高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選用建議

趙建葵

（青島四方阿爾斯通鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，山東青島 266111）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外有不同的鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)速度為350km/h 的高速動(dòng)車(chē)組時(shí)，選用不同標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)滿(mǎn)足車(chē)輛的運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和乘坐舒適性是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。研究了國(guó)內(nèi)外主要鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要差異，并結(jié)合既有高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)速度為350km/h 高速動(dòng)車(chē)組，提出動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選用建議。

1 主要?jiǎng)恿W(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軌距機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)為《機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB/T 5599—2019）[1]。歐洲標(biāo)準(zhǔn)軌距機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)主要為《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)-安全性-軌道疲勞-運(yùn)行品質(zhì)試驗(yàn)及其認(rèn)可》（UIC 518—2009）[2]、《鐵路設(shè)施-鐵路車(chē)輛運(yùn)行特性的驗(yàn)收試驗(yàn)和模擬-運(yùn)行性能試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)》（EN 14363—2016+A1）[3]、《對(duì)于有關(guān)鐵路車(chē)輛振動(dòng)中評(píng)估乘客舒適性的指導(dǎo)》（UIC 513—1994）[4]等。

2 動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)項(xiàng)點(diǎn)

動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)主要包括決定最高運(yùn)行速度的蛇行穩(wěn)定性、決定曲線(xiàn)通過(guò)和傾覆安全的運(yùn)行安全性、決定乘坐舒適性和貨物完整性的運(yùn)行平穩(wěn)性三個(gè)內(nèi)容。

根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)定義，GB/T 5599—2019 從運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)、運(yùn)行平穩(wěn)性對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；UIC 518—2009、EN 14363—2016 從運(yùn)行安全性、軌道疲勞、運(yùn)行品質(zhì)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；UIC 513—1994 則規(guī)定了車(chē)輛的舒適度指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的評(píng)價(jià)項(xiàng)點(diǎn)見(jiàn)表1。

上述表1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)項(xiàng)點(diǎn)的分類(lèi)有所不同，但各項(xiàng)點(diǎn)均是通過(guò)評(píng)估車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的力和或加速度的方式評(píng)判車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。

表1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的評(píng)價(jià)項(xiàng)點(diǎn)

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 脫軌系數(shù)

爬軌側(cè)車(chē)輪作用于鋼軌上的橫向力與其作用于鋼軌上的垂向力的比值，即脫軌系數(shù)。各標(biāo)準(zhǔn)中脫軌系數(shù)要求均為不超過(guò)0.8，但也有所不同，具體為GB/T 5599—2019 要求脫軌系數(shù)適用于曲線(xiàn)半徑R＞400m 的線(xiàn)路、UIC 518—2009 要求脫軌系數(shù)適用于曲線(xiàn)半徑R＞250m 的線(xiàn)路、EN 14363—2016 則規(guī)定過(guò)渡線(xiàn)路中脫軌系數(shù)限值可能超過(guò)0.8，但不得超過(guò)1.2。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脫軌系數(shù)限值相同。但是歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脫軌系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行了20Hz低通濾波，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未要求濾波處理，且對(duì)于小曲線(xiàn)半徑的線(xiàn)路（如250 大于R≤400m），UIC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相對(duì)嚴(yán)格。對(duì)于脫軌系數(shù)，建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)采用UIC 518—2009 的規(guī)定。

3.2 輪軸橫向力

輪軸橫向力用于評(píng)價(jià)車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中是否會(huì)因?yàn)檫^(guò)大的橫向力而導(dǎo)致軌距擴(kuò)寬或線(xiàn)路產(chǎn)生嚴(yán)重變形。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輪軸橫向力的評(píng)定要求分別為≤15+P0/3 與≤10+P0/3，其中P0為靜軸重，單位kN。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)的輪軸橫向力限值嚴(yán)于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)處理時(shí)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行了20Hz 低通濾波，并對(duì)滑動(dòng)平均間隔做出規(guī)定，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未做相關(guān)要求?？紤]車(chē)輪踏面磨耗、構(gòu)架受力情況，建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)，輪軸橫向力限值采用更嚴(yán)格的≤10+P0/3。

3.3 輪軌垂向力

輪軌垂向力用于評(píng)定車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中是否因?yàn)檫^(guò)大的輪軌垂向力而導(dǎo)致鋼軌破壞或線(xiàn)路產(chǎn)生嚴(yán)重變形。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行規(guī)定，歐洲標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)最大運(yùn)營(yíng)速度V 不同，輪軌垂向力限值也有所變化。輪軌垂向力限值取值方法為：?。≒，PV）中的小值，其中P=90+每個(gè)輪的靜負(fù)載。V≤160km/h 時(shí)，PV取200kN；160km/h＜V≤200km/h 時(shí)，PV取190kN；200km/h＜V≤250km/h 時(shí)，PV取180kN；250km/h＜V≤300km/h 時(shí)，PV取170kN；V＞300km/h 時(shí)，PV取160kN。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)此評(píng)價(jià)項(xiàng)點(diǎn)做出要求（和諧號(hào)高速動(dòng)車(chē)組采用了輪軌垂向力≤170kN 的要求）；歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用某倍率標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間的方式對(duì)最后的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，輪軌垂向力限值與運(yùn)行速度、車(chē)組質(zhì)量有一定關(guān)系。建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)，增加輪軌垂向力的評(píng)定，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)≤170kN，數(shù)據(jù)處理及評(píng)定值計(jì)算方法參照GB/T 5599—2019 中輪軸橫向力的規(guī)定。

3.4 輪重減載率

輪重減載率是評(píng)價(jià)因輪重減載過(guò)大而引起脫軌的另一種脫軌安全指標(biāo)，具體為輪重減載量與該軸平均靜輪重的比值。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中輪軌垂向力的評(píng)定要求為：試驗(yàn)速度≤160km/h 時(shí)，輪重減載率≤0.65；試驗(yàn)速度＞160km/h 時(shí)，輪重減載率≤0.8。歐洲標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)此項(xiàng)點(diǎn)做出要求。建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)，按照GB/T 5599—2019 輪重減載率對(duì)脫軌安全指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。

3.5 傾覆系數(shù)

傾覆系數(shù)用于鑒定試驗(yàn)車(chē)輛在側(cè)向風(fēng)力、離心力、橫向振動(dòng)慣性力的同時(shí)作用下是否會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛傾覆，具體為轉(zhuǎn)向架一側(cè)車(chē)輪總的車(chē)輪減載量與總靜輪重的比值。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行規(guī)定，歐洲標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定，僅在線(xiàn)路欠超高＞165mm 時(shí)，要求傾覆系數(shù)≤1。目前國(guó)內(nèi)高速線(xiàn)路條件不存在欠超高＞165mm 的情況，建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)，可不對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估。

3.6 橫向穩(wěn)定性

橫向穩(wěn)定性用于評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向架是否發(fā)生了不能迅速衰減的連續(xù)橫向振蕩。歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用構(gòu)架端部加速度均方根是否超過(guò)（12m.s-2-M/5）/2、輪軸力/構(gòu)架力均方根是否超過(guò)（10kN+P0/3）/2 對(duì)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，其中M 為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，單位t，P0代表靜軸重，單位kN。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)則通過(guò)評(píng)價(jià)構(gòu)架端部連續(xù)6 次加速度峰值超過(guò)8m.s-2判斷是否發(fā)生了失穩(wěn)，該方法對(duì)橫向穩(wěn)定性的判斷更加直觀。建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)，采用GB/T 5599—2019 的方式判定橫向穩(wěn)定性。

3.7 運(yùn)行品質(zhì)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均采用車(chē)體橫向、垂向振動(dòng)加速度評(píng)價(jià)運(yùn)行品質(zhì)。對(duì)于橫向、垂向最大加速度值，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將加速度信號(hào)采用0.4～40Hz 進(jìn)行帶通濾波，求出每個(gè)采樣段內(nèi)加速度的最大值和最小值的絕對(duì)值。對(duì)各種線(xiàn)路工況、各速度級(jí)的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，求得均值Xˉ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，然后求出Xmax= Xˉ+ 2.2σ用于評(píng)價(jià)運(yùn)行品質(zhì)，要求橫向、垂向最大加速度不超過(guò)2.5。

對(duì)于橫向準(zhǔn)靜態(tài)加速度值，UIC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將曲線(xiàn)段信號(hào)經(jīng)過(guò)20Hz 低通濾波，取左旋曲線(xiàn)上累計(jì)頻次曲線(xiàn)50%的值，取右旋曲線(xiàn)上累計(jì)頻次曲線(xiàn)50%的絕對(duì)值，然后求得算術(shù)平均值，要求不超過(guò)1.5；對(duì)于橫向、垂向最大加速度，信號(hào)經(jīng)過(guò)0.4～10Hz 帶通濾波，最大加速度取累計(jì)頻次曲線(xiàn)0.15%的絕對(duì)值、累計(jì)頻次曲線(xiàn)99.85%的值為采樣段樣本，要求不超過(guò)2.5；對(duì)于橫向加速度均方根值，信號(hào)經(jīng)過(guò)0.4～10Hz 帶通濾波，取均方根值，要求不超過(guò)0.5。橫向、垂向最大加速度值，橫向、垂向加速度均方根評(píng)估值按照Xmax=+ 2.2σ 計(jì)算。

對(duì)于橫向、垂向最大加速度值和均方根值，歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)0.4～10Hz 帶通濾波，取累計(jì)頻次曲線(xiàn)0.15%的絕對(duì)值、累計(jì)頻次曲線(xiàn)99.85%的值為采樣段樣本，要求橫向、垂向最大加速度不超過(guò)2.5。

關(guān)于運(yùn)行品質(zhì)評(píng)定，國(guó)內(nèi)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)之間的差異主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理方式、評(píng)價(jià)項(xiàng)點(diǎn)不同。首先是帶通濾波的最大頻率不同，濾波后，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)選取每個(gè)采樣段的加速度最大值和最小值的絕對(duì)值用于后續(xù)計(jì)算，歐洲標(biāo)準(zhǔn)則選取濾波后累計(jì)頻次曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)99.85%的值，累計(jì)頻次曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)0.15%值的絕對(duì)值用于后續(xù)計(jì)算。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相較于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)增加了橫向準(zhǔn)靜態(tài)加速度、橫向垂向加速均方根值的評(píng)定要求。采用車(chē)體橫向、垂向最大加速度評(píng)價(jià)運(yùn)行品質(zhì)是比較通用的做法，建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)，采用GB/T 5599—2019 的規(guī)定。

3.8 運(yùn)行平穩(wěn)性

GB/T 5599—2019 規(guī)定運(yùn)行平穩(wěn)性采用平穩(wěn)性指標(biāo)W 或乘坐舒適度Nmv進(jìn)行評(píng)價(jià)。Nmv指標(biāo)參考了UIC 513—1994 中Nmv的規(guī)定。

3.8.1 平穩(wěn)性指標(biāo)

平穩(wěn)性指標(biāo)W 在最高運(yùn)營(yíng)速度范圍內(nèi)評(píng)價(jià)，以車(chē)體振動(dòng)加速度測(cè)量為基礎(chǔ)，高速動(dòng)車(chē)組評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（橫向、垂向分別評(píng)價(jià)）如下：

計(jì)算頻率為fi時(shí)的平穩(wěn)性指標(biāo)分量Wi：

計(jì)算平穩(wěn)性指標(biāo)：

對(duì)各種線(xiàn)路工況、各速度級(jí)的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，求得均值Xˉ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，對(duì)于高速動(dòng)車(chē)組，統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)值W=Xˉ。W≤2.50 時(shí)評(píng)定為優(yōu)；2.50＜W≤2.75 時(shí)評(píng)定為優(yōu)；2.75＜W≤3.00 時(shí)評(píng)定為合格。

3.8.2 乘坐舒適度

乘坐舒適度Nmv是對(duì)在機(jī)車(chē)車(chē)輛上乘客和乘員平均舒適度的度量方法，評(píng)價(jià)以車(chē)輛地板振動(dòng)加速度測(cè)量為基礎(chǔ)。指標(biāo)為NMV＜1.5，評(píng)價(jià)為非常舒適；1.5≤NMV＜2.5，評(píng)價(jià)為舒適；2.5≤NMV＜3.5，評(píng)價(jià)為一般；3.5≤NMV＜4.5，評(píng)價(jià)為不舒適；NMV≥4.5，評(píng)價(jià)為非常不舒適。

3.8.3 差異分析

平穩(wěn)性W 與舒適度Nmv均采用了加權(quán)函數(shù)計(jì)算，綜合考慮了各個(gè)方向的各種頻率振動(dòng)對(duì)乘客的影響。分析加權(quán)函數(shù)后可知，舒適度指標(biāo)垂向加權(quán)考慮了較多高頻振動(dòng)，但人體對(duì)高頻振動(dòng)不是很敏感，平穩(wěn)性指標(biāo)高頻加權(quán)很小。建議高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)，采用平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)價(jià)運(yùn)行平穩(wěn)性?？褪移椒€(wěn)性指標(biāo)應(yīng)達(dá)到優(yōu)級(jí)，司機(jī)室指標(biāo)至少達(dá)到良好。

4 結(jié)語(yǔ)

高速動(dòng)車(chē)組輪重減載率、橫向穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)采用GB 5599—2019 規(guī)定；脫軌系數(shù)采用UIC 518—2009 規(guī)定；另建議增加對(duì)輪軸橫向力不超過(guò)10+P0/3、輪軌垂向力不超過(guò)170kN 的評(píng)價(jià)要求；運(yùn)行平穩(wěn)性則采用GB 5599—2019 規(guī)定的平穩(wěn)性指標(biāo)W 進(jìn)行評(píng)價(jià)，要求客室達(dá)到優(yōu)級(jí)，司機(jī)室至少達(dá)到良好，可以基本滿(mǎn)足旅客對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和乘坐舒適性的要求。