郑徐客专420km/h中国标准动车组综合试验研究

2022-11-10张连启

四川建筑 2022年5期

张连启

(北京铁研建设监理有限责任公司，北京 102628)

截至2020年底，我国高速铁路运营里程达3.8万km，占全球高铁运营里程的2/3以上，全国铁路动车组保有量达到3 918标准组，是世界上高速铁路运营里程最长、高速动车组列车保有量最多的国家[1]。自2004年开始，历经引进消化、吸收提升、创新发展和自主创新4个阶段，中国高速铁路走出了一条独具中国特色的道路[2]。为了使高速动车组能够适应我国复杂多变的地理环境和各种气候条件，保证列车长期高速安全平稳运行，补齐高速动车组关键研制技术的短板，实现关键核心技术发展的全自主化和可持续化，形成中国标准动车组系列化产品[3-4]。自2012年开始，原中国铁路总公司组织实施重大装备研发项目，由铁科院牵头开展了中国标准动车组(“复兴号”)的设计研发，从2013年以来先后完成技术和方案设计等工作，在2015年完成列车组装调试并成功下线的2列中国标准动车组随即在北京环行铁路试验基地和大西高速铁路综合试验段上开展了综合试验[5]。试验结果表明，中国标准动车组以最高试验线路速度385km/h运行时，动车组的系统动力学性能仍有较大裕度，经过充分验证，动车组具备在更高速度线路条件上进一步展开验证的条件[6]。受限于大西综合试验的线路条件，难以开展速度385km/h以上的高速综合试验，为了探索更高运行速度条件下中国标准动车组关键技术参数的变化规律，论证经济适用的高速铁路运营速度提供基础数据，验证中国标准动车组在更高速度下的安全性和稳定性，有必要进一步开展中国标准动车组高速综合试验。因此，2016年5月，原中国铁路总公司决定利用既有线路条件，在郑徐客运专线上对动车组开展运用考核。同年7月，以每10km/h为一档在200～420km/h速度范围内完成中国标准动车组的逐级提速、高速交会和重联运行试验[7]。

1 试验概述

郑徐客运专线试验区段全线铺设CRTSⅢ型先张板式无砟轨道，正线道岔区全线采用板式无砟轨道[8-9]。轨道板上铺设100m定尺长的60kg/m钢轨，轨下扣件采用与CRTSⅢ型板式无砟轨道配套的WJ-8型弹性扣件，扣件间距一般为630～650mm，大跨度桥梁缝等极端地段下扣件间距最大不超过725mm。桥上简支梁均采用常阻力扣件，桥上连续梁和紧靠连续梁一跨的简支梁则采用小阻力扣件[10]。轨道板下铺设90mm厚的C40强度自密实混凝土层。车站正线道岔采用18号客专线(07)009道岔。

综合考虑试验目的以及郑徐客运专的基本情况，对轨道结构动力性能检测选择了9 000m半径曲线缓圆点、直线段无砟轨道结构测试工点进行了测试。同时检测了动车组超过线路设计时速通过道岔时的道岔动力性能。在2016年6月24日—6月27日，完成了测试工点的布置；2016年6月30日起进行了中国标准动车组的准静态标定及逐级提速试验，在逐级提速期间，动车组通过轨道结构各测点的最高运行速度为424.2km/h，各测试工点布置如表1所示，曲段超高值见表2,试验测试项目及评判标准如表3所示[11]。

表1 测试工点布置

2 试验结果及分析

郑徐客专420km/h中国标准动车组综合试验研究中国标准动车组在高速运行工况下，动车组在通过无砟轨道、直向通过道岔区段测点的动力响应稳定性指标及轨道结构、道岔结构动力性能指标随列车速度的变化规律，最后对试验测试的主要动力学指标的最大值数据进行统计并进行多项式拟合。

表2 曲段欠超高值

表3 试验项目及评判标准

2.1 无砟轨道区段

2.1.1 列车运行稳定性

图1展示了中国标准动车组运行稳定性指标随速度的变化趋势。从图1可以看出，动车组通过直线段无砟轨道的总体稳定性能优于通过9 000m半径曲线缓圆点时的车辆稳定性，在列车以最高速度通过时，在测点1统计测试的各项稳定性能指标均为测点2的2倍多。在列车通过测点1时，脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力随着运行速度(欠超高)逐级增大的过程中，均呈现先减小后增大的趋势，但增长的幅度略有不同，脱轨系数和轮轴横向力增幅较小，实测脱轨系数和最小、最大值分别为0.08和0.26，实测轮轴横向力最小、最大值分别为8.7kN和24.6kN；而实测轮重减载率增幅相对明显，增长了544.4%，其最小、最大值分别为0.09和0.58。可以看出在列车通过测点1时，在均衡速度附近，列车的稳定性能较好。列车通过测点2时，在速度增长的过程中，各项稳定性能指标近乎呈直线增长，对脱轨系数影响较小，在所有试验速度范围内，实测脱轨系数最大值范围为0.06～0.11，实测轮重减载率最小、最大值分别为0.09和0.35，增长速率相对较高，达到288.9%，实测轮轴横向力最小、最大值分别为6.6kN和13.4kN。试验结果表明，中国标准动车组作用下的脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力均在其相应评判标准限值内，表明中国标准动车组在无砟轨道区段以最高速420km运行时的稳定性能较好。

图1 中国标准动车组运行稳定性指标随速度的变化趋势

2.1.2 轨道结构动力性能

图2展示了轨道结构动力学性能指标随速度的变化趋势。由图2可以看出，当列车通过测点1时，钢轨和轨道板的振动加速度随着试验列车运行速度(欠超高)的逐级增加，其均呈现递增的趋势；随着列车运行速度的逐级增加，列车通过测点2时的钢轨和轨道板的振动加速度也反映出相同的趋势。测点1和测点2实测钢轨振动加速度最大值分别为1 893.0m/s2和3 256.5m/s2，相较于最小钢轨振动加速度分别增加了115.55%和130.16%；实测轨道板振动加速度最大值分别为86.0m/s2和80.6m/s2，相较于最小实测轨道板振动加速度分别增加了161.40%和136.36%。而轮轨垂向力、轨道板垂向位移、钢轨横向和垂向位移，随列车运行速度的增加，其整体变化幅度较小，测点1的实测轮轨垂向力最大、最小值分别为125.3kN和83.1kN，钢轨横、垂向位移最大值分别为0.76mm和0.84mm，最小值分别为0.46mm和0.62mm，轨道板横向位移最大、最小值分别为0.08mm和0.03mm，轨道板板中、板端垂向位移最大值分别为0.15mm和0.21mm，最小值均为0.06mm。测点2的实测轮轨垂向力最大、最小值分别为121.2kN和76.9kN，钢轨横向、垂向位移最大值分别为0.61mm和0.79mm，最小值分别为0.42mm和0.62mm，轨道板横向位移最大、最小值分别为0.08mm和0.03mm，轨道板板中、板端垂向位移最大值分别0.17mm和0.32mm，最小值分别为0.04mm和0.06mm。试验结果表明，轨道结构振动加速度对列车的运行速度敏感性较高，中国标准动车组作用下的轨道结构动力性能指标均符合标准限值。

图2 轨道结构动力学性能指标随速度的变化趋势

2.2 道岔区段

2.2.1 列车运行稳定性

图3展示了道岔区中国标准动车组运行稳定性指标随速度的变化趋势。从图3可以看出，列车通过民权北站4#岔位18号道岔(测点4)的各项稳定性能指标变化较为平缓，且均明显低于标准限值，其道岔性能显著优于民权北站2#岔位18号道岔(测点3)。随着列车速度由200km/h逐级增大到420km/h的过程中，测点4的实测脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力变化较为平缓，其最大值范围分别为0.07～0.18、0.08～0.20和7.4～18.1kN。列车以超过300km/h的速度通过测点3时，实测脱轨系数和轮重减载率增长较高，在列车以420km/h运行时，实测脱轨系数为0.43，相较于最小脱轨系数，增长率高达258.33%，但仍处于限值标准内，而实测轮重减载率达到了0.85，已超过了0.8的限制标准。相较而言，在列车速度增大的过程中，轮轴横向力增长较为平缓，实测轮轴横向力由10.2kN增长到25.9kN；试验结果表明，中国标准动车组以410km/h及以下速度通过时各参数实测值均小于相应标准限值；中国标准动车组以420km/h通过测点3时轮重减载率实测最大值0.85，已超过标准允许限值，其他各参数均小于相应标准限值。

图3 道岔区中国标准动车组运行稳定性指标随速度的变化趋势

2.2.2 道岔结构动力性能

图4展示了道岔区轨道结构动力学性能指标随速度的变化趋势。从图4可以看出，测点3和测点4的轮轨力、钢轨和翼轨的横向位移、尖轨开口量，随着列车运行速度的增加，其整体变化幅度不大，测点3的实测轮轨垂向力最大、最小值分别为127.7kN和84.5kN，实测钢轨、翼轨横向位移最大值分别为0.64mm和0.85mm，最小值分别0.41mm和0.57mm，实测尖轨开口量最大、最小值分别为0.59mm和0.34mm；测点4的实测轮轨垂向力最大、最小值分别为116.9kN和85.8kN，实测钢轨、翼轨横向位移最大值分别为0.69mm和0.66mm，最小值分别0.46mm和0.45mm，实测尖轨开口量最大、最小值分别为0.49mm和0.35mm。

轮轨力过渡测点选择在测点3处直尖轨顶宽10mm、20mm、30mm、40mm和50mm断面处，在曲基本轨上测试轮轨垂直力，从而计算出轮轨垂直力在曲基本轨和直尖轨上的分配系数和过渡范围，结果如表4所示。由表4可以看出，在顶宽为10～20mm时尖轨开始和基本轨共同承受轮轨垂直力，当顶宽为40～50mm时，轮轨垂直力则全都由尖轨承受，表明轮轨垂直力在尖轨和基本轨间的过渡范围较短，该处道岔平顺性较高，轮轨荷载的转移符合设计要求。试验结果表明，中国标准动车组作用下的道岔结构动力性能指标均符合标准限值。