山西中南部铁路通道发鸠山隧道改线方案动力学优化

谢卫民

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



山西中南部铁路通道发鸠山隧道改线方案动力学优化

谢卫民

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要：依托山西中南部铁路通道工程，建立车线系统动力学模型，选取典型区段线路设计方案进行全面的动力学评估。以发鸠山隧道改线方案原设计和优化后设计的线路平纵断面参数作为线路条件，对比30 t货车和客车通过时的动力学性能指标，给出适用于30 t大轴重的重载铁路圆曲线半径建议值，可供未来重载铁路线路设计参考。

关键词：重载铁路；30 t轴重；车线动力学；方案优化

1工程概况

山西中南部铁路通道又称瓦日铁路，是我国第一条按照30 t轴重重载铁路标准设计的铁路，是连接我国东西部的重要煤炭资源运输通道[1]。线路西起山西瓦塘镇，东至山东日照市，经过吕梁、临汾等市，全长1 267.3 km，是我国一次性建成里程最长的重载铁路[2]。该线按国家Ⅰ级双线电气化铁路建设，其规划输送能力为货运20 000万t/年，客运15对/d。该线于2014年12月30日正式建成通车。

当前我国尚无系统的重载铁路设计标准可循，而准备试行的《重载铁路设计规范(报批稿)》其设计思路沿用了我国客货共线铁路线路设计的准静态设计方法，线路设计参数对动力学性能的影响亦未可知[3]。而山西中南部通道以货运为主，兼顾少量客运，与纯货运专线尚有一定区别，因此有必要从动力学角度出发对线路设计方案的合理性进行评估[4]。鉴于此，运用多体动力学软件SIMPACK，建立了30 t轴重货车和普速客车车线动力学模型，以发鸠山隧道原设计方案和优化后改线方案的线路参数作为线路条件，对比分析了车辆通过时的各项动力学性能指标(包括轮轨垂向力、横向力、脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、轮轨磨耗指数)，给出适用于30 t大轴重的重载铁路圆曲线半径建议值，可供未来重载铁路线路设计参考。

2线路方案设置

2.1发鸠山改线方案情况

发鸠山隧道线路为越岭地段，位于太岳山中山区，沁水块坳，沾尚—武乡—阳城北北东向复式向斜构造，横水盆地为研究区内主要居民聚集区，横水乡居民用水为主要的环境地质敏感点，地下水位较高，且走行在土石分界和第四系地层内，夹圆砾土，该段隧道施工易引起地表泉井失水，对堡沟、北寨、横水等居民饮用水影响较大，存在较大的环境水文地质风险[5]。

根据区域地质情况分析及工程风险分析，原初步设计方案(中穿横水盆地方案，发鸠山隧道长16.1 km)发鸠山隧道存在较大工程风险和环境地质风险，在补充初步设计中研究了南绕横水盆地(发鸠山隧道长14.6 km)方案和北绕横水盆地(发鸠山隧道长15.2 km)方案，并与原初步设计方案进一步进行了研究比选，如图1所示。北绕方案没有彻底绕避横水盆地，隧道施工风险仍然很大，发鸠山隧道出口段亦存在环境地质问题，且线路长度较长。南绕方案基本解决了工程施工安全风险和环境水文地质风险，工程地质条件较优，线路长度亦与原初步设计相当，最后采用了南绕横水盆地方案。

图1　发鸠山隧道改线方案

2.2评估段落的选取

为了评价线路方案的优劣，选取发鸠山隧道改线方案D2K435～D2K439段原线路设计方案和优化后线路设计方案作为仿真计算条件。原线路设计方案由3段曲线组成，即第一段曲线半径为1 600 m，第二段曲线半径为1 200 m，第三段曲线半径为1 200 m。其他曲线要素及相关参数见图2。

图2　原设计方案线路平面示意

方案优化后将第二段曲线的曲线半径由1 200 m提高为2 000 m，相应缓和曲线长度和超高与曲线半径相匹配，分别调整为l=70 m、h=40 mm，但在优化过程中维持该段线路总长度不变。具体曲线要素及相关参数见图3。

图3　优化后线路方案平面示意

3车线动力学模型

车线系统动力学方法基于车辆与线路最佳匹配设计原理，在考虑车辆系统各部件振动传递规律及线路设置条件的基础上，可以较为客观反映线路线形条件及线路不平顺激励引起的车辆振动量变化情况，能较为准确预测车辆运行过程中的安全性、轮轨磨耗和舒适性等动力性能指标，可以为线路设计方案进行动力学评估[6-9]。

图4　车线系统动力学模型

依据山西中南部通道行车安排车辆特征，采用多体动力学软件SIMPACK，分别建立了30 t轴重货车和普通客车车线系统动力学模型(图4)，分别包括车辆模型、线路模型和轮轨接触模型[10]。30 t轴重货车车辆模型由车体、摇枕、侧架、轴箱和轮对部件组成[11，12]，首先建立轮对模型，然后在轮轴上建立轴箱，通过一系悬挂连接轴箱与侧架，通过二系悬挂连接侧架与摇枕，在摇枕上建立心盘和旁承，最后再与车体连接。普通客车车辆模型主要由车体、转向架和轮对三部分组成，其中车体和转向架之间通过二系悬挂系统相连接，而转向架和轮对之间通过一系悬挂相连接。

图6　D2K435～D2K439段动力性能指标

线路模型按照图2和图3所示的实际线路平面设置，即平面曲线由直线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线-直线组成，在曲线地段设置超高。在轮轨接触模型中，轮轨接触力采用Kalker简化滚动接触理论计算轮轨蠕滑力和蠕滑力矩，具体采用FASTSIM算法计算轮轨作用力[13]。轮轨几何关系采用75 kg/m钢轨与LMA型车轮踏面相匹配。为了反映实际线路状况，在车线系统模型中考虑了线路不平顺的激扰，本文选用美国六级谱，其方向不平顺和高低不平顺如图5所示。

图5　美国六级谱轨道不平顺

4线路方案动力性能评估

为了对线路设计方案进行动力学评估，利用本文所建车线系统动力学模型，山西中南部通道D2K435～D2K439路段优化前后线路平面图，分别计算了客车以120 km/h、货车以80 km/h设计速度运行时轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、磨耗指数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度动力性能指标。其中优化前后客车右轮轮重减载率、客车车体横向加速度、货车左轮脱轨系数、货车左轮磨耗指数时程曲线如图6所示。受篇幅所限，其他时程曲线不再列举。

从图6可知，优化前后客车和货车的动力性能指标均出现3处数值较高的密集区，此时客车和货车均位于曲线上，表明车辆通过曲线时其动力性能指标要明显差于直线段[14]。这与常理推断是相符的，也从一个侧面证明了本文所建车线系统模型的正确性。

为了进一步分析优化前后线路方案动力学性能的优劣，分别对计算的客车与货车主要安全性指标(轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率)、舒适性指标(车体横向加速度、车体垂向加速度)和磨耗指数进行统计分析，各项动力性能指标的最大值和平均值分别见表1和表2。

表1　客车动力性能指标统计结果

表2　货车动力性能指标统计结果

从表1和表2中可以看出，线路优化前后货车和客车的车体垂向加速度几乎没有变化，这主要是由于优化的是平面曲线半径，而对纵断面参数没有改变，因此对于车体的垂向响应改变不大。以脱轨系数最大值为例，线路优化前后计算指标分别为0.259和0.250，均小于脱轨系数最大值0.6，评定等级为优，但线路优化后脱轨系数较优化前略有减小。参考其他车辆性能动力评价指标，从仿真计算结果可以得到，整体而言优化前后线路方案的动力学性能指标都属于优良等级[15]，但优化后线路方案的安全性指标和舒适度指标都比原线路方案有所减小，线路条件得到改善。在线路优化方案中第二个曲线地段，将曲线半径从1 200 m提高到2 000 m，缓和曲线长度和超高与曲线半径匹配。相比于原线路设计方案，曲线半径增大了，客车的欠超高减小了，货车由欠超高状态变为过超高状态，通过对比表明优化后的线路参数匹配更合理，动力性能更好。因此，从有利后期运营的角度出发，建议30 t大轴重的重载铁路圆曲线半径一般条件下取2 000 m，困难条件下取1 200 m。

5结论

山西中南部通道是我国第一条按照30 t轴重重载铁路标准设计的铁路，其线路设计方案基于准静态的传统线路设计，并未验证其动力学性能。本文结合山西中南部通道行车安排车辆特征，采用多体动力学软件SIMPACK分别建立了30t轴重货车和普通客车车线系统动力学模型，选取发鸠山隧道改线方案D2K435～D2K439路段，采用优化前后设计方案的线路参数作为线路条件，对比分析了车辆通过时的各项动力学性能指标，从有利后期运营的角度出发建议30 t大轴重的重载铁路圆曲线半径一般条件下取2 000 m，困难条件下取1 200 m。

参考文献：

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[3]中华人民共和国铁道部.GB 50090—2006铁路线路设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2006.

[4]杨文东，韩皓.山西中南部铁路30 t轴重重载技术方案设计研究[J].铁道标准设计，2015(4):1-5.

[5]谢卫民.发鸠山隧道环境水文地质及施工风险控制[J].铁道建筑，2014(12):91-94.

[6]龙许友，时瑾，王英杰，等.高速铁路线路线形动力仿真及乘坐舒适度评价[J].铁道科学与工程学报，2012，9(3):26-33.

[7]翟婉明，蔡成标，王开云.高速铁路线路平纵断面设计的动力学评估方法[J].高速铁路技术，2010(1):1-5.

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[10]杨继震，周素霞，陶永忠，等.SIMPACK9实例教程[M].北京:北京联合出版公司，2013.

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[13]翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].北京：科学出版社，2007.

[14]程远.山西中强铁路开行重载列车最小曲线半径研究[J].铁道标准设计，2015(6):23-27.

[15]夏禾，张楠.车辆与结构动力相互作用[M].北京:科学出版社，2005.

收稿日期：2014-12-23

基金项目：国家自然科学基金(51408036，51578054)；中国中铁股份有限公司科技开发计划(2014-重点-55)

作者简介：谢卫民(1977—)，男，高级工程师，2005年毕业于西南交通大学土木工程学院道路与铁道工程专业，工学硕士，E-mail：50986151@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0001-04

中图分类号：U211.5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.001

Dynamic Optimization of Fajiushan Tunnel Route on Shanxi Central Southern Railway

XIE Wei-min

(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：Based on Shanxi central southern railway corridor， a vehicle/track dynamics model is established to conduct a comprehensive assessment of typical line sections. Taking the flat profile parameters of the original design and the optimized design as boundary condition， the dynamics performances of vehicles of 30 t wagon and passenger car passing through these railway locations are compared and applicable circular curve radius for 30 t axle load heavy haul railway is recommended， which may be used as reference for future heavy haul railway design．

Key words：Heavy haul railway; 30 t axle load; Vehicle/track dynamics; Scheme optimization