既有350 km／h鐵路運(yùn)行更高速鐵路線路平面參數(shù)適應(yīng)性分析

張逸飛

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

隨著高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，更高速度輪軌鐵路發(fā)展迅速。更高速列車與線路之間的動(dòng)力作用顯著增強(qiáng)，列車的行車安全性、運(yùn)行平穩(wěn)性、旅客乘坐舒適度受線路參數(shù)的影響更加突出，最小曲線半徑、超高、緩和曲線長(zhǎng)度等將直接影響行車的動(dòng)力學(xué)性能。傳統(tǒng)350 km／h線路平、縱斷面參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范將受到挑戰(zhàn)，參數(shù)適用性有待進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高速鐵路線路參數(shù)進(jìn)行了大量研究。Miyagaki［1］等介紹了不同類型緩和曲線對(duì)車軌動(dòng)力響應(yīng)的影響，提出了新的緩和曲線線型；ZBOINSKI K［2］研究了線路參數(shù)對(duì)列車的動(dòng)力響應(yīng)；楊星光［3］等采用UM建立耦合動(dòng)力學(xué)模型，給出了運(yùn)行速度250 km／h與350 km／h共線高速鐵路線路的最小曲線半徑建議值；朱穎［4］等歸納了國(guó)內(nèi)外高速列車的平面曲線半徑的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究了高速鐵路曲線段線路參數(shù)與動(dòng)力響應(yīng)之間的關(guān)系；易思蓉［5］等通過車線動(dòng)力學(xué)分析給出了基于舒適度與安全性標(biāo)準(zhǔn)的曲線線路參數(shù)允許值，提出了高速客運(yùn)專線曲線半徑最小值；時(shí)瑾［6］等從列車運(yùn)行安全性、舒適性指標(biāo)出發(fā)，對(duì)更高速度下超高和平面曲線半徑的關(guān)系進(jìn)行了匹配研究。綜上所述，當(dāng)前大多數(shù)高速鐵路線型參數(shù)的探討主要針對(duì)350 km／h及以下速度線路［7-9］，而對(duì)于更高速的線路平面參數(shù)設(shè)計(jì)研究較少。

本文運(yùn)用車-線動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)某既有設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為350 km／h的鐵路曲線段進(jìn)行400 km／h運(yùn)行的線路平面參數(shù)適應(yīng)性研究，從安全性、平穩(wěn)性、旅客乘坐舒適度方面比較分析，對(duì)線路平面參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。研究成果可為更高速鐵路運(yùn)行平面參數(shù)設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 動(dòng)力學(xué)模型及行車性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

構(gòu)建某型客車模型，共3節(jié)：首節(jié)車、中車、尾車。每部分車體由4組輪對(duì)、前后轉(zhuǎn)向架、一系、二系懸掛和車體等組成。轉(zhuǎn)向架為構(gòu)架式結(jié)構(gòu)，輪對(duì)采用 LM型車輪踏面，鋼軌采用60D廓形。車體及構(gòu)架均有6個(gè)自由度，即橫向、縱向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭；輪對(duì)則有3個(gè)自由度，分別為橫向、垂向、搖頭［10］。該模型單節(jié)車體有30個(gè)自由度，模型3節(jié)車體，共90個(gè) 自由度。

為模擬車輛通過曲線段真實(shí)狀況，采用中國(guó)高速鐵路無砟軌道不平順譜作為軌道不平順激勵(lì)。

1.2 動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

提取前后轉(zhuǎn)向架中心偏向車體一側(cè)對(duì)角的垂向加速度與橫向加速度［11］、輪軌橫向力與垂向力，并對(duì)數(shù)據(jù)處理得到其他評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)站姿進(jìn)行舒適性指標(biāo)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)及其限值要求如表1所示。

表1 動(dòng)力特性評(píng)價(jià)指標(biāo)及限值表

2 既有350 km／h鐵路運(yùn)行更高速鐵路線路平面參數(shù)適應(yīng)性分析

2.1 既有350 km／h鐵路線路條件

選取某設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為350 km／h的既有高速鐵路進(jìn)行客車運(yùn)行模擬，具體線路條件如表2所示。

表2 線路條件表

該局部線路共5處平面曲線，最小超高為 120 mm，最大超高為170 mm，豎曲線半徑均為32 000 m，最大坡度為9‰，最小坡段長(zhǎng)度900 m，曲線偏角依次為10°37′25″、9°25′15″、20°42′25″、19°42′25″、4°23′48″，均為右偏曲線。

2.2 線路動(dòng)力學(xué)分析及舒適度評(píng)估

運(yùn)用SIMPACK對(duì)線路進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，首先以設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km／h運(yùn)行，再以400 km／h的速度運(yùn)行，得到的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)如圖1～圖4所示。

圖1 線路輪軌橫向力圖

圖2 線路輪軌垂向力圖

圖3 線路脫軌系數(shù)結(jié)果圖

圖4 線路輪重減載率圖

由圖1～圖4可知，列車以350 km／h與400 km／h 運(yùn)行后，輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率指標(biāo)均符合規(guī)定限值，滿足安全性要求。在 400 km／h速度時(shí)的各指標(biāo)值明顯大于350 km／h速度時(shí)的指標(biāo)值；在每段曲線的緩和曲線段上，各指標(biāo)值波動(dòng)情況較明顯，列車運(yùn)行于第一、第二段曲線時(shí)，各指標(biāo)值較大。列車以400 km／h運(yùn)行時(shí)，脫軌系數(shù)值在第一段曲線的緩和曲線上出現(xiàn)了最大值。由第二段曲線向第三段曲線通過時(shí)，各指標(biāo)值均出現(xiàn)較大波動(dòng)，列車運(yùn)行不穩(wěn)定。輪軌橫向力、輪軌垂向力與輪重減載率在350 km／h與400 km／h運(yùn)行時(shí)均出現(xiàn)最大值，脫軌系數(shù)在350 km／h運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)最大值。列車通過第三段曲線時(shí)，各指標(biāo)值均呈現(xiàn)變大趨勢(shì)，進(jìn)入第四、第五段曲線時(shí)，各指標(biāo)值開始下降，并趨于較小值，列車運(yùn)行較為平穩(wěn)。

列車運(yùn)行時(shí)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)峰值如表3所示。

表3 安全性評(píng)價(jià)結(jié)果表

由表3可知，列車以400 km／h運(yùn)行時(shí)，各峰值均符合安全限值要求。輪軌垂向力與輪重減載率接近限值，但均未超限。

列車以350 km／h和400 km／h速度通過該線路時(shí)，車體橫向、垂向振動(dòng)加速度如圖5、圖6所示。列車以400 km／h速度運(yùn)行時(shí)，橫向振動(dòng)加速度較350 km／h明顯要大，垂向振動(dòng)加速度則稍大于 350 km／h速度；列車的橫向振動(dòng)加速度值與垂向振動(dòng)加速度值在通過緩和曲線段附近時(shí)均存在大量突變值；列車由第二段曲線向第三段曲線運(yùn)行時(shí)，曲線半徑由10 000 m變?yōu)? 000 m，突變值出現(xiàn)最大值。

圖5 線路橫向振動(dòng)加速度圖

圖6 線路垂向振動(dòng)加速度圖

列車以400 km／h速度運(yùn)行時(shí)，多個(gè)橫向振動(dòng)加速度值在該段較大，接近2.5 m／s2的限值要求。該段線路為連續(xù)曲線，考慮到夾直線長(zhǎng)度與曲線半徑條件，列車從前一段緩和曲線經(jīng)圓曲線進(jìn)入后一段緩和曲線過程中，車體的橫向振動(dòng)及加速度變化尤為顯著。高速鐵路線路不平順將會(huì)被放大，進(jìn)而降低旅客乘坐舒適度與列車平穩(wěn)性。經(jīng)分析，原因是該段線路夾直線長(zhǎng)度不足，以及下一段曲線的半徑過小。

列車運(yùn)行時(shí)舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)峰值如表4所示。

表4 舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果表

由圖5、圖6可知，列車以400 km／h速度運(yùn)行時(shí)，橫向振動(dòng)加速度接近限值要求，垂向振動(dòng)加速度值較小，均符合限值要求；橫向平穩(wěn)性指標(biāo)與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均滿足優(yōu)秀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。舒適度指標(biāo)在350 km／h 時(shí)滿足舒適的標(biāo)準(zhǔn)，400 km／h時(shí)為中等。

綜上所達(dá)，該350 km／h鐵路以400 km／h速度運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力指標(biāo)基本處于安全狀況。然而，在考慮舒適度的情況下，列車的橫向振動(dòng)加速度接近限值，EN12299舒適度指標(biāo)也降為中等，乘坐舒適性有所下降。結(jié)合列車動(dòng)力響應(yīng)可知，大部分指標(biāo)峰值出現(xiàn)在列車由第二段曲線向第三段曲線通過時(shí)。因此，在以400 km／h速度運(yùn)行時(shí)，列車由較大曲線半徑向較小曲線半徑線路運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意舒適度與安全性。在可能的情況下，曲線半徑以及夾直線長(zhǎng)度可適當(dāng)增大，以保證旅客乘坐的安全性與舒適度。參考京滬高速鐵路提速至400 km／h適應(yīng)性研究結(jié)果，列車安全性與舒適性在更高速度情況下雖能得到一定保障，但是在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)情況下有待進(jìn)一步研究。

改造列車由第二段曲線向第三段曲線通過夾直線長(zhǎng)度后的車體橫向振動(dòng)加速度如圖7所示，其中夾直線長(zhǎng)度由408.45 m增長(zhǎng)為780 m。可以看出，增大夾直線長(zhǎng)度后，車體橫向振動(dòng)加速度在進(jìn)入第三段圓曲線后明顯減小，最大橫向振動(dòng)加速度也變小，乘坐舒適度得到了提升。

2.3 頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

為了更全面地評(píng)價(jià)該鐵路運(yùn)行400 km／h速度列車時(shí)的線路參數(shù)，對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 動(dòng)力學(xué)特性指標(biāo)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析圖

由圖8可知，列車從350 km／h提升到400 km／h 后，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)較大值部分頻次均得到了提升。輪軌橫向力所占百分比在提速前后大部分集中在1 000 N以內(nèi)；在5 000 N以內(nèi)的部分，提速前350 km／h所占百分比明顯大于提速后的400 km／h，分別為92.16%和57.67%；自5 000 N以后，400 km／h 輪軌橫向力所占百分比開始大于350 km／h，提速后輪軌橫向力在5 000 N以上的部分較350 km／h 時(shí)總體提升了34.49%。提速前后的輪軌垂向力主要集中在100 kN，所占百分比分別為56.51%和51.64%；自120 kN開始，提速后所占百分比明顯大于提速前的350 km／h；120 kN及以上的輪軌垂向力占比提速后較提速前增加了19.03%。脫軌系數(shù)在提速前后大部分位于0.01以內(nèi)，占比分別為60.12%和40.92%；自0.04開始，提速后所占百分比開始大于提速前；0.04及以上脫軌系數(shù)占比提速后較提速前增加了44.02%。輪重減載率在提速前后主要集中在0.05以內(nèi)，占比分別為56.16%和27.78%；從0.15開始，提速后所占百分比開始大于提速前，輪重減載率在0.15及以上部分所占百分比提速后較提速前增加了35.91%，增幅明顯。

車體的橫向、垂向振動(dòng)加速度與乘坐舒適度密切相關(guān)。由圖8可知，提速前后的車體橫向振動(dòng)加速度主要集中在0.1 m／s2以內(nèi)，提速前后占比分別為44.40%和24.38%；橫向振動(dòng)加速度自0.5 m／s2及以上，提速前占比為13.91%，提速后為68.46%，提升了54.49%，增幅較為顯著。車體垂向振動(dòng)加速度主要集中于0.05 m／s以內(nèi)，提速前后占比分別為67.48%和65.87%；自0.2 m／s2及以上，提速前占比為16.24%，提速后為18.89%，提升了2.65%，增幅較小。

3 結(jié)論

本文選取某既有速度目標(biāo)值為350 km／h的鐵路曲線地段，采用數(shù)值模擬對(duì)列車以400 km／h運(yùn)行時(shí)的線路參數(shù)適應(yīng)性進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)列車速度提升至400 km／h后，列車的多項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)值較350 km／h時(shí)顯著增加，安全性與舒適性均有所降低，特別是當(dāng)列車由較大曲線半徑向較小曲線半徑線路運(yùn)行時(shí)。

（2）列車速度提升至400 km／h后，列車的安全性可得到保證，動(dòng)力響應(yīng)峰值均評(píng)價(jià)為安全，但是列車的舒適性指標(biāo)，特別是橫向振動(dòng)加速度在某個(gè)小段出現(xiàn)了接近限值的情況，舒適度也下降為中等水平。

（3）為提高高速鐵路線路在400 km／h速度下的適應(yīng)性，可以適當(dāng)增大曲線半徑以及夾直線長(zhǎng)度。

（4）鐵路軌道應(yīng)該加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)中的平順性控制，在曲線段、緩圓點(diǎn)等特殊地段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)，對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)性以及車內(nèi)噪聲等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，降低運(yùn)行阻力，車體本身也可以進(jìn)行進(jìn)一步的提升改造，減小整車質(zhì)量，以提升旅客乘坐的安全性與舒適度體驗(yàn)。