高速鐵路動車組在線路上適應性設(shè)計方法及應用

王開云，袁玄成，翟婉明

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

高速鐵路動車組在線路上適應性設(shè)計方法及應用

王開云，袁玄成，翟婉明

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

我國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)類型較多，動車組在線路上的適應性問題越來越突出，其相關(guān)研究越顯重要。本文基于車輛-軌道耦合動力學理論，對高速鐵路動車組在線路上適應性設(shè)計方法進行了初步探討，提出了以高速動車組為設(shè)計主體的線路適應性設(shè)計方法，介紹了該方法在中國標準動車組動力學性能設(shè)計工程中的應用情況，以期為我國高速鐵路動車組設(shè)計提供一種新的思路和參考。

高速鐵路；線路適應性；動車組；車輛-軌道耦合動力學

1　前言

高速鐵路的最大特點是可以在地面上快速、穩(wěn)定地實現(xiàn)大批量的旅客運輸，在世界上發(fā)展很快，日本、法國、德國等鐵路發(fā)達國家自1964年后相繼開行時速200 km以上的高速列車。近年來，我國高速鐵路發(fā)展突飛猛進，取得了舉世矚目的成就，為國民經(jīng)濟發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻。自2008年開通第一條時速250 km的合寧客運專線、第一條時速350 km的京津城際高速鐵路以來，我國已經(jīng)開通運營京滬、京廣、鄭西、滬杭、哈大等一大批高速鐵路新線，絕大部分線路的開通運營速度最高達到了300 km/h。目前，我國高速鐵路運營里程已經(jīng)超過世界其他國家高速鐵路里程總和，我國已成為世界上高速鐵路運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。

與其他國家的高速鐵路相比，中國高速鐵路采用的軌道結(jié)構(gòu)種類眾多，包括有砟軌道、板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道，每種軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)里程長，地域跨度大，軌道結(jié)構(gòu)服役環(huán)境復雜。因此，不同的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)不同、服役性能與狀態(tài)變化不同。中國高速鐵路線路的特殊性將影響高速動車組的運行品質(zhì)，同種類型動車組在不同類型軌道上運行時的輪軌相互作用也將有所區(qū)別。

關(guān)于高速鐵路動車組在線路上適應性研究，國內(nèi)外相關(guān)研究工作鮮有報道，自西南交通大學翟婉明院士提出車輛-軌道耦合動力學理論[1，2]以后，高速鐵路動車組在線路上適應性越來越引起重視，該理論為解決這種復雜的輪軌系統(tǒng)性能匹配難題提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。因此，本文基于車輛-軌道耦合動力學理論，對高速鐵路動車組在線路上適應性設(shè)計方法進行了初步的探討，以期為我國高速鐵路動車組設(shè)計提供一種新的思路和參考。

2　高速鐵路動車組在線路上的適應性問題

到目前為止，高速鐵路動車組在線路上的適應性問題越來越突出，主要涉及高速動車組運行安全性、旅客乘坐舒適性、車輛運動穩(wěn)定性及車輪磨耗等，下面將簡要介紹我國高速鐵路中已存在的此類問題。

2.1安全性問題

在早期，我國某型動車組在北方某條客運專線上高速試運行時，在部分直線軌道區(qū)段和曲線軌道上，高速機車車輛的輪重減載率（安全性指標）普遍達到或超出0.8（合格限值），如圖1所示。

圖1　輪重減載率的實測值Fig.1　Measured results of the rate of wheel-load reduction

該型動車組為引進車輛，在國外以相同速度等級運行時，未出現(xiàn)輪重明顯減載的問題。理論與現(xiàn)場測試表明，該現(xiàn)象與線路狀態(tài)和軌面幾何狀態(tài)密切相關(guān)。圖2給出了波長范圍1～45 m不平順激擾下減載率的動態(tài)響應[3，4]，結(jié)果表明，在該不平順激擾下，輪重減載率普遍超出靜態(tài)限值（0.6），最大值接近了1.0，超出了動態(tài)限值（0.8）。

圖2　輪重減載率的計算結(jié)果Fig.2　Calculated results of the rate of wheel-load reduction

2.2舒適性問題

高速鐵路平縱斷面線形復雜，圖3給出了一個典型的高速鐵路平縱斷面線形，動車組高速通過平縱斷面線形時，平縱斷面的線形與參數(shù)對高速行車時的舒適性有較大影響。圖4給出了動車組以350 km/h的速度高速通過某高速鐵路平縱斷面（原始設(shè)計方案）時車體橫向加速度的計算結(jié)果[5]，從圖4可以看出，在該平縱斷面條件下，車體橫向加速度超過0.2g（g=9.8 m/s2），不滿足舒適度要求。

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圖3　某高速鐵路典型平縱斷面組合曲線Fig.3　Typical plan and profile section in high-speed railway

圖4　動車組通過平縱斷面時車體加速度響應Fig.4　Response of car body lateral acceleration on the plan and profile section

圖5為某型動車組以240 km/h的速度通過某站附近道岔時車體振動加速度測試結(jié)果。由圖5可知，當動車組通過道岔區(qū)域時，車體橫向振動異常，最大振動加速度超過了0.3g，遠高于其舒適性限值，嚴重惡化旅客乘坐舒適性。

圖5　動車組通過道岔時車體加速度測試結(jié)果Fig.5　Measured results of car body acceleration on the railroad switch

2.3運動穩(wěn)定性問題

對于臨界速度非常高的高速動車組，線路狀態(tài)差或者軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)與車輛參數(shù)性能不匹配將可能導致車輛失穩(wěn)。圖6給出了某高速車輛臨界速度與軌下支承剛度的關(guān)系[6]，從圖6中可以看出，扣件橫向剛度對車輛的臨界速度有較明顯的影響。

圖6　扣件橫向剛度對臨界速度的影響規(guī)律Fig.6　Lateral stiffness of rail pad versus critical speed

2.4車輪磨耗問題

動車組車輪磨耗非常嚴重（見圖7），運營2×105km左右就需要鏇輪，遠低于設(shè)計目標值，大大提高了運營成本。

在進行車輛型面優(yōu)化設(shè)計時，不僅要考慮車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)及動力學參數(shù)，還要考慮軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對輪軌接觸幾何關(guān)系的影響，甚至需要考慮軌道結(jié)構(gòu)類型（如有砟軌道、板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道等）對輪軌關(guān)系的影響。圖8給出了不同軌距條件下車輪踏面等效錐度λe隨輪對橫向位移Yw的變化情況[7]，從圖8中結(jié)果可以看出，軌距對輪軌接觸幾何關(guān)系影響較明顯。

圖7　不同運行里程下的踏面磨耗深度Fig.7　Wear of wheel tread with different running distances

圖8　不同軌距條件下車輪踏面等效錐度隨輪對橫向位移的變化Fig.8　Lateral displacement of wheel set versus equivalent conicity with different track gauges

綜上所述，列車高速運行導致輪軌關(guān)系及輪軌動態(tài)相互作用變得十分復雜，動車組在線路上的適應性問題十分突出，對高速鐵路輪軌關(guān)系及動態(tài)相互作用的線路適應性研究的需要也越來越迫切。

3　適應性設(shè)計方法

所謂高速鐵路動車組在線路上的適應性設(shè)計，是指動車組系統(tǒng)和線路系統(tǒng)在動態(tài)性能設(shè)計上要相互適應、相互匹配，以期實現(xiàn)鐵路機車車輛和線路系統(tǒng)動態(tài)性能的最優(yōu)設(shè)計[1，6，8]。

隨著鐵路列車速度不斷提高，列車與軌道動態(tài)相互作用日益增強，主要表現(xiàn)為：一方面，機車車輛對線路的動力破壞作用加劇；另一方面，軌道結(jié)構(gòu)振動及線路幾何狀態(tài)對機車車輛運行品質(zhì)的影響也越來越強。針對動車組在線路上的適應性問題，僅從車輛動力學角度進行研究是很難解釋動車組與不同軌道結(jié)構(gòu)類型及軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的輪軌系統(tǒng)動態(tài)相互作用現(xiàn)象，必須從鐵路大系統(tǒng)角度進行理論與試驗研究，只有深刻認識軌道結(jié)構(gòu)參振與高速鐵路輪軌系統(tǒng)動態(tài)相互作用影響的規(guī)律，才有可能最大限度地實現(xiàn)高速動車組在線路上運行時的動力學性能最佳匹配設(shè)計，確保高速列車安全、平穩(wěn)、高效運營。

因此，高速動車組在線路上適應性設(shè)計的核心技術(shù)是機車車輛與線路系統(tǒng)動態(tài)性能匹配。文獻[1，6]指出：為了實現(xiàn)機車車輛與線路系統(tǒng)動態(tài)性能的最佳匹配，必須采用系統(tǒng)設(shè)計思想，將機車車輛系統(tǒng)和線路系統(tǒng)作為一個相互作用、相互耦合的整體系統(tǒng)，以整體系統(tǒng)動態(tài)性能指標作為優(yōu)化目標，進行綜合優(yōu)化設(shè)計。

進行機車車輛與線路系統(tǒng)動態(tài)性能匹配時[1，6，8]，根據(jù)設(shè)計主體對象，可分別從機車車輛和線路工程的角度進行優(yōu)化分析。但無論設(shè)計主體對象是機車車輛還是線路，都將對方視為主體對象的動態(tài)環(huán)境，通過機車車輛-軌道耦合動力學理論方法考慮對方的動態(tài)影響因素。因此，對于高速鐵路動車組在線路上的適應性設(shè)計，筆者從機車車輛工程的角度，以高速動車組為研究對象，提出了一套設(shè)計方法和技術(shù)，其原理如圖9所示。

圖9　高速動車組在線路上的適應性設(shè)計方法Fig.9　Method of adaptability design for high-speed electric multiple unit(EMU)running on the tracks

高速鐵路動車組在線路上的適應性設(shè)計技術(shù)具體為：首先，基于車輛-軌道耦合動力學理論，考慮高速鐵路動車組車輛結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)，建立輪軌動態(tài)相互作用分析模型，并編制相應的計算機仿真分析軟件，然后以高速動車組為研究主體，分析動車組在軌道上運行時的安全性與舒適性，并重點考核動車組對線路的動力作用，分析軌道結(jié)構(gòu)振動響應；其次，對輪軌動態(tài)相互作用性能進行綜合評估分析，并從車輛工程的角度進行優(yōu)化設(shè)計，若輪軌動力學性能和低動力性能不滿足要求，則針對主體研究對象的結(jié)構(gòu)與動力學參數(shù)進行設(shè)計，重復進行計算與評估分析，直到性能指標滿足要求為止。

需要說明的是，對于理論分析結(jié)果，若能通過現(xiàn)場試驗，進行驗證研究，則更具有實際指導意義。當然，在現(xiàn)場實施輪軌動力學性能測試是一個系統(tǒng)而又復雜的工程，往往要付出昂貴的人力、物力與財力，并且還要確保試驗安全，因此并不是所有的理論分析都能夠有條件進行試驗驗證。通常的處理方法是，對理論分析模型及仿真分析軟件進行必要的試驗驗證，據(jù)此開展大量的仿真計算與理論分析，其結(jié)果亦具有重要參考價值與指導意義。

4　應用舉例

針對我國高速鐵路規(guī)模巨大、高速動車組技術(shù)平臺眾多的實際情況，以及高速動車組技術(shù)出口對自主知識產(chǎn)權(quán)的具體要求，我國于2014年啟動了中國標準動車組項目。中國標準動車組項目一方面旨在通過自主創(chuàng)新，打造適合中國國情、路情的高速動車組設(shè)計制造平臺，實現(xiàn)全面自主化；另一方面是要建立統(tǒng)一的技術(shù)標準體系，實現(xiàn)動車組在服務(wù)功能、運用維護上的統(tǒng)一，提高效率，降低成本，以自主化、系列化和簡統(tǒng)化為目標，打造中國標準動車組品牌，助力中國高鐵技術(shù)“走出去”。

筆者及課題組積極參與了中國標準動車組項目的相關(guān)科研工作，應用課題組提出的線路適應性設(shè)計方法，對中國標準動車組在線路上的適應性進行了研究，重點研究了動車組在不同軌道結(jié)構(gòu)上運行的動力學性能，并進行了對比分析，研究結(jié)果為中國標準動車組的動力學性能評估與性能改進設(shè)計提供了理論支撐。下面簡要介紹一下研究進展。

根據(jù)我國高速鐵路典型軌道結(jié)構(gòu)類型，選用了有砟軌道、CRTSⅠ板式、CRTSⅡ板式、CRTSⅢ板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道作為動車組線路適應性分析的動態(tài)環(huán)境和條件。由于CRTSⅠ板式、CRTSⅡ板式、CRTSⅢ板式無砟軌道的動力學模型相同，僅動力學參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，因此，這3種軌道結(jié)構(gòu)模型統(tǒng)稱為板式無砟軌道模型。圖10～圖12分別給出了車輛與有砟軌道、板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道動態(tài)相互作用分析模型，圖中符號說明參見文獻[6]。

圖10　車輛-有砟軌道耦合模型Fig.10　Dynamic model coupling with vehicle and ballast track

圖11　車輛-板式無砟軌道耦合模型Fig.11　Dynamic model coupling with vehicle and slab track

當動車組以350 km/h的速度通過半徑為7 000 m的曲線時，CRTSⅠ板式、CRTSⅡ板式、CRTSⅢ板式、雙塊式無砟和有砟5種軌道結(jié)構(gòu)線路上的輪軌動態(tài)安全性指標計算結(jié)果如圖13所示。

圖12　車輛-雙塊式無砟軌道耦合模型Fig.12　Dynamic model coupling with vehicle and double-block track

圖13　中國標準動車組與不同軌道結(jié)構(gòu)相互作用的動力學性能Fig.13　Dynamic performance of Chinese high-speed EMU on different tracks

從圖13中可以看出，所有的動力學性能指標均在安全限值范圍之內(nèi)，但軌道結(jié)構(gòu)類型對中國標準動車組的動力學性能有一定的影響。總體上看，4種無砟軌道結(jié)構(gòu)上的安全性指標值較接近，有砟軌道結(jié)構(gòu)上的安全性指標值均略高于4種無砟軌道結(jié)構(gòu)上的值。例如，當動車組在有砟軌道上運行時脫軌系數(shù)最大值約為0.15，在4種無砟軌道上運行時脫軌系數(shù)最大值約為0.13；再如，對于輪重減載率，動車組在有砟軌道結(jié)構(gòu)上運行時的指標值為0.37，在4種無砟軌道上運行的指標值約為0.34。上述分析表明，軌道結(jié)構(gòu)類型不同，高速動車組的輪軌動力學性能指標略有差異，尤其是有砟軌道和無砟軌道之間的差異更加明顯。

5　結(jié)語

我國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)類型較多，動車組在不同軌道結(jié)構(gòu)上運行時的輪軌動態(tài)相互作用特性存在一定的差異，動車組在線路上的適應性問題十分突出，進而將影響高速行車安全性與舒適性，因此，開展動車組在線路上的適應性研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

本文從鐵路大系統(tǒng)角度，對高速鐵路動車組在線路上適應性設(shè)計方法進行了初步的探討，提出了以高速動車組為設(shè)計主體的線路適應性設(shè)計方法，并結(jié)合中國標準動車組動力學性能設(shè)計研究項目，介紹了該方法在工程中的具體應用情況，以期為我國高速鐵路動車組設(shè)計提供一種新的思路和參考。

[1]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學[M].第三版.北京：科學出版社，2007.

[2]Zhai Wanming，Wang Kaiyun，Cai Chengbiao.Fundamentals of vehicle-track coupled dynamics[J].Vehicle System Dynamics：International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility，2009，47(11)：1349-1376.

[3]王開云，司道林，陳忠華.高速列車輪軌動態(tài)相互作用特征[J].交通運輸工程學報，2008，8(5)：15-18.

[4]張衛(wèi)華.高速列車耦合大系統(tǒng)動力學理論與實踐[M].北京：科學出版社，2013.

[5]蔡成標，王開云.京滬高速鐵路線路平縱斷面行車動力學檢算報告[R].成都：西南交通大學，2008.

[6]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學(上冊)[M].第四版.北京：科學出版社，2015.

[7]王開云.軌距變化對車輛運行品質(zhì)影響的理論分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2004(增刊)：554-558.

[8]翟婉明.機車車輛與線路最佳匹配設(shè)計原理、方法及工程實踐[J].中國鐵道科學，2006，27(2)：60-65.

The adaptability design method and its application for high-speed electric multiple unit on the track

Wang Kaiyun，Yuan Xuancheng，Zhai Wanming
(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Nowadays，various track structures have been applied in Chinese high-speed railway，which obviously causes the adaptability problems for electric multiple unit(EMU)running on the tracks.It is significant to carry out the investigation of track adaptability.Therefore，based on the theory of vehicle-track coupled dynamics，the method of adaptability design for high-speed EMU running on the tracks is preliminarily discussed in this paper.By regarding the high-speed EMU as the design object，a method of track adaptability design is presented，which can supply a new idea and reference for Chinese high-speed EMU.Lastly，the application of this method is introduced in the dynamic performance design of Chinese standard EMU.

high-speed railway；track adaptability；EMU；vehicle-track coupled dynamics

U211；U270

A

1009-1742（2015）04-0090-08

2015-01-30

國家重點基礎(chǔ)研究973課題（2013CB036206）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題（2014G010-H）

王開云，1974年出生，男，江西萍鄉(xiāng)市人，研究員，博士生導師，從事機車車輛-軌道耦合動力學研究；E-mail：ywang@swjtu.edu.cn