高速铁路线路空间线形的动力学评价指标体系研究

王开云, 吕凯凯

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031)

高速铁路线路空间线形的动力学评价指标体系研究

王开云, 吕凯凯

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031)

为了全面反映高速铁路线路空间线形作用下的轮轨动态相互作用特征，基于车辆-轨道耦合动力学理论,综合考虑车辆系统与轨道系统的动力响应,提出了高速铁路线路空间线形的动力学评价指标体系研究方法.针对高速铁路平纵断面参数,确定了变化敏感的动力学指标,并给出了具体的高速铁路空间线形评价指标.以高速铁路纵断面线形评价为例,详细介绍了该研究方法的应用与实施过程,在此基础上,给出了高速铁路纵断面的参数设计建议.研究结果表明:在时速为350 km高速铁路线路线形参数的设计过程中,竖曲线的设计原则是应尽可能采用较小的坡度及较大的竖曲线半径,且夹坡段长度不小于300 m.

高速铁路;线路线形;评价指标体系;平纵断面;夹坡段长度

近十几年来,中国和世界其它国家新建了大量的高速铁路,对于长距离的高速铁路工程而言,由于空间跨度广,服役环境复杂,不同地区地形复杂多变,导致铁路线形存在大量的平纵组合断面.在高速行车条件下,线路线形参数对行车安全性与乘车舒适性影响显著,因此,平纵断面线形参数的设计需要完整的动力学评估指标体系进行评价和指导.各国学者对铁路平纵断面评估指标进行了大量的研究, Nejlaoui M等[1]运用行车安全性指标及运行平稳性指标对小半径曲线线路进行了动力学评估; Kardas-Cinal E在文献[2]中从运行平稳性及行车安全性角度对比分析了评定铁道车辆乘车舒适度的关键指标;龙许友等[3-6]从乘坐舒适性角度对高速铁路线路线形进行了动力学评估,并对缓和曲线及竖曲线进行了分析;翟婉明[7]提出了机车车辆与线路最佳匹配设计原理,并在文献[8]中提出了高速铁路线路平纵断面设计评估方法,该评估指标体系综合考虑了行车安全性指标、运行平稳性指标以及轨道结构动态响应指标;王开云在文献[9]中运用行车安全性及运行平稳性指标对高中速客运专线和高低速客货共线铁路平纵断面合理匹配进行评估,并且在文献[10]中针对提速和高速铁路,开展曲线轨道轮轨动态相互作用性能研究;易思蓉[11-12]研究了满足舒适性和安全性标准的高速铁路最小曲线半径.

以上关于线路平纵断面线路参数的评估中,主要从安全性及舒适性限值角度对铁路线路进行评估,评估过程中考虑了轨道不平顺因素,而因线路线形产生的轮轨动态相互作用未能完全体现.

本论文在以上研究的基础上,基于车辆-轨道耦合动力学理论[13],综合考虑行车安全性、运行平稳性以及轨道结构动态响应,研究了高速线路空间线形的动力学评价指标体系,以期为高速铁路线形参数设计及其动态性能评估提供依据.

1 现行的评价指标体系

图1为目前高速铁路的主要动力学评价指标体系,运用此指标体系对线路参数进行评价时,主要是在有不平顺条件下,仿真计算高速列车通过不同平纵断面时的动态响应,综合对比不同线路条件下的动力学性能指标,给出评估建议,并对线路设计提出优化方案.以高速列车通过如图2所示的高速铁路平纵断面组合为例,说明现行的评价指标体系在评价线路线形设计时存在的不足.

图2中主要的参变量说明如下:

i为竖曲线坡度;

L1、L2为坡长;

Tv为竖曲线长度;

R为平面曲线半径;

l为平面曲线缓长;

ΔL1为竖曲线终点与平面缓和曲线起点的距离;

ΔL2为缓和曲线终点与竖曲线起点的距离;

HZ为缓直点;

ZH为直缓点;

HY为缓圆点;

YH为圆缓点.

图1 现行评估指标体系Fig.1 Existing evaluation index system of high-speed railway

图2 平纵断面组合示意Fig.2 Schematic diagram of combined plane and profile

高速列车以350 km/h速度通过图2所示的平纵断面时,主要动力学性能指标的动态响应如图3～5所示.

由图3～5可知,各指标的最大值均远小于规定限值.但是由于在评估过程中施加了线路不平顺,各动力学性能指标主要反映了线路不平顺的影响,据此无法判别线路线形参数对系统响应造成的影响程度,部分评估指标对线路线形参数不敏感;另外,平纵断面组合时振动的衰减情况被不平顺掩盖,无法判断振动是否存在叠加,事实上,线形上的振动叠加是空间线形设计时考虑的一个重要因素.

图3 车体加速度响应Fig.3 Response of carbody acceleration

图4 轮轨力响应Fig.4 Responses of wheel-rail force

图5 钢轨位移响应Fig.5 Responses of rail displacement

总体而言,目前的评估指标体系受不平顺影响较大,在不同线路不平顺的作用下,评估结果相差明显,未能以线路线形为主要研究对象进行评估分析.

2 线路线形评价指标体系研究方法

针对现行评价指标体系中存在的不足,本文提出了高速铁路线路空间线形的动力学评价指标体系研究方法.该方法的基本原理是车辆-轨道耦合动力学理论,实施手段是车辆-轨道耦合动力学仿真软件TTISIM[14].

该研究方法以线路线形几何参数为主要研究对象,不考虑线路不平顺.首先,针对具体的平纵断面空间组合线形(包括平面曲线与竖曲线要素),改变某一参数,计算得到轮轨系统动态响应,选取对此线形参数比较敏感的动力学性能指标;然后,改变线路线形的所有几何参数,重复进行以上工作,得出对全部线路线形参数敏感的动力学指标;最后,得到高速铁路线路空间线形动力学评价指标体系,根据此评价指标体系,给出线路线形参数设计的合理建议.具体流程如图6所示.

需要说明的是,经大量仿真分析发现,图6中系统各动力学指标对平面曲线线形的参数均比较敏感,因此,在平面曲线的线形评价指标体系中应综合考虑图6中的各动力学性能指标.而对于竖曲线,则针对不同的线形参数,敏感指标各不相同.

以下运用本文提出的研究方法,详细介绍竖曲线线形评价指标体系的分析过程,并给出线形参数的设计建议.

图6 评价指标研究流程Fig.6 Research process of evaluation index system

3 纵断面线路线形评价指标体系

本节运用高速铁路空间线形评估指标体系研究方法,以竖曲线线形几何参数为研究对象,确定对竖曲线参数敏感的动力学性能指标,建立高速铁路纵断面线路线形参数评价指标体系,在此基础上,对竖曲线线形参数的设计原则提出合理建议.

高速铁路竖曲线的主要参数包括坡度、竖曲线半径及夹坡段长度,在研究过程中以这3个线形参数为研究对象,分别改变其数值,计算系统的响应.需要指出的是,高速列车通过竖曲线时,不同的竖曲线参数条件下,车体横向加速度及轮轴横向力数值近似为0,说明这两个指标对竖曲线线形参数均不敏感,因此,在以下的分析中未给出这两个指标的响应计算结果.

3.1 坡度评价指标

以竖曲线半径为25 000 m的单一上坡为例,研究不同坡度下,动车组以350 km/h速度通过时的轮轨系统响应.计算结果如图7～14所示.

图7 不同坡度下车体垂向加速度响应Fig.7 Responses of carbody vertical acceleration for different slopes

图8 不同坡度下轮轨垂向力响应Fig.8 Responses of wheel-rail vertical force for different slopes

图9 不同坡度下轮轨横向力响应Fig.9 Responses of wheel-rail lateral force for different slopes

图10 不同坡度下脱轨系数响应Fig.10 Responses of derailment coefficient for different slopes

图11 不同坡度下轮重减载率响应Fig.11 Responses of rate of wheel load reduction for different slopes

图12 不同坡度下钢轨横向位移响应Fig.12 Responses of rail lateral displacement for different slopes

图13 不同坡度下钢轨垂向位移响应Fig.13 Responses of rail vertical displacement for different slopes

图14 不同坡度下轨距动态扩大量响应Fig.14 Response of dynamic expansion of gauge with different slopes

从图7～14可以看出,高速列车通过竖曲线时,车体垂向加速度对坡度参数不敏感,而轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、钢轨横向位移、钢轨垂向位移及轨距动态扩大量等指标对坡度参数敏感,故选取这些敏感指标为坡度参数的评价指标.另外,随着坡度的增加,这些敏感指标均呈增大趋势,因此在竖曲线设计时,应根据实际情况选择较小的坡度.

3.2 竖曲线半径评价指标

为了研究竖曲线半径的评价指标,以坡度为20‰的单一上坡为例,改变其竖曲线半径,计算动车组以350 km/h速度通过时的轮轨系统的响应,结果如图15～22所示,图中Rsh表示竖曲线半径.

根据图15～22的响应结果可以得出,对竖曲线半径参数比较敏感的指标包括车体垂向加速度、轮轨垂向力、轮重减载率、钢轨垂向位移,因此选用这些指标为竖曲线半径的评价指标.另外,各评价指标随竖曲线半径的增加而降低,建议纵断面参数设计时,应优先选取较大的竖曲线半径.

图15 不同竖曲线半径下车体垂向加速度响应Fig.15 Responses of carbody vertical acceleration for different radii of vertical curve

图16 不同竖曲线半径下轮轨垂向力响应Fig.16 Responses of wheel-rail vertical force for different radii of vertical curve

图17 不同竖曲线半径下轮轨横向力响应Fig.17 Responses of wheel-rail lateral force for different radii of vertical curve

图18 不同竖曲线半径下脱轨系数响应Fig.18 Responses of derailment coefficient for different radii of vertical curve

图19 不同竖曲线半径下轮重减载率响应Fig.19 Responses of rate of wheel load reduction for different radii of vertical curve

图20 不同竖曲线半径下钢轨横向位移响应Fig.20 Responses of rail lateral displacement for different radii of vertical curve

图21 不同竖曲线半径下钢轨垂向位移响应Fig.21 Responses of rail vertical displacement for different radii of vertical curve

图22 不同竖曲线半径下轨距动态扩大量响应Fig.22 Responses of dynamic expansion of gauge for different radii of vertical curve

3.3 夹坡段长度评价指标

每个竖曲线位置均存在一个坡度差,在研究两相邻竖曲线夹坡段长度的评价指标时,以两个坡度差均为20‰为例,改变两竖曲线间夹坡段长度,分别计算系统的响应.

图23～30给出了动车组以350 km/h速度通过时的各指标动态响应之计算结果,图中,L为夹坡段长度.

图23 不同夹坡段长度下车体垂向加速度响应Fig.23 Responses of carbody vertical acceleration for different lengths of intermediate grade section

图24 不同夹坡段长度下轮轨垂向力响应Fig.24 Responses of wheel-rail vertical force fordifferent lengths of intermediate grade section

图25 不同夹坡段长度下轮轨横向力响应Fig.25 Responses of wheel-rail lateral force for different lengths of intermediate grade section

图26 不同夹坡段长度下脱轨系数响应Fig.26 Response of derailment coefficient with different lengths of intermediate grade section

图27 不同夹坡段长度下轮重减载率响应Fig.27 Responses of rate of wheel load reduction for different lengths of intermediate grade section

图28 不同夹坡段长度下钢轨横向位移响应Fig.28 Responses of rail lateral displacement for different lengths of intermediate grade section

图23～30结果表明,仅车体垂向加速度对夹坡段长度参数较敏感,即作为夹坡段长度的评价指标.

从图23可以得出,当高速列车通过竖曲线后,车体垂向加速度逐渐衰减,当夹坡段长度较短时,振动未完全衰减,在后一竖曲线起点产生的振动可能包含前一竖曲线终点产生的振动.

为了分析高速铁路两竖曲线间夹坡段长度对车体垂向加速度叠加的影响,特设定后坡度差为20‰、变化前坡度差(Δi)和夹坡段长度,计算得到了后竖曲线起点位置的加速度,图31给出了后竖曲线起点位置的加速度随前坡度差、夹坡段长度的变化趋势.

图29 不同夹坡段长度下钢轨垂向位移响应Fig.29 Responses of rail vertical displacement for different lengths of intermediate grade section

图30 不同夹坡段长度下轨距动态扩大量响应Fig.30 Responses of dynamic expansion of gauge for different lengths of intermediate grade section

图31 不同夹坡段长度下的车体垂向加速度Fig.31 Carbody vertical acceleration withdifferent length of intermediate grade section

从图31中可以得出,随着夹坡段长度的增加,车体垂向加速度幅值逐渐减小,当夹坡段长度为300 m后基本保持不变.因此,高速铁路竖曲线间夹坡段长度为300 m左右时,能使上一竖曲线产生的车体垂向加速度得到充分衰减,不与下一竖曲线产生的车体垂向加速度发生叠加.因此,对于设计时速为350 km的高速铁路,夹坡段长度应不小于300 m.

综上所述,运用高速铁路线路空间线形的动力学评价指标研究方法,针对高速铁路竖曲线线形,给出了动力学评估指标体系,如表1所示,同时表1给出了高速铁路竖曲线线形参数设计的建议.

表1 竖曲线线形评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of profile alignment

4 结束语

基于车辆-轨道耦合动力学理论,提出了高速铁路线路空间线形的动力学评估指标体系研究方法.以高速铁路线路线形参数为研究对象,确定对其敏感的动力学性能指标,并分别建立了平面曲线和竖曲线的评价指标体系.

在高速铁路线路线形设计之初,建议对线路线形参数进行动力学评价,以达到最优设计的目的.

本文建立的高速铁路线路线形评价指标体系主要考虑了系统响应的时域特性,后续还应从系统动力学响应的频谱特性方面开展相关研究.

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王开云(1974—),博士,2000年起至今任职于西南交通大学,现为牵引动力国家重点实验室研究员,副主任,博士生导师,四川省学术技术带头人.主要研究方向为现代轨道交通列车与线路动态相互作用、重载铁路工程动力学理论与运营安全技术.承担和参与国家级、省部级和企业委托课题50余项.先后获得了教育部科技进步一等奖(排名第7)、四川省科技进步一等奖(排名第3)、国家科技进步一等奖(排名第3)和国家科技进步二等奖(排名第9)各1项,个人还获得了中国青年科技奖、詹天佑铁道科学技术奖(青年奖)、茅以升科学技术奖)铁道科学技术奖).主要的社会兼职有四川省振动工程学会理事、中国交通运输协会青年科技工作者工作委员会副秘书长.

E-mail: kywang@swjtu.edu.cn

吕凯凯(1990—),现为牵引动力国家重点实验室硕士研究生.研究方向为现代铁道交通车辆与轨道耦合动态相互作用.承担和参与国家级、省部级和企业委托课题10余项.个人获“第十一届全国交通运输领域青年学术会议”优秀论文奖、“四川省振动工程学会2015年学术会议”优秀论文奖.

E-mail: Lvkais@163.com

(中文编辑:秦 瑜 英文编辑:兰俊思)

Dynamic Evaluation Index System for Spatial Alignment of High-Speed Railway

WANGKaiyun,LÜKaikai

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To study overall characteristics of the wheel-rail dynamic interaction in the spatial alignment of high-speed railways, a method for researching the dynamic evaluation index system for spatial alignment of high-speed railways was proposed based on vehicle-track coupled dynamics theory, in which dynamic responses of the vehicle system and track system were taken into consideration comprehensively. Using high-speed railway plane and profile parameters, sensitive dynamic indicators of track alignment were determined and the evaluation indexes of track alignment were established. Taking the evaluation for profile alignment of high-speed railway as an example, the application and implementation of the proposed method was introduced in detail, and some suggestions were further put forward for the parameter design of high-speed railway profile alignment. The result shows that, in the design process of railway alignment with a speed of 350 km/h, smaller slope and larger vertical curve radius should be adopted as the priority principle, and the length of intermediate grade section should be not less than 300 m.

high-speed railway; track alignment; evaluation index system; plane and profile; length of intermediate grade section

2015-11-02

国家973计划资助项目(2013CB036206); 中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2014G010-H)

王开云,吕凯凯. 高速铁路线路空间线形的动力学评价指标体系研究[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 227-235.

0258-2724(2016)02-0227-09

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.002

U260.13

A