既有350 km／h铁路运行更高速铁路线路平面参数适应性分析

2024-03-27张逸飞

高速铁路技术 2024年1期

张逸飞

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430000）

随着高速铁路运营速度的不断提高，更高速度轮轨铁路发展迅速。更高速列车与线路之间的动力作用显著增强，列车的行车安全性、运行平稳性、旅客乘坐舒适度受线路参数的影响更加突出，最小曲线半径、超高、缓和曲线长度等将直接影响行车的动力学性能。传统350 km／h线路平、纵断面参数设计规范将受到挑战，参数适用性有待进一步研究。

国内外学者针对高速铁路线路参数进行了大量研究。Miyagaki［1］等介绍了不同类型缓和曲线对车轨动力响应的影响，提出了新的缓和曲线线型；ZBOINSKI K［2］研究了线路参数对列车的动力响应；杨星光［3］等采用UM建立耦合动力学模型，给出了运行速度250 km／h与350 km／h共线高速铁路线路的最小曲线半径建议值；朱颖［4］等归纳了国内外高速列车的平面曲线半径的设计经验，研究了高速铁路曲线段线路参数与动力响应之间的关系；易思蓉［5］等通过车线动力学分析给出了基于舒适度与安全性标准的曲线线路参数允许值，提出了高速客运专线曲线半径最小值；时瑾［6］等从列车运行安全性、舒适性指标出发，对更高速度下超高和平面曲线半径的关系进行了匹配研究。综上所述，当前大多数高速铁路线型参数的探讨主要针对350 km／h及以下速度线路［7-9］，而对于更高速的线路平面参数设计研究较少。

本文运用车-线动力学模型，对某既有设计速度目标值为350 km／h的铁路曲线段进行400 km／h运行的线路平面参数适应性研究，从安全性、平稳性、旅客乘坐舒适度方面比较分析，对线路平面参数进行改进。研究成果可为更高速铁路运行平面参数设计工作提供参考。

1 动力学模型及行车性能评价标准

1.1 动力学模型

构建某型客车模型，共3节：首节车、中车、尾车。每部分车体由4组轮对、前后转向架、一系、二系悬挂和车体等组成。转向架为构架式结构，轮对采用 LM型车轮踏面，钢轨采用60D廓形。车体及构架均有6个自由度，即横向、纵向、垂向、侧滚、摇头、点头；轮对则有3个自由度，分别为横向、垂向、摇头［10］。该模型单节车体有30个自由度，模型3节车体，共90个自由度。

为模拟车辆通过曲线段真实状况，采用中国高速铁路无砟轨道不平顺谱作为轨道不平顺激励。

1.2 动力响应评价标准

提取前后转向架中心偏向车体一侧对角的垂向加速度与横向加速度［11］、轮轨横向力与垂向力，并对数据处理得到其他评价指标。同时，对站姿进行舒适性指标评价。评价指标及其限值要求如表1所示。

表1 动力特性评价指标及限值表

2 既有350 km／h铁路运行更高速铁路线路平面参数适应性分析

2.1 既有350 km／h铁路线路条件

选取某设计速度目标值为350 km／h的既有高速铁路进行客车运行模拟，具体线路条件如表2所示。

表2 线路条件表

该局部线路共5处平面曲线，最小超高为 120 mm，最大超高为170 mm，竖曲线半径均为32 000 m，最大坡度为9‰，最小坡段长度900 m，曲线偏角依次为10°37′25″、9°25′15″、20°42′25″、19°42′25″、4°23′48″，均为右偏曲线。

2.2 线路动力学分析及舒适度评估

运用SIMPACK对线路进行动力学仿真，首先以设计速度目标值350 km／h运行，再以400 km／h的速度运行，得到的动力学响应如图1～图4所示。

图1 线路轮轨横向力图

图2 线路轮轨垂向力图

图3 线路脱轨系数结果图

图4 线路轮重减载率图

由图1～图4可知，列车以350 km／h与400 km／h 运行后，轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率指标均符合规定限值，满足安全性要求。在 400 km／h速度时的各指标值明显大于350 km／h速度时的指标值；在每段曲线的缓和曲线段上，各指标值波动情况较明显，列车运行于第一、第二段曲线时，各指标值较大。列车以400 km／h运行时，脱轨系数值在第一段曲线的缓和曲线上出现了最大值。由第二段曲线向第三段曲线通过时，各指标值均出现较大波动，列车运行不稳定。轮轨横向力、轮轨垂向力与轮重减载率在350 km／h与400 km／h运行时均出现最大值，脱轨系数在350 km／h运行时出现最大值。列车通过第三段曲线时，各指标值均呈现变大趋势，进入第四、第五段曲线时，各指标值开始下降，并趋于较小值，列车运行较为平稳。

列车运行时动力学指标峰值如表3所示。

表3 安全性评价结果表

由表3可知，列车以400 km／h运行时，各峰值均符合安全限值要求。轮轨垂向力与轮重减载率接近限值，但均未超限。

列车以350 km／h和400 km／h速度通过该线路时，车体横向、垂向振动加速度如图5、图6所示。列车以400 km／h速度运行时，横向振动加速度较350 km／h明显要大，垂向振动加速度则稍大于 350 km／h速度；列车的横向振动加速度值与垂向振动加速度值在通过缓和曲线段附近时均存在大量突变值；列车由第二段曲线向第三段曲线运行时，曲线半径由10 000 m变为8 000 m，突变值出现最大值。

图5 线路横向振动加速度图

图6 线路垂向振动加速度图

列车以400 km／h速度运行时，多个横向振动加速度值在该段较大，接近2.5 m／s2的限值要求。该段线路为连续曲线，考虑到夹直线长度与曲线半径条件，列车从前一段缓和曲线经圆曲线进入后一段缓和曲线过程中，车体的横向振动及加速度变化尤为显著。高速铁路线路不平顺将会被放大，进而降低旅客乘坐舒适度与列车平稳性。经分析，原因是该段线路夹直线长度不足，以及下一段曲线的半径过小。

列车运行时舒适度评价指标峰值如表4所示。

表4 舒适性评价结果表

由图5、图6可知，列车以400 km／h速度运行时，横向振动加速度接近限值要求，垂向振动加速度值较小，均符合限值要求；横向平稳性指标与垂向平稳性指标均满足优秀的评价标准。舒适度指标在350 km／h 时满足舒适的标准，400 km／h时为中等。

综上所达，该350 km／h铁路以400 km／h速度运行时，动力指标基本处于安全状况。然而，在考虑舒适度的情况下，列车的横向振动加速度接近限值，EN12299舒适度指标也降为中等，乘坐舒适性有所下降。结合列车动力响应可知，大部分指标峰值出现在列车由第二段曲线向第三段曲线通过时。因此，在以400 km／h速度运行时，列车由较大曲线半径向较小曲线半径线路运行时，应注意舒适度与安全性。在可能的情况下，曲线半径以及夹直线长度可适当增大，以保证旅客乘坐的安全性与舒适度。参考京沪高速铁路提速至400 km／h适应性研究结果，列车安全性与舒适性在更高速度情况下虽能得到一定保障，但是在长期运营情况下有待进一步研究。

改造列车由第二段曲线向第三段曲线通过夹直线长度后的车体横向振动加速度如图7所示，其中夹直线长度由408.45 m增长为780 m。可以看出，增大夹直线长度后，车体横向振动加速度在进入第三段圆曲线后明显减小，最大横向振动加速度也变小，乘坐舒适度得到了提升。

2.3 频数统计分析

为了更全面地评价该铁路运行400 km／h速度列车时的线路参数，对动力学响应指标进行频数统计，结果如图8所示。

图8 动力学特性指标频数统计分析图

由图8可知，列车从350 km／h提升到400 km／h 后，动力学响应指标较大值部分频次均得到了提升。轮轨横向力所占百分比在提速前后大部分集中在1 000 N以内；在5 000 N以内的部分，提速前350 km／h所占百分比明显大于提速后的400 km／h，分别为92.16%和57.67%；自5 000 N以后，400 km／h 轮轨横向力所占百分比开始大于350 km／h，提速后轮轨横向力在5 000 N以上的部分较350 km／h 时总体提升了34.49%。提速前后的轮轨垂向力主要集中在100 kN，所占百分比分别为56.51%和51.64%；自120 kN开始，提速后所占百分比明显大于提速前的350 km／h；120 kN及以上的轮轨垂向力占比提速后较提速前增加了19.03%。脱轨系数在提速前后大部分位于0.01以内，占比分别为60.12%和40.92%；自0.04开始，提速后所占百分比开始大于提速前；0.04及以上脱轨系数占比提速后较提速前增加了44.02%。轮重减载率在提速前后主要集中在0.05以内，占比分别为56.16%和27.78%；从0.15开始，提速后所占百分比开始大于提速前，轮重减载率在0.15及以上部分所占百分比提速后较提速前增加了35.91%，增幅明显。

车体的横向、垂向振动加速度与乘坐舒适度密切相关。由图8可知，提速前后的车体横向振动加速度主要集中在0.1 m／s2以内，提速前后占比分别为44.40%和24.38%；横向振动加速度自0.5 m／s2及以上，提速前占比为13.91%，提速后为68.46%，提升了54.49%，增幅较为显著。车体垂向振动加速度主要集中于0.05 m／s以内，提速前后占比分别为67.48%和65.87%；自0.2 m／s2及以上，提速前占比为16.24%，提速后为18.89%，提升了2.65%，增幅较小。