更高速度下復興號動車組系統動力學試驗研究

周 黎，張 波，董孝卿，何德華

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081； 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

關鍵字： 高速動車組； 動力學性能； 更高速線路試驗； 振動噪聲； 高速交會

2012年底復興號動車組研制時，我國高速鐵路營業里程達9 356 公里,“四縱四橫”主骨架中,京滬、京廣、哈大等線路已開通運營，并在引進的基礎上研制了系列和諧號動車組。中國高速鐵路技術經過長期積累和近年來引進消化吸收，取得了一批創新成果，特別是在不同地質、氣候環境下大規模建設高速鐵路的經驗，使中國高速鐵路建設技術達到了世界領先水平。但作為高速鐵路核心技術的高速動車組依然存在著關鍵技術未完全掌握、國外技術平臺不完全適應國內運用要求等問題，成為中國高速鐵路技術發展和“走出去”的短板。隨著我國高速鐵路運營里程的進一步擴大，高速動車組數量將會進一步提升。為使高鐵技術核心的動車組發展可持續化、完全自主化，在國家重要規劃指引下，中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)決定牽頭組織研制自主化、標準化的復興號動車組。

復興號動車組的研制依托國家發改委戰略新興產業示范工程項目，采用正向設計，是由我國自主設計制造，具有完全自主知識產權的全新一代高速動車組，有CR400AF和CR400BF 2種型號，為動力分散型電動車組，8輛編組、4動4拖，分為2個牽引單元(Tc+M+Tp+M)，端車為拖車、受電弓設置在03/06車。最高運營速度為350 km/h。兩列復興號動車組可互聯互通、實現重聯運行。

2015年復興號動車組樣車下線后，在北京環行試驗線、長吉客專和大西綜合試驗段先后開展了型式試驗、系統科學試驗和關鍵系統及部件服役性能研究試驗，最高試驗速度為385 km/h。試驗結果顯示，動車組各方面性能均有較大裕度，尤其是已先后在臺架和線路試驗中進行了充分驗證的系統動力學性能，具備進行更高速度線路試驗驗證的條件。為了驗證動車組全方位性能和探索更高速度下關鍵參數變化規律，論證經濟適用的高速鐵路運營速度，深化輪軌關系、流固耦合、振動噪聲等理論研究，并完善我國高速鐵路技術標準體系，支撐高速鐵路核心技術攻關、更高速動車組研發和運營管理，2016年國鐵集團決定利用既有條件在鄭徐客運專線開展速度420 km/h交會和重聯運行相關高速試驗[1]。

1 試驗方案研究

鄭徐客運專線更高速系統動力學綜合試驗主要研究復興號動車組高速運行工況下，與安全性、舒適性、速度緊密相關的輪軌動力學性能、模態匹配、噪聲和空氣動力學性能，動車組高速交會下對安全性的影響，以及高速下動車組重聯運行的曲線通過能力，驗證動車組在更高運行速度下的系統動力學行為，探索速度400 km/h及以上動車組系統動力學性能等關鍵技術參數變化規律，并為新一代復興號動車組的研發提供支撐。基于此，論文首先確認了鄭徐客專基本參數，然后利用理論分析和仿真技術，研究了在鄭徐客專開展上述更高速動力學試驗的可行性，并據此制定了試驗方案，試驗工況包含復興號動車組額定載荷和整備載荷工況下的單列逐級提速、明線交會和雙列重聯試驗[1]。

1.1 鄭徐客專基本參數

鄭徐客運專線正線全長約366 km，為雙線客運專線，正線速度目標值350 km/h，正線線間距5.0 m，最小曲線半徑7 000 m，最大坡度20‰，到發線有效長度650 m。牽引供電系統采用自耦變壓器(AT)供電方式，正線接觸網采用全補償彈性鏈形懸掛。采用GSM-R無線通信系統，正線采用單網交織冗余覆蓋方案。信號采用CTCS-3級列車運行控制系統，行車指揮方式為綜合調度集中系統(CTC)。

1.2 試驗方案可行性分析

為了保證試驗的開展安全有效，在試驗前對方案進行了詳實的論證，論證包括曲線地段的速度限制、動力學性能、明線交會壓力波、側風安全性、制動能力、受流性能、重聯運行能力等，并考慮了短接分相和試驗段不同運行方向的速度及持續時間，分析結果顯示試驗段滿足開展速度420 km/h交會和重聯的高速試驗要求，試驗方案可行，并提出了需調整和采取的相關措施。試驗線路條件和復興號動車組更高速運行試驗安全性分析如下[1]。

1.2.1 鄭徐線路條件

高鐵線路的曲線通過限速除受曲線半徑限制外，與超高、緩和曲線長度相關，對應2個指標：欠超高和超高時變率[2]。欠超高和超高時變率多從曲線通過時的舒適性對速度進行限制，超高時變率的困難值取31 mm/s，而欠超高控制值可以在確認安全裕量足夠的前提下適當放寬。經分析，復興號動車組在半徑7 000 m、超高130 mm曲線的最高通過速度可達到385 km/h，欠超高120 mm，超高時變率25 mm/s；在半徑8 000 m、超高70 mm曲線最高通過速度可達到370 km/h，欠超高130 mm。

對于鄭徐客專高速試驗區段內半徑7 000、8 000 m曲線，欠超高分別按110～115、125 mm進行限制，超高時變率不超過31 mm/s，最高試驗速度可以達到390～400 km/h。對于半徑9 000 m及以上曲線，按欠超高130 mm進行限制，超高時變率31 mm/s，經核算，曲線通過速度可以達到400 km/h以上。參照TB 10621—2014《高速線路設計規范》[2]對曲線半徑及欠超高、超高時變率的要求，結合動車組在大西綜合試驗段的高速試驗經驗，對鄭徐更高速試驗區段內曲線的通過速度分析及對應的欠超高和超高時變率見表1。

表1 曲線最高試驗速度建議及對應的欠超高和超高時變率

1.2.2 復興號動車組更高速試驗安全性分析[1]

(1) 運動穩定性

仿真計算表明，經過車輪型面和懸掛系統結構及參數優化之后，復興號動車組的非線性臨界速度超過550 km/h。模擬運行速度550 km/h時輪對受到激擾后的快速復位過程見圖1。復興號動車組的蛇行臨界速度儲備可以滿足在鄭徐高速試驗線路上進行速度400 km/h以上的試驗，具有足夠的裕量。

(2) 曲線通過安全性

選取鄭徐線欠超高較大的2種典型曲線：①半徑8 000 m、超高100 mm；②半徑7 000 m、超高145 mm。采用實測高鐵線路譜，仿真計算復興號動車組以400 km/h以上速度通過時的脫軌系數和輪重減載率等運行安全性指標。速度410 km/h下通過2種曲線的脫軌系數和輪重減載率模擬計算結果見圖2，脫軌系數小于0.2，輪重減載率未出現連續減載超過0.8的現象，且經過圓緩點或緩圓點時，指標波動不大。

(3) 高速交會安全性

依據試驗方案，高速交會地點位于直線開闊路段，模擬計算復興號動車組以速度420 km/h(相對速度840 km/h)在直線交會時的交會壓力波、脫軌系數和輪重減載率。計算結果表明，直線段明線交會時，交會壓力波最大值為2 118 Pa，脫軌系數最大值為0.10，輪重減載率最大值為0.72，安全裕量較大，計算結果見圖3。根據計算結果及以前研究成果[3]，復興號動車組在直線段以速度420 km/h交會(相對速度840 km/h)是安全可行的。

綜合鄭徐客專線路條件分析和動力學仿真模擬計算結果，復興號動車組經過型面和懸掛結構優化后的運行穩定性充裕，采用逐級提速將半徑7 000～9 000 m曲線的欠超高適當放寬至110～130 mm，以及在直線開闊地段以400 km/h以上速度交會的基本試驗方案，運行安全性指標可以滿足要求，且具有較大的裕量。

1.3 試驗方案設計

依據試驗目的和鄭徐客專基本情況，綜合考慮試驗組織、運行速度等因素，試驗區段選在開封北站～蕭縣北站區間(K497+684—K231+359)，交會試驗運行區間選在K497+000—K350+000，定點交會地點選在K426+000附近。逐級提速試驗分別采用CR400AF和CR400BF 兩列復興號動車組，先后進行額定載荷和整備載荷提速試驗，速度為200～420 km/h時，每10 km/h為一檔逐級提速；明線交會試驗采用CR400AF和CR400BF 兩列復興號動車組互相交會，速度分別為360/360、380/380、400/400、410/410、420/420 km/h；重聯試驗采用CR400AF的1車和CR400BF的8車重聯運行，速度分別為350、380、390、400、410、420 km/h。

輪軌動力學、空氣動力學、車體模態和噪聲性能試驗分別通過在頭車和中間車布置測點，測試復興號動車組以更高速運行以及交會時的動車組動力學響應等參數，分析獲得動車組高速運行時的相關性能指標，及其隨速度的演變規律。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

按照預定試驗計劃和方案，復興號動車組在鄭徐試驗區段順利進行了速度420 km/h運行和交會試驗。為確保試驗安全，運行和交會試驗均采取逐級提速的方式，并且全程對動車組的動力學指標進行實時監測。

在半徑7 000、8 000 m曲線上，最高試驗速度達到400 km/h，脫軌系數最大值為0.26；在半徑9 000 m曲線上，最高試驗速度達到420 km/h，脫軌系數最大值為0.28。而且，盡管在這3種曲線上，欠超高已經分別達到113、124、130 mm，橫向和垂向平穩性均為“優級”，并有充足的裕量。直線段明線交會過程中產生的壓力波最大值為2 096 Pa，車內1、3 s壓力變化最大值均為96 Pa。復興號動車組的安全性和平穩性測試結果中關鍵性的運行安全性指標與試驗前的仿真計算預測結果基本一致。

復興號動車組車體模態試驗測試了恒速250、300、350 km/h及加速和制動工況下06車與00車的車體模態振型與頻率。試驗結果顯示：車體20 Hz以內可激起的振型為一階菱形、一階垂向彎曲、一階扭轉、一階橫向彎曲；復興號動車組不同車廂的模態存在差異，06車菱形模態與一階垂彎明顯小于00車；以速度350 km/h的測試結果為例，06車與00車的車體扭轉頻率分別為14.6、15.6 Hz；車體橫向彎曲頻率分別為13.0、11.3 Hz。

列車在速度400、420 km/h運行時，復興號動車組車內噪聲測試結果見表2。司機室內噪聲依然滿足速度350 km/h的限值要求，但頭車客室中部和端部以及受電弓車客室端部噪聲已超出速度350 km/h的限值要求。

表2 復興號動車組客室內標準點噪聲測試結果 dB(A)

2.2 隨速度變化規律分析

對按速度統計主要動力學指標的平均(峰)值進行多項式擬合，分析隨速度遞增的變化趨勢，見圖4。由圖4可見，主要動力學指標均隨運行速度提高呈上升趨勢，但擬合式的二次項系數普遍偏小，主要指標隨速度的增長平緩；各項指標隨速度增加的幅度略有不同，脫軌系數和輪軸橫向力增幅較小，輪重減載率增幅相對明顯，橫向平穩性指標和垂向平穩性指標的增幅也較緩。

復興號動車組以不同的速度明線交會過程中，車外壓力波最大峰峰值、車內外壓差和1、3 s內車內壓力變化與速度關系曲線見圖5、圖6，由擬合曲線可知，交會壓力波和車內外壓差基本上與速度平方成正比；車內1 s 和3 s壓力變化隨速度增加略有增加，波動較大，具體規律不顯著，這主要是因為明線交會時間短，且壓力波可以向周圍空間疏散，很難傳入車內。車內空氣壓力波動的主要因素是空調壓力保護系統工作時自身的波動，以及隨著速度增大空調進氣口氣流湍流度增加。復興號動車組與和諧號動車組在5.0 m線間距下明線交會的壓力波幅值試驗結果對比見圖7。由圖7可知：復興號動車組較和諧號動車組明線交會壓力波幅值減小，同速度下減幅為11%～21%。

模態試驗測試了速度250、300、350 km/h的車體振型與頻率，結果見圖8。由圖8可知：運行速度對車體固有模態振型與頻率影響很小，在不同速度下車體模態頻率基本保持恒定。

復興號動車組不同速度下車內噪聲測試結果顯示：隨速度增長，客室端部和客室中央的噪聲穩步增長，速度每增長50 km/h，車內噪聲平均增加3 dB左右；空載和重載狀態下，客室端部噪聲均比中部噪聲高約2～5 dB。

復興號動車組客室不同位置車內噪聲水平隨速度的變化規律見圖9。由圖9可知，車內噪聲隨速度的增加近似呈線性增加，對測試結果進行線性擬合，結果分別見圖9中虛線和表3。結果顯示：客室噪聲與速度的關系滿足LPA=K×lg(v/v0)+L(v0)的規律，其中K取值范圍為：客室中部30～50，客室端部20～50。

表3 復興號動車組客室內標準點聲壓級與速度的變化關系(額定載荷)

2.3 高速交會試驗綜合分析

復興號動車組明線交會瞬間，頭車承受的氣壓波動相對于中間車輛更明顯，分速度統計高速交會瞬間頭車的運行安全性、橫向振動加速度以及交會過程中的橫向平穩性指標，見圖10。由圖10可知，在直線空闊地段，頭車在交會瞬間的實測脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力指標均較小，距安全限值有較大裕量，其中脫軌系數與仿真計算結果基本一致。隨著交會速度從380/380 km/h增加至420/420 km/h，脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力指標較為穩定，沒有出現快速遞增趨勢。

復興號動車組高速明線交會車體不同部位橫向平穩性指標隨速度變化趨勢見圖11。由圖11可知，頭車在交會過程中的橫向平穩性指標隨交會速度的增加平緩上升，司機室橫向平穩性指標高于頭車二位端，在速度420/420 km/h交會時司機室橫向平穩指標為2.09，略高于非交會時的橫向平穩性指標。交會速度從380/380 km/h增加至420/420 km/h，頭車在交會瞬間的車體橫向振動加速度峰值明顯增大，而構架橫向振動加速度峰值無此趨勢。

復興號動車組高速明線交會時的系統動力學實測波形見圖12，對比圖12(a)中交會壓力波與圖12(b)中車體加速度的實測波形可知，在高速交會瞬間頭車司機室和車體二位端橫向加速度幾乎同步出現顯著的波動，波動過程與頭車車體表面承受的氣壓波動過程基本相吻合。圖12(c)中構架橫向加速度顯示，頭車在交會瞬間的構架橫向加速度與交會前后幾乎沒有變化。圖12(d)—圖12(f)同樣顯示，頭車在交會瞬間的運行安全性指標與交會前后相比沒有差異。

因此，在鄭徐高鐵直線開闊地帶，盡管兩列復興號動車組在速度420/420 km/h交會時車體由于交會壓力波的作用會出現短時的低幅橫向晃動，但橫向晃動只停留在車體，沒有下傳至構架、輪對，交會壓力波對橫向平穩性指標影響有限，而對轉向架的橫向穩定性和運行安全性幾乎沒有影響。

3 更高速度動車組系統動力學展望

為滿足更高速度運營的需求，動車組需要足夠的臨界速度儲備。復興號動車組的最高試驗速度已穩定地達到420 km/h，為保障在更高的運營速度下，車輪鏇修里程相對于目前速度350 km/h運營的動車組維持不變甚至有所延長，有必要對更高速度下的輪軌作用及磨耗機理開展深入研究。

輪軌安全性指標是保障動車組行車安全最重要最基礎的指標，即便在更高運營速度下，對輪軌安全性評判的指標及限值應維持不變。輪軌安全性實測結果也表明，在速度350 km/h等級具備提速的線路上，復興號動車組可以以更高的速度運營，而脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力等脫軌安全性指標仍具有較大安全裕量。輪重減載率相對于其他指標增長略快，可以通過適當的結構及懸掛系統優化、簧下及簧間減重加以控制[4-5]。

同樣，運營速度的增加不應以加劇車體振動而導致乘坐的舒適性降低為代價，為保證旅客乘坐的平穩性和舒適性，車體振動性能、平穩性指標和乘坐舒適度指標所應滿足的標準在更高的運營速度下應維持不變。對于運行平穩性的實測結果及變化趨勢，在更高的運營速度下保持平穩性和舒適度指標在現有標準水平是完全可行的。

從空氣動力學試驗結果及先前的研究結果可知[6-7]，在更高的運營速度下可適當提高動車組車體氣密強度指標，但車內氣動舒適度指標仍維持不變。

和諧號動車組在服役過程中出現車體固有菱形模態與構架蛇行頻率耦合振動而引起的抖車問題，導致乘坐舒適性顯著降低[8-9]。復興號或更高速動車組隨著車輪磨耗，輪軌匹配等效錐度增加，蛇行頻率上升可達9 Hz[10-11]。為了避免蛇行頻率與車體菱形頻率接近而引起共振，同時也為了充分隔離其他車體與轉向架相近頻率，建議車體的固有模態頻率最小值應大于10 Hz。

根據動車組車內試驗結果，噪聲水平隨速度的提高近似線性增大，當列車運行速度增加至400 km/h和420 km/h時，客室內噪聲已不滿足原有速度350 km/h的限值要求。考慮到車輛減振降噪的技術水平，建議更高速度下車內噪聲的評價指標按不同速度等級進行規定。同時考慮到車內噪聲水平與乘坐舒適性和乘車體驗密切相關[12]，因此建議按優、良 2級指標進行控制，優級指標對車輛噪聲提出更高的要求。

參照試驗結果，建議動車組在速度400 km/h時的車內噪聲指標見表4。

表4 速度400 km/h動車組車內噪聲評價指標 dB(A)

國際標準對于車內噪聲的要求見表5。目前，國際標準方面均無速度350 km/h及以上客室內噪聲指標，僅有Reg(EU)1302—2014[13]規定速度350 km/h下的司機室內噪聲限值為80 dB(A)，高出上述我國建議良級指標2 dB，高出優級指標4 dB。速度400 km/h時司機室內良級指標限值與UIC 651—2002[14]中300 km/h的噪聲指標相同，客室端部和中部的優級指標與UIC 660—2002[15]中速度300 km/h的強制噪聲指標相同。由此可以看出，表4給出的我國動車組高速噪聲指標建議值遠優于表5中國際標準限值。

表5 國際標準車內噪聲限值

要達到表4中車內噪聲限值要求，既有的復興號動車組需要進一步減振降噪。復興號動車組在速度350 km/h時噪聲傳遞路徑貢獻量測試結果見圖13。可以看出動車組車內噪聲主要受輪軌噪聲、受電弓噪聲以及車體表面氣動噪聲等的影響。因此，應對動車組在更高速度下運行時的車內噪聲進一步優化，以達到更高標準的限值要求，建議從車體隔聲性能、車端區域聲學性能以及受電弓區域三個方面開展減振降噪工作。

4 結論

通過設計及組織實施復興號動車組在運營線路上速度420 km/h的系統動力學試驗，獲得了復興號動車組在運行速度350～420 km/h的試驗結果，并分析了隨速度的變化規律及速度420/420 km/h明線交會的安全性，最后展望了更高速復興號動車組系統動力學相關指標，得到如下結論：

(1) 復興號動車組系統動力學試驗結果表明：其運行穩定性、平穩性滿足速度420 km/h的更高速運行要求，振動、噪聲和交會壓力波等性能較和諧號動車組大幅改善，其中，明線交會壓力波較和諧號動車組減小11%～21%。

(2) 在運行速度為350～420 km/h時，輪軌動力學主要指標均隨運行速度提高呈緩慢上升趨勢，擬合式的二次項系數普遍較小，指標數值隨速度的增長平緩；在這一前提下，隨著運行速度的提高，各項指標的增幅略有不同，脫軌系數和輪軸橫向力增幅較小，輪重減載率增幅相對明顯，橫向平穩性指標和垂向平穩性指標的增幅也較小。明線交會過程中，交會壓力波和車內外壓差基本上與速度平方成正比，但量值不大，對動車組的運行安全性基本沒有影響；車內1 s和3 s壓力變化隨速度增加略有增加，波動較大，具體規律不顯著；車內噪聲水平隨運行速度的增加近似呈線性增加：速度每增長50 km/h，車內噪聲平均增加約3 dB。

(3) 速度420/420 km/h明線交會產生的交會壓力波會對車體的橫向振動產生短時影響，但短時的低幅橫向晃動只停留在車體，沒有下傳至轉向架，車體橫向平穩性指標受到的影響有限，而轉向架的橫向穩定性和運行安全性幾乎不受影響。