王開云, 呂凱凱

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031)

高速鐵路線路空間線形的動力學評價指標體系研究

王開云, 呂凱凱

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031)

為了全面反映高速鐵路線路空間線形作用下的輪軌動態(tài)相互作用特征，基于車輛-軌道耦合動力學理論,綜合考慮車輛系統(tǒng)與軌道系統(tǒng)的動力響應,提出了高速鐵路線路空間線形的動力學評價指標體系研究方法.針對高速鐵路平縱斷面參數(shù),確定了變化敏感的動力學指標,并給出了具體的高速鐵路空間線形評價指標.以高速鐵路縱斷面線形評價為例,詳細介紹了該研究方法的應用與實施過程,在此基礎上,給出了高速鐵路縱斷面的參數(shù)設計建議.研究結果表明:在時速為350 km高速鐵路線路線形參數(shù)的設計過程中,豎曲線的設計原則是應盡可能采用較小的坡度及較大的豎曲線半徑,且夾坡段長度不小于300 m.

高速鐵路;線路線形;評價指標體系;平縱斷面;夾坡段長度

近十幾年來,中國和世界其它國家新建了大量的高速鐵路,對于長距離的高速鐵路工程而言,由于空間跨度廣,服役環(huán)境復雜,不同地區(qū)地形復雜多變,導致鐵路線形存在大量的平縱組合斷面.在高速行車條件下,線路線形參數(shù)對行車安全性與乘車舒適性影響顯著,因此,平縱斷面線形參數(shù)的設計需要完整的動力學評估指標體系進行評價和指導.各國學者對鐵路平縱斷面評估指標進行了大量的研究, Nejlaoui M等[1]運用行車安全性指標及運行平穩(wěn)性指標對小半徑曲線線路進行了動力學評估; Kardas-Cinal E在文獻[2]中從運行平穩(wěn)性及行車安全性角度對比分析了評定鐵道車輛乘車舒適度的關鍵指標;龍許友等[3-6]從乘坐舒適性角度對高速鐵路線路線形進行了動力學評估,并對緩和曲線及豎曲線進行了分析;翟婉明[7]提出了機車車輛與線路最佳匹配設計原理,并在文獻[8]中提出了高速鐵路線路平縱斷面設計評估方法,該評估指標體系綜合考慮了行車安全性指標、運行平穩(wěn)性指標以及軌道結構動態(tài)響應指標;王開云在文獻[9]中運用行車安全性及運行平穩(wěn)性指標對高中速客運專線和高低速客貨共線鐵路平縱斷面合理匹配進行評估,并且在文獻[10]中針對提速和高速鐵路,開展曲線軌道輪軌動態(tài)相互作用性能研究;易思蓉[11-12]研究了滿足舒適性和安全性標準的高速鐵路最小曲線半徑.

以上關于線路平縱斷面線路參數(shù)的評估中,主要從安全性及舒適性限值角度對鐵路線路進行評估,評估過程中考慮了軌道不平順因素,而因線路線形產(chǎn)生的輪軌動態(tài)相互作用未能完全體現(xiàn).

本論文在以上研究的基礎上,基于車輛-軌道耦合動力學理論[13],綜合考慮行車安全性、運行平穩(wěn)性以及軌道結構動態(tài)響應,研究了高速線路空間線形的動力學評價指標體系,以期為高速鐵路線形參數(shù)設計及其動態(tài)性能評估提供依據(jù).

1 現(xiàn)行的評價指標體系

圖1為目前高速鐵路的主要動力學評價指標體系,運用此指標體系對線路參數(shù)進行評價時,主要是在有不平順條件下,仿真計算高速列車通過不同平縱斷面時的動態(tài)響應,綜合對比不同線路條件下的動力學性能指標,給出評估建議,并對線路設計提出優(yōu)化方案.以高速列車通過如圖2所示的高速鐵路平縱斷面組合為例,說明現(xiàn)行的評價指標體系在評價線路線形設計時存在的不足.

圖2中主要的參變量說明如下:

i為豎曲線坡度;

L1、L2為坡長;

Tv為豎曲線長度;

R為平面曲線半徑;

l為平面曲線緩長;

ΔL1為豎曲線終點與平面緩和曲線起點的距離;

ΔL2為緩和曲線終點與豎曲線起點的距離;

HZ為緩直點;

ZH為直緩點;

HY為緩圓點;

YH為圓緩點.

圖1 現(xiàn)行評估指標體系Fig.1 Existing evaluation index system of high-speed railway

圖2 平縱斷面組合示意Fig.2 Schematic diagram of combined plane and profile

高速列車以350 km/h速度通過圖2所示的平縱斷面時,主要動力學性能指標的動態(tài)響應如圖3～5所示.

由圖3～5可知,各指標的最大值均遠小于規(guī)定限值.但是由于在評估過程中施加了線路不平順,各動力學性能指標主要反映了線路不平順的影響,據(jù)此無法判別線路線形參數(shù)對系統(tǒng)響應造成的影響程度,部分評估指標對線路線形參數(shù)不敏感;另外,平縱斷面組合時振動的衰減情況被不平順掩蓋,無法判斷振動是否存在疊加,事實上,線形上的振動疊加是空間線形設計時考慮的一個重要因素.

圖3 車體加速度響應Fig.3 Response of carbody acceleration

圖4 輪軌力響應Fig.4 Responses of wheel-rail force

圖5 鋼軌位移響應Fig.5 Responses of rail displacement

總體而言,目前的評估指標體系受不平順影響較大,在不同線路不平順的作用下,評估結果相差明顯,未能以線路線形為主要研究對象進行評估分析.

2 線路線形評價指標體系研究方法

針對現(xiàn)行評價指標體系中存在的不足,本文提出了高速鐵路線路空間線形的動力學評價指標體系研究方法.該方法的基本原理是車輛-軌道耦合動力學理論,實施手段是車輛-軌道耦合動力學仿真軟件TTISIM[14].

該研究方法以線路線形幾何參數(shù)為主要研究對象,不考慮線路不平順.首先,針對具體的平縱斷面空間組合線形(包括平面曲線與豎曲線要素),改變某一參數(shù),計算得到輪軌系統(tǒng)動態(tài)響應,選取對此線形參數(shù)比較敏感的動力學性能指標;然后,改變線路線形的所有幾何參數(shù),重復進行以上工作,得出對全部線路線形參數(shù)敏感的動力學指標;最后,得到高速鐵路線路空間線形動力學評價指標體系,根據(jù)此評價指標體系,給出線路線形參數(shù)設計的合理建議.具體流程如圖6所示.

需要說明的是,經(jīng)大量仿真分析發(fā)現(xiàn),圖6中系統(tǒng)各動力學指標對平面曲線線形的參數(shù)均比較敏感,因此,在平面曲線的線形評價指標體系中應綜合考慮圖6中的各動力學性能指標.而對于豎曲線,則針對不同的線形參數(shù),敏感指標各不相同.

以下運用本文提出的研究方法,詳細介紹豎曲線線形評價指標體系的分析過程,并給出線形參數(shù)的設計建議.

圖6 評價指標研究流程Fig.6 Research process of evaluation index system

3 縱斷面線路線形評價指標體系

本節(jié)運用高速鐵路空間線形評估指標體系研究方法,以豎曲線線形幾何參數(shù)為研究對象,確定對豎曲線參數(shù)敏感的動力學性能指標,建立高速鐵路縱斷面線路線形參數(shù)評價指標體系,在此基礎上,對豎曲線線形參數(shù)的設計原則提出合理建議.

高速鐵路豎曲線的主要參數(shù)包括坡度、豎曲線半徑及夾坡段長度,在研究過程中以這3個線形參數(shù)為研究對象,分別改變其數(shù)值,計算系統(tǒng)的響應.需要指出的是,高速列車通過豎曲線時,不同的豎曲線參數(shù)條件下,車體橫向加速度及輪軸橫向力數(shù)值近似為0,說明這兩個指標對豎曲線線形參數(shù)均不敏感,因此,在以下的分析中未給出這兩個指標的響應計算結果.

3.1 坡度評價指標

以豎曲線半徑為25 000 m的單一上坡為例,研究不同坡度下,動車組以350 km/h速度通過時的輪軌系統(tǒng)響應.計算結果如圖7～14所示.

圖7 不同坡度下車體垂向加速度響應Fig.7 Responses of carbody vertical acceleration for different slopes

圖8 不同坡度下輪軌垂向力響應Fig.8 Responses of wheel-rail vertical force for different slopes

圖9 不同坡度下輪軌橫向力響應Fig.9 Responses of wheel-rail lateral force for different slopes

圖10 不同坡度下脫軌系數(shù)響應Fig.10 Responses of derailment coefficient for different slopes

圖11 不同坡度下輪重減載率響應Fig.11 Responses of rate of wheel load reduction for different slopes

圖12 不同坡度下鋼軌橫向位移響應Fig.12 Responses of rail lateral displacement for different slopes

圖13 不同坡度下鋼軌垂向位移響應Fig.13 Responses of rail vertical displacement for different slopes

圖14 不同坡度下軌距動態(tài)擴大量響應Fig.14 Response of dynamic expansion of gauge with different slopes

從圖7～14可以看出,高速列車通過豎曲線時,車體垂向加速度對坡度參數(shù)不敏感,而輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移及軌距動態(tài)擴大量等指標對坡度參數(shù)敏感,故選取這些敏感指標為坡度參數(shù)的評價指標.另外,隨著坡度的增加,這些敏感指標均呈增大趨勢,因此在豎曲線設計時,應根據(jù)實際情況選擇較小的坡度.

3.2 豎曲線半徑評價指標

為了研究豎曲線半徑的評價指標,以坡度為20‰的單一上坡為例,改變其豎曲線半徑,計算動車組以350 km/h速度通過時的輪軌系統(tǒng)的響應,結果如圖15～22所示,圖中Rsh表示豎曲線半徑.

根據(jù)圖15～22的響應結果可以得出,對豎曲線半徑參數(shù)比較敏感的指標包括車體垂向加速度、輪軌垂向力、輪重減載率、鋼軌垂向位移,因此選用這些指標為豎曲線半徑的評價指標.另外,各評價指標隨豎曲線半徑的增加而降低,建議縱斷面參數(shù)設計時,應優(yōu)先選取較大的豎曲線半徑.

圖15 不同豎曲線半徑下車體垂向加速度響應Fig.15 Responses of carbody vertical acceleration for different radii of vertical curve

圖16 不同豎曲線半徑下輪軌垂向力響應Fig.16 Responses of wheel-rail vertical force for different radii of vertical curve

圖17 不同豎曲線半徑下輪軌橫向力響應Fig.17 Responses of wheel-rail lateral force for different radii of vertical curve

圖18 不同豎曲線半徑下脫軌系數(shù)響應Fig.18 Responses of derailment coefficient for different radii of vertical curve

圖19 不同豎曲線半徑下輪重減載率響應Fig.19 Responses of rate of wheel load reduction for different radii of vertical curve

圖20 不同豎曲線半徑下鋼軌橫向位移響應Fig.20 Responses of rail lateral displacement for different radii of vertical curve

圖21 不同豎曲線半徑下鋼軌垂向位移響應Fig.21 Responses of rail vertical displacement for different radii of vertical curve

圖22 不同豎曲線半徑下軌距動態(tài)擴大量響應Fig.22 Responses of dynamic expansion of gauge for different radii of vertical curve

3.3 夾坡段長度評價指標

每個豎曲線位置均存在一個坡度差,在研究兩相鄰豎曲線夾坡段長度的評價指標時,以兩個坡度差均為20‰為例,改變兩豎曲線間夾坡段長度,分別計算系統(tǒng)的響應.

圖23～30給出了動車組以350 km/h速度通過時的各指標動態(tài)響應之計算結果,圖中,L為夾坡段長度.

圖23 不同夾坡段長度下車體垂向加速度響應Fig.23 Responses of carbody vertical acceleration for different lengths of intermediate grade section

圖24 不同夾坡段長度下輪軌垂向力響應Fig.24 Responses of wheel-rail vertical force fordifferent lengths of intermediate grade section

圖25 不同夾坡段長度下輪軌橫向力響應Fig.25 Responses of wheel-rail lateral force for different lengths of intermediate grade section

圖26 不同夾坡段長度下脫軌系數(shù)響應Fig.26 Response of derailment coefficient with different lengths of intermediate grade section

圖27 不同夾坡段長度下輪重減載率響應Fig.27 Responses of rate of wheel load reduction for different lengths of intermediate grade section

圖28 不同夾坡段長度下鋼軌橫向位移響應Fig.28 Responses of rail lateral displacement for different lengths of intermediate grade section

圖23～30結果表明,僅車體垂向加速度對夾坡段長度參數(shù)較敏感,即作為夾坡段長度的評價指標.

從圖23可以得出,當高速列車通過豎曲線后,車體垂向加速度逐漸衰減,當夾坡段長度較短時,振動未完全衰減,在后一豎曲線起點產(chǎn)生的振動可能包含前一豎曲線終點產(chǎn)生的振動.

為了分析高速鐵路兩豎曲線間夾坡段長度對車體垂向加速度疊加的影響,特設定后坡度差為20‰、變化前坡度差(Δi)和夾坡段長度,計算得到了后豎曲線起點位置的加速度,圖31給出了后豎曲線起點位置的加速度隨前坡度差、夾坡段長度的變化趨勢.

圖29 不同夾坡段長度下鋼軌垂向位移響應Fig.29 Responses of rail vertical displacement for different lengths of intermediate grade section

圖30 不同夾坡段長度下軌距動態(tài)擴大量響應Fig.30 Responses of dynamic expansion of gauge for different lengths of intermediate grade section

圖31 不同夾坡段長度下的車體垂向加速度Fig.31 Carbody vertical acceleration withdifferent length of intermediate grade section

從圖31中可以得出,隨著夾坡段長度的增加,車體垂向加速度幅值逐漸減小,當夾坡段長度為300 m后基本保持不變.因此,高速鐵路豎曲線間夾坡段長度為300 m左右時,能使上一豎曲線產(chǎn)生的車體垂向加速度得到充分衰減,不與下一豎曲線產(chǎn)生的車體垂向加速度發(fā)生疊加.因此,對于設計時速為350 km的高速鐵路,夾坡段長度應不小于300 m.

綜上所述,運用高速鐵路線路空間線形的動力學評價指標研究方法,針對高速鐵路豎曲線線形,給出了動力學評估指標體系,如表1所示,同時表1給出了高速鐵路豎曲線線形參數(shù)設計的建議.

表1 豎曲線線形評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of profile alignment

4 結束語

基于車輛-軌道耦合動力學理論,提出了高速鐵路線路空間線形的動力學評估指標體系研究方法.以高速鐵路線路線形參數(shù)為研究對象,確定對其敏感的動力學性能指標,并分別建立了平面曲線和豎曲線的評價指標體系.

在高速鐵路線路線形設計之初,建議對線路線形參數(shù)進行動力學評價,以達到最優(yōu)設計的目的.

本文建立的高速鐵路線路線形評價指標體系主要考慮了系統(tǒng)響應的時域特性,后續(xù)還應從系統(tǒng)動力學響應的頻譜特性方面開展相關研究.

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王開云(1974—),博士,2000年起至今任職于西南交通大學,現(xiàn)為牽引動力國家重點實驗室研究員,副主任,博士生導師,四川省學術技術帶頭人.主要研究方向為現(xiàn)代軌道交通列車與線路動態(tài)相互作用、重載鐵路工程動力學理論與運營安全技術.承擔和參與國家級、省部級和企業(yè)委托課題50余項.先后獲得了教育部科技進步一等獎(排名第7)、四川省科技進步一等獎(排名第3)、國家科技進步一等獎(排名第3)和國家科技進步二等獎(排名第9)各1項,個人還獲得了中國青年科技獎、詹天佑鐵道科學技術獎(青年獎)、茅以升科學技術獎)鐵道科學技術獎).主要的社會兼職有四川省振動工程學會理事、中國交通運輸協(xié)會青年科技工作者工作委員會副秘書長.

E-mail: kywang@swjtu.edu.cn

呂凱凱(1990—),現(xiàn)為牽引動力國家重點實驗室碩士研究生.研究方向為現(xiàn)代鐵道交通車輛與軌道耦合動態(tài)相互作用.承擔和參與國家級、省部級和企業(yè)委托課題10余項.個人獲“第十一屆全國交通運輸領域青年學術會議”優(yōu)秀論文獎、“四川省振動工程學會2015年學術會議”優(yōu)秀論文獎.

E-mail: Lvkais@163.com

(中文編輯:秦 瑜 英文編輯:蘭俊思)

Dynamic Evaluation Index System for Spatial Alignment of High-Speed Railway

WANGKaiyun,LüKaikai

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To study overall characteristics of the wheel-rail dynamic interaction in the spatial alignment of high-speed railways, a method for researching the dynamic evaluation index system for spatial alignment of high-speed railways was proposed based on vehicle-track coupled dynamics theory, in which dynamic responses of the vehicle system and track system were taken into consideration comprehensively. Using high-speed railway plane and profile parameters, sensitive dynamic indicators of track alignment were determined and the evaluation indexes of track alignment were established. Taking the evaluation for profile alignment of high-speed railway as an example, the application and implementation of the proposed method was introduced in detail, and some suggestions were further put forward for the parameter design of high-speed railway profile alignment. The result shows that, in the design process of railway alignment with a speed of 350 km/h, smaller slope and larger vertical curve radius should be adopted as the priority principle, and the length of intermediate grade section should be not less than 300 m.

high-speed railway; track alignment; evaluation index system; plane and profile; length of intermediate grade section

2015-11-02

國家973計劃資助項目(2013CB036206); 中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃資助項目(2014G010-H)

王開云,呂凱凱. 高速鐵路線路空間線形的動力學評價指標體系研究[J]. 西南交通大學學報,2016,51(2): 227-235.

0258-2724(2016)02-0227-09

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.002

U260.13

A