CRH3型动车组动态限界设计技术研究

景建辉，吕凤梅，邵楠，石俊杰

(中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司 产品研发中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

2005年底，西门子交通技术集团以提供样车和技术转让形式，开始与中国北车集团唐山机车车辆厂合作制造60列CRH3C型动车组，从2008年8月1日CRH3型动车组正式在京津线正式运营至今，以CRH3型动车组为平台设计制造的动车组已有120列8辆短编，100多列16辆长编下线运营.与此同时，在引进消化吸收CRH3型动车组各项设计技术过程中，西门子的限界设计和工程技术逐渐被认识和掌握.为了最大程度上利用限界空间，达到提高车辆运行安全性和经济性的两大目标，本文以CRH3C动车组的限界设计为例，对相关的限界依据标准、计算模拟方法和试验验证结果进行系统分析，指出各种限界计算方法的特点.计算结果证明，侧风大小对动车组的横向位移量其主导作用，试验结果证明动车组运行速度对横向位移量没有明显影响.

1 限界标准和计算方法

铁路限界由机车车辆限界和建筑限界共同组成，两者相互制约与依存［1］，车辆动态限界计算不仅是车辆设计过程中一项重要内容，也是安全行车的重要保障［2］.铁路最初是以结构限界来校验机车车辆轮廓的，然后发展到考虑车体和线路的误差、静态变形和磨耗的静态限界，在此基础上，进一步考虑悬挂的静态、准静态和动态振动变形，得到车辆的动态限界(亦称“动态包络线”).

1.1 限界标准

世界各国铁路基于其历史原因、运营情况、管理方法等各方面的差别，裕留空间所包含的内容及取值不尽相同.关于裕留空间的设置，基本有两种情况，一种是具有各种技术状态的机车车辆和铁路线路，在运营中可能发作的垂直方向和水平方向位移，除在曲线上的车宽缩减以外，大部分均在裕留空间内考虑.中国、俄罗斯、美国、日本等多数国家，均属这一类型.另一种是欧洲铁路联盟(UIC)所使用的铁路限界《UIC505－1－2003铁路运输车辆——机车车辆限界(Railway transport stock-Rolling stock construction gauge)》(以下简称“UIC505”)［3］，其裕留空间比较小，由各成员路自定.在UIC505中，给定各成员国均认可的基准轮廓线，并根据机车车辆可能发生的、具有各种特性的水平方向位移，缩小或扩大基准轮廓线，从而得到机车车辆制造限界、静态限界、动态限界.UIC505虽可在较大程度上利用裕留空间，但在机车车辆设计时需作较繁杂计算.同时，实施这种限界需符合机务、工务所规定的管理规则.

对我国的既有铁路而言，既有线普通客车需满足《GB146.1－1983标准轨距铁路机车车辆限界》［4］(以下简称“GB146.1”)标准要求，高速铁路需要满足《客运专线机车车辆限界暂行规定》(以下简称“暂规”)车辆限界和《TB10621－2009高速 铁 路 设 计 规 范 (试 行)》［5］(以 下简 称“TB10621”)建筑限界要求，而地铁车辆需要满足《CJJ96-2003 地 铁 限 界 标 准》［6］(以 下 简 称“CJJ96”)和《GB50490-2009城市轨道交通技术规范》［7］，其中 CJJ96中的计算方法参考了德国BOStrab(Straβnbahn-Bau-und-Betriebsordnung 城轨车辆－建筑－和运营规则)标准，同时为了提高空间利用和经济性，引入了设备限界概念(equipment gauges)，确定线路上安装的信号、通信、通风等固定设备不能侵入的空间.出口国外的车辆需要满足其各国的限界条件，但对很多铁路欠发达国家，没有相关的铁路限界和标准，计算方法一般借鉴UIC505或者国内标准.文献［8］中分别对美国、欧盟、俄罗斯和澳大利亚铁路车辆限界做了概述，主要分类见图1.

图1 限界标准分类

1.2 公式计算方法

UIC505、GB146.1和 CJJ96中的计算都是根据对建筑限界和车辆限界的不同应用条件，将各种影响限界的因素通过固定公式计算，得出车辆设计参数是否符合标准规定.这些标准使用都比较简便，其中CJJ96标准中的方法考虑的因素比较全面，实际上其理论原理可适用于各种轨道车辆，该标准将影响动态限界的因素分为随机Z和非随机因素NZ，对随机因素采用平方和开根号的叠加原则，对非随机变量直接相加，见表1.公式表示为:

车体最大偏移量:

式中，m为非随机因素数个数;n为随机因素数个数.

在确定计算参数时，由于无法准确考虑车辆振动时一系、二系变形量，所以基本上是按照最大变形量取值，轮轨间隙一般也按照最恶劣磨耗的情况考虑，以上情况实际上只会在特殊情况下达到极限.总的来说，CJJ96考虑的因素比较全面，但是部分参数取值不易确定，由于取值都向极限状态靠拢，所以掌握不好的话会导致计算结果偏于保守.目前，西南交通大学、同济大学［9］、北京交通大学［10］等单位已经开发出相关的计算软件，方便工程人员计算设计.

表1 车辆限界计算因素

1.3 动力学计算方法

动力学计算是通过车辆在轨道不平顺条件下的随机振动仿真，得出计算车辆的最大位移和姿态.动力学仿真方法不需要人为确定悬挂偏移量，且能考虑车速、风载、线路条件、轮轨磨耗状态等因素的综合影响，能够较为准确反映车辆在实际运行过程中的最大动态偏移量.但是，由于动力学仿真模型一般都是理想位置建模的，没有考虑制造、安装和维护误差，仿真计算结果不能代表最恶劣的情况.

因此，本文建议可将CJJ96与动力学计算相结合方式，先通过动力学方法得到CJJ96标准中不容易确定的悬挂变形和轮轨间隙，通过CJJ96标准计算轮轨磨耗、轨道不平顺和制造、安装定位和维护误差引起的偏移量，然后累加得到车辆动态包络线，此方法已经在西门子公司的限界计算中得到应用.

2 限界计算结果

2.1 GB146.1 静态限界计算

根据GB146.1标准中的计算方法，将CRH3型动车组的设计制造参数与静态限界进行对比，见图2，通过与TB10621中规定的高铁站台建筑限界进行对比，车体制造轮廓在站台1 250 m高度的最小横向距离为148.3 mm，车门打开后有与站台有69.3 mm的间隙，见图3.

图2 CRH3型动车组的设计参数

图3 CRH3型车体横断面和限界对比

2.2 CJJ96 限界计算

根据CJJ96的计算方法，CRH3动车组的计算结果见表2，动态包络线见图4.

表2 CRH3动车最大位移

图4 CRH3动车组动态包络线和高铁站台限界对比

2.3 动力学计算结果

运用动力学模拟软件SIMPACK对CRH3动车组进行动态模拟，线路工况为京津线路谱，侧风加载方式为5 s瞬时阵风.根据动态位移计算结果，侧风的强度对车体的横向位移影响较大，而在不同速度级下，车体横移量区别不大，见表3.

表3 不同风速下车体最大动态横移量 mm

在CRH3型动车组运营条件中规定:15 m/s风速时，限速300 km/h;30 m/s风速时，限速160 km/h.列车在300 km/h(15 m/s风速)运行条件下，在距轨面1 300 mm高度，车体最大横向偏移量为7.8 mm，在距轨面3 900 mm高度，车体最大横向偏移量为18.9 mm，见图5.

图5 CRH3动车组车体3.9 m高度车端最大横移量

表4 不同风速下的最大动态横移量

2.4 动力学和CJJ96综合方法限界计算结果

根据西门子的动力学限界计算方法，在列车动态模拟环境中，列车在300 km/h(15 m/s风速)运行条件下，结合CJJ96的计算方法，轮轨磨耗、轨距偏差和轨道不平顺与动态计算结果进行线性相加，计算结果见表4.

3 限界试验和计算结果对比

根据铁科院在京津线上的动态限界试验结果［11］，选择正常载客的一列CRH3型动车组，速度在5～260 km/h范围内运行，1 000～1 300 mm高度的车体横移量最大标准差σ为9.5 mm，根据随机参数分布符合正态分布的概率理论，可认为车体最大横向位移量在3 σ范围内，即28.5 mm，测试平均值为1 625 mm，则最大车体最大可能值为1 653.5 mm，车体的理论半宽为1 605.6 mm，所以车体最大横移量为(47.9±5)mm(测试偏移量的传感器误差为5 mm).

另外，试验结果表明，车体的偏移量与列车运行速度相关性不大，见图6.

根据不同的以上计算和试验结果，对动车组进行横向位移量进行对比分析，见表5和图7，结果表明，列车在300 km/h运行速度条件下，运用CJJ96标准方法计算出的横向位移量比动态综合模拟结果大1倍左右，动态模拟综合计算结果与动态试验结果比较接近，差别在35%以内.

图6 不同速度下车体横向偏移量

表5 CRH3动车组在各种工况下最大横向位移量对比 mm

图7 CRH3动车组在空重车工况下最大横向位移量对比

4 结论

通过以上对限界依据标准和CRH3动车组的限界计算和试验结果，可以得出以下结论和建议:

(1)运用CJJ96标准方法的计算结果偏于保守，初期设计阶段可运用CCJ96进行初步校核，待各设计参数确定后，适当调整设计参数，在有条件情况下，可运行动力学综合方法进行验证，以充分利用限界空间;

(2)在车辆总体运行环境对限界的影响方面，必须考虑侧风对车辆横移量的影响，计算结果表明侧风大小对动车组的横向位移量其主导作用，试验结果表明动车组运行速度对横向位移量没有明显影响.

［1］严隽耄.车辆工程［M］.3版，北京:中国铁道出版社，2009:11.

［2］滕万秀，程亚军.车辆限界计算方法对比研究［J］.都市快轨交通，2009，22(4):40-45.

［3］International Union of Railways.UIC505-1-2003国际铁路联盟铁路车辆限界标准［S］.巴黎:国际铁路联盟(UIC)，2003.

［4］中华人民共和国铁道部.GB46.1－1983标准轨距铁路机车车辆限界［S］.北京:中国标准出版社，1983.

［5］中华人民共和国铁道部.TB10621－2009高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［6］同济大学铁道与城市轨道交通研究院.CJJ96－2003地铁限界标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50490－2009城市轨道交通技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［8］田葆栓.对铁路限界的分析与思考［J］.铁道货运，2010，28(8):13-18.

［9］朱剑月，王建，罗湘萍，等.A型车车辆限界和设备限界的确定［J］.城市轨道交通车辆，2004(2):42-45.

［10］陈良龙，孙守光，任尊松.地铁限界分析与软件实现［J］.铁道车辆，2005，43(1):11-14.

［11］中国铁道科学研究.CRH型动车组车体偏移量计算和试验报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2009.