康　熊，姚建偉

(中國鐵道科學(xué)研究院高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試關(guān)鍵技術(shù)和試驗(yàn)研究主要成果

康熊，姚建偉

(中國鐵道科學(xué)研究院高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

闡釋了高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的內(nèi)涵和必要性，結(jié)合我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的工程實(shí)踐，從輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、列車空氣動(dòng)力學(xué)、車-線-橋耦合等角度，對高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，對高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試驗(yàn)研究取得的主要成果進(jìn)行了系統(tǒng)性提煉和歸納，給出可供高速鐵路建設(shè)和運(yùn)用參考的相關(guān)思考和建議。

高速鐵路；系統(tǒng)試驗(yàn)；聯(lián)調(diào)聯(lián)試；輪軌關(guān)系；弓網(wǎng)關(guān)系；車-線-橋；列車空氣動(dòng)力學(xué)

1　前言

聯(lián)調(diào)聯(lián)試是高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營準(zhǔn)備的重要組成部分和必要環(huán)節(jié)，截至目前，我國已完成30多條高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試，累計(jì)里程已超過1×104km，實(shí)現(xiàn)了我國高速鐵路系統(tǒng)集成整體目標(biāo)。通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試和科學(xué)研究，一方面積累了大量寶貴的基礎(chǔ)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，另一方面解決了與高速鐵路運(yùn)行安全性和舒適性相關(guān)的一系列科學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)了理論與技術(shù)創(chuàng)新。

目前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究成果可直接應(yīng)用于后續(xù)新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試，從而進(jìn)一步提高聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試效率，提高準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地獲取和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，因此有必要對我國現(xiàn)有的聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)和試驗(yàn)研究的主要成果進(jìn)行分析和總結(jié)，而鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行這方面的系統(tǒng)分析和研究，鑒于此，本文主要圍繞高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的關(guān)鍵技術(shù)和試驗(yàn)研究的主要成果進(jìn)行提煉和歸納，以期為高速鐵路開通和安全運(yùn)營提供科學(xué)的方法和手段，提升我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)和試驗(yàn)研究水平。

2　聯(lián)調(diào)聯(lián)試的內(nèi)涵及必要性

高速鐵路是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，綜合性強(qiáng)，技術(shù)復(fù)雜，涉及工務(wù)工程、動(dòng)車組、牽引供電、通信信號(hào)、運(yùn)營調(diào)度、客運(yùn)服務(wù)等眾多子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間接口復(fù)雜又相對獨(dú)立，其設(shè)備配置必須滿足整體系統(tǒng)的功能要求[1]，所有這一切決定了在高速鐵路建設(shè)中應(yīng)進(jìn)行綜合性的大系統(tǒng)調(diào)試，即開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

聯(lián)調(diào)聯(lián)試即高速鐵路各系統(tǒng)間的綜合聯(lián)調(diào)，既含“調(diào)”，又含“試”，即調(diào)試所有的子系統(tǒng)，通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試經(jīng)由大系統(tǒng)、子系統(tǒng)間的多次反饋與調(diào)整，使各子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)完整與合理，使整體系統(tǒng)的功能達(dá)到最優(yōu)，滿足運(yùn)輸要求[1]。開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試的原因可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行闡釋。

1）實(shí)現(xiàn)高速鐵路系統(tǒng)集成整體目標(biāo)。從輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、機(jī)電耦合、列車控制等方面，檢測、調(diào)試、優(yōu)化各系統(tǒng)間的接口功能，使整體系統(tǒng)的功能達(dá)到最優(yōu)，滿足運(yùn)輸要求。通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，經(jīng)由大系統(tǒng)到子系統(tǒng)的多次檢測和調(diào)整方可認(rèn)定系統(tǒng)功能的完整性與合理性。

2）實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與固定設(shè)施的最佳匹配。通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試，使移動(dòng)設(shè)備與固定設(shè)備間得到相互磨合，綜合調(diào)試并評估高速鐵路各系統(tǒng)接口匹配功能、整體系統(tǒng)運(yùn)行性能、安全性及環(huán)境保護(hù)等，在系統(tǒng)總體目標(biāo)的協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與固定設(shè)施間的最佳匹配。

3）實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的安全性分析和指導(dǎo)缺陷整改。高速鐵路運(yùn)行速度快，因而對整體系統(tǒng)的安全性要求高，因而要通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試判別可能出現(xiàn)的故障類別和波及范圍，確定發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷和故障，指導(dǎo)相關(guān)部門進(jìn)行調(diào)整和克服缺陷，并經(jīng)過復(fù)測，確認(rèn)系統(tǒng)已完成缺陷整改，保證高速鐵路整體系統(tǒng)的安全性。

4）為運(yùn)營提供有效的技術(shù)支持。聯(lián)調(diào)聯(lián)試結(jié)果是高速鐵路工程驗(yàn)收的依據(jù)之一。通過系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行試驗(yàn)，全面綜合檢驗(yàn)高速鐵路線路、通信、信號(hào)、供電、動(dòng)車組、調(diào)度指揮、客運(yùn)服務(wù)等設(shè)施和設(shè)備以及行車組織方式等，能否滿足列車高速、高效、高密、安全、平穩(wěn)的運(yùn)行要求，為開通運(yùn)營和進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備配置、提高設(shè)備性能、制定科學(xué)合理的運(yùn)輸組織方案提供技術(shù)支持。

3　高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試關(guān)鍵技術(shù)

聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，主要包括高速輪軌關(guān)系、高速弓網(wǎng)關(guān)系及供變電系統(tǒng)性能、高速鐵路空氣動(dòng)力學(xué)、車-線-橋耦合、高速移動(dòng)無線傳輸與列車運(yùn)行控制、高速鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能、高速鐵路環(huán)境影響等，見圖1。下面將從四個(gè)方面分析高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試關(guān)鍵技術(shù)。

圖1　高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)Fig.1　Key technology of high-speed railway

3.1輪軌關(guān)系關(guān)鍵技術(shù)

輪軌關(guān)系問題與高速列車的運(yùn)行安全性和旅客乘坐舒適性密切相關(guān)，動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，與低速的情況相比，輪軌之間的動(dòng)態(tài)作用變得更加復(fù)雜，高速鐵路輪軌關(guān)系關(guān)鍵技術(shù)涉及以下幾個(gè)方面。

1）動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能。由于車輛實(shí)際運(yùn)行工況多種多樣，因此在進(jìn)行動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)測試時(shí)需考慮不同線路區(qū)段（路基、橋梁、隧道、道岔等）、不同輪軌接觸狀態(tài)和交會(huì)等工況下的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征。在測點(diǎn)布置方面，需科學(xué)合理地選擇有代表性的車輛的不同位置安裝加速度計(jì)，換裝測力輪對等。

2）“車輛-軌道”系統(tǒng)安全性評判方法。輪軌之間的相互作用將車輛和軌道耦合成為一個(gè)系統(tǒng)，怎樣選取合理的評價(jià)指標(biāo)對這個(gè)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)是高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。提出并驗(yàn)證高速區(qū)段“車輛-軌道”系統(tǒng)安全性評判的新方法至關(guān)重要。

3）高速鐵路軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路對軌道平順性提出更高要求，國外沒有專門針對350 km/h運(yùn)營速度的軌道不平順管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我國應(yīng)用于京津城際鐵路的300～350 km/h軌道不平順管理暫行標(biāo)準(zhǔn)的適用性還需進(jìn)一步驗(yàn)證[2]。為完善我國高速鐵路軌道不平順管理技術(shù)體系，指導(dǎo)300～350 km/h高速鐵路軌道的養(yǎng)護(hù)和維修，需開展最高試驗(yàn)速度350 km/h預(yù)設(shè)軌道不平順區(qū)域?qū)嵻囋囼?yàn)。

4）高速鐵路軌道不平順譜。國外軌道不平順譜和我國原有的軌道不平順譜難以描述高速鐵路軌道狀態(tài)，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中需利用軌道精調(diào)小車和綜合列車檢測得到的數(shù)據(jù)，提出高速鐵路軌道不平順譜計(jì)算方法，這對設(shè)計(jì)和建設(shè)我國高速鐵路具有重要意義。

3.2列車空氣動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)

隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車與周圍空氣的動(dòng)力作用明顯加劇，一方面氣動(dòng)力對列車本身和列車運(yùn)行產(chǎn)生作用，另一方面列車高速運(yùn)行引起的氣動(dòng)現(xiàn)象對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。

實(shí)車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)需要解決的具體問題包括：測試列車高速運(yùn)行及交會(huì)時(shí)的空氣動(dòng)力效應(yīng)對動(dòng)車組運(yùn)行安全性和車輛振動(dòng)的影響；通過測試動(dòng)車組高速通過隧道或隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的瞬變壓力和微氣壓波，評價(jià)氣壓變化環(huán)境下人體舒適性、列車氣密性、微氣壓波對周邊環(huán)境的影響程度；分析列車速度的提高以及隧道長度的增加引起的微氣壓波激化現(xiàn)象，同時(shí)，驗(yàn)證隧道斷面參數(shù)和緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置的合理性，研究不同型式緩沖結(jié)構(gòu)對瞬變壓力和微氣壓波的影響等，對高速鐵路隧道設(shè)計(jì)、運(yùn)營提出相關(guān)措施和建議。

3.3弓網(wǎng)關(guān)系關(guān)鍵技術(shù)

動(dòng)車組高速運(yùn)行情況下，采用何種型式的弓、網(wǎng)才能滿足高速列車正常取流非常重要，因此需要深入研究弓網(wǎng)關(guān)系。高速列車弓網(wǎng)關(guān)系涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面。

1）新型弓網(wǎng)系統(tǒng)受流性能。對弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力、燃弧、硬點(diǎn)、接觸線動(dòng)態(tài)高度進(jìn)行測試，并通過圖像監(jiān)視弓網(wǎng)受流驗(yàn)證不同接觸網(wǎng)張力組合的接觸網(wǎng)與不同受電弓的弓網(wǎng)適應(yīng)性和運(yùn)行安全性，從而評價(jià)不同型號(hào)受電弓和雙弓運(yùn)行工況的受流性能、不同運(yùn)行方向或不同距離的雙受電弓受流性能。

2）新型受電弓空氣動(dòng)力學(xué)性能。對不同動(dòng)車組車頂形狀受電弓在雙向運(yùn)行時(shí)受電弓導(dǎo)流裝置的位置和不同角度，分別測試受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)性能，探索高速運(yùn)行情況下動(dòng)車組受電弓導(dǎo)流裝置的位置和角度設(shè)置與受電弓空氣動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)系。

3.4“車-線-橋”耦合關(guān)鍵技術(shù)

車輛-線路-橋梁是一個(gè)相互影響、相互作用的耦合系統(tǒng)，為保證列車在橋上的運(yùn)行安全性及旅客的乘坐舒適性，系統(tǒng)評價(jià)橋梁、軌道和車輛動(dòng)力響應(yīng)的相關(guān)性，需選擇有代表性的橋梁，基于橋上軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、列車運(yùn)行狀態(tài)和橋梁受力狀態(tài)三個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1）橋梁動(dòng)力性能測試。測試橋梁自振特性和試驗(yàn)列車以各種速度通過典型橋梁時(shí)梁體的動(dòng)力響應(yīng)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下的工作狀態(tài)（包括長大橋梁等跨布置引起的豎向周期性不平順效應(yīng)），驗(yàn)證橋梁是否具有合理的豎向和橫向剛度，分析、評價(jià)試驗(yàn)列車通過橋梁時(shí)的安全性和橋梁的動(dòng)力性能。

2）車輛與橋梁耦合振動(dòng)性能測試。動(dòng)車組高速通過橋梁區(qū)段時(shí)的車體振動(dòng)會(huì)受到列車自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、線路條件、橋梁結(jié)構(gòu)等因素的影響，同時(shí)，車輛重力荷載也會(huì)通過規(guī)則排列的輪軸對橋梁產(chǎn)生周期性加載。研究動(dòng)車組高速通過橋梁時(shí)車輛與橋梁的動(dòng)力相互作用機(jī)制，從而獲得車輛與橋梁振動(dòng)耦合響應(yīng)規(guī)律至關(guān)重要。

3）簡支梁動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)。對高速鐵路簡支箱梁的實(shí)測動(dòng)力參數(shù)及動(dòng)力響應(yīng)、設(shè)計(jì)參數(shù)和車橋動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，研究簡支梁設(shè)計(jì)參數(shù)對橋梁動(dòng)力性能的影響規(guī)律及設(shè)計(jì)優(yōu)化，為我國高速鐵路橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4　聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試驗(yàn)研究取得的主要成果

4.1輪軌關(guān)系方面取得的成果

4.1.1提出了“車輛-軌道”系統(tǒng)安全性評判方法

通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試驗(yàn)研究，提出并驗(yàn)證了“車輛-軌道”系統(tǒng)安全性評判方法。

1）基于軸箱加速度的“車輛-軌道”系統(tǒng)安全性評判方法。利用譜方法和相干函數(shù)分析方法，通過挖掘軸箱垂向加速度與輪軌間垂向力波形數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系，提出了基于軸箱垂向加速度的輪軌垂向力軟測量模型[3]，并驗(yàn)證了其測量精度。

圖2給出了SY998799綜合檢測車在京滬高鐵上行線實(shí)測輪軌垂向力與軟測量模型預(yù)測得到的輪軌垂向力波形的對比結(jié)果。可見，由中高頻輪軌垂向力軟測量模型預(yù)測得到的輪軌垂向力與實(shí)測的輪軌垂向力的波形變化趨勢高度一致，幅值相當(dāng)，特別是在鋼軌接頭處吻合很好。

圖2　京滬高鐵預(yù)測輪軌垂向力與實(shí)測輪軌垂向力波形局部放大圖Fig.2　The comparison graph of predictive and testing wheel-rail vertical force

2）基于廣義能量法的“車輛-軌道”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性評判方法。從能量的角度，證明了廣義能量指標(biāo)（GEI）、軌道不平順標(biāo)準(zhǔn)差與車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差的線性相關(guān)性，提出了利用廣義能量法評判高低不平順及其敏感波長對“車輛-軌道”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，為豐富和完善軌道狀態(tài)評判體系提供了理論依據(jù)[4，5]。

圖3給出了CRH2-061C車以350 km/h速度運(yùn)行在京滬先導(dǎo)段時(shí)，車體垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差、軌道等效高低不平順單項(xiàng)GEI、等效高低不平順標(biāo)準(zhǔn)差的對比結(jié)果。由圖可知：高低不平順標(biāo)準(zhǔn)差與車體垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差不滿足一一對應(yīng)關(guān)系，而單項(xiàng)高低不平順GEI與車體垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)性較強(qiáng)，因此GEI比等效高低不平順標(biāo)準(zhǔn)差能更好地反映軌道不平順狀態(tài)。

圖3　車體垂向加速度標(biāo)準(zhǔn)差、等效單項(xiàng)GEI、等效高低不平順標(biāo)準(zhǔn)差的比較結(jié)果Fig.3　The comparison results of standard deviation of car-body vertical acceleration，equivalent single item GEI and standard deviation of equivalent vertical irregularity

4.1.2驗(yàn)證并完善了高速鐵路軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)

通過軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，驗(yàn)證并完善了高速鐵路300～350 km/h軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)，提出了高速鐵路現(xiàn)行300～350 km/h軌道動(dòng)態(tài)不平順標(biāo)準(zhǔn)修改建議，具體見文獻(xiàn)[6]。對高速鐵路無砟軌道現(xiàn)行300～350 km/h軌道靜態(tài)不平順標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，建議管理項(xiàng)目增加軌距變化率；三角坑計(jì)算基長由6.25 m修改為3.0 m；管理等級增加了經(jīng)常保養(yǎng)管理值；限速管理由200 km/h修改為250 km/h。

4.1.3獲得了高速鐵路軌道不平順譜分布特征

通過對軌道不平順實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了不同無砟軌道結(jié)構(gòu)的軌道不平順譜特征，提出了高速鐵路軌道不平順譜擬合公式，為我國高速鐵路機(jī)車車輛和線橋隧設(shè)計(jì)、計(jì)算及評估提供了重要依據(jù)。

高速鐵路軌道不平順譜分段按冪函數(shù)進(jìn)行擬合，該冪函數(shù)公式為[7]：

式（1）中，A、k為待定系數(shù)，f為空間頻率。

4.2空氣動(dòng)力學(xué)方面取得的成果

4.2.1獲得了動(dòng)車組隧道通過及隧道交會(huì)相關(guān)規(guī)律

獲得了動(dòng)車組以380 km/h速度通過隧道和以350 km/h速度在隧道內(nèi)及洞口交會(huì)時(shí)列車內(nèi)外壓力、車內(nèi)壓力的3 s變化量隨隧道長度、隧道內(nèi)位置和速度的變化規(guī)律。通過對京滬高鐵實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得的車外最大負(fù)壓臨界隧道長度與速度關(guān)系見圖4。

圖4　車外最大負(fù)壓臨界隧道長度與速度的關(guān)系Fig.4　The critical tunnel length according to vehicle exterior maximum negative pressure for different speed

通過對現(xiàn)場實(shí)測得到的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知：CRH2C動(dòng)車組隧道內(nèi)和車內(nèi)瞬變壓力3 s變化極值成比例關(guān)系，比例因子（k）與隧道長度（L）的關(guān)系式為：k=0.039 2ln(L)-0.062 3。

4.2.2獲得氣動(dòng)效應(yīng)對動(dòng)車組車體底部的影響規(guī)律

獲得了380 km/h速度下通過隧道或隧道內(nèi)交會(huì)和400 km/h速度下明線交會(huì)時(shí)車體底部設(shè)備艙內(nèi)外、裙板內(nèi)外及轉(zhuǎn)向架附近空氣壓力的分布和變化規(guī)律。

圖5為CRH380AL動(dòng)車組在不同速度下明線交會(huì)時(shí)頭尾車壓力變化對比情況，由圖5可知：400/ 400 km/h明線交會(huì)時(shí)，CRH380AL動(dòng)車組尾車的車外壓力變化比頭車增大了22%，車內(nèi)外壓差比頭車增大了8%。

圖5CRH380AL明線交會(huì)時(shí)頭尾車壓力變化對比柱狀圖Fig.5　The comparison results of pressure for the head and the tail vehicle when the CRH380AL train passing by in open air at different speed

圖6為CRH380BL以400/400 km/h明線交會(huì)時(shí)同一斷面不同測點(diǎn)壓力對比結(jié)果，可見：CRH380BL頭車車體中部裙板和側(cè)窗測點(diǎn)受交會(huì)影響較大，二者壓力變化幅值基本相當(dāng)，而車體中部底板測點(diǎn)受交會(huì)影響較??；尾車車體中部裙板受交會(huì)影響最大，底板受交會(huì)影響次之，側(cè)窗最小。

圖6　CRH380BL以400/400 km/h明線交會(huì)時(shí)同一斷面不同測點(diǎn)壓力對比圖Fig.6　The comparison results of pressure for different measuring points at the same cross section when the CRH380BL train passing by in open air at speed of 400 km/h

4.3高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)成果

4.3.1獲得了不同張力組合下弓網(wǎng)受流性能的差異

接觸網(wǎng)張力組合不同，弓網(wǎng)受流性能有所差異。圖7為京滬高鐵四種張力區(qū)段弓網(wǎng)燃弧率對比分析結(jié)果，可見，弓網(wǎng)燃弧率隨接觸網(wǎng)張力增加呈減小趨勢，弓網(wǎng)受流性能有所改善，33 kN及以上張力區(qū)段燃弧率變化不明顯，31.5 kN區(qū)段燃弧率較其他張力區(qū)段大。

圖7　四種張力區(qū)段弓網(wǎng)燃弧率對比分析(速度380 km/h)Fig.7　The comparison results of success rate for four kinds of ocs tension force

4.3.2獲得了弓網(wǎng)接觸力和空氣動(dòng)態(tài)力隨速度的變化規(guī)律

在16輛編組高速動(dòng)車組上試驗(yàn)了雙弓受流性能，獲得了弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力和受電弓不同方向運(yùn)行時(shí)空氣動(dòng)態(tài)力隨速度的變化規(guī)律。京滬高鐵獲得的DSA380型受電弓不同方向運(yùn)行時(shí)空氣動(dòng)態(tài)力隨速度的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8　空氣動(dòng)態(tài)力與速度關(guān)系Fig.8　The relationship between air dynamic force and running speed

受電弓開口方向空氣動(dòng)態(tài)力與速度關(guān)系的回歸 公 式 為 ： F=-0.092?4v2+13.128v+70.502受電弓閉口方向空氣動(dòng)態(tài)力與速度關(guān)系的回歸公式為：F=-0.735 3v2+23.63v+70.675，其中，v為速度，單位為km/h；F為空氣動(dòng)態(tài)力，單位為N。

4.4“車-線-橋耦合”方面取得的成果

4.4.1獲得了動(dòng)車組-軌道-橋梁（路基）耦合振動(dòng)規(guī)律

首次從車-線-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度，通過對高速動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更深入地揭示了動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與線、橋激勵(lì)之間的關(guān)系。應(yīng)用速度-頻率分析方法[8]，獲得了車輛振動(dòng)特征與外部激勵(lì)的耦合關(guān)系，識(shí)別了軸箱、構(gòu)架和車體振動(dòng)中隨速度變化的頻率和不隨速度變化的頻率峰值。

表1為對CRH380B-6202L動(dòng)車組在京滬先導(dǎo)段下行方向15車（此時(shí)該車位于前進(jìn)方向的第2車位）的軸箱、構(gòu)架、車體振動(dòng)特征進(jìn)行分析，識(shí)別的車輛固有振動(dòng)頻率、外部激勵(lì)波長和對應(yīng)的線路幾何特征。

表1　車輛振動(dòng)特征頻率與外部激勵(lì)波長Table1　The relationship between the main frequency of vehicle vibration and the of wavelength of external excitation

圖9、圖10為CRH380B-6202L動(dòng)車組車體固有振動(dòng)與外部激勵(lì)的耦合關(guān)系。圖中識(shí)別出影響車輛振動(dòng)的激勵(lì)主要來自軌道板、32 m簡支箱梁、百米軌、輪對滾動(dòng)，這些激勵(lì)在一定速度范圍內(nèi)會(huì)與車輛的固有特性相耦合。

圖9　車體橫向振動(dòng)與外部激勵(lì)耦合點(diǎn)Fig.9　The coupling points of car-body lateral vibration and the external excitation

圖10　車體垂向振動(dòng)與外部激勵(lì)耦合點(diǎn)Fig.10　The coupling points of car-body vertical vibration and the external excitation

4.4.2獲得了車輛與橋梁振動(dòng)耦合響應(yīng)規(guī)律

實(shí)測CRH380AL和CRH380BL動(dòng)車組以300 km/h通過淮河特大橋連續(xù)等跨布置32 m簡支梁時(shí)車體垂向、橫向加速度幅值譜圖分別見圖11、圖12。可見，動(dòng)車組通過淮河特大橋連續(xù)等跨布置32 m簡支梁時(shí)，實(shí)測橋梁豎向自振頻率在6.68～7.03 Hz，橫向墩梁一體自振頻率在2.83 Hz附近，車體垂向和橫向振動(dòng)加速度幅值譜相應(yīng)頻率附近均無明顯對應(yīng)峰值，說明梁體自振對車體振動(dòng)影響不大。

圖11　不同動(dòng)車組通過淮河特大橋32 m簡支梁時(shí)車體垂向加速度幅值譜Fig.11　Frequency spectrum of car-body vertical acceleration when different train passing 32 m simply supported beam of Huaihe bridge

圖12　不同動(dòng)車組通過淮河特大橋32 m簡支梁時(shí)車體橫向加速度幅值譜Fig.12　Frequency spectrum of car-body lateral acceleration when different train passing 32 m simply supported beam of Huaihe bridge

4.4.3獲得了梁體動(dòng)力響應(yīng)隨速度的變化規(guī)律

圖13為京滬高速鐵路32 m簡支箱梁跨中豎向加速度與行車速度關(guān)系，32 m簡支箱梁豎向加速度（20 Hz濾波后）與速度的關(guān)系為：

式(2)中，v≤420 km/h，為行車速度，km/h；avmax為豎向加速度，m/s2。

圖13　32 m簡支箱梁跨中豎向加速度與行車速度關(guān)系圖Fig.13　The relationship between the vertical acceleration of middle-span of 32 m box girder and the running speed

4.5優(yōu)化了高速鐵路整體系統(tǒng)的功能

根據(jù)軌道狀態(tài)檢測和車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能、道岔動(dòng)力性能測試結(jié)果，聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間對軌道進(jìn)行了多次調(diào)整與精調(diào)，使得軌道幾何狀態(tài)質(zhì)量不斷提升。

圖14、圖15分別為京滬高鐵棗莊西—蚌埠南（先導(dǎo)段）上行線和下行線檢測的軌道幾何偏差每千米個(gè)數(shù)、平均TQI的總體變化趨勢圖。上、下行線軌道幾何偏差個(gè)數(shù)總體呈減少趨勢，軌道質(zhì)量指數(shù)平均值保持穩(wěn)定并呈下降趨勢。

圖14　軌道幾何偏差個(gè)數(shù)變化趨勢圖Fig.14　The changing trend diagram of track geometry deviation

圖15　平均TQI變化趨勢圖Fig.15　The changing trend diagram of average TQI

5　可供高速鐵路建設(shè)和運(yùn)用參考的相關(guān)思考和建議

聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試驗(yàn)研究取得的成果，可為后續(xù)在建和新建高速鐵路項(xiàng)目提供具有參考價(jià)值的理論和工程指導(dǎo)意見，結(jié)合前述的內(nèi)容進(jìn)行簡要分析。

1）“車輛-軌道”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性評判方法方面的建議。通過對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和理論分析，提出了能夠評判車輛運(yùn)行安全性并能夠診斷軌道不平順狀態(tài)的“車輛-軌道”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性評判指標(biāo)（軸箱加速度、廣義能量指標(biāo)GEI）及評判方法。

建議采用基于軸箱垂向加速度的中高頻輪軌垂向力軟測量模型來診斷和控制輪軌垂向力大值。建議將廣義能量指標(biāo)GEI作為對軌道病害等評判的依據(jù)之一，并依據(jù)其值判斷軌道狀態(tài)對“車輛-軌道”系統(tǒng)不同動(dòng)力學(xué)特性影響的敏感波長，從而為高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修提供充分的理論和數(shù)據(jù)支撐。

2）高速鐵路軌道不平順譜建議。我國之前在研制高速列車時(shí)，多采用德國高速軌道譜，建議以后在進(jìn)行線路設(shè)計(jì)速度350 km/h高速鐵路無砟軌道用高速列車研制、理論計(jì)算和實(shí)物激振試驗(yàn)時(shí)，采用公式（1）所示的高速鐵路軌道不平順擬合函數(shù)。

3）不同速度等級下承力索和接觸線張力建議值。通過對京滬高速鐵路不同接觸網(wǎng)參數(shù)的弓網(wǎng)受流試驗(yàn)的綜合分析表明：300 km/h及以上線路宜采用全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛，承力索張力建議值為20 kN。

相同速度下，隨著接觸網(wǎng)張力增大，弓網(wǎng)受流性能有所改善，但接觸線張力增大到一定值后弓網(wǎng)受流性能變化不明顯，因此對不同速度等級的接觸性張力建議如下：300 km/h速度等級的線路，接觸線張力為28.5 kN；350 km/h速度等級的線路，接觸線張力為31.5 kN；380 km/h速度等級的線路，接觸線張力為33 kN。

4）空氣動(dòng)力學(xué)方面的建議。通過測試動(dòng)車組高速通過隧道或隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的瞬變壓力、微氣壓波等變化規(guī)律，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，完善了空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算模型和參數(shù)，為系統(tǒng)開展高速鐵路車隧耦合空氣動(dòng)力效應(yīng)研究奠定基礎(chǔ)。

通過對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明：動(dòng)車組明線交會(huì)時(shí)，頭車車體中部裙板和側(cè)窗測點(diǎn)受交會(huì)影響較大，尾車車體中部裙板受交會(huì)影響最大，因此為了提高長期服役過程中動(dòng)車組車體的抗疲勞性能和可靠性，建議對這幾個(gè)部位進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

通過高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)創(chuàng)新和工程應(yīng)用實(shí)踐[9]，全面掌握了高速鐵路工務(wù)工程、牽引供電、通信信號(hào)、高速動(dòng)車組等系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)技術(shù)，探索了高速鐵路輪軌關(guān)系、空氣動(dòng)力學(xué)、弓網(wǎng)關(guān)系和車-線-橋耦合作用的相關(guān)規(guī)律，形成高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范，完善了我國時(shí)速350 km/h高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[10]，有力推動(dòng)了我國高速鐵路技術(shù)跨入世界高速鐵路先進(jìn)國家的行列。

本文是對中國鐵道科學(xué)研究院科研團(tuán)隊(duì)取得的部分科研成果的梳理、歸納和提煉，所提出的一些探索性的規(guī)律和結(jié)論，有待于在我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試驗(yàn)研究實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

[1]康熊.鐵路試驗(yàn)檢測評估技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

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[9]王峰，姚建偉，張駿，等.高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試管理與技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[10]高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范[S]//中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).北京：中國鐵道出版社，2013.

The key technology of testing and commissioning of high-speed railway and the main testing achievements

Kang Xiong，Yao Jianwei
(National Engineering Laboratory for System Test of High-speed Railway of China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China)

The connotation and necessity of testing and commissioning of high-speed railway is explained and discussed，combined with the engineering practice of testing and commissioning in China，the key technology of testing and commissioning of high-speed railway are analyzed from the perspective of wheel/rail interaction，pantograph and ocs relation，aerodynamics of high-speed railway and train-track-bridge coupling.Then the main achievements of testing and commissioning of high-speed railway in China are concluded，and some useful suggestions are given about high-speed railway construction and operation.

high-speed railway；system test；testing and commissioning；wheel/rail interaction；pantograph and ocs relation；train-track-bridge；aerodynamics of high-speed railway

U238；N945

A

1009-1742(2015)04-0021-09

2015-01-10

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（2013B001-A-1，2013B001-A-2）

康熊，1955年出生，男，甘肅蘭州市人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事高速鐵路科學(xué)研究和系統(tǒng)試驗(yàn)等工作；E-mail：kx@rails.cn