铁路选线设计方案的动力学性能评价与优化研究

张晓东

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)



铁路选线设计方案的动力学性能评价与优化研究

张晓东

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

随着铁路行车速度提高和轴重增大，线路设计中应重视动力学性能的评价与优化。研究了动力学选线设计的原理和方法，建立了线路动力学性能评价指标体系，提出了区段线路动力学性能评价和优化方法。用线路动力学性能指数对线路设计方案的动力性能进行量化评价，用“影响度”表征线路设计参数变化对动力学性能指标的影响程度，可用于指导对线路设计方案的动力学性能的优化设计。

铁路；选线设计；动力学；评价；优化

选线设计是铁路设计中一项关系到全局的总体性工作，其不仅决定着铁路运输能力、建设投资，而且直接关系到列车运行的安全性、旅客乘坐的舒适性以及线路的稳定性、耐久性等。随着铁路行车速度提高、轴重增大，机车车辆与线路间的相互动力作用愈加显著，由此引发的动力问题日益突出。因此，有必要在铁路选线设计中，针对每条设计线的选线方案，从动力学角度进行整体评价和优化，即进行动力学选线设计，以尽量减小轮轨相互作用力、提高行车的安全性和旅客的舒适性。

1 动力学选线设计的理论和方法

1.1 动力学选线设计的原理

动力学选线设计，就是将机车车辆系统和线路系统作为一个相互作用、相互耦合的整体大系统，运用机车车辆—线路耦合动力学理论，建立车—线耦合动力仿真分析平台，对区段线路设计方案进行全程模拟运行，以提取的全程线路的车—线整体系统的动态响应指标(称作线路动力学性能指标)作为评价指标和优化目标，对线路设计方案进行动力学性能的综合评价与优化设计，以获取机车车辆系统和线路系统在动力学性能设计上相互适应、相互匹配的最优线路设计方案。与传统选线设计方法区别在于，线路方案的评价与优化中，除了考虑经济因素、自然因素、环境因素等之外，将线路动力学性能指标作为方案比选的重要因素，适应了铁路重载化、高速化的发展趋势；线路的动力学性能指标并非仅仅考虑线路系统的动态性能，还必须考察对机车车辆系统的动态作用影响，即考察机车车辆系统是否与线路系统相匹配[1]，也就是机车车辆在线路上的走行性能指标，如运行平稳性及轮轨动态安全性指标等，根据线路动力性能的评估结果改进线路设计参数。

1.2 动力学选线设计方法

铁路线路动力学选线设计方法如图1所示。将线路初始设计参数以及机车车辆参数和运营参数输入机车车辆—线路耦合动力学仿真分析系统，通过模拟分析，获取线路动力学性能指标；根据相关机车车辆及线路结构动力性能评定标准和方法进行综合评估，并由此对线路设计方案进行评价；确定较差的动力性能指标及对这些指标影响度大的线路设计参数(如曲线半径、缓和曲线长度、夹直线长度、坡度、变坡点位置及竖曲线等)；优化相关线路设计参数，重新进行动力性能分析与评估，如此反复，直至获得既能满足线路自身动力性能要求又能保证机车车辆在该设计线路上安全平稳运行的最佳线路设计方案。

2 线路动力学性能评价指标体系与评价方法

2.1 线路动力学性能评价指标体系

科学、全面的评价指标体系是对线路设计方案进行动力学性能评价和优化的基础。基于动力学选线设计的原理，参考文献[2,3]等，建立如图2所示的评价指标体系。

图1　动力学选线设计方法

图2　动力学性能评价指标体系

2.2 区段线路动力学性能评价方法

为对区段线路动力学性能进行评价，引入线路动力学性能指数Z的概念。它是考虑了线路沿程各项动力学性能指标的评定等级及其对应长度，以及各动力学性能指标权重因素，对线路动力学性能的综合评分。Z定义为：

式中：Dij为与动力学性能指标的评定等级相对应的分值；Wi为动力学性能指标的权重值；n为线路沿程的采样点个数，一般每10 m采集一个点；m为动力学性能指标的个数。

线路方案的优劣，根据线路动力学性能指数Z的大小排序确定，Z越小，线路的动力学性能越好。

2.2.1 动力学性能指标权重的确定

由于设计线在路网中的地位、作用和性质不同，对运营安全性、平稳性和轮轨动力作用的要求有所不同，因此要根据设计线的特点，确定各动力学性能指标的权重。权重的确定采用层次分析法原理。首先根据图2所示评价指标体系，建立如表1所示层次结构模型；然后由设计、运营等业内专家根据设计线在路网中的地位、作用和性质，分别对各层指标对上层的相对重要性进行两两对比，构造判断矩阵，通过层次单排序、层次总排序及一致性检验后，得到各指标对于总目标相对重要性的权重。表中括号内给出的是某设计线的指标权重值。

表1 层次结构模型

2.2.2 动力学性能指标等级评定及分值确定

将线路设计参数输入机车车辆—线路耦合动力学仿真分析系统，计算设计线沿程各项动力学性能指标。采样频率一般取1点/10 m。

依据文献[2,3]中各动力学性能指标的评价方法和标准以及设计线的性质和特点，建立各动力性能指标等级的评语集，确定等级评定标准。各等级对应分值的确定，考虑动力学指标对运营安全和行车品质的影响程度，根据专家意见确定。动力学性能等级对应的分值如表2所示。由于“不合格”的动力性能指标，对行车安全性、平稳性及线路系统的动力作用严重的不利影响，应该避免出现，所以赋予大的分值，以剔除该方案。

3 区段线路动力学性能优化研究

线路设计方案评价比选后提出的推荐方案，是区段线路比较方案中综合动力学性能相对较佳的方案。以此设计方案为基础，找出其中影响整体动力学性能的主要因素，结合自然地理、经济、环境等因素，进一步进行优化，最后得出最终方案。

3.1 线路设计方案动力性能的优化设计方法

(1)将评价后得分较低的线路方案作为备选设计方案。

表2 线路动力学性能指标的评语集及对应分值

(2)对该设计方案的各动力学指标仿真结果进行分析，判识出指标等级偏低，也就是对Z贡献大的地段。

(3)确定对该指标影响度大的线路设计参数。

(4)通过对相应线路设计参数进行调整，完成线路方案的优化设计。应该注意，动力学性能只是选线设计考察的一个重要方面，不能抛弃经济选线、地质选线、环境选线(绿色选线)等理念，也就是不能为优化动力学性能指标而一味的采取改直线路或增大半径等方法优化线路，要全面考察修改线路参数变动对工程量、运营费用、地质地理因素及对周围的人文、自然环境的影响，否则有可能得不偿失。

(5)完成优化后的线路应该进行二次仿真，计算Z值并与优化前对比，如此反复改进直至得到能满足车—线动力性能的最佳设计方案，完成优化。

上述方法中，掌握线路设计参数对线路动力学性能的影响规律，明确在设计线运营条件下，线路设计参数对各动力学性能指标的影响度，是线路动力学性能优化设计的关键。

3.2 线路设计参数对动力学性能指标的影响度研究

明确线路动力学性能指标对线路设计参数变化的敏感性，可以在线路方案动力学优化时有的放矢，提高优化的效率，提升线路设计质量。理论上，可以通过敏感性分析，明确线路平面、纵断面设计参数对区段线路动力学性能的影响程度和敏感性程度。但由于线路设计参数非常复杂，各动力学指标也并非独立，所以实际中是不可行的。论文结合某高速铁路线路，研究了平面设计参数(包括曲线半径、超高、缓和曲线长度、圆曲线长度、夹直线长度)、纵断面设计参数(包括坡度、坡长、坡度差、竖曲线半径、夹坡段长度)对线路动力学性能的影响规律，结合高速铁路各设计参数的取值范围，通过对仿真结果的定量定性对比分析，确定了线路设计参数变化对动力学性能指标的影响程度，并提出“影响度”的概念来定量表示。定义影响度为：5，影响很大； 4，影响较大；3，影响一般；2，影响较小；1，影响很小；0，没有影响。高速铁路线路设计参数变化对动力学性能指标的影响度值见表3。线路动力学性能优化设计中，应优先调整对该动力学指标影响度大的设计参数。

表3 线路设计参数变化对动力学性能指标的影响度值(高速铁路)

4 结论

(1)随着铁路行车速度提高和轴重增大，线路设计中应重视动力学性能的评价与优化。动力学选线设计通过对区段线路设计方案进行全程车—线动力学仿真运行，以提取的全程线路的车—线整体系统的动态响应指标作为评价指标和优化目标，对线路设计方案进行动力学性能的综合评价与优化设计，有利于减小轮轨相互作用力、提高行车的安全性和旅客的舒适性。提出了动力学选线设计的方法。

(2)建立了线路动力学性能评价指标体系，引入线路动力学性能指数Z用于对线路动力学性能进行量化评价，运用层次分析法原理计算设计线动力学性能指标权重，建立了各动力性能指标等级的评语集，给出等级评定标准及对应分值。

(3)提出了线路设计方案动力性能的优化设计方法，用“影响度”表征线路设计参数变化对动力学性能指标的影响程度，用以指导对线路设计方案动力性能的优化。在研究线路平纵断面设计参数对动力性能影响规律的基础上，确定了影响度的取值。

[1]翟婉明.机车车辆与线路最佳匹配设计原理、方法及工程实践[J].中国铁道科学，2006，27(2):60-65

[2]国家标准局.GB5599—85 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].北京：中国铁道出版社，1985

[3]铁道部科学研究机车车辆研究所.TB/T 2360—93 铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].北京：中国铁道出版社，1993

On the Evaluation and Optimization of the Dynamic Performance of the Design Schemes of Railway Location

ZHANG Xiaodong

(College of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

Greater attention should be paid to the evaluation of the dynamic performance and the optimization of the design scheme of railway location with the increase in the train speed and the axle load.Upon the basis of studying the principles and methods for railway location design by means of dynamics,a target system for the evaluation of the railway location design is set up in the paper,with the evaluation and optimization methods for the dynamic performance of the sectioned railway location put forward.The dynamic performance of the location design scheme is evaluated quantitatively by the dynamic performance indexes of the line, whose sensitivity to the design parameters is studied and shown by "influence degree". The result may be used to optimize the dynamic performance of the railway location design scheme.

railway;design of railway location;dynamic performance；evaluation;optimization

2016-07-13

河北省高等学校科学技术研究项目(Q2012148)

张晓东(1973—)，男，副教授，主要从事铁路线路勘测设计理论与技术研究工作。zhangxdong@139.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.002

U452.13

A

1672-3953(2016)05-0006-04