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        高速鐵路豎曲線參數(shù)取值與動(dòng)力學(xué)分析

        2019-06-03 08:36:56劉陽(yáng)光
        鐵道建筑 2019年5期
        關(guān)鍵詞:縱坡車(chē)體起點(diǎn)

        劉陽(yáng)光

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)

        1 動(dòng)力學(xué)模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)

        仿真車(chē)輛模型基本參數(shù)采用CHR300動(dòng)車(chē)組的結(jié)構(gòu)參數(shù),車(chē)輛簡(jiǎn)化為由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)組成的剛體系統(tǒng),每個(gè)剛體考慮沉浮、橫擺、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭5個(gè)自由度,剛體之間的各種懸掛和減振裝置通過(guò)彈簧和阻尼器模擬[7]。軌道結(jié)構(gòu)模型模擬板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),鋼軌可看作連續(xù)彈性點(diǎn)支承上的無(wú)限長(zhǎng)Euler梁,軌道板的垂向振動(dòng)按彈性地基上的等厚度矩形薄板考慮,橫向振動(dòng)看作剛體運(yùn)動(dòng)。線路模型中將線路分為平面和縱斷面2個(gè)獨(dú)立的模塊,應(yīng)用這2個(gè)獨(dú)立的模塊可方便快速地組建所需要的線形。將德國(guó)高速鐵路低干擾譜作為軌道不平順的激勵(lì)源[8]。輪軌接觸關(guān)系模型采用CHR300動(dòng)車(chē)組的LMA磨耗型車(chē)輪踏面和CHN60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌。

        2 仿真工況

        本文主要研究車(chē)輛在不同的運(yùn)行速度、豎曲線半徑以及縱坡坡度下通過(guò)豎曲線起點(diǎn)時(shí)引起的車(chē)體振動(dòng)以及隨后的振動(dòng)衰減時(shí)間。楊久川等對(duì)豎曲線凹凸性的研究表明,凹型豎曲線的各動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)比凸型豎曲線偏大[1],故本文僅選擇凹型豎曲線進(jìn)行分析。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范,選取高速列車(chē)仿真運(yùn)行速度V、豎曲線半徑以及縱坡坡度,見(jiàn)表1。

        表1 仿真工況

        3 車(chē)體垂向振動(dòng)加速度仿真結(jié)果分析

        根據(jù)GB 5599—85《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》,采用以下指標(biāo)評(píng)價(jià)列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能:列車(chē)的安全性采用脫軌系數(shù)和輪重減載率評(píng)價(jià),列車(chē)的平穩(wěn)性采用車(chē)體橫向和垂向加速度評(píng)價(jià),輪軌之間的動(dòng)力作用采用輪軌橫向力和輪軌垂向力進(jìn)行評(píng)價(jià)。但從實(shí)際仿真的結(jié)果上看,當(dāng)車(chē)輛通過(guò)豎曲線起點(diǎn)時(shí),只有車(chē)體垂向加速度指標(biāo)隨不同的仿真工況發(fā)生較明顯變化,而其他指標(biāo)并沒(méi)有顯著變化,故本文選取車(chē)體垂向加速度作為分析指標(biāo)。

        3.1 車(chē)體垂向振動(dòng)加速度規(guī)律

        在不同仿真工況下,由豎曲線起點(diǎn)引起的車(chē)體垂向振動(dòng)加速度見(jiàn)圖1。

        圖1 不同速度下車(chē)體通過(guò)豎曲線起點(diǎn)時(shí)的垂向加速度

        由圖1可以看出,當(dāng)行車(chē)速度一定時(shí),列車(chē)通過(guò)豎曲線的起點(diǎn)時(shí),豎曲線半徑越小,車(chē)體垂向振動(dòng)加速度越大。縱坡坡度對(duì)車(chē)體垂向振動(dòng)加速度沒(méi)有顯著影響,幾乎重合為一條曲線。在不同運(yùn)行速度、不同縱坡坡度下的車(chē)體垂向振動(dòng)加速度的最大差值見(jiàn)表2,可知縱坡坡度對(duì)垂向振動(dòng)加速度影響程度微小。

        表2 車(chē)體垂向振動(dòng)加速度與縱坡坡度的關(guān)系

        由圖1還可以看出,隨著豎曲線半徑的增大,車(chē)體垂向振動(dòng)加速度顯著減小。進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算,得到車(chē)體垂向振動(dòng)加速度與豎曲線半徑的關(guān)系為二次函數(shù)關(guān)系。表3給出了不同速度下的車(chē)體垂向振動(dòng)加速度與豎曲線半徑的函數(shù)關(guān)系式及其對(duì)應(yīng)的擬合程度。

        表3 車(chē)體垂向振動(dòng)加速度與豎曲線半徑的關(guān)系

        3.2 最小豎曲線半徑計(jì)算

        根據(jù)文獻(xiàn)[9],滿足舒適度要求的加速度極限為0.5 m/s2,因此,當(dāng)高速列車(chē)通過(guò)豎曲線起點(diǎn)時(shí)車(chē)體垂向振動(dòng)加速度應(yīng)小于該加速度。利用表3的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算得到不同速度下的最小豎曲線半徑及推薦值,見(jiàn)表4。

        表4 不同速度下最小豎曲線半徑及推薦值 m

        4 車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間仿真結(jié)果分析

        本文以車(chē)輛在豎曲線起點(diǎn)處產(chǎn)生振動(dòng)加速度突變的時(shí)刻作為起始時(shí)刻,以振動(dòng)加速度衰減至與車(chē)輛在直線部分運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)加速度相同的時(shí)刻為終止時(shí)刻,起始時(shí)刻與終止時(shí)刻的差值即為由豎曲線起點(diǎn)引起的車(chē)體垂向振動(dòng)的衰減時(shí)間。

        4.1 車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間規(guī)律

        在不同仿真條件下,由豎曲線起點(diǎn)引起的車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間見(jiàn)圖2。

        從圖2可以看出,當(dāng)列車(chē)通過(guò)豎曲線起點(diǎn)時(shí),車(chē)體的垂向振動(dòng)衰減時(shí)間與縱坡坡度、豎曲線半徑以及速度的關(guān)系不明顯,基本都在某個(gè)值附近波動(dòng),且波動(dòng)的范圍不大。進(jìn)一步對(duì)仿真計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出車(chē)體振動(dòng)衰減時(shí)間數(shù)據(jù)源服從正態(tài)分布,并且得到在不同運(yùn)行速度下車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間的統(tǒng)計(jì)特征值,見(jiàn)表5。可知,因?yàn)閿?shù)據(jù)源服從正態(tài)分布,所以縱坡坡度、豎曲線半徑以及行車(chē)速度對(duì)車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間的影響不大,而其他外部的隨機(jī)因素對(duì)其有影響,如軌道的不平順性等。

        圖2 豎曲線起點(diǎn)引起的車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間

        表5 不同速度下車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間統(tǒng)計(jì)特征值

        s

        4.2 豎曲線最小長(zhǎng)度計(jì)算

        為避免列車(chē)連續(xù)通過(guò)豎曲線起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)疊加影響列車(chē)安全性及乘坐舒適性,豎曲線最小長(zhǎng)度應(yīng)大于由豎曲線起點(diǎn)引起的車(chē)體振動(dòng)的衰減距離。根據(jù)振動(dòng)不疊加原理,車(chē)體振動(dòng)衰減距離L為

        式中:T為振動(dòng)衰減時(shí)間。

        將表5的數(shù)據(jù)代入上式并保留2位小數(shù),得到在各速度下通過(guò)豎曲線起點(diǎn)時(shí)車(chē)體的最小振動(dòng)衰減距離,見(jiàn)表6。進(jìn)一步根據(jù)計(jì)算得到的最小振動(dòng)衰減距離,初步擬定各速度下豎曲線的最小長(zhǎng)度,見(jiàn)表7。

        表6 不同速度下最小振動(dòng)衰減距離 m

        表7 不同速度下豎曲線最小長(zhǎng)度 m

        5 結(jié)論

        1)速度一定時(shí),豎曲線起點(diǎn)引起的車(chē)體垂向加速度隨豎曲線半徑增大而減小,縱坡坡度對(duì)其影響不大。

        2)為了滿足行車(chē)的安全性和旅客的舒適性,列車(chē)速度250,300,350 km/h分別對(duì)應(yīng)的最小豎曲線半徑推薦值為14,21,29 km。

        3)豎曲線起點(diǎn)引起的車(chē)體垂向振動(dòng)衰減時(shí)間的波動(dòng)與外部隨機(jī)環(huán)境因素有關(guān),與豎曲線半徑、縱坡坡度和行車(chē)速度均無(wú)關(guān)。

        4)為了避免列車(chē)通過(guò)豎曲線時(shí)垂向產(chǎn)生振動(dòng)疊加,當(dāng)速度為250 km/h時(shí),豎曲線的最小長(zhǎng)度應(yīng)不小于80 m,在線路條件較好時(shí)應(yīng)不小于90 m;當(dāng)速度為300 km/h時(shí),豎曲線的最小長(zhǎng)度應(yīng)不小于100 m,在線路條件較好時(shí)應(yīng)不小于110 m;當(dāng)速度為350 km/h時(shí),豎曲線的最小長(zhǎng)度應(yīng)不小于 110 m,在線路條件較好時(shí)應(yīng)不小于120 m。

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