高速動車組動力學評價標準選用建議

趙建葵

（青島四方阿爾斯通鐵路運輸設備有限公司，山東青島 266111）

0 引言

目前國內與國外有不同的鐵道車輛動力學評價標準。在設計速度為350km/h 的高速動車組時，選用不同標準的評價指標來滿足車輛的運行安全性、平穩性和乘坐舒適性是設計難點之一。研究了國內外主要鐵道車輛動力學評價標準，對比分析評價標準中評價指標的主要差異，并結合既有高速動車組運行經驗，對速度為350km/h 高速動車組，提出動力學評價標準選用建議。

1 主要動力學評價標準

國內標準軌距機車車輛動力學試驗采用的標準為《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》（GB/T 5599—2019）[1]。歐洲標準軌距機車車輛動力學試驗采用的標準主要為《鐵道車輛動力學性能試驗-安全性-軌道疲勞-運行品質試驗及其認可》（UIC 518—2009）[2]、《鐵路設施-鐵路車輛運行特性的驗收試驗和模擬-運行性能試驗和穩定性試驗》（EN 14363—2016+A1）[3]、《對于有關鐵路車輛振動中評估乘客舒適性的指導》（UIC 513—1994）[4]等。

2 動力學評價項點

動力學性能評價主要包括決定最高運行速度的蛇行穩定性、決定曲線通過和傾覆安全的運行安全性、決定乘坐舒適性和貨物完整性的運行平穩性三個內容。

根據各標準定義，GB/T 5599—2019 從運行穩定性、運行品質、運行平穩性對車輛動力學性能進行評價；UIC 518—2009、EN 14363—2016 從運行安全性、軌道疲勞、運行品質對車輛動力學性能進行評價；UIC 513—1994 則規定了車輛的舒適度指標。標準規定的評價項點見表1。

上述表1 標準對評價項點的分類有所不同，但各項點均是通過評估車輛運行時的力和或加速度的方式評判車輛動力學性能。

表1 標準規定的評價項點

3 評價指標

3.1 脫軌系數

爬軌側車輪作用于鋼軌上的橫向力與其作用于鋼軌上的垂向力的比值，即脫軌系數。各標準中脫軌系數要求均為不超過0.8，但也有所不同，具體為GB/T 5599—2019 要求脫軌系數適用于曲線半徑R＞400m 的線路、UIC 518—2009 要求脫軌系數適用于曲線半徑R＞250m 的線路、EN 14363—2016 則規定過渡線路中脫軌系數限值可能超過0.8，但不得超過1.2。

國內標準與歐洲標準規定的脫軌系數限值相同。但是歐洲標準對脫軌系數測量數據信號進行了20Hz低通濾波，國內標準未要求濾波處理，且對于小曲線半徑的線路（如250 大于R≤400m），UIC 標準規定相對嚴格。對于脫軌系數，建議高速動車組設計時采用UIC 518—2009 的規定。

3.2 輪軸橫向力

輪軸橫向力用于評價車輛在運行過程中是否會因為過大的橫向力而導致軌距擴寬或線路產生嚴重變形。國內標準與歐洲標準對輪軸橫向力的評定要求分別為≤15+P0/3 與≤10+P0/3，其中P0為靜軸重，單位kN。

歐洲標準的輪軸橫向力限值嚴于國內標準；數據處理時，歐洲標準均對數據信號進行了20Hz 低通濾波，并對滑動平均間隔做出規定，國內標準未做相關要求。考慮車輪踏面磨耗、構架受力情況，建議高速動車組設計時，輪軸橫向力限值采用更嚴格的≤10+P0/3。

3.3 輪軌垂向力

輪軌垂向力用于評定車輛在運行過程中是否因為過大的輪軌垂向力而導致鋼軌破壞或線路產生嚴重變形。國內標準未對該項進行規定，歐洲標準中根據最大運營速度V 不同，輪軌垂向力限值也有所變化。輪軌垂向力限值取值方法為：取（P，PV）中的小值，其中P=90+每個輪的靜負載。V≤160km/h 時，PV取200kN；160km/h＜V≤200km/h 時，PV取190kN；200km/h＜V≤250km/h 時，PV取180kN；250km/h＜V≤300km/h 時，PV取170kN；V＞300km/h 時，PV取160kN。

國內標準未對此評價項點做出要求（和諧號高速動車組采用了輪軌垂向力≤170kN 的要求）；歐洲標準采用某倍率標準差的置信區間的方式對最后的指標進行統計，輪軌垂向力限值與運行速度、車組質量有一定關系。建議高速動車組設計時，增加輪軌垂向力的評定，評定標準≤170kN，數據處理及評定值計算方法參照GB/T 5599—2019 中輪軸橫向力的規定。

3.4 輪重減載率

輪重減載率是評價因輪重減載過大而引起脫軌的另一種脫軌安全指標，具體為輪重減載量與該軸平均靜輪重的比值。國內標準中輪軌垂向力的評定要求為：試驗速度≤160km/h 時，輪重減載率≤0.65；試驗速度＞160km/h 時，輪重減載率≤0.8。歐洲標準未對此項點做出要求。建議高速動車組設計時，按照GB/T 5599—2019 輪重減載率對脫軌安全指標進行評定。

3.5 傾覆系數

傾覆系數用于鑒定試驗車輛在側向風力、離心力、橫向振動慣性力的同時作用下是否會導致車輛傾覆，具體為轉向架一側車輪總的車輪減載量與總靜輪重的比值。國內標準未對該項進行規定，歐洲標準則規定，僅在線路欠超高＞165mm 時，要求傾覆系數≤1。目前國內高速線路條件不存在欠超高＞165mm 的情況，建議高速動車組設計時，可不對該項進行評估。

3.6 橫向穩定性

橫向穩定性用于評價轉向架是否發生了不能迅速衰減的連續橫向振蕩。歐洲標準規定用構架端部加速度均方根是否超過（12m.s-2-M/5）/2、輪軸力/構架力均方根是否超過（10kN+P0/3）/2 對車輛橫向穩定性進行評估，其中M 為轉向架質量，單位t，P0代表靜軸重，單位kN。國內標準則通過評價構架端部連續6 次加速度峰值超過8m.s-2判斷是否發生了失穩，該方法對橫向穩定性的判斷更加直觀。建議高速動車組設計時，采用GB/T 5599—2019 的方式判定橫向穩定性。

3.7 運行品質

國內外標準均采用車體橫向、垂向振動加速度評價運行品質。對于橫向、垂向最大加速度值，國內標準規定將加速度信號采用0.4～40Hz 進行帶通濾波，求出每個采樣段內加速度的最大值和最小值的絕對值。對各種線路工況、各速度級的樣本進行統計處理，求得均值Xˉ和標準差σ，然后求出Xmax= Xˉ+ 2.2σ用于評價運行品質，要求橫向、垂向最大加速度不超過2.5。

對于橫向準靜態加速度值，UIC 標準規定將曲線段信號經過20Hz 低通濾波，取左旋曲線上累計頻次曲線50%的值，取右旋曲線上累計頻次曲線50%的絕對值，然后求得算術平均值，要求不超過1.5；對于橫向、垂向最大加速度，信號經過0.4～10Hz 帶通濾波，最大加速度取累計頻次曲線0.15%的絕對值、累計頻次曲線99.85%的值為采樣段樣本，要求不超過2.5；對于橫向加速度均方根值，信號經過0.4～10Hz 帶通濾波，取均方根值，要求不超過0.5。橫向、垂向最大加速度值，橫向、垂向加速度均方根評估值按照Xmax=+ 2.2σ 計算。

對于橫向、垂向最大加速度值和均方根值，歐洲標準規定將加速度信號經過0.4～10Hz 帶通濾波，取累計頻次曲線0.15%的絕對值、累計頻次曲線99.85%的值為采樣段樣本，要求橫向、垂向最大加速度不超過2.5。

關于運行品質評定，國內與歐洲標準之間的差異主要體現在數據處理方式、評價項點不同。首先是帶通濾波的最大頻率不同，濾波后，國內標準選取每個采樣段的加速度最大值和最小值的絕對值用于后續計算，歐洲標準則選取濾波后累計頻次曲線對應99.85%的值，累計頻次曲線對應0.15%值的絕對值用于后續計算。國際標準相較于國內標準、歐洲標準增加了橫向準靜態加速度、橫向垂向加速均方根值的評定要求。采用車體橫向、垂向最大加速度評價運行品質是比較通用的做法，建議高速動車組設計時，采用GB/T 5599—2019 的規定。

3.8 運行平穩性

GB/T 5599—2019 規定運行平穩性采用平穩性指標W 或乘坐舒適度Nmv進行評價。Nmv指標參考了UIC 513—1994 中Nmv的規定。

3.8.1 平穩性指標

平穩性指標W 在最高運營速度范圍內評價，以車體振動加速度測量為基礎，高速動車組評價標準（橫向、垂向分別評價）如下：

計算頻率為fi時的平穩性指標分量Wi：

計算平穩性指標：

對各種線路工況、各速度級的樣本進行統計處理，求得均值Xˉ和標準差σ，對于高速動車組，統計評價值W=Xˉ。W≤2.50 時評定為優；2.50＜W≤2.75 時評定為優；2.75＜W≤3.00 時評定為合格。

3.8.2 乘坐舒適度

乘坐舒適度Nmv是對在機車車輛上乘客和乘員平均舒適度的度量方法，評價以車輛地板振動加速度測量為基礎。指標為NMV＜1.5，評價為非常舒適；1.5≤NMV＜2.5，評價為舒適；2.5≤NMV＜3.5，評價為一般；3.5≤NMV＜4.5，評價為不舒適；NMV≥4.5，評價為非常不舒適。

3.8.3 差異分析

平穩性W 與舒適度Nmv均采用了加權函數計算，綜合考慮了各個方向的各種頻率振動對乘客的影響。分析加權函數后可知，舒適度指標垂向加權考慮了較多高頻振動，但人體對高頻振動不是很敏感，平穩性指標高頻加權很小。建議高速動車組設計時，采用平穩性指標評價運行平穩性。客室平穩性指標應達到優級，司機室指標至少達到良好。

4 結語

高速動車組輪重減載率、橫向穩定性、運行品質采用GB 5599—2019 規定；脫軌系數采用UIC 518—2009 規定；另建議增加對輪軸橫向力不超過10+P0/3、輪軌垂向力不超過170kN 的評價要求；運行平穩性則采用GB 5599—2019 規定的平穩性指標W 進行評價，要求客室達到優級，司機室至少達到良好，可以基本滿足旅客對高速動車組的運行安全性、平穩性和乘坐舒適性的要求。