敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线动力仿真研究

王文博

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)规定，桥上应避免采用反向曲线。同一座桥梁如设在反向曲线上，列车过桥时，由一曲线进入另一曲线，摆动剧烈，运行不够安全，对桥梁受力也不利。另外，由于线路养护拨道不易准确就位，梁上产生偏心，尤其是明桥面桥超高更难调整，故对于各类型桥面的桥上均应避开反向曲线。如不得已而设在反向曲线上时，应该采用道砟桥面，还应设置较长的夹直线，并进行充分的论证。实际上受地形等诸多因素限制，有时桥梁不可避免地设置在反向曲线上。敦格铁路肃北2号特大桥曲线半径小，局部地段形成了S形曲线，且夹直线较短。对此，本文运用现代机车车辆—轨道耦合动力学理论，研究客车通过时的轮轨相互作用性能，并进行动态安全评估分析，为工程实际提供理论指导和技术支撑，也为敦格铁路安全运营提供理论依据和参考。

1 模型的建立

1.1 机车车辆选取

本次动力仿真分析选用的机车车辆类型有两种:①韶山7E，轴重21 t，计算代号SS7E;②提速客车，轴重16 t，计算代号T-120。

曲线通过时的设计速度目标值为120 km/h，计算时客车最高速度为120 km/h。因此，客车速度分别为80，100，120 km/h 三个等级。

1.2 桥梁孔跨及线路平纵断面设置

肃北2号特大桥为87×32 m后张法预应力混凝土简支梁桥。桥梁全长2 880.60 m，起讫里程DK141+822.7—DK144+703.3。线路平面如图1，纵断面设置如图2。

图1 线路平面

图2 线路纵断面设置(单位:m)

1.3 轮轨系统激扰输入类型

由于敦格铁路客运最高速度为160 km/h，又兼顾货运(最高目标速度为120 km/h)，上述反向曲线的轨道均为有砟道床，因此，其运用状态及条件与我国既有提速铁路的状态相接近。据此，选用我国既有提速铁路的轨道几何不平顺作为轮轨系统输入。

1.4 车辆—轨道耦合模型

应用动力学仿真软件TTISIM建立车辆—轨道耦合模型予以分析。客车车辆由车体、2个构架、4个轮对和两系悬挂组成。

车辆子模型中，转向架中央悬挂模型包括弹簧(或空气弹簧)提供的三个方向刚度及阻尼，橡胶块提供的横向止挡，抗蛇行减振器、横向减振器及垂向减振器提供的阻尼;轴箱悬挂模型包括轴箱弹簧提供的三个方向刚度，轴箱定位装置提供的水平刚度。一系垂向阻尼则由悬挂在轴箱弹簧外侧的一系垂向减振器提供。假设车体、构架及轮对均为刚体，每个刚体具有横移、沉浮、侧滚、摇头、点头5个方向自由度，整个车辆子系统共有35个自由度。选取的刚度及阻尼参数见表1。

表1 刚度及阻尼参数

轨道模型采用了文献［1］中车辆—轨道垂向统一模型中轨道子系统模型。将左右两股钢轨均视为连续弹性离散点支承基础上的无限长Euler梁，并考虑钢轨的垂向、横向振动及扭转振动;轨枕视为刚性体，轨枕与钢轨之间以及轨枕与道床之间在垂向和横向用线性弹簧和黏性阻尼连接，并考虑轨枕的垂向和横向振动及刚体转动;道床离散为刚性质量块，道床块之间由剪切刚度和剪切阻尼组件相连，道床与下部结构之间用线性弹簧和阻尼组件连接，且只考虑道床的垂向振动。

2 旅客列车通过时的性能分析

2.1 轮轨动态安全性能

当旅客列车以80～120 km/h速度通过敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道时，轮轴横向力、脱轨系数及轮重减载率等安全性指标最大值列于表2。一般而言，第一位轮对下的动力性能指标值均最大，因此仅给出了第一位轮对下指标的计算结果(下同)。

由表2可知:

1)SS7E机车以80～120 km/h速度通过敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道时，随着速度的提高，轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率均增加，当速度为100 km/h及以下时，所有指标值均满足安全要求。当速度为120 km/h时，轮轴横向力最大值为99.66 kN，超出限值(80 kN);脱轨系数最大值为1.19，超出限值(1.0);轮重减载率最大值为0.81，略大于限值(0.8)。因此，机车以120 km/h速度通过该反向曲线时，安全性指标不满足要求。

2)对于提速客车，以80～120 km/h速度通过敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道时，轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率均随着速度的提高而增加，最大值分别为48.30，0.76，0.54 kN，出现在速度为120 km/h条件下，均满足安全要求。

2.2 车体振动加速度及其平稳性指标

当旅客列车以不同速度通过敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道时，车体横向加速度、垂向加速度、横向平稳性指标、垂向平稳性指标等安全性指标最大值列于表3。

表3 旅客列车通过时的舒适性指标

由表3可知:

1)SS7E机车以80～120 km/h速度通过敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道时，随着速度的提高，车体横向振动加速度先减小后增加，在速度为100 km/h时横向加速度值最小(0.09g)，由此表明100 km/h速度最为接近曲线通过的均衡速度。横向振动加速度最大值为0.16g，出现在120 km/h速度条件下，属良好等级。从垂向振动来看，随着速度提高，垂向振动加速度增加，最大值为0.11g，属优级。就平稳性指标而言，随着速度的提高，横向及垂向平稳性指标均增加，最大值分别为2.55和2.06，出现在120 km/h速度条件下，属优级。

2)提速客车通过敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道时，80，100，120 km/h速度条件下的车体横向振动加速度最大值分别是0.09g(良好级)、0.07g(良好级)、0.12g(合格级)，随着速度提高，加速度值先减小后增加，在速度为100 km/h时加速度值最小(0.07g)，由此亦表明100 km/h速度最为接近曲线通过的均衡速度。从垂向振动来看，随着速度提高，垂向振动加速度略有增加，最大值为0.06g，属良好级。就平稳性指标而言，随着速度的提高，横向及垂向平稳性指标均增加，最大值分别为 1.81和1.49，出现在120 km/h速度条件下，均属优级。

3 结论

旅客列车以80～120 km/h速度通过敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道(半径均为800 m)，对于SS7E机车，当速度为100 km/h及以下时，所有安全性指标与舒适性指标均满足要求，当速度为120 km/h时，轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率超出合格限值，不满足要求;对于提速客车，在80～120 km/h速度范围内，所有指标均满足行车要求。从行车安全性与舒适性角度，对于敦格铁路肃北2号特大桥反向曲线轨道，旅客列车(SS7E机车与提速客车编组)通过时，最高速度不宜超过100 km/h。

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