CRH3型動(dòng)車組動(dòng)態(tài)限界設(shè)計(jì)技術(shù)研究

景建輝，呂鳳梅，邵楠，石俊杰

(中國(guó)北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

2005年底，西門子交通技術(shù)集團(tuán)以提供樣車和技術(shù)轉(zhuǎn)讓形式，開(kāi)始與中國(guó)北車集團(tuán)唐山機(jī)車車輛廠合作制造60列CRH3C型動(dòng)車組，從2008年8月1日CRH3型動(dòng)車組正式在京津線正式運(yùn)營(yíng)至今，以CRH3型動(dòng)車組為平臺(tái)設(shè)計(jì)制造的動(dòng)車組已有120列8輛短編，100多列16輛長(zhǎng)編下線運(yùn)營(yíng).與此同時(shí)，在引進(jìn)消化吸收CRH3型動(dòng)車組各項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)過(guò)程中，西門子的限界設(shè)計(jì)和工程技術(shù)逐漸被認(rèn)識(shí)和掌握.為了最大程度上利用限界空間，達(dá)到提高車輛運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的兩大目標(biāo)，本文以CRH3C動(dòng)車組的限界設(shè)計(jì)為例，對(duì)相關(guān)的限界依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算模擬方法和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，指出各種限界計(jì)算方法的特點(diǎn).計(jì)算結(jié)果證明，側(cè)風(fēng)大小對(duì)動(dòng)車組的橫向位移量其主導(dǎo)作用，試驗(yàn)結(jié)果證明動(dòng)車組運(yùn)行速度對(duì)橫向位移量沒(méi)有明顯影響.

1 限界標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法

鐵路限界由機(jī)車車輛限界和建筑限界共同組成，兩者相互制約與依存［1］，車輛動(dòng)態(tài)限界計(jì)算不僅是車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是安全行車的重要保障［2］.鐵路最初是以結(jié)構(gòu)限界來(lái)校驗(yàn)機(jī)車車輛輪廓的，然后發(fā)展到考慮車體和線路的誤差、靜態(tài)變形和磨耗的靜態(tài)限界，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮懸掛的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)振動(dòng)變形，得到車輛的動(dòng)態(tài)限界(亦稱“動(dòng)態(tài)包絡(luò)線”).

1.1 限界標(biāo)準(zhǔn)

世界各國(guó)鐵路基于其歷史原因、運(yùn)營(yíng)情況、管理方法等各方面的差別，裕留空間所包含的內(nèi)容及取值不盡相同.關(guān)于裕留空間的設(shè)置，基本有兩種情況，一種是具有各種技術(shù)狀態(tài)的機(jī)車車輛和鐵路線路，在運(yùn)營(yíng)中可能發(fā)作的垂直方向和水平方向位移，除在曲線上的車寬縮減以外，大部分均在裕留空間內(nèi)考慮.中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、日本等多數(shù)國(guó)家，均屬這一類型.另一種是歐洲鐵路聯(lián)盟(UIC)所使用的鐵路限界《UIC505－1－2003鐵路運(yùn)輸車輛——機(jī)車車輛限界(Railway transport stock-Rolling stock construction gauge)》(以下簡(jiǎn)稱“UIC505”)［3］，其裕留空間比較小，由各成員路自定.在UIC505中，給定各成員國(guó)均認(rèn)可的基準(zhǔn)輪廓線，并根據(jù)機(jī)車車輛可能發(fā)生的、具有各種特性的水平方向位移，縮小或擴(kuò)大基準(zhǔn)輪廓線，從而得到機(jī)車車輛制造限界、靜態(tài)限界、動(dòng)態(tài)限界.UIC505雖可在較大程度上利用裕留空間，但在機(jī)車車輛設(shè)計(jì)時(shí)需作較繁雜計(jì)算.同時(shí)，實(shí)施這種限界需符合機(jī)務(wù)、工務(wù)所規(guī)定的管理規(guī)則.

對(duì)我國(guó)的既有鐵路而言，既有線普通客車需滿足《GB146.1－1983標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》［4］(以下簡(jiǎn)稱“GB146.1”)標(biāo)準(zhǔn)要求，高速鐵路需要滿足《客運(yùn)專線機(jī)車車輛限界暫行規(guī)定》(以下簡(jiǎn)稱“暫規(guī)”)車輛限界和《TB10621－2009高速 鐵 路 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 (試 行)》［5］(以 下簡(jiǎn) 稱“TB10621”)建筑限界要求，而地鐵車輛需要滿足《CJJ96-2003 地 鐵 限 界 標(biāo) 準(zhǔn)》［6］(以 下 簡(jiǎn) 稱“CJJ96”)和《GB50490-2009城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》［7］，其中 CJJ96中的計(jì)算方法參考了德國(guó)BOStrab(Straβnbahn-Bau-und-Betriebsordnung 城軌車輛－建筑－和運(yùn)營(yíng)規(guī)則)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為了提高空間利用和經(jīng)濟(jì)性，引入了設(shè)備限界概念(equipment gauges)，確定線路上安裝的信號(hào)、通信、通風(fēng)等固定設(shè)備不能侵入的空間.出口國(guó)外的車輛需要滿足其各國(guó)的限界條件，但對(duì)很多鐵路欠發(fā)達(dá)國(guó)家，沒(méi)有相關(guān)的鐵路限界和標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算方法一般借鑒UIC505或者國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn).文獻(xiàn)［8］中分別對(duì)美國(guó)、歐盟、俄羅斯和澳大利亞鐵路車輛限界做了概述，主要分類見(jiàn)圖1.

圖1 限界標(biāo)準(zhǔn)分類

1.2 公式計(jì)算方法

UIC505、GB146.1和 CJJ96中的計(jì)算都是根據(jù)對(duì)建筑限界和車輛限界的不同應(yīng)用條件，將各種影響限界的因素通過(guò)固定公式計(jì)算，得出車輛設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.這些標(biāo)準(zhǔn)使用都比較簡(jiǎn)便，其中CJJ96標(biāo)準(zhǔn)中的方法考慮的因素比較全面，實(shí)際上其理論原理可適用于各種軌道車輛，該標(biāo)準(zhǔn)將影響動(dòng)態(tài)限界的因素分為隨機(jī)Z和非隨機(jī)因素NZ，對(duì)隨機(jī)因素采用平方和開(kāi)根號(hào)的疊加原則，對(duì)非隨機(jī)變量直接相加，見(jiàn)表1.公式表示為:

車體最大偏移量:

式中，m為非隨機(jī)因素?cái)?shù)個(gè)數(shù);n為隨機(jī)因素?cái)?shù)個(gè)數(shù).

在確定計(jì)算參數(shù)時(shí)，由于無(wú)法準(zhǔn)確考慮車輛振動(dòng)時(shí)一系、二系變形量，所以基本上是按照最大變形量取值，輪軌間隙一般也按照最惡劣磨耗的情況考慮，以上情況實(shí)際上只會(huì)在特殊情況下達(dá)到極限.總的來(lái)說(shuō)，CJJ96考慮的因素比較全面，但是部分參數(shù)取值不易確定，由于取值都向極限狀態(tài)靠攏，所以掌握不好的話會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于保守.目前，西南交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)［9］、北京交通大學(xué)［10］等單位已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相關(guān)的計(jì)算軟件，方便工程人員計(jì)算設(shè)計(jì).

表1 車輛限界計(jì)算因素

1.3 動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法

動(dòng)力學(xué)計(jì)算是通過(guò)車輛在軌道不平順條件下的隨機(jī)振動(dòng)仿真，得出計(jì)算車輛的最大位移和姿態(tài).動(dòng)力學(xué)仿真方法不需要人為確定懸掛偏移量，且能考慮車速、風(fēng)載、線路條件、輪軌磨耗狀態(tài)等因素的綜合影響，能夠較為準(zhǔn)確反映車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的最大動(dòng)態(tài)偏移量.但是，由于動(dòng)力學(xué)仿真模型一般都是理想位置建模的，沒(méi)有考慮制造、安裝和維護(hù)誤差，仿真計(jì)算結(jié)果不能代表最惡劣的情況.

因此，本文建議可將CJJ96與動(dòng)力學(xué)計(jì)算相結(jié)合方式，先通過(guò)動(dòng)力學(xué)方法得到CJJ96標(biāo)準(zhǔn)中不容易確定的懸掛變形和輪軌間隙，通過(guò)CJJ96標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算輪軌磨耗、軌道不平順和制造、安裝定位和維護(hù)誤差引起的偏移量，然后累加得到車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，此方法已經(jīng)在西門子公司的限界計(jì)算中得到應(yīng)用.

2 限界計(jì)算結(jié)果

2.1 GB146.1 靜態(tài)限界計(jì)算

根據(jù)GB146.1標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法，將CRH3型動(dòng)車組的設(shè)計(jì)制造參數(shù)與靜態(tài)限界進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2，通過(guò)與TB10621中規(guī)定的高鐵站臺(tái)建筑限界進(jìn)行對(duì)比，車體制造輪廓在站臺(tái)1 250 m高度的最小橫向距離為148.3 mm，車門打開(kāi)后有與站臺(tái)有69.3 mm的間隙，見(jiàn)圖3.

圖2 CRH3型動(dòng)車組的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 CRH3型車體橫斷面和限界對(duì)比

2.2 CJJ96 限界計(jì)算

根據(jù)CJJ96的計(jì)算方法，CRH3動(dòng)車組的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，動(dòng)態(tài)包絡(luò)線見(jiàn)圖4.

表2 CRH3動(dòng)車最大位移

圖4 CRH3動(dòng)車組動(dòng)態(tài)包絡(luò)線和高鐵站臺(tái)限界對(duì)比

2.3 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用動(dòng)力學(xué)模擬軟件SIMPACK對(duì)CRH3動(dòng)車組進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，線路工況為京津線路譜，側(cè)風(fēng)加載方式為5 s瞬時(shí)陣風(fēng).根據(jù)動(dòng)態(tài)位移計(jì)算結(jié)果，側(cè)風(fēng)的強(qiáng)度對(duì)車體的橫向位移影響較大，而在不同速度級(jí)下，車體橫移量區(qū)別不大，見(jiàn)表3.

表3 不同風(fēng)速下車體最大動(dòng)態(tài)橫移量 mm

在CRH3型動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)條件中規(guī)定:15 m/s風(fēng)速時(shí)，限速300 km/h;30 m/s風(fēng)速時(shí)，限速160 km/h.列車在300 km/h(15 m/s風(fēng)速)運(yùn)行條件下，在距軌面1 300 mm高度，車體最大橫向偏移量為7.8 mm，在距軌面3 900 mm高度，車體最大橫向偏移量為18.9 mm，見(jiàn)圖5.

圖5 CRH3動(dòng)車組車體3.9 m高度車端最大橫移量

表4 不同風(fēng)速下的最大動(dòng)態(tài)橫移量

2.4 動(dòng)力學(xué)和CJJ96綜合方法限界計(jì)算結(jié)果

根據(jù)西門子的動(dòng)力學(xué)限界計(jì)算方法，在列車動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境中，列車在300 km/h(15 m/s風(fēng)速)運(yùn)行條件下，結(jié)合CJJ96的計(jì)算方法，輪軌磨耗、軌距偏差和軌道不平順與動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性相加，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

3 限界試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)鐵科院在京津線上的動(dòng)態(tài)限界試驗(yàn)結(jié)果［11］，選擇正常載客的一列CRH3型動(dòng)車組，速度在5～260 km/h范圍內(nèi)運(yùn)行，1 000～1 300 mm高度的車體橫移量最大標(biāo)準(zhǔn)差σ為9.5 mm，根據(jù)隨機(jī)參數(shù)分布符合正態(tài)分布的概率理論，可認(rèn)為車體最大橫向位移量在3 σ范圍內(nèi)，即28.5 mm，測(cè)試平均值為1 625 mm，則最大車體最大可能值為1 653.5 mm，車體的理論半寬為1 605.6 mm，所以車體最大橫移量為(47.9±5)mm(測(cè)試偏移量的傳感器誤差為5 mm).

另外，試驗(yàn)結(jié)果表明，車體的偏移量與列車運(yùn)行速度相關(guān)性不大，見(jiàn)圖6.

根據(jù)不同的以上計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行橫向位移量進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表5和圖7，結(jié)果表明，列車在300 km/h運(yùn)行速度條件下，運(yùn)用CJJ96標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算出的橫向位移量比動(dòng)態(tài)綜合模擬結(jié)果大1倍左右，動(dòng)態(tài)模擬綜合計(jì)算結(jié)果與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果比較接近，差別在35%以內(nèi).

圖6 不同速度下車體橫向偏移量

表5 CRH3動(dòng)車組在各種工況下最大橫向位移量對(duì)比 mm

圖7 CRH3動(dòng)車組在空重車工況下最大橫向位移量對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)限界依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和CRH3動(dòng)車組的限界計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論和建議:

(1)運(yùn)用CJJ96標(biāo)準(zhǔn)方法的計(jì)算結(jié)果偏于保守，初期設(shè)計(jì)階段可運(yùn)用CCJ96進(jìn)行初步校核，待各設(shè)計(jì)參數(shù)確定后，適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，在有條件情況下，可運(yùn)行動(dòng)力學(xué)綜合方法進(jìn)行驗(yàn)證，以充分利用限界空間;

(2)在車輛總體運(yùn)行環(huán)境對(duì)限界的影響方面，必須考慮側(cè)風(fēng)對(duì)車輛橫移量的影響，計(jì)算結(jié)果表明側(cè)風(fēng)大小對(duì)動(dòng)車組的橫向位移量其主導(dǎo)作用，試驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)車組運(yùn)行速度對(duì)橫向位移量沒(méi)有明顯影響.

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［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621－2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

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