时速400km/h高速铁路曲线半径动力学研究

时速400km/h高速铁路曲线半径动力学研究

陈迁杨星光白广明

兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070

摘要：线路平面的曲线半径是高速铁路的主要技术指标之一，高速铁路机车车辆在运行中的轮轨动力特性、安全性以及舒适性也直接受到线路曲线半径的影响。本文在总结国内外高速铁路曲线半径研究成果的基础上，利用UM多体动力学仿真软件建立了时速400km/h的高速铁路车线模型，并利用此模型分析在高速铁路不平顺条件下，不同曲线半径对400km/h共线高速铁路列车运行的动力响应，确定其曲线半径的建议值。研究表明400km/h高速曲线半径对列车运行时的舒适性、安全性及平稳性均有较大的影响。随曲线半径的增加，横向加速度，脱轨系数、轮重减载率、磨耗功参数呈现递减趋势，但半径超过8000m时递减趋势有所减弱，半径大于9000m时，各项指标趋向稳定，建议最小半径取9000m。

关键词：高速铁路；曲线半径；舒适度；时速400km/h

1引言

线路平面曲线半径是铁路主要技术指标之一，其大小对铁路工程前期选线设计、施工建设、工程投资及后期的行车速度、旅客舒适感受、行车安全、运营维护均有较大影响。朱颖等[2]总结了国内外高速铁路曲线半径研究经验，结合我国高速铁路线路情况提出曲线参数动力学分析的理论与方法，并揭示了高速铁路曲线段车－线系统动力学性能与高速列车曲线通过速度、圆曲线半径、实设超高、未平衡超高等技术参数之间的相互作用机理探明了轨道结构和轨道几何形位对曲线路段车－线动力学性能的影响规律。杨星光等[7]基于最小曲线半径理论研究进行动力学仿真试验，进一步研究半径对动力特性的响应规律，并指出理想的线路半径。

高速铁路线路不平顺情况是切实存在的，随着列车运营速度的不断提高，轨道不平顺激励的响应更加突出，特别是高速列车在平面曲线段运行时，由长波不平顺产生的刚轨轨磨耗损伤。本文在切实考虑轨道不平顺的工况下，利用多体动力学仿真软件UM分析曲线半径对列车运行品质及轮轨磨耗的影响，综合以上评价技术标准进一步优化高速铁路线路平面曲线半径取值。

2传统高速铁路曲线最小半径取值理论分析

2.1基于列车最高速度的最小曲线半径理论计算

应用传统方法确定最高速速铁路最小曲线半径时，通常从行车安全性、舒适性、轮轨磨耗均匀性三个方面进行论证分析如式（1）。

2.3国内外高速铁路曲线半径范围

由以上理论分析可知，高速铁路曲线半径的取值与线路设计行车速度、列车运行速度、最大允许超高、最大允许欠超高及过超高密切相关。国内外高中速铁路曲线最小半径如表1所列。

3仿真分析模型、工况及评价指标

3.1建立车辆分析模型

车辆模型采用两系定位方式，一系采用无间隙弹性定位，可对水平和垂向的定位参数进行调整，在各个方向提供独立刚度。为了保证高速车辆运行时良好的稳定性和舒适性，二系采用空气悬挂系统，。一系和二系悬挂位置装有液压减振器，可衰减三个方向的振动。

3.2线路工况设置

为了精确仿真分析曲线半径对高速铁路车线动力性能的影响，轨道模型中钢轨采用我国60kg/m钢轨；曲线半径在5500-12000m区间内设置步长为12000米的7种工况；高速列车通过曲线半径时运行速度分别按400km/h考虑，曲线超高取均衡超高值。本文采用的不平顺为德国低干扰谱。

2.3动力响应评价指标

高速铁路曲线动力特性通常从安全性、舒适性、及轮轨间动态作用特性三个方面进行评价，为了进一步优化高速铁路曲线半径，本文将车辆在曲线上运行时所产生的轮轨间磨耗作为评价指标之一，综合分析曲线半径的动力特性评价。

3曲线半径对系统动力性能的影响

3.1曲线半径对旅客舒适性的影响

曲线半径对横向加速度和垂向速度随曲线半径的增加横向加速度呈递减趋势，当曲线半径超过8000m时这种趋势开始减弱；然而曲线半径对垂向加速度的影响较小，当曲线半径超过9000m时趋于稳定。为了保证列车运行时的舒适性(横加速度小于1m/s2)，曲线半径取值大于9000m时满足400km/h速度高速铁路舒适性要求。

3.2曲线半径对高速铁路行车安全性的影响

曲线半径对脱轨系数、轮重减载率、行车安全性指标的影响随着曲线半径的增加，轮重减载率、脱轨系数都表现为减小的趋势，其高速列车行车的安全标准均小0.8；在半径在8000m时，轮重减载率变化率开始减小，最终数值稳定在0.63。

3.3曲线半径对高速铁路轮轨动态作用的影响

以列车运行时速400km/h时，当曲线半径在5500－12000m范围递增时，轮轨横向力在13.97kN－7。20KN范围内逐减，而垂向力在88.40KN－108.55KN范围内随机变化，则垂向力值相对稳定。半径从5500m增加到8000m时，轮轨横向力减小33.5%；半径从8000m增加到11000m时，轮轨横向力减小14.9%。

4结论

通过对曲线半径动态响应仿真分析得到以下结论：

（1）高速铁路曲线半径的变化对时速400km/h列车横向加速度、轮轨横向作用力、脱轨系数、轮重减载率、的影响较大，而车体的垂向加速度及轮轨垂向作用力受到曲线半径变化的影响较小。随曲线半径的增大，评价指标参数的变化率降低，曲线半径超过一定范围，动力学评价指标趋向稳定。

（2）当曲线半径大于8000m时，车线系统动力学性能指标处于安全限度以内，曲线半径超过9000m时，随曲线半径的增大，车线系统动力学性能及钢轨磨耗指标参数有一定的改善，但减小幅值较小；预测列车运行400km/h速度时，最小半径的建议值取9000m比较合理。

参考文献：

[1]易思蓉，聂良涛，秦方方.基于动力学分析的高速铁路最小曲线半径研究[J].西南交通大学学报,2013(1)：16-20.

[2]朱颖，易思蓉.高速铁路曲线参数动力学分析理论与方法[M].北京：中国铁道出版社，2011

[3]王厚雄，黄建苒.浅谈高中速共线铁路线路最小圆曲线半径[J].铁道工程学报，1995(2)：96-101.

[4]曾勇.350km/h高速铁路最小曲线半径研究[J].铁道建筑，2008(9)：101-103.

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[6]周惟俊.对新建时速250km/h客货共线铁路最小曲线半径与缓和曲线长度标准的建议[J].铁道标准设计,2007(3):11-14.