。
$$Q=0.4P_0 \qquad (式5)$$
式中，\(P_0 \)为静轴重，kN。
(2)轮轨垂向力
日本在既有线提速试验规范中对轮重最大值有明确规定,要求其小于轨道部件(PC轨枕、轨道板)的设计荷载。所谓设计荷载，是考虑了因车轮扁疤引起的轮轨动力冲击作用而采用的荷载。经过调查分析，车轮扁疤引起的轮载动静比约为1.7，考虑一定的安全系数后取为2.0，因此最大扁疤轮重可取为静轮重的3倍，并将其作为设计荷载。新于线采用轴重170kN的P标准活载,设计荷载为270kN；而既有线采用轴重160kN的K活载，设计荷载为255kN。
德国铁路(DB)规定，非冲击性的中低频轮轨垂向力不允许超过极限值170kN。英国铁路(BR)规定，车辆通过钢轨接头等瞬态冲击作用时的轮轨垂向力的限制标准为250kN。
UIC518中给出的轮轨垂向力限值计算式为
$$P=90+P_0 \qquad (式6)$$
式中，\(P_0 \)为静轴重，kN。
同时，还给出了不同设计速度条件下的限值，设计速度大于300km/h时，轮轨垂向力限值为160kN。曲线上轮轨垂向力限值为145kN。
《高速动车组整车试验规范》(铁运(2008]28号)给出了我国高速动车组轮轨垂向力的限值，为170kN。
5 构架加速度
通常采用构架加速度来评定横向稳定性。《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T5599-2019)、《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB10761-2013)规定，构架振动加速度峰值有连续6次以上达到或超过8m/s2时(用0.5~10Hz进行带通滤波)，判定转向架横向失稳。
文章来源：《铁道车辆系统动力学及应用》2018年 罗仁、石怀龙
