既有350 km／h鐵路運行更高速鐵路線路平面參數(shù)適應性分析

張逸飛

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430000）

隨著高速鐵路運營速度的不斷提高，更高速度輪軌鐵路發(fā)展迅速。更高速列車與線路之間的動力作用顯著增強，列車的行車安全性、運行平穩(wěn)性、旅客乘坐舒適度受線路參數(shù)的影響更加突出，最小曲線半徑、超高、緩和曲線長度等將直接影響行車的動力學性能。傳統(tǒng)350 km／h線路平、縱斷面參數(shù)設計規(guī)范將受到挑戰(zhàn)，參數(shù)適用性有待進一步研究。

國內(nèi)外學者針對高速鐵路線路參數(shù)進行了大量研究。Miyagaki［1］等介紹了不同類型緩和曲線對車軌動力響應的影響，提出了新的緩和曲線線型；ZBOINSKI K［2］研究了線路參數(shù)對列車的動力響應；楊星光［3］等采用UM建立耦合動力學模型，給出了運行速度250 km／h與350 km／h共線高速鐵路線路的最小曲線半徑建議值；朱穎［4］等歸納了國內(nèi)外高速列車的平面曲線半徑的設計經(jīng)驗，研究了高速鐵路曲線段線路參數(shù)與動力響應之間的關系；易思蓉［5］等通過車線動力學分析給出了基于舒適度與安全性標準的曲線線路參數(shù)允許值，提出了高速客運專線曲線半徑最小值；時瑾［6］等從列車運行安全性、舒適性指標出發(fā)，對更高速度下超高和平面曲線半徑的關系進行了匹配研究。綜上所述，當前大多數(shù)高速鐵路線型參數(shù)的探討主要針對350 km／h及以下速度線路［7-9］，而對于更高速的線路平面參數(shù)設計研究較少。

本文運用車-線動力學模型，對某既有設計速度目標值為350 km／h的鐵路曲線段進行400 km／h運行的線路平面參數(shù)適應性研究，從安全性、平穩(wěn)性、旅客乘坐舒適度方面比較分析，對線路平面參數(shù)進行改進。研究成果可為更高速鐵路運行平面參數(shù)設計工作提供參考。

1 動力學模型及行車性能評價標準

1.1 動力學模型

構建某型客車模型，共3節(jié)：首節(jié)車、中車、尾車。每部分車體由4組輪對、前后轉(zhuǎn)向架、一系、二系懸掛和車體等組成。轉(zhuǎn)向架為構架式結(jié)構，輪對采用 LM型車輪踏面，鋼軌采用60D廓形。車體及構架均有6個自由度，即橫向、縱向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點頭；輪對則有3個自由度，分別為橫向、垂向、搖頭［10］。該模型單節(jié)車體有30個自由度，模型3節(jié)車體，共90個 自由度。

為模擬車輛通過曲線段真實狀況，采用中國高速鐵路無砟軌道不平順譜作為軌道不平順激勵。

1.2 動力響應評價標準

提取前后轉(zhuǎn)向架中心偏向車體一側(cè)對角的垂向加速度與橫向加速度［11］、輪軌橫向力與垂向力，并對數(shù)據(jù)處理得到其他評價指標。同時，對站姿進行舒適性指標評價。評價指標及其限值要求如表1所示。

表1 動力特性評價指標及限值表

2 既有350 km／h鐵路運行更高速鐵路線路平面參數(shù)適應性分析

2.1 既有350 km／h鐵路線路條件

選取某設計速度目標值為350 km／h的既有高速鐵路進行客車運行模擬，具體線路條件如表2所示。

表2 線路條件表

該局部線路共5處平面曲線，最小超高為 120 mm，最大超高為170 mm，豎曲線半徑均為32 000 m，最大坡度為9‰，最小坡段長度900 m，曲線偏角依次為10°37′25″、9°25′15″、20°42′25″、19°42′25″、4°23′48″，均為右偏曲線。

2.2 線路動力學分析及舒適度評估

運用SIMPACK對線路進行動力學仿真，首先以設計速度目標值350 km／h運行，再以400 km／h的速度運行，得到的動力學響應如圖1～圖4所示。

圖1 線路輪軌橫向力圖

圖2 線路輪軌垂向力圖

圖3 線路脫軌系數(shù)結(jié)果圖

圖4 線路輪重減載率圖

由圖1～圖4可知，列車以350 km／h與400 km／h 運行后，輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率指標均符合規(guī)定限值，滿足安全性要求。在 400 km／h速度時的各指標值明顯大于350 km／h速度時的指標值；在每段曲線的緩和曲線段上，各指標值波動情況較明顯，列車運行于第一、第二段曲線時，各指標值較大。列車以400 km／h運行時，脫軌系數(shù)值在第一段曲線的緩和曲線上出現(xiàn)了最大值。由第二段曲線向第三段曲線通過時，各指標值均出現(xiàn)較大波動，列車運行不穩(wěn)定。輪軌橫向力、輪軌垂向力與輪重減載率在350 km／h與400 km／h運行時均出現(xiàn)最大值，脫軌系數(shù)在350 km／h運行時出現(xiàn)最大值。列車通過第三段曲線時，各指標值均呈現(xiàn)變大趨勢，進入第四、第五段曲線時，各指標值開始下降，并趨于較小值，列車運行較為平穩(wěn)。

列車運行時動力學指標峰值如表3所示。

表3 安全性評價結(jié)果表

由表3可知，列車以400 km／h運行時，各峰值均符合安全限值要求。輪軌垂向力與輪重減載率接近限值，但均未超限。

列車以350 km／h和400 km／h速度通過該線路時，車體橫向、垂向振動加速度如圖5、圖6所示。列車以400 km／h速度運行時，橫向振動加速度較350 km／h明顯要大，垂向振動加速度則稍大于 350 km／h速度；列車的橫向振動加速度值與垂向振動加速度值在通過緩和曲線段附近時均存在大量突變值；列車由第二段曲線向第三段曲線運行時，曲線半徑由10 000 m變?yōu)? 000 m，突變值出現(xiàn)最大值。

圖5 線路橫向振動加速度圖

圖6 線路垂向振動加速度圖

列車以400 km／h速度運行時，多個橫向振動加速度值在該段較大，接近2.5 m／s2的限值要求。該段線路為連續(xù)曲線，考慮到夾直線長度與曲線半徑條件，列車從前一段緩和曲線經(jīng)圓曲線進入后一段緩和曲線過程中，車體的橫向振動及加速度變化尤為顯著。高速鐵路線路不平順將會被放大，進而降低旅客乘坐舒適度與列車平穩(wěn)性。經(jīng)分析，原因是該段線路夾直線長度不足，以及下一段曲線的半徑過小。

列車運行時舒適度評價指標峰值如表4所示。

表4 舒適性評價結(jié)果表

由圖5、圖6可知，列車以400 km／h速度運行時，橫向振動加速度接近限值要求，垂向振動加速度值較小，均符合限值要求；橫向平穩(wěn)性指標與垂向平穩(wěn)性指標均滿足優(yōu)秀的評價標準。舒適度指標在350 km／h 時滿足舒適的標準，400 km／h時為中等。

綜上所達，該350 km／h鐵路以400 km／h速度運行時，動力指標基本處于安全狀況。然而，在考慮舒適度的情況下，列車的橫向振動加速度接近限值，EN12299舒適度指標也降為中等，乘坐舒適性有所下降。結(jié)合列車動力響應可知，大部分指標峰值出現(xiàn)在列車由第二段曲線向第三段曲線通過時。因此，在以400 km／h速度運行時，列車由較大曲線半徑向較小曲線半徑線路運行時，應注意舒適度與安全性。在可能的情況下，曲線半徑以及夾直線長度可適當增大，以保證旅客乘坐的安全性與舒適度。參考京滬高速鐵路提速至400 km／h適應性研究結(jié)果，列車安全性與舒適性在更高速度情況下雖能得到一定保障，但是在長期運營情況下有待進一步研究。

改造列車由第二段曲線向第三段曲線通過夾直線長度后的車體橫向振動加速度如圖7所示，其中夾直線長度由408.45 m增長為780 m?？梢钥闯?，增大夾直線長度后，車體橫向振動加速度在進入第三段圓曲線后明顯減小，最大橫向振動加速度也變小，乘坐舒適度得到了提升。

2.3 頻數(shù)統(tǒng)計分析

為了更全面地評價該鐵路運行400 km／h速度列車時的線路參數(shù)，對動力學響應指標進行頻數(shù)統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示。

圖8 動力學特性指標頻數(shù)統(tǒng)計分析圖

由圖8可知，列車從350 km／h提升到400 km／h 后，動力學響應指標較大值部分頻次均得到了提升。輪軌橫向力所占百分比在提速前后大部分集中在1 000 N以內(nèi)；在5 000 N以內(nèi)的部分，提速前350 km／h所占百分比明顯大于提速后的400 km／h，分別為92.16%和57.67%；自5 000 N以后，400 km／h 輪軌橫向力所占百分比開始大于350 km／h，提速后輪軌橫向力在5 000 N以上的部分較350 km／h 時總體提升了34.49%。提速前后的輪軌垂向力主要集中在100 kN，所占百分比分別為56.51%和51.64%；自120 kN開始，提速后所占百分比明顯大于提速前的350 km／h；120 kN及以上的輪軌垂向力占比提速后較提速前增加了19.03%。脫軌系數(shù)在提速前后大部分位于0.01以內(nèi)，占比分別為60.12%和40.92%；自0.04開始，提速后所占百分比開始大于提速前；0.04及以上脫軌系數(shù)占比提速后較提速前增加了44.02%。輪重減載率在提速前后主要集中在0.05以內(nèi)，占比分別為56.16%和27.78%；從0.15開始，提速后所占百分比開始大于提速前，輪重減載率在0.15及以上部分所占百分比提速后較提速前增加了35.91%，增幅明顯。

車體的橫向、垂向振動加速度與乘坐舒適度密切相關。由圖8可知，提速前后的車體橫向振動加速度主要集中在0.1 m／s2以內(nèi)，提速前后占比分別為44.40%和24.38%；橫向振動加速度自0.5 m／s2及以上，提速前占比為13.91%，提速后為68.46%，提升了54.49%，增幅較為顯著。車體垂向振動加速度主要集中于0.05 m／s以內(nèi)，提速前后占比分別為67.48%和65.87%；自0.2 m／s2及以上，提速前占比為16.24%，提速后為18.89%，提升了2.65%，增幅較小。

3 結(jié)論

本文選取某既有速度目標值為350 km／h的鐵路曲線地段，采用數(shù)值模擬對列車以400 km／h運行時的線路參數(shù)適應性進行分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）當列車速度提升至400 km／h后，列車的多項動力學指標響應值較350 km／h時顯著增加，安全性與舒適性均有所降低，特別是當列車由較大曲線半徑向較小曲線半徑線路運行時。

（2）列車速度提升至400 km／h后，列車的安全性可得到保證，動力響應峰值均評價為安全，但是列車的舒適性指標，特別是橫向振動加速度在某個小段出現(xiàn)了接近限值的情況，舒適度也下降為中等水平。

（3）為提高高速鐵路線路在400 km／h速度下的適應性，可以適當增大曲線半徑以及夾直線長度。

（4）鐵路軌道應該加強日常養(yǎng)護中的平順性控制，在曲線段、緩圓點等特殊地段進行重點監(jiān)測與養(yǎng)護，對運行平穩(wěn)性以及車內(nèi)噪聲等環(huán)節(jié)進行控制，降低運行阻力，車體本身也可以進行進一步的提升改造，減小整車質(zhì)量，以提升旅客乘坐的安全性與舒適度體驗。