高速铁路线路参数与线路方案动力分析研究

郑贺民

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

1 概述

1.1 研究背景及意义

随着高速铁路运营速度的不断提高，线路几何线形引起的系统响应显著增强，线路几何条件与旅客乘坐舒适度之间的关系更加密切。传统线路参数研究方法不能通过对列车轮轨动态安全指标和平顺性指标的曲线进行跟踪分析，不能分析评估平、纵断面线形匹配效果以及曲线相连时的相互影响。

我国在制定高速铁路规范时，借鉴了国内外相关经验，提出了较高的线形标准，设计和建造了高标准的高速铁路。随着设计经验的逐年积累和设计水平的提高，如何在保证安全性和舒适性的基础上，针对不同速度等级的高速铁路，选择更加经济适用的线路参数仍然是一个需要不断探讨的问题。

本文研究采用动力仿真分析方法，首先对高速铁路线路关键参数进行分析，提出线路平纵断面关键参数推荐取值。其次对京沈高铁试验段线路条件进行动力分析及评估。本研究成果可为高速铁路线路参数标准的确定提供参考。开展的京沈高铁试验段线路方案动力仿真分析可为其他项目线路设计及优化提供有益借鉴。

1.2 研究现状

近年来，高速铁路线路线形引起的系统动力学问题，逐渐引起国内外研究及设计单位的重视，并开展了一定的研究。国外的研究主要是线路曲线某一问题上的探讨，未对线路线形引起的系统动力学问题进行深入研究。国内研究中，翟婉明[1-3]和王开云[4-5]基于车辆-轨道耦合动力学理论，分析高中速和高低速匹配通过平纵断面时的轮轨动力相互作用性能，针对局部路段进行了行车安全性与舒适性分析与评估;龙许友等建立较为完善的车线动力相互作用分析模型，从理论上分析线形对车线系统动力响应的影响[6-7];宣言等利用ABAUQUS软件建立车线耦合系统动力学模型，综合分析不同曲线半径和超高、不同车速等因素对行车安全性和舒适性及轨道结构振动的影响[8];何华武等通过研究国内外既有线提速相关技术，提出了适应我国旅客列车运行速度200 km/h、货物列车运行速度120 km/h和25 t轴重双层集装箱运输的既有客货共线铁路改造工程的线路平纵断面技术标准体系[9];铁三院开展高速铁路线路引起的乘坐舒适度问题研究，在此基础上研究线形参数的合理取值以及线路方案评价问题，并应用于相关规范编制及工程设计，取得了良好的经济社会效益。但理论结合工程应用的系统研究相对较少，针对长大线路全程线路评估及优化研究则相对较少，对线下结构刚度的影响考虑的较少，大都针对具体的工况条件或者具体的路段进行，而铁路设计单位牵头的关于高速铁路线形动力学设计与优化的系统研究则更少。

1.3 研究内容

结合实际工程，采用系统动力学方法[10-11]研究线路平纵断面关键参数的合理取值。同时针对京沈高铁开展更高速度综合试验的要求，开展线路线形方案动力学评价与优化研究。主要研究内容包括:利用SIMPACK软件建立高速铁路车辆-线路动力分析模型，对高速铁路线路平纵断面关键参数进行分析，提出线路平纵断面关键参数的推荐取值，对京沈高铁试验段线路条件进行动力分析及评估，并给出优化方案。

2 线路动力学分析方法

2.1 动力学分析软件及建模

利用SIMPACK软件，针对复杂机械系统除了可以描述、提前预测运动学与动力学性能之外，还可以对机械系统中零部件的加速度、位移等以及每个部分的振动特性、受力状况进行分析[12]。本文所建立的车辆-线路模型拓扑结构如图1所示。

图1 车辆-线路模型拓扑结构

通过把车辆模型、轨道模型及轮轨接触模型这三种模型经过名义力计算，使模型达到预计的荷载平衡状态。最终建立车线动力学模型，如图2所示。

图2 车轨耦合动力学模型

2.2 模型验证

与京津城际测试数据的对比采用2010年4月28日对京津城际下行线运营的CRH3型车实测数据。车体横向和垂向加速度的对比如图3和图4所示。从图3、图4可以看出，无论是加速度大小，还是变化趋势均有很好的一致性。

图3 车体横向加速度对比

图4 车体垂向加速度对比

3 线路平纵断面参数动力分析

3.1 高速铁路平面参数动力分析

3.1.1 平面圆曲线最小半径

曲线半径与欠过超高容许值、最大超高密切相关。

由图5可以看出，当曲线半径大于7 000 m时，车体横向加速度振动水平明显降低，随半径的增大，舒适度改善明显。由图6可以看出，当曲线半径小于5 000 m时，车体横向振动水平显著恶化。因此，时速350 km一般条件下，曲线半径应大于7 000 m，困难条件下，不应小于5 000 m，仿真分析结果和表1常规方法计算值吻合，可以略低于规范要求。

图5 圆曲线半径对横向加速度峰值影响(350 km/h)

图6 圆曲线半径对横向加速度有效值影响(350 km/h)

3.1.2 圆曲线最小长度

设置100 m，0.4v，0.6v(v为列车运行速度)长圆曲线，无轨道不平顺，分别计算车辆横向加速度和垂向加速度变化情况，圆曲线上车体振动衰减情况如图7、图8所示。

综合车体横向加速度与垂向加速度的情况，建议圆曲线最小长度一般条件取0.6v、困难条件取0.4v，与TB10621—2014《高速铁路设计规范》中一般条件0.8v、困难条件0.6v的要求相比，建议值的要求有所放宽。

图7 车体横向加速度衰减情况(350 km/h)

图8 车体垂向加速度衰减情况(350 km/h)

3.1.3 夹直线最小长度

实际列车运营中，在曲线间设置一段夹直线有利于提高反向曲线横向阻力，从而减少轨道病害，设置夹直线后，为了避免侧滚角速度变化太过频繁，最小夹直线长度需满足一定的要求。

综合动力学仿真的结果和轨道的实际条件，提出在困难条件下反向曲线可不设置夹直线，对于一般条件夹直线长度≥0.4v。

同向曲线间夹直线曲线后车体侧滚角速度发生突变，车体侧滚角速度对乘客舒适度有不利的影响，设置一定长度夹直线对舒适性的提高有利。

建议同向曲线间最小夹直线长度可设置为0.4v，和TB10621—2014《高速铁路设计规范》所要求的在一般条件下为0.8v，困难条件下为0.6v相比，放宽了相关要求。

3.2 高速铁路纵断面参数动力分析

3.2.1 竖曲线半径

竖曲线在起始点和终点处振动响应最大，响应在一个振动周期内迅速衰减，如图9所示;当竖曲线半径越大时起终点处振动响应越小，如图10所示。

图9 通过竖曲线时车体振动响应情况

一般来说，对于250～350 km/h的运行速度，竖曲线最小半径采用表2所述推荐值是合适的。

图10 车体振动衰减情况

3.2.2 最小坡段长度

经动力仿真分析，以坡度差为20‰的不同夹坡段长度下车体垂向加速度情况为例:在坡段代数差相同的情况下，车体垂向加速度幅值与夹坡段长度成反比，随着夹坡长度的增加，车体垂向加速度幅值逐渐减小，如图11(a)所示。不同坡度代数差条件下规律相似，夹坡长最小可取0.4v，与TB10621—2014《高速铁路设计规范》基本一致， 如图11(b)所示。

表2 竖曲线最小半径推荐值

图11 车体垂向加速度衰减分析

4 京沈高铁试验段线路方案动力学分析

4.1 京沈高铁试验段概况

京沈高铁线路[13]自北京星火站始，经河北省承德市，辽宁省朝阳市、阜新市、锦州市，到达辽宁省沈阳市，全长696.764 km，设车站20座。设计速度350 km/h。

高速综合试验段范围为京沈高铁DK417+000(朝阳北站)～DK676+000(古城子站)，线路长度255.025 km。平面最小曲线半径为8000 m，最大半径为12 000 m。

4.2 动力分析及评估

CRH380高速列车以时速350 km以及时速400 km通过综合试验段线路时，车辆的安全性指标均满足规范要求。除半径8 000 m曲线地段时速400 km通过时车体横向加速度最大值达0.15g超出0.1g限值要求，如图12所示，其他地段以时速350 km以及时速400 km通过时，均能满足乘坐舒适性指标要求。

平面曲线半径、超高的设置对列车通过性能影响较大，尤其是超高应与速度目标值相匹配。

纵断面坡度、坡段长度与竖曲线半径等线形参数对速度目标值不敏感。

与350 km/h的速度相比，当CRH380高速列车以400 km/h通过该区段线路时，各项动力学指标出现较大值频次均有所提高。

将8 000 m半径曲线设计超高由120 mm提高到170 mm。CRH380高速列车以400 km/h通过时，车体横向加速度、车体垂向加速度、脱轨系数、轮重减载率以及轮轴横向力等动力学指标能极大改善，见图13。线路条件改善后400 km/h速度运行的车线动力响应指标与改善前350 km/h速度条件下基本相当。

图13 400 km/h线路条件改善前后各动力学指标对比

5 线路平纵断面参数建议

本研究采用动力仿真手段，对高速铁路线路关键参数进行了分析，提出相关参数的推荐取值。同时，针对京沈高铁试验段开展400 km/h速度综合试验，对线路方案的安全性和舒适性进行评估，根据仿真结果提出了改进措施。研究得到如下主要平纵断面参数。

5.1 高速铁路线路平面参数

(1) 推荐平面圆曲线最小半径推荐值见表3，分析值与TB10621—2014《高速铁路设计规范》一致。

表3 最小曲线半径推荐值 m

(2)建议圆曲线最小长度一般条件取0.6v、困难条件取0.4v，与高速铁路设计规范中一般条件0.8v、困难条件0.6v的要求相比，建议值的要求有所放宽。

(3) 建议困难条件下反向曲线可不设夹直线，一般条件下夹直线长度不小于0.4v。建议同向曲线间最小夹直线长度可按0.4v要求设置，与高速铁路规范中要求的一般条件下0.8v，困难条件下0.6v相比，要求有所放宽。

5.2 高速铁路线路纵断面参数

(1) 最小竖曲线半径推荐值见表4，其中动力仿真分析建议300 km/h最小竖曲线半径20 000 m，较《高速铁路设计规范》规定的25 000 m有所放宽;250 km/h最小竖曲线半径15 000 m，较《高速铁路设计规范》20 000 m有所放宽。

表4 不同速度目标值最小竖曲线半径推荐值 m

(2)由于CRH380A或中国标准动车组牵引性能的提升，大坡度条件下的坡段最大长度有较大放宽空间，建议设计中根据拟采用的动车组类型进行相关检算，充分发挥动车组的牵引性能，降低工程投资。

(3)最小坡段长度建议按夹坡段长度不小于0.4v控制。

5.3 京沈高铁试验段线路方案动力学分析

(1)CRH380高速列车以速度350 km/h以及400 km/h通过该区段线路时，车辆的安全性指标均满足规范要求。除半径8 000 m曲线地段以速度400 km/h通过时车体横向加速度最大值达0.15g超出0.1g限值要求，其他地段以速度350 km/h以及400 km/h通过时，均能满足乘坐舒适性指标要求。

(2)8 000 m半径曲线设计超高由120 mm提高到170 mm，CRH380高速列车以400 km/h速度通过时，各项动力学指标能极大改善。线路条件改善后400 km/h速度运行的车线动力响应指标与改善前350 km/h速度条件下基本相当。

6 研究结论

本研究采用动力仿真分析方法对高速铁路参数进行了探讨，对高速铁路线路关键参数进行分析，提出线路圆曲线最小长度、反向曲线夹直线最小长度、竖曲线最小半径关键参数合理取值，可有效减少工程建设投入。通过对京沈高铁试验段开展更高速度综合实验，对线路线形方案开展动力学分析及评估，提出通过增加8 000 m曲线半径超高的方法提高400 km/h速度列车舒适度。本研究成果可为高速铁路线路参数标准的确定提供参考;提出京沈高铁线路方案的动力仿真可为其他项目线路设计及优化提供有益借鉴。