牛天河，連義平，王艷艷，陳小紅

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院 交通運輸學院，陜西 西安 710014）

旅游軌道目前已在國內(nèi)旅游業(yè)中得到使用，并有加速發(fā)展之勢，很多管理部門、設(shè)計部門和技術(shù)研究單位在旅游軌道設(shè)計和運行管理中也積累了一定的經(jīng)驗，但是目前國內(nèi)尚缺乏可操作性的旅游軌道技術(shù)標準用于指導旅游軌道的設(shè)計、建設(shè)和運行[1]。目前旅游軌道線路的曲線半徑、外軌超高、線路坡度等參數(shù)設(shè)計通常是基于列車運行的安全性考慮，對線路本身帶來的舒適性影響考慮較少。兼顧安全與舒適性的要求，基于靜態(tài)參數(shù)對旅游軌道線路舒適度設(shè)計出行研究[2]。

1 靜態(tài)參數(shù)對旅游軌道線路舒適度的影響分析

旅游軌道線路通常是由路基、鋼軌和橋隧建筑物等構(gòu)成，其平縱斷面特性主要通過鋼軌之間的中心線表示。其中，平面特性主要包括曲線半徑、緩和曲線長度和外軌超高等參數(shù)；縱斷面特性主要包括坡度、豎曲線半徑和豎曲線之間的夾直線長度等參數(shù)。這些參數(shù)的設(shè)計不僅受景區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，而且也是導致旅游軌道列車運行安全性和舒適性的關(guān)鍵因素。

1.1 平面靜態(tài)參數(shù)對旅游軌道線路舒適度的影響分析

旅游軌道線路設(shè)計時，為了適應地形，減少對景區(qū)環(huán)境的破壞，會在線路上設(shè)置曲線，一方面對游客的安全性和舒適性產(chǎn)生影響，另一方面也會直接影響線路建設(shè)費用。同時，為了使列車能夠安全地從直線區(qū)段過渡到曲線區(qū)段，線路建設(shè)時往往在直線和曲線之間設(shè)置一段緩和曲線[3]，當列車通過時能夠達到弱化列車過渡過程的離心加速度劇烈變化的現(xiàn)象，減小列車運行的危險性和旅客乘坐的不舒適性。

當列車通過平面曲線時，為了抵銷離心力的作用，通常在曲線地段設(shè)置外軌超高，這樣不僅可以減少輪緣與鋼軌的摩擦，也降低列車在曲線上運行過程中的脫軌風險。曲線超高設(shè)置值往往是根據(jù)設(shè)計速度和曲線半徑的數(shù)值確定的固定值，但列車在曲線地段運行時，速度一般是變化值，這樣往往使列車在曲線上運行時，有的區(qū)段超高值太大，而有的區(qū)段超高值又太小[4]。這種現(xiàn)象的存在會產(chǎn)生不均衡離心加速度，從而引起游客乘坐過程的不舒適。因此，旅游軌道線路設(shè)計時需要通過改變某些參數(shù)值來減小列車在曲線上運行時的不均衡離心力，通過對靜態(tài)參數(shù)的建模分析，發(fā)現(xiàn)平面曲線半徑與離心力存在反比的關(guān)系，因而在平面曲線設(shè)計時，應對平面曲線半徑的取值范圍在不同條件下做限制。

1.2 縱斷面靜態(tài)參數(shù)對旅游軌道線路舒適度的影響分析

相對于平面曲線，縱斷面曲線的影響參數(shù)相對單一，縱斷面的存在往往是因為地勢的高低不均衡，而縱斷面曲線的產(chǎn)生也常常是為了緩解平直線路和上(下)坡度之間的夾角，將其設(shè)置成弧度的原因?qū)е隆?/p>

當列車通過縱斷面曲線地段時，車體往往受到縱向的正(負)向心力作用，這個作用值的大小和縱斷面的曲線半徑及列車的運行速度直接相關(guān)，也是讓游客產(chǎn)生不舒適性的核心所在。因此，為了減小游客縱向的不舒適性，應對旅游軌道縱斷面曲線半徑范圍在不同條件下加以限制。

2 基于靜態(tài)參數(shù)的旅游軌道線路舒適度計算模型

旅游軌道車體在平面、縱斷面曲線上運行時，往往會產(chǎn)生向心力，當向心力的大小不足以抵銷離心力的作用時，就會對游客的舒適性產(chǎn)生影響，而且由于這個力是由列車輪對與鋼軌的相互作用產(chǎn)生的，屬于靜態(tài)的力學原理，和車體震蕩的頻率無關(guān)，因而可以采用牛頓運動力學原理對該過程進行分析[5]。列車在曲線上運動時，力的不均衡變化主要是由于平面、縱斷面曲線產(chǎn)生，而力的變化大小則是由于列車經(jīng)過曲線地段時，曲線半徑、曲線超高及曲線長度導致[6]。通過分析列車在經(jīng)過平面、縱斷面曲線上時的作用力，建立評價列車在曲線上的平、縱向舒適度計算模型，分析列車通過曲線地段時對游客舒適度的影響。

2.1 評價模型

2.1.1 平面參數(shù)評價模型

通過分析列車受力的關(guān)系，可以得到列車在旅游軌道平面曲線上運行時的離心加速度aLX為

式中：aLX為平面離心加速度，m/s2；V為列車速度， km/h；R為平面曲線半徑，m；h為外軌超高，mm；d為軌距，mm，根據(jù)《陜西省旅游軌道設(shè)計規(guī)范(試行)》規(guī)定，d = 1 000 mm；g為重力加速度，g = 9.81 m/s2。

通常，列車在旅游軌道平面曲線上運行時的橫向舒適度WHX和豎向舒適度WSX1用離心加速度的橫豎向分量來量化，可以表示為

式中：L為線路總長度，m；LH為平面曲線的長度，m。

2.1.2 縱斷面參數(shù)評價模型

通過分析列車在縱斷面曲線上的受力關(guān)系，得出列車在旅游軌道縱斷面曲線上的離心加速度aSX為

式中：aSX為縱斷面離心加速度，m/s2；RS為縱斷面曲線半徑，m。

在該離心加速度的作用下，游客產(chǎn)生的舒適性量化標準值WSX2可以表示為

式中：LS為縱斷面曲線長度，m。

根據(jù)《陜西省旅游軌道交通設(shè)計規(guī)范(試行)》規(guī)定，在不考慮列車振動對舒適性的影響，列車在旅游軌道曲線上運行的豎向舒適度WSX為

2.2 評價標準

目前，國際上對列車運行時的評價模型有很多種，由于量化值不一樣，評價標準也差異較大，歐洲鐵路聯(lián)盟(UIC)采用的是車內(nèi)旅客振動舒適性準備，國際標準組織(ISO)是通過分析振動和沖擊對人的影響標準做評價。在我國，目前對舒適性的評價主要采用《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范(GB5599-85)》和斯佩林(Sperling)評價標準[7]。

依據(jù)我國對鐵路線路的評定規(guī)范，參照振動和沖擊對人的影響評價準則(ISO2631)，建立旅游軌道綜合舒適度等級評價標準如表1所示。

表1 綜合舒適度等級評價標準Tab.1 Evaluation standard of comprehensive comfort level

3 旅游軌道靜態(tài)線路參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化

曲線半徑是引起靜態(tài)舒適度變化的主要因素，舒適度的變化往往是隨著曲線半徑的變化而變化的[8]。因此，在設(shè)計速度條件下，可以根據(jù)舒適度的值確定線路設(shè)計時的曲線半徑推薦值。

3.1 曲線半徑設(shè)計與優(yōu)化理論分析

旅游軌道列車在平面曲線線路上運行時，為了抵銷列車運行過程中的離心加速度，需要設(shè)置曲線超高h = 7.9V2/ R[4]。但是，當列車運行過程中由于速度不穩(wěn)定，常常在曲線上出現(xiàn)過超高和欠超高的狀態(tài)，這種狀態(tài)的存在往往導致列車在曲線上的安全性和平穩(wěn)性風險，根據(jù)《陜西省旅游軌道交通設(shè)計規(guī)范(試行)》規(guī)定，旅游軌道交通列車通過曲線地段時，需要合理確定曲線地段的最小半徑，既要滿足列車運行的安全性和舒適性，又要滿足景區(qū)環(huán)境和工程設(shè)計的合理性要求。

3.2 曲線半徑設(shè)計與優(yōu)化

旅游軌道列車通過曲線地段時，離心加速度會發(fā)生變化，這種變化的大小是影響旅客橫向舒適度和豎向舒適度的關(guān)鍵[8]，通過橫向舒適度的計算公式 ⑴、公式 ⑵ 可以看出，在一定的設(shè)計超高情況下，列車在曲線上的舒適性和曲線半徑存在反比例的函數(shù)關(guān)系，因而可以通過這種關(guān)系確定滿足舒適性條件的曲線半徑推薦值。

根據(jù)《陜西省旅游軌道交通設(shè)計規(guī)范(試行)》對外軌超高h = 125 mm的要求，計算出設(shè)計速度為100 km/h情況下的曲線半徑和綜合舒適度的函數(shù)關(guān)系如下。

同理，可以得出在設(shè)計速度為80 km/h，60 km/h情況下的曲線半徑和綜合舒適度的函數(shù)關(guān)系。

在不同速度模式下，綜合舒適度和曲線半徑關(guān)系圖如圖1所示。

在《陜西省旅游軌道交通設(shè)計規(guī)范(試行)》中，對不同的速度模式下的曲線半徑給定了相應的參考值，當設(shè)計速度為V = 100 km/h時，列車以該速度可以通過的曲線半徑為550 m，450 m，400 m；當設(shè)計速度為V = 80 km/h時，列車以該速度可以通過的曲線半徑為350 m，300 m，250 m；當設(shè)計速度為V = 60 km/h時，列車以該速度可以通過的曲線半徑為200 m，150 m，100 m。計算3種速度模式下的列車運行舒適度值，并通過綜合舒適度等級評價標準對舒適度進行評價，3種速度模式下曲線半徑參考值對應的舒適度值如表2所示。

圖1 綜合舒適度和曲線半徑關(guān)系圖Fig.1 Relationship between the comprehensive comfort level and the radius of the curve

由表2可知，通過不同速度模式下的曲線半徑計算出的綜合舒適度值能夠比較準確的反映該曲線半徑下的舒適度情況，該計算結(jié)果也基本符合《陜西省旅游軌道交通設(shè)計規(guī)范(試行)》規(guī)定。

3.3 曲線半徑設(shè)計區(qū)間分析

對3種不同的速度模式，計算不同舒適度等級臨界值下的曲線半徑如表3所示。

從表3可以看出，當速度為100 km/h時，為了使列車的綜合舒適度等級為1級，線路的曲線半徑設(shè)置值應該大于470.8 m；為了使列車的綜合舒適度等級為2級，線路的曲線半徑設(shè)置值應該在428.0 ～ 470.8 m之間；為了使列車的綜合舒適度等級為3級，線路的曲線半徑設(shè)置值應該在373.0 ～428.0 m之間。該線路的設(shè)置主要是為了游客的旅游出行，鑒于游客在出行過程對舒適性要求較高，因而在曲線半徑的設(shè)置過程中不建議使用綜合舒適度大于3級的曲線半徑值。速度為100 km/h時曲線半徑對應的綜合舒適度等級區(qū)間圖如圖2所示。

同理，可以得出當設(shè)計速度為80 km/h和60 km/h時，為了使游客的綜合舒適度值在取1，2，3時對應的曲線半徑取值范圍。分別對3種速度模式下的曲線半徑進行統(tǒng)計，得出在不同線路條件下的曲線半徑擬取值范圍如表4所示。

通過表對曲線半徑的取值范圍，結(jié)合《陜西省旅游軌道交通設(shè)計規(guī)范(試行)》中對曲線半徑擬取值的要求及游客在旅行過程中的舒適性要求，對比得出滿足游客舒適性的最小曲線半徑推薦值如表5所示。

表2 3種速度模式下曲線半徑參考值對應的舒適度值Tab.2 Comfort values corresponding to the reference values of the curve radius under 3 speed modes

表3 不同舒適度等級臨界值下的曲線半徑Tab.3 Curve radius under the critical value of different comfort levels

圖2 速度為100 km/h時曲線半徑對應的綜合舒適度等級區(qū)間圖Fig.2 Interval diagram of comprehensive comfort level corresponding to curve radius at 100 km/h

表4 不同線路條件下的曲線半徑擬取值范圍Tab.4 Value range of curve radius under different line conditions

表5 滿足游客舒適性的最小曲線半徑推薦值Tab.5 Minimum curve radius recommendations for tourists’ comfort

4 結(jié)束語

旅游軌道線路設(shè)計時，為了適應地形、減少對景區(qū)環(huán)境的破壞，會在線路上設(shè)置曲線，曲線的設(shè)置會對游客的安全性和舒適性產(chǎn)生影響。為減小列車運行的危險性和游客乘坐的不舒適性，通過分析舒適度與旅游軌道線路參數(shù)之間的關(guān)系，在不考慮列車運行振動的動態(tài)因素對舒適度影響的情況下，提出基于靜態(tài)因素的運行舒適性評價模型，該模型能夠較好地解決旅游軌道交通運行速度相對較低，運行過程中列車振動引起的舒適性影響較小情況下的線路靜態(tài)參數(shù)設(shè)計依據(jù)，解決靜態(tài)參數(shù)和線路舒適度之間關(guān)系的研究，為該類線路的設(shè)計與優(yōu)化提供借鑒。