联调联试动车组逐级提速速度级差的合理性研究

2021-08-13王林栋李岑章亮

铁路技术创新 2021年3期

王林栋，李岑，章亮

（中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081）

0 引言

在我国新建高速铁路联调联试中，均需进行动车组逐级提速检测。逐级提速检测要求测试动车组以规定的速度级差逐渐提高检测速度级，直至规定的最高检测速度级。逐级提速检测中速度级差一般为10 km/h或20 km/h，检测速度距设计速度50 km/h以外时速度级差一般为20 km/h，距设计速度50 km/h及以内时一般为10 km/h。最高检测速度级为275 km/h的高速铁路（设计速度250 km/h），速度级一般为180、200、220、230、240、250、260、270、275 km/h，共计 9 个速度级；最高检测速度级为330 km/h的高速铁路（设计速度 300 km/h），速度级一般为 180、200、220、240、260、 280、 290、 300、 310、 320、 330 km/h，共计11个速度级；最高检测速度级为385 km/h的高速铁路（设计速度350 km/h），速度级一般为180、200、220、240、 260、 280、 300、 310、 320、 330、 340、 350、360、370、380、385 km/h，共计16个速度级。

有些检测指标的数值随着速度提高呈增大趋势，比如动车组动力学响应检测指标。对于这类指标，逐级提速行为可有效反映出指标随速度提高的增大过程，在过程中可以对检测数据进行分析，评估指标对提速的影响，预测下一个速度级数值概况，为联调联试提供安全保障，这是逐级提速检测的最重要意义。对于与速度无关的检测指标，数据无法为下一个速度级数值提供预测，逐级提速的意义很小。

为了尽可能保障提速安全，我国为联调联试中动车组逐级提速制定了一系列规定方法：速度级采取由低到高的逐级提速原则；对检测数据进行实时处理和监测，待每个速度级试验完毕后，经过数据分析确定安全性指标符合标准要求后，再进行下一个速度级的测试；期间如果发现有影响动车组运行安全的位置或区段，必须对其进行精调，经过相同速度级的验证并满足测试动车组运行安全的要求后，再进行下一个速度级的测试。

目前的标准和文献中，未见制定速度级差（10 km/h或20 km/h）的说明，也未见对速度级差的合理性分析。常用速度级差是参考一些机车车辆标准和多年经验制定的，缺乏数据支撑。这导致使用过程中出现一些疑惑和不一致，也在制定新标准的时候引起一些困扰。

对于长大、高速铁路，常用的速度级差下速度级多、耗时长。因此需要对常用的速度级差进行分析，研究其合理性，使其既能满足动车组逐级提速的检测需求，又能提高效率。

联调联试中，动车组动力学响应是与速度级差密切相关的专业，且与运行安全息息相关，对如何选择速度级差起到决定性作用。从动车组动力学响应角度、采用“目的—手段—结果”研究方法对常用速度级差的整体合理性[1]进行分析，为今后制定标准、规范、作业指导书等文件提供参考，为联调联试提供理论支撑。

1 我国相关标准和发展过程

我国联调联试中速度级差的确定经历了长期探索，现行有效的联调联试标准有TB 10461[2]、TB 10761[3]，均规定动车组逐级提速时速度级差为10 km/h或20 km/h。

2008年我国最早颁发的联调联试行业技术文件《客货共线铁路工程竣工验收动态检测指导意见》（铁建设〔2008〕133号）对速度级差没有明确规定。在实施逐级提速的过程中主要借鉴机车车辆相关规定和试验经验，一般为10 km/h或20 km/h。

2010年发布的《高速铁路联调联试及运行试验指导意见》（铁集成〔2010〕166号），对速度级已经提出了比较明确的规定，其中隐含了对速度级差（10 km/h或20 km/h）的要求。

2013年发布的TB 10761和2019年发布的TB 10461均明确规定了速度级差为10 km/h或20 km/h。

GB/T 5599[4]对联调联试中速度级差的制定和应用均起到重要的指导作用，该标准规定机车车辆动力学性能试验的速度级差为10 km/h或20 km/h。

可见，速度级差的发展由模糊至清晰经历了漫长过程，因最初采用的依据比较科学，速度级差并没有本质的改变，始终采用10 km/h或20 km/h。

2 设置速度级差的目的和控制措施

速度级差是为制定逐级提速的速度级服务的。设置目的是制定合理的速度级，因此速度级差的合理性与逐级提速的目的相关。要分析速度级差的合理性，首先应分析逐级提速的目的。根据经验，逐级提速的目的主要为以下2个：

（1）为保障联调联试安全。运行安全性检测指标中很多是与运行速度密切相关的，随着检测速度提高数值增大（如脱轨系数、轮重减载率）。通过逐级提速，可以检测出这些指标在各个速度级下的数据，能够在出现危险之前反映出危险征兆以便于提前采取措施。

（2）检测出与检测速度相关的工程缺陷。有些工程缺陷在一定速度级下产生的激励频率与机车车辆自身频率接近，会发生共振现象，出现“不利速度区”[5]。工程缺陷可能引起安全事故，比如车辆脱轨；也可能导致设备损坏，比如钢轨波磨引起的螺栓断裂，对铁路运营非常不利。

速度级差的控制措施也分2个方面：一是标准、规范等文件的规定；二是实际操作中的控制措施。实际操作中主要采用司机控制和系统控制，以司机控制为主，系统控制为辅，而司机控制效果与测试动车组性能密切相关。

3 判断合理性

根据整体合理性研究方法，从“目的—手段—结果”3个方面分析“判断合理性的要素”。合理的速度级差应能够安全有效地实现逐级提速的主要目的，具有实际可操作性，且有良好的应用效果，三者缺一不可。安全有效地实现逐级提速是“目的”，具有可操作性是“手段”，良好的应用效果是“结果”。因此应把这3个方面作为判断合理性的要素，从这3个方面进行分析。

3.1 保障联调联试行车安全

保障联调联试行车安全是逐级提速的最主要目的，合理的速度级差应能够实现这一目的。要实现这一目的，需要安全相关的检测数据随运行速度提高呈缓慢上升趋势。“缓慢”是指检测数据不应出现突变，每一个速度级的检测数据均能保障下一个速度级的运行安全；“上升”是指数据随提速变大。“缓慢”是重点，“上升”是前提。当数据“上升”时一定要“缓慢”，二者结合在一起，才能对危险进行预警。判断速度级差的合理性，必须分析检测数据是否符合这一规律。

大西高铁综合试验段联调联试中，动车组动力学响应各指标检测数据随速度提高的散点图见图1。检测速度在180～300 km/h控制速度级差为20 km/h，此时运行速度距离线路设计速度较远，有较大的安全裕量；在300 km/h以上控制为10 km/h，此时运行速度接近线路设计速度，安全裕量相对变小。可以看出，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向力、车体横向平稳性和车体垂向平稳性均呈缓慢上升趋势，符合这一规律。

图1 各指标检测数据随速度提高的散点图

根据我国已经完成的大量联调联试数据，在常用速度级差下检测数据一般符合这一规律，复兴号动车组的动力学性能试验数据也符合这一规律[5-7]。因此从这方面看，速度级差10 km/h或20 km/h是合理的。

3.2 检测出工程缺陷

“检测出工程缺陷”也是逐级提速的重要目的，要达到这一目的，需要检测数据能覆盖、反映出重要工程缺陷。判断速度级是否合理，需要分析检测数据是否会覆盖、反映出这类缺陷。

工程缺陷的类型很多，其中与逐级提速关系最明显的是“不利速度区”。“不利速度区”是指性能在某一速度下降，比如动力学响应的检测数据会在某一速度区相对增大。存在“不利速度区”的检测数据见图2。在兰新客专某段线路的逐级提速过程中，在提速至速度级230 km/h时，车体垂向平稳性数值最大，更低和更高速时数值均变小，即此工程存在不利速度区。此速度级对应的车体垂向振动加速度波形见图3，对应车体振动频率为2.0 Hz。该逐级提速中采用的速度级差为10 km/h，“不利速度区”表明该区段线路存在工程缺陷，说明此次逐级提速达到目的，速度级差比较合理。车体垂向振动加速度波形见图3，假如采用的速度级差为20 km/h，速度级将从220 km/h直接到240 km/h，将会遗漏该指标的最大值（出现在230 km/h）。