高速动车组动力学评价标准选用建议

赵建葵

（青岛四方阿尔斯通铁路运输设备有限公司，山东青岛 266111）

0 引言

目前国内与国外有不同的铁道车辆动力学评价标准。在设计速度为350km/h 的高速动车组时，选用不同标准的评价指标来满足车辆的运行安全性、平稳性和乘坐舒适性是设计难点之一。研究了国内外主要铁道车辆动力学评价标准，对比分析评价标准中评价指标的主要差异，并结合既有高速动车组运行经验，对速度为350km/h 高速动车组，提出动力学评价标准选用建议。

1 主要动力学评价标准

国内标准轨距机车车辆动力学试验采用的标准为《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》（GB/T 5599—2019）[1]。欧洲标准轨距机车车辆动力学试验采用的标准主要为《铁道车辆动力学性能试验-安全性-轨道疲劳-运行品质试验及其认可》（UIC 518—2009）[2]、《铁路设施-铁路车辆运行特性的验收试验和模拟-运行性能试验和稳定性试验》（EN 14363—2016+A1）[3]、《对于有关铁路车辆振动中评估乘客舒适性的指导》（UIC 513—1994）[4]等。

2 动力学评价项点

动力学性能评价主要包括决定最高运行速度的蛇行稳定性、决定曲线通过和倾覆安全的运行安全性、决定乘坐舒适性和货物完整性的运行平稳性三个内容。

根据各标准定义，GB/T 5599—2019 从运行稳定性、运行品质、运行平稳性对车辆动力学性能进行评价；UIC 518—2009、EN 14363—2016 从运行安全性、轨道疲劳、运行品质对车辆动力学性能进行评价；UIC 513—1994 则规定了车辆的舒适度指标。标准规定的评价项点见表1。

上述表1 标准对评价项点的分类有所不同，但各项点均是通过评估车辆运行时的力和或加速度的方式评判车辆动力学性能。

表1 标准规定的评价项点

3 评价指标

3.1 脱轨系数

爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力与其作用于钢轨上的垂向力的比值，即脱轨系数。各标准中脱轨系数要求均为不超过0.8，但也有所不同，具体为GB/T 5599—2019 要求脱轨系数适用于曲线半径R＞400m 的线路、UIC 518—2009 要求脱轨系数适用于曲线半径R＞250m 的线路、EN 14363—2016 则规定过渡线路中脱轨系数限值可能超过0.8，但不得超过1.2。

国内标准与欧洲标准规定的脱轨系数限值相同。但是欧洲标准对脱轨系数测量数据信号进行了20Hz低通滤波，国内标准未要求滤波处理，且对于小曲线半径的线路（如250 大于R≤400m），UIC 标准规定相对严格。对于脱轨系数，建议高速动车组设计时采用UIC 518—2009 的规定。

3.2 轮轴横向力

轮轴横向力用于评价车辆在运行过程中是否会因为过大的横向力而导致轨距扩宽或线路产生严重变形。国内标准与欧洲标准对轮轴横向力的评定要求分别为≤15+P0/3 与≤10+P0/3，其中P0为静轴重，单位kN。

欧洲标准的轮轴横向力限值严于国内标准；数据处理时，欧洲标准均对数据信号进行了20Hz 低通滤波，并对滑动平均间隔做出规定，国内标准未做相关要求。考虑车轮踏面磨耗、构架受力情况，建议高速动车组设计时，轮轴横向力限值采用更严格的≤10+P0/3。

3.3 轮轨垂向力

轮轨垂向力用于评定车辆在运行过程中是否因为过大的轮轨垂向力而导致钢轨破坏或线路产生严重变形。国内标准未对该项进行规定，欧洲标准中根据最大运营速度V 不同，轮轨垂向力限值也有所变化。轮轨垂向力限值取值方法为：取（P，PV）中的小值，其中P=90+每个轮的静负载。V≤160km/h 时，PV取200kN；160km/h＜V≤200km/h 时，PV取190kN；200km/h＜V≤250km/h 时，PV取180kN；250km/h＜V≤300km/h 时，PV取170kN；V＞300km/h 时，PV取160kN。

国内标准未对此评价项点做出要求（和谐号高速动车组采用了轮轨垂向力≤170kN 的要求）；欧洲标准采用某倍率标准差的置信区间的方式对最后的指标进行统计，轮轨垂向力限值与运行速度、车组质量有一定关系。建议高速动车组设计时，增加轮轨垂向力的评定，评定标准≤170kN，数据处理及评定值计算方法参照GB/T 5599—2019 中轮轴横向力的规定。

3.4 轮重减载率

轮重减载率是评价因轮重减载过大而引起脱轨的另一种脱轨安全指标，具体为轮重减载量与该轴平均静轮重的比值。国内标准中轮轨垂向力的评定要求为：试验速度≤160km/h 时，轮重减载率≤0.65；试验速度＞160km/h 时，轮重减载率≤0.8。欧洲标准未对此项点做出要求。建议高速动车组设计时，按照GB/T 5599—2019 轮重减载率对脱轨安全指标进行评定。

3.5 倾覆系数

倾覆系数用于鉴定试验车辆在侧向风力、离心力、横向振动惯性力的同时作用下是否会导致车辆倾覆，具体为转向架一侧车轮总的车轮减载量与总静轮重的比值。国内标准未对该项进行规定，欧洲标准则规定，仅在线路欠超高＞165mm 时，要求倾覆系数≤1。目前国内高速线路条件不存在欠超高＞165mm 的情况，建议高速动车组设计时，可不对该项进行评估。

3.6 横向稳定性

横向稳定性用于评价转向架是否发生了不能迅速衰减的连续横向振荡。欧洲标准规定用构架端部加速度均方根是否超过（12m.s-2-M/5）/2、轮轴力/构架力均方根是否超过（10kN+P0/3）/2 对车辆横向稳定性进行评估，其中M 为转向架质量，单位t，P0代表静轴重，单位kN。国内标准则通过评价构架端部连续6 次加速度峰值超过8m.s-2判断是否发生了失稳，该方法对横向稳定性的判断更加直观。建议高速动车组设计时，采用GB/T 5599—2019 的方式判定横向稳定性。

3.7 运行品质

国内外标准均采用车体横向、垂向振动加速度评价运行品质。对于横向、垂向最大加速度值，国内标准规定将加速度信号采用0.4～40Hz 进行带通滤波，求出每个采样段内加速度的最大值和最小值的绝对值。对各种线路工况、各速度级的样本进行统计处理，求得均值Xˉ和标准差σ，然后求出Xmax= Xˉ+ 2.2σ用于评价运行品质，要求横向、垂向最大加速度不超过2.5。

对于横向准静态加速度值，UIC 标准规定将曲线段信号经过20Hz 低通滤波，取左旋曲线上累计频次曲线50%的值，取右旋曲线上累计频次曲线50%的绝对值，然后求得算术平均值，要求不超过1.5；对于横向、垂向最大加速度，信号经过0.4～10Hz 带通滤波，最大加速度取累计频次曲线0.15%的绝对值、累计频次曲线99.85%的值为采样段样本，要求不超过2.5；对于横向加速度均方根值，信号经过0.4～10Hz 带通滤波，取均方根值，要求不超过0.5。横向、垂向最大加速度值，横向、垂向加速度均方根评估值按照Xmax=+ 2.2σ 计算。

对于横向、垂向最大加速度值和均方根值，欧洲标准规定将加速度信号经过0.4～10Hz 带通滤波，取累计频次曲线0.15%的绝对值、累计频次曲线99.85%的值为采样段样本，要求横向、垂向最大加速度不超过2.5。

关于运行品质评定，国内与欧洲标准之间的差异主要体现在数据处理方式、评价项点不同。首先是带通滤波的最大频率不同，滤波后，国内标准选取每个采样段的加速度最大值和最小值的绝对值用于后续计算，欧洲标准则选取滤波后累计频次曲线对应99.85%的值，累计频次曲线对应0.15%值的绝对值用于后续计算。国际标准相较于国内标准、欧洲标准增加了横向准静态加速度、横向垂向加速均方根值的评定要求。采用车体横向、垂向最大加速度评价运行品质是比较通用的做法，建议高速动车组设计时，采用GB/T 5599—2019 的规定。

3.8 运行平稳性

GB/T 5599—2019 规定运行平稳性采用平稳性指标W 或乘坐舒适度Nmv进行评价。Nmv指标参考了UIC 513—1994 中Nmv的规定。

3.8.1 平稳性指标

平稳性指标W 在最高运营速度范围内评价，以车体振动加速度测量为基础，高速动车组评价标准（横向、垂向分别评价）如下：

计算频率为fi时的平稳性指标分量Wi：

计算平稳性指标：

对各种线路工况、各速度级的样本进行统计处理，求得均值Xˉ和标准差σ，对于高速动车组，统计评价值W=Xˉ。W≤2.50 时评定为优；2.50＜W≤2.75 时评定为优；2.75＜W≤3.00 时评定为合格。

3.8.2 乘坐舒适度

乘坐舒适度Nmv是对在机车车辆上乘客和乘员平均舒适度的度量方法，评价以车辆地板振动加速度测量为基础。指标为NMV＜1.5，评价为非常舒适；1.5≤NMV＜2.5，评价为舒适；2.5≤NMV＜3.5，评价为一般；3.5≤NMV＜4.5，评价为不舒适；NMV≥4.5，评价为非常不舒适。

3.8.3 差异分析

平稳性W 与舒适度Nmv均采用了加权函数计算，综合考虑了各个方向的各种频率振动对乘客的影响。分析加权函数后可知，舒适度指标垂向加权考虑了较多高频振动，但人体对高频振动不是很敏感，平稳性指标高频加权很小。建议高速动车组设计时，采用平稳性指标评价运行平稳性。客室平稳性指标应达到优级，司机室指标至少达到良好。

4 结语

高速动车组轮重减载率、横向稳定性、运行品质采用GB 5599—2019 规定；脱轨系数采用UIC 518—2009 规定；另建议增加对轮轴横向力不超过10+P0/3、轮轨垂向力不超过170kN 的评价要求；运行平稳性则采用GB 5599—2019 规定的平稳性指标W 进行评价，要求客室达到优级，司机室至少达到良好，可以基本满足旅客对高速动车组的运行安全性、平稳性和乘坐舒适性的要求。