重載鐵路復(fù)合不平順的仿真計(jì)算及安全限值研究

陳睿穎，許玉德，程建平

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北滄州062350）

重載鐵路復(fù)合不平順的仿真計(jì)算及安全限值研究

陳睿穎1，許玉德1，程建平2

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北滄州062350）

鐵路軌道幾何形位不平順是車輛振動(dòng)及輪軌動(dòng)力作用增大的重要激振源，而其中水平和軌向反向復(fù)合不平順對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)和行車安全有著極不利影響。針對(duì)重載鐵路C80型鋁合金敞車，用Simpack多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立車輛-軌道耦合模型，取水平、軌向最不利波長(zhǎng)條件下，對(duì)復(fù)合不平順各種幅值組合的工況進(jìn)行仿真，分析各動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)與列車速度、不平順?lè)档年P(guān)系，并提出其安全限值，供工務(wù)管理參考。

重載鐵路，復(fù)合不平順，水平不平順，軌向不平順，動(dòng)力響應(yīng)，輪重減載率

我國(guó)正在大力發(fā)展30 t大軸重重載鐵路，而鐵路軌道幾何形位不平順是車輛振動(dòng)及輪軌動(dòng)力作用增大的重要激振源，對(duì)行車安全有著重大影響。1963年，日本某鐵路線鶴見(jiàn)車站發(fā)生貨車脫軌事故，“鶴見(jiàn)事故”原因認(rèn)定為“復(fù)合脫軌”，引起了最早對(duì)軌道復(fù)合不平順的重視。日本學(xué)者認(rèn)為，水平不平順與連續(xù)的軌向不平順逆相位組合對(duì)車輛的運(yùn)行安全有不良影響［1］，我國(guó)學(xué)者也通過(guò)仿真研究得出復(fù)合不平順是線路維修養(yǎng)護(hù)需要重點(diǎn)控制的結(jié)論［2-3］。

本文對(duì)重載鐵路C80型鋁合金敞車建立車輛-軌道多體動(dòng)力仿真模型，取水平、軌向最不利波長(zhǎng)條件下，對(duì)復(fù)合不平順各種幅值組合的工況進(jìn)行仿真，分析各動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)與列車速度、不平順?lè)档年P(guān)系，并提出其安全限值。迄今為止，我國(guó)重載鐵路尚未對(duì)軌道復(fù)合不平順的大小規(guī)定過(guò)其安全標(biāo)準(zhǔn)，這為現(xiàn)場(chǎng)控制各種軌道復(fù)合不平順和制定重載軌道養(yǎng)護(hù)維修和不平順管理標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)，是十分重要和必要的。

1 貨車對(duì)復(fù)合不平順動(dòng)力響應(yīng)的仿真計(jì)算

1.1 車輛-軌道模型建立

依據(jù)文獻(xiàn)［4］的理論基礎(chǔ)，用Simpack多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立車輛-軌道耦合模型，C80型鋁合金敞車具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［5］，滿車匹配75 kg·m-1軌，空車匹配60 kg·m-1軌?？紤]列車速度為80 km·h-1，100 km·h-1和120 km·h-13種情況。

1.2 復(fù)合不平順?lè)抡嬗?jì)算方案

按線路日常檢查符號(hào)規(guī)定，水平（z）為負(fù)，軌向（y）為正。在文獻(xiàn)［4，5］最不利波長(zhǎng)分析結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合重載鐵路用10m弦來(lái)管理幾何不平順的經(jīng)驗(yàn)，以及用波長(zhǎng)=速度/頻率公式估算的結(jié)果（速度約為100 km·h-1，頻率約為1～2 Hz），取軌向不平順最不利波長(zhǎng)為10m，水平不平順最不利波長(zhǎng)為10m，即在左右軌設(shè)置波長(zhǎng)Ly=10m的軌向不平順的同時(shí)，對(duì)同一地段的右軌設(shè)置波長(zhǎng)Lz=10m的向下的垂向不平順，復(fù)合不平順形成一條空間單波余弦線形。本文取軌向和水平復(fù)合不平順的幅值分別為0，2，4，6，8，12，16，18，20，22，24mm組成多種工況。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

用于評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性的指標(biāo)有：脫軌系數(shù)、輪重減載率和車體垂向和橫向振動(dòng)加速度。

1）脫軌系數(shù)采用我國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（TB/T 2360-93）［6］中評(píng)定等級(jí)為“良”對(duì)應(yīng)的限值，即脫軌系數(shù)Q/P≤0.8。

2）輪重減載率采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB5599-85）［7］中第一限度安全標(biāo)準(zhǔn)，即輪重減載率△P/≤0.65。

3）車體振動(dòng)加速度采用GB 5599-85中的規(guī)定，即車體垂向振動(dòng)加速度限值為0.7 g（=6.87m·s-2），橫向振動(dòng)加速度限值為0.5 g（=4.91m·s-2）［7］。

圖1 軌向與水平反向復(fù)合不平順示意圖Fig.1 Horizontal and alignment complex irregularities

2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

2.1 速度的影響

取軌向不平順?lè)祔=14mm，水平不平順?lè)祕(mì)=-16mm這一復(fù)合不平順組合為例，對(duì)比C80空車80，100和120 km·h-13種工況。速度對(duì)各動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響如圖2所示。

圖2 速度對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)的影響Fig.2 Influences of speed on certain dynamic responses

從圖中可以看出，在復(fù)合不平順波長(zhǎng)和幅值確定的情況下，空載列車的動(dòng)力響應(yīng)隨著速度的增加而增大，速度較大時(shí)還可能造成動(dòng)力響應(yīng)突增的情況，在各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，輪重減載率首先超限。

2.2 幅值的影響

考慮速度為80 km·h-1情況下C80空車的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同幅值復(fù)合不平順組合對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)的影響Fig.3 Influences of different amptitudes of complex irregularities on certain dynamic responses

從圖3中可以看到，隨著軌向不平順?lè)祔和水平不平順?lè)祕(mì)的增大，車輛運(yùn)行的動(dòng)力響應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)都將不同程度的增大，特別是輪重減載率變化顯著，超限區(qū)域較其他指標(biāo)明顯大，因此將其作為決定性的控制指標(biāo)。這與文獻(xiàn)［4］［5］的分析結(jié)論一致。

3 安全限值確定

在最不利條件下，即列車速度為120 km·h-1工況時(shí)，將仿真計(jì)算得到的軌向不平順?lè)岛退讲黄巾樂(lè)档纳Ⅻc(diǎn)分別進(jìn)行擬合修正，再按照輪重減載率0.65進(jìn)行插值，得到表1。

表1 輪重減載率為0.65時(shí)軌向-水平復(fù)合不平順?lè)逯祵?duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 The corresponding relationship of complex irregularity peak value when the rate of wheel load reduction is 0.65

由軌向修正數(shù)據(jù)插值得到的X，Y坐標(biāo)如圖4中“◆”表示的散點(diǎn)，由水平修正數(shù)據(jù)插值得到的X、Y坐標(biāo)如圖4中“×”表示的散點(diǎn)。分別進(jìn)行擬合，得到擬合曲線A，其方程為y=-0.0241x2-0.0407x+24.617。擬合曲線B，其方程為y=-4.5523x+83.693。AB兩段曲線組成安全限值曲線，即為一條分段曲線，其下方為安全區(qū)域。而x=-z，復(fù)合不平順安全限值：

圖4 軌道復(fù)合不平順安全控制區(qū)域Fig.4 Safety criterion of track complex irregularities

4 結(jié)論

本文仿真計(jì)算了在軌道線形的同一位置同時(shí)出現(xiàn)垂向和橫向不平順時(shí)，即水平和軌向不平順的反向復(fù)合情形時(shí)的軌道動(dòng)力響應(yīng)，取不同軌向和水平復(fù)合不平順的幅值組成多種工況，考慮空車速度為80，100和120 km·h-13種情況，結(jié)論如下。

1）在復(fù)合不平順波長(zhǎng)和幅值確定的情況下，空載列車動(dòng)力響應(yīng)隨著速度的增加而增大，速度較大時(shí)還可能造成動(dòng)力響應(yīng)突增的情況。

2）隨著軌向不平順?lè)祔和水平不平順?lè)?z的增大，車輛的動(dòng)力響應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)都將不同程度的增大，特別是輪重減載率變化顯著，因此將其作為決定性的控制指標(biāo)。

3）水平和軌向復(fù)合不平順，按照輪重減載率為0.65確定安全控制區(qū)域如下：

當(dāng)V=120 km·h-1時(shí)，安全限值區(qū)域：

可為現(xiàn)場(chǎng)控制各種軌道復(fù)合不平順和制定重載軌道養(yǎng)護(hù)維修和不平順管理標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

[1]佐藤吉彥,等.新軌道力學(xué)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2001:20-39.

[2]蘆睿泉,練松良.軌道復(fù)合不平順對(duì)提速列車運(yùn)行影響的研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,2(5):17-22.

[3]汪勤,吳紀(jì)才.軌道復(fù)合不平順權(quán)重系數(shù)的求解方法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005(3):69-71.

[4]翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007:312-314.

[5]許玉德,等.30t軸重重載鐵路軌道幾何不平順管理限值研究報(bào)告[R].上海:同濟(jì)大學(xué),2014.

[6]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2360-1993鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,1994.

[7]中華人民共和國(guó)鐵道部.GB/T 5599-1985鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1985.

[8]許玉德,李海鋒,戴月輝.軌道交通工務(wù)管理[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2007:24-25.

[9]繆炳榮,羅仁.SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析高級(jí)教程[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010.

[10]鐵路線路修理規(guī)則(鐵運(yùn)(2006)146號(hào))[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006.

[11]羅林,羅文燦,朱開(kāi)明,等.干線軌道不平順緊急補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),1990(2):1-24.

[12]蔡成標(biāo),翟婉明.軌道幾何不平順安全限值的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),1995,17(4):82-87.

[13]錢立新.世界重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)的最新進(jìn)展[J].機(jī)車電傳動(dòng),2010(1):3-7.

[14]FRANK R,鄒士杰.美國(guó)鐵路重載運(yùn)輸[J].國(guó)外鐵道車輛,2006,43(5):1-5,26.

[15]雷曉燕.軌道動(dòng)力學(xué)模型與數(shù)值方法研究進(jìn)展[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011(6):1-12.

Simulation and Safety Criterion on Complex Geometry Irregularities of Heavy Haul Railway

Chen Ruiying1,Xu Yude1,Cheng Jianping2
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Shuohuang Railway Development Co.,Ltd.,Cangzhou 062350,China)

Track geometry irregularity is an important excitation source for the train running smoothness and dy?namic response between wheel and rail,The paper establishes the dynamicmodel with Simpackmulti-body dy?namics emulation software to simulate C80-type trains running on the track.Calculations of the vibration respons?es for the vehicle body aremade with unfavorable combination of different wavelengths of horizontal and alignment irregularities.It compares and analyzes the dynamic responses aroused by speed of the train and amplitude of the complex irregularities.Then it provides theoretical safety criterion for guidance of controlling irregularities in the railwaymaintenance and relevantmanagerial work.

heavy haul railway;complex irregularities;horizontal irregularities;alignment irregularities;dynamic response;rate of wheel load reduction

U260

A

2014-05-13

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAG20B00）

陳睿穎（1991—），女，碩士研究生,主要研究方向?yàn)槌鞘熊壍琅c鐵道工程；許玉德（1964—），男，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)殍F道工程、工務(wù)管理。

1005-0523（2014）04-0033-05