鄭賀民

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

1.1 研究背景及意義

隨著高速鐵路運(yùn)營速度的不斷提高，線路幾何線形引起的系統(tǒng)響應(yīng)顯著增強(qiáng)，線路幾何條件與旅客乘坐舒適度之間的關(guān)系更加密切。傳統(tǒng)線路參數(shù)研究方法不能通過對(duì)列車輪軌動(dòng)態(tài)安全指標(biāo)和平順性指標(biāo)的曲線進(jìn)行跟蹤分析，不能分析評(píng)估平、縱斷面線形匹配效果以及曲線相連時(shí)的相互影響。

我國在制定高速鐵路規(guī)范時(shí)，借鑒了國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出了較高的線形標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)和建造了高標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路。隨著設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的逐年積累和設(shè)計(jì)水平的提高，如何在保證安全性和舒適性的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同速度等級(jí)的高速鐵路，選擇更加經(jīng)濟(jì)適用的線路參數(shù)仍然是一個(gè)需要不斷探討的問題。

本文研究采用動(dòng)力仿真分析方法，首先對(duì)高速鐵路線路關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，提出線路平縱斷面關(guān)鍵參數(shù)推薦取值。其次對(duì)京沈高鐵試驗(yàn)段線路條件進(jìn)行動(dòng)力分析及評(píng)估。本研究成果可為高速鐵路線路參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定提供參考。開展的京沈高鐵試驗(yàn)段線路方案動(dòng)力仿真分析可為其他項(xiàng)目線路設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有益借鑒。

1.2 研究現(xiàn)狀

近年來，高速鐵路線路線形引起的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題，逐漸引起國內(nèi)外研究及設(shè)計(jì)單位的重視，并開展了一定的研究。國外的研究主要是線路曲線某一問題上的探討，未對(duì)線路線形引起的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行深入研究。國內(nèi)研究中，翟婉明[1-3]和王開云[4-5]基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，分析高中速和高低速匹配通過平縱斷面時(shí)的輪軌動(dòng)力相互作用性能，針對(duì)局部路段進(jìn)行了行車安全性與舒適性分析與評(píng)估;龍?jiān)S友等建立較為完善的車線動(dòng)力相互作用分析模型，從理論上分析線形對(duì)車線系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響[6-7];宣言等利用ABAUQUS軟件建立車線耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，綜合分析不同曲線半徑和超高、不同車速等因素對(duì)行車安全性和舒適性及軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響[8];何華武等通過研究國內(nèi)外既有線提速相關(guān)技術(shù)，提出了適應(yīng)我國旅客列車運(yùn)行速度200 km/h、貨物列車運(yùn)行速度120 km/h和25 t軸重雙層集裝箱運(yùn)輸?shù)募扔锌拓浌簿€鐵路改造工程的線路平縱斷面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[9];鐵三院開展高速鐵路線路引起的乘坐舒適度問題研究，在此基礎(chǔ)上研究線形參數(shù)的合理取值以及線路方案評(píng)價(jià)問題，并應(yīng)用于相關(guān)規(guī)范編制及工程設(shè)計(jì)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。但理論結(jié)合工程應(yīng)用的系統(tǒng)研究相對(duì)較少，針對(duì)長大線路全程線路評(píng)估及優(yōu)化研究則相對(duì)較少，對(duì)線下結(jié)構(gòu)剛度的影響考慮的較少，大都針對(duì)具體的工況條件或者具體的路段進(jìn)行，而鐵路設(shè)計(jì)單位牽頭的關(guān)于高速鐵路線形動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的系統(tǒng)研究則更少。

1.3 研究?jī)?nèi)容

結(jié)合實(shí)際工程，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[10-11]研究線路平縱斷面關(guān)鍵參數(shù)的合理取值。同時(shí)針對(duì)京沈高鐵開展更高速度綜合試驗(yàn)的要求，開展線路線形方案動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)與優(yōu)化研究。主要研究?jī)?nèi)容包括:利用SIMPACK軟件建立高速鐵路車輛-線路動(dòng)力分析模型，對(duì)高速鐵路線路平縱斷面關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，提出線路平縱斷面關(guān)鍵參數(shù)的推薦取值，對(duì)京沈高鐵試驗(yàn)段線路條件進(jìn)行動(dòng)力分析及評(píng)估，并給出優(yōu)化方案。

2 線路動(dòng)力學(xué)分析方法

2.1 動(dòng)力學(xué)分析軟件及建模

利用SIMPACK軟件，針對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)除了可以描述、提前預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能之外，還可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中零部件的加速度、位移等以及每個(gè)部分的振動(dòng)特性、受力狀況進(jìn)行分析[12]。本文所建立的車輛-線路模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛-線路模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過把車輛模型、軌道模型及輪軌接觸模型這三種模型經(jīng)過名義力計(jì)算，使模型達(dá)到預(yù)計(jì)的荷載平衡狀態(tài)。最終建立車線動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 車軌耦合動(dòng)力學(xué)模型

2.2 模型驗(yàn)證

與京津城際測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比采用2010年4月28日對(duì)京津城際下行線運(yùn)營的CRH3型車實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。車體橫向和垂向加速度的對(duì)比如圖3和圖4所示。從圖3、圖4可以看出，無論是加速度大小，還是變化趨勢(shì)均有很好的一致性。

圖3 車體橫向加速度對(duì)比

圖4 車體垂向加速度對(duì)比

3 線路平縱斷面參數(shù)動(dòng)力分析

3.1 高速鐵路平面參數(shù)動(dòng)力分析

3.1.1 平面圓曲線最小半徑

曲線半徑與欠過超高容許值、最大超高密切相關(guān)。

由圖5可以看出，當(dāng)曲線半徑大于7 000 m時(shí)，車體橫向加速度振動(dòng)水平明顯降低，隨半徑的增大，舒適度改善明顯。由圖6可以看出，當(dāng)曲線半徑小于5 000 m時(shí)，車體橫向振動(dòng)水平顯著惡化。因此，時(shí)速350 km一般條件下，曲線半徑應(yīng)大于7 000 m，困難條件下，不應(yīng)小于5 000 m，仿真分析結(jié)果和表1常規(guī)方法計(jì)算值吻合，可以略低于規(guī)范要求。

圖5 圓曲線半徑對(duì)橫向加速度峰值影響(350 km/h)

圖6 圓曲線半徑對(duì)橫向加速度有效值影響(350 km/h)

3.1.2 圓曲線最小長度

設(shè)置100 m，0.4v，0.6v(v為列車運(yùn)行速度)長圓曲線，無軌道不平順，分別計(jì)算車輛橫向加速度和垂向加速度變化情況，圓曲線上車體振動(dòng)衰減情況如圖7、圖8所示。

綜合車體橫向加速度與垂向加速度的情況，建議圓曲線最小長度一般條件取0.6v、困難條件取0.4v，與TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中一般條件0.8v、困難條件0.6v的要求相比，建議值的要求有所放寬。

圖7 車體橫向加速度衰減情況(350 km/h)

圖8 車體垂向加速度衰減情況(350 km/h)

3.1.3 夾直線最小長度

實(shí)際列車運(yùn)營中，在曲線間設(shè)置一段夾直線有利于提高反向曲線橫向阻力，從而減少軌道病害，設(shè)置夾直線后，為了避免側(cè)滾角速度變化太過頻繁，最小夾直線長度需滿足一定的要求。

綜合動(dòng)力學(xué)仿真的結(jié)果和軌道的實(shí)際條件，提出在困難條件下反向曲線可不設(shè)置夾直線，對(duì)于一般條件夾直線長度≥0.4v。

同向曲線間夾直線曲線后車體側(cè)滾角速度發(fā)生突變，車體側(cè)滾角速度對(duì)乘客舒適度有不利的影響，設(shè)置一定長度夾直線對(duì)舒適性的提高有利。

建議同向曲線間最小夾直線長度可設(shè)置為0.4v，和TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》所要求的在一般條件下為0.8v，困難條件下為0.6v相比，放寬了相關(guān)要求。

3.2 高速鐵路縱斷面參數(shù)動(dòng)力分析

3.2.1 豎曲線半徑

豎曲線在起始點(diǎn)和終點(diǎn)處振動(dòng)響應(yīng)最大，響應(yīng)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)迅速衰減，如圖9所示;當(dāng)豎曲線半徑越大時(shí)起終點(diǎn)處振動(dòng)響應(yīng)越小，如圖10所示。

圖9 通過豎曲線時(shí)車體振動(dòng)響應(yīng)情況

一般來說，對(duì)于250～350 km/h的運(yùn)行速度，豎曲線最小半徑采用表2所述推薦值是合適的。

圖10 車體振動(dòng)衰減情況

3.2.2 最小坡段長度

經(jīng)動(dòng)力仿真分析，以坡度差為20‰的不同夾坡段長度下車體垂向加速度情況為例:在坡段代數(shù)差相同的情況下，車體垂向加速度幅值與夾坡段長度成反比，隨著夾坡長度的增加，車體垂向加速度幅值逐漸減小，如圖11(a)所示。不同坡度代數(shù)差條件下規(guī)律相似，夾坡長最小可取0.4v，與TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》基本一致， 如圖11(b)所示。

表2 豎曲線最小半徑推薦值

圖11 車體垂向加速度衰減分析

4 京沈高鐵試驗(yàn)段線路方案動(dòng)力學(xué)分析

4.1 京沈高鐵試驗(yàn)段概況

京沈高鐵線路[13]自北京星火站始，經(jīng)河北省承德市，遼寧省朝陽市、阜新市、錦州市，到達(dá)遼寧省沈陽市，全長696.764 km，設(shè)車站20座。設(shè)計(jì)速度350 km/h。

高速綜合試驗(yàn)段范圍為京沈高鐵DK417+000(朝陽北站)～DK676+000(古城子站)，線路長度255.025 km。平面最小曲線半徑為8000 m，最大半徑為12 000 m。

4.2 動(dòng)力分析及評(píng)估

CRH380高速列車以時(shí)速350 km以及時(shí)速400 km通過綜合試驗(yàn)段線路時(shí)，車輛的安全性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。除半徑8 000 m曲線地段時(shí)速400 km通過時(shí)車體橫向加速度最大值達(dá)0.15g超出0.1g限值要求，如圖12所示，其他地段以時(shí)速350 km以及時(shí)速400 km通過時(shí)，均能滿足乘坐舒適性指標(biāo)要求。

平面曲線半徑、超高的設(shè)置對(duì)列車通過性能影響較大，尤其是超高應(yīng)與速度目標(biāo)值相匹配。

縱斷面坡度、坡段長度與豎曲線半徑等線形參數(shù)對(duì)速度目標(biāo)值不敏感。

與350 km/h的速度相比，當(dāng)CRH380高速列車以400 km/h通過該區(qū)段線路時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)出現(xiàn)較大值頻次均有所提高。

將8 000 m半徑曲線設(shè)計(jì)超高由120 mm提高到170 mm。CRH380高速列車以400 km/h通過時(shí)，車體橫向加速度、車體垂向加速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率以及輪軸橫向力等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)能極大改善，見圖13。線路條件改善后400 km/h速度運(yùn)行的車線動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)與改善前350 km/h速度條件下基本相當(dāng)。

圖13 400 km/h線路條件改善前后各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

5 線路平縱斷面參數(shù)建議

本研究采用動(dòng)力仿真手段，對(duì)高速鐵路線路關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，提出相關(guān)參數(shù)的推薦取值。同時(shí)，針對(duì)京沈高鐵試驗(yàn)段開展400 km/h速度綜合試驗(yàn)，對(duì)線路方案的安全性和舒適性進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)仿真結(jié)果提出了改進(jìn)措施。研究得到如下主要平縱斷面參數(shù)。

5.1 高速鐵路線路平面參數(shù)

(1) 推薦平面圓曲線最小半徑推薦值見表3，分析值與TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》一致。

表3 最小曲線半徑推薦值 m

(2)建議圓曲線最小長度一般條件取0.6v、困難條件取0.4v，與高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中一般條件0.8v、困難條件0.6v的要求相比，建議值的要求有所放寬。

(3) 建議困難條件下反向曲線可不設(shè)夾直線，一般條件下夾直線長度不小于0.4v。建議同向曲線間最小夾直線長度可按0.4v要求設(shè)置，與高速鐵路規(guī)范中要求的一般條件下0.8v，困難條件下0.6v相比，要求有所放寬。

5.2 高速鐵路線路縱斷面參數(shù)

(1) 最小豎曲線半徑推薦值見表4，其中動(dòng)力仿真分析建議300 km/h最小豎曲線半徑20 000 m，較《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的25 000 m有所放寬;250 km/h最小豎曲線半徑15 000 m，較《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》20 000 m有所放寬。

表4 不同速度目標(biāo)值最小豎曲線半徑推薦值 m

(2)由于CRH380A或中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組牽引性能的提升，大坡度條件下的坡段最大長度有較大放寬空間，建議設(shè)計(jì)中根據(jù)擬采用的動(dòng)車組類型進(jìn)行相關(guān)檢算，充分發(fā)揮動(dòng)車組的牽引性能，降低工程投資。

(3)最小坡段長度建議按夾坡段長度不小于0.4v控制。

5.3 京沈高鐵試驗(yàn)段線路方案動(dòng)力學(xué)分析

(1)CRH380高速列車以速度350 km/h以及400 km/h通過該區(qū)段線路時(shí)，車輛的安全性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。除半徑8 000 m曲線地段以速度400 km/h通過時(shí)車體橫向加速度最大值達(dá)0.15g超出0.1g限值要求，其他地段以速度350 km/h以及400 km/h通過時(shí)，均能滿足乘坐舒適性指標(biāo)要求。

(2)8 000 m半徑曲線設(shè)計(jì)超高由120 mm提高到170 mm，CRH380高速列車以400 km/h速度通過時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)能極大改善。線路條件改善后400 km/h速度運(yùn)行的車線動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)與改善前350 km/h速度條件下基本相當(dāng)。

6 研究結(jié)論

本研究采用動(dòng)力仿真分析方法對(duì)高速鐵路參數(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)高速鐵路線路關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，提出線路圓曲線最小長度、反向曲線夾直線最小長度、豎曲線最小半徑關(guān)鍵參數(shù)合理取值，可有效減少工程建設(shè)投入。通過對(duì)京沈高鐵試驗(yàn)段開展更高速度綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)線路線形方案開展動(dòng)力學(xué)分析及評(píng)估，提出通過增加8 000 m曲線半徑超高的方法提高400 km/h速度列車舒適度。本研究成果可為高速鐵路線路參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定提供參考;提出京沈高鐵線路方案的動(dòng)力仿真可為其他項(xiàng)目線路設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有益借鑒。