更高速度下復(fù)興號動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究

周 黎，張 波，董孝卿，何德華

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100081； 2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

關(guān)鍵字： 高速動(dòng)車組； 動(dòng)力學(xué)性能； 更高速線路試驗(yàn)； 振動(dòng)噪聲； 高速交會(huì)

2012年底復(fù)興號動(dòng)車組研制時(shí)，我國高速鐵路營業(yè)里程達(dá)9 356 公里,“四縱四橫”主骨架中,京滬、京廣、哈大等線路已開通運(yùn)營，并在引進(jìn)的基礎(chǔ)上研制了系列和諧號動(dòng)車組。中國高速鐵路技術(shù)經(jīng)過長期積累和近年來引進(jìn)消化吸收，取得了一批創(chuàng)新成果，特別是在不同地質(zhì)、氣候環(huán)境下大規(guī)模建設(shè)高速鐵路的經(jīng)驗(yàn)，使中國高速鐵路建設(shè)技術(shù)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。但作為高速鐵路核心技術(shù)的高速動(dòng)車組依然存在著關(guān)鍵技術(shù)未完全掌握、國外技術(shù)平臺(tái)不完全適應(yīng)國內(nèi)運(yùn)用要求等問題，成為中國高速鐵路技術(shù)發(fā)展和“走出去”的短板。隨著我國高速鐵路運(yùn)營里程的進(jìn)一步擴(kuò)大，高速動(dòng)車組數(shù)量將會(huì)進(jìn)一步提升。為使高鐵技術(shù)核心的動(dòng)車組發(fā)展可持續(xù)化、完全自主化，在國家重要規(guī)劃指引下，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡稱“國鐵集團(tuán)”)決定牽頭組織研制自主化、標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)興號動(dòng)車組。

復(fù)興號動(dòng)車組的研制依托國家發(fā)改委戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)示范工程項(xiàng)目，采用正向設(shè)計(jì)，是由我國自主設(shè)計(jì)制造，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全新一代高速動(dòng)車組，有CR400AF和CR400BF 2種型號，為動(dòng)力分散型電動(dòng)車組，8輛編組、4動(dòng)4拖，分為2個(gè)牽引單元(Tc+M+Tp+M)，端車為拖車、受電弓設(shè)置在03/06車。最高運(yùn)營速度為350 km/h。兩列復(fù)興號動(dòng)車組可互聯(lián)互通、實(shí)現(xiàn)重聯(lián)運(yùn)行。

2015年復(fù)興號動(dòng)車組樣車下線后，在北京環(huán)行試驗(yàn)線、長吉客專和大西綜合試驗(yàn)段先后開展了型式試驗(yàn)、系統(tǒng)科學(xué)試驗(yàn)和關(guān)鍵系統(tǒng)及部件服役性能研究試驗(yàn)，最高試驗(yàn)速度為385 km/h。試驗(yàn)結(jié)果顯示，動(dòng)車組各方面性能均有較大裕度，尤其是已先后在臺(tái)架和線路試驗(yàn)中進(jìn)行了充分驗(yàn)證的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能，具備進(jìn)行更高速度線路試驗(yàn)驗(yàn)證的條件。為了驗(yàn)證動(dòng)車組全方位性能和探索更高速度下關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律，論證經(jīng)濟(jì)適用的高速鐵路運(yùn)營速度，深化輪軌關(guān)系、流固耦合、振動(dòng)噪聲等理論研究，并完善我國高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，支撐高速鐵路核心技術(shù)攻關(guān)、更高速動(dòng)車組研發(fā)和運(yùn)營管理，2016年國鐵集團(tuán)決定利用既有條件在鄭徐客運(yùn)專線開展速度420 km/h交會(huì)和重聯(lián)運(yùn)行相關(guān)高速試驗(yàn)[1]。

1 試驗(yàn)方案研究

鄭徐客運(yùn)專線更高速系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)綜合試驗(yàn)主要研究復(fù)興號動(dòng)車組高速運(yùn)行工況下，與安全性、舒適性、速度緊密相關(guān)的輪軌動(dòng)力學(xué)性能、模態(tài)匹配、噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)性能，動(dòng)車組高速交會(huì)下對安全性的影響，以及高速下動(dòng)車組重聯(lián)運(yùn)行的曲線通過能力，驗(yàn)證動(dòng)車組在更高運(yùn)行速度下的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為，探索速度400 km/h及以上動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)變化規(guī)律，并為新一代復(fù)興號動(dòng)車組的研發(fā)提供支撐?；诖耍撐氖紫却_認(rèn)了鄭徐客?；緟?shù)，然后利用理論分析和仿真技術(shù)，研究了在鄭徐客專開展上述更高速動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的可行性，并據(jù)此制定了試驗(yàn)方案，試驗(yàn)工況包含復(fù)興號動(dòng)車組額定載荷和整備載荷工況下的單列逐級提速、明線交會(huì)和雙列重聯(lián)試驗(yàn)[1]。

1.1 鄭徐客?；緟?shù)

鄭徐客運(yùn)專線正線全長約366 km，為雙線客運(yùn)專線，正線速度目標(biāo)值350 km/h，正線線間距5.0 m，最小曲線半徑7 000 m，最大坡度20‰，到發(fā)線有效長度650 m。牽引供電系統(tǒng)采用自耦變壓器(AT)供電方式，正線接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛。采用GSM-R無線通信系統(tǒng)，正線采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案。信號采用CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，行車指揮方式為綜合調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)。

1.2 試驗(yàn)方案可行性分析

為了保證試驗(yàn)的開展安全有效，在試驗(yàn)前對方案進(jìn)行了詳實(shí)的論證，論證包括曲線地段的速度限制、動(dòng)力學(xué)性能、明線交會(huì)壓力波、側(cè)風(fēng)安全性、制動(dòng)能力、受流性能、重聯(lián)運(yùn)行能力等，并考慮了短接分相和試驗(yàn)段不同運(yùn)行方向的速度及持續(xù)時(shí)間，分析結(jié)果顯示試驗(yàn)段滿足開展速度420 km/h交會(huì)和重聯(lián)的高速試驗(yàn)要求，試驗(yàn)方案可行，并提出了需調(diào)整和采取的相關(guān)措施。試驗(yàn)線路條件和復(fù)興號動(dòng)車組更高速運(yùn)行試驗(yàn)安全性分析如下[1]。

1.2.1 鄭徐線路條件

高鐵線路的曲線通過限速除受曲線半徑限制外，與超高、緩和曲線長度相關(guān)，對應(yīng)2個(gè)指標(biāo)：欠超高和超高時(shí)變率[2]。欠超高和超高時(shí)變率多從曲線通過時(shí)的舒適性對速度進(jìn)行限制，超高時(shí)變率的困難值取31 mm/s，而欠超高控制值可以在確認(rèn)安全裕量足夠的前提下適當(dāng)放寬。經(jīng)分析，復(fù)興號動(dòng)車組在半徑7 000 m、超高130 mm曲線的最高通過速度可達(dá)到385 km/h，欠超高120 mm，超高時(shí)變率25 mm/s；在半徑8 000 m、超高70 mm曲線最高通過速度可達(dá)到370 km/h，欠超高130 mm。

對于鄭徐客專高速試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)半徑7 000、8 000 m曲線，欠超高分別按110～115、125 mm進(jìn)行限制，超高時(shí)變率不超過31 mm/s，最高試驗(yàn)速度可以達(dá)到390～400 km/h。對于半徑9 000 m及以上曲線，按欠超高130 mm進(jìn)行限制，超高時(shí)變率31 mm/s，經(jīng)核算，曲線通過速度可以達(dá)到400 km/h以上。參照TB 10621—2014《高速線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]對曲線半徑及欠超高、超高時(shí)變率的要求，結(jié)合動(dòng)車組在大西綜合試驗(yàn)段的高速試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對鄭徐更高速試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)曲線的通過速度分析及對應(yīng)的欠超高和超高時(shí)變率見表1。

表1 曲線最高試驗(yàn)速度建議及對應(yīng)的欠超高和超高時(shí)變率

1.2.2 復(fù)興號動(dòng)車組更高速試驗(yàn)安全性分析[1]

(1) 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性

仿真計(jì)算表明，經(jīng)過車輪型面和懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化之后，復(fù)興號動(dòng)車組的非線性臨界速度超過550 km/h。模擬運(yùn)行速度550 km/h時(shí)輪對受到激擾后的快速復(fù)位過程見圖1。復(fù)興號動(dòng)車組的蛇行臨界速度儲(chǔ)備可以滿足在鄭徐高速試驗(yàn)線路上進(jìn)行速度400 km/h以上的試驗(yàn)，具有足夠的裕量。

(2) 曲線通過安全性

選取鄭徐線欠超高較大的2種典型曲線：①半徑8 000 m、超高100 mm；②半徑7 000 m、超高145 mm。采用實(shí)測高鐵線路譜，仿真計(jì)算復(fù)興號動(dòng)車組以400 km/h以上速度通過時(shí)的脫軌系數(shù)和輪重減載率等運(yùn)行安全性指標(biāo)。速度410 km/h下通過2種曲線的脫軌系數(shù)和輪重減載率模擬計(jì)算結(jié)果見圖2，脫軌系數(shù)小于0.2，輪重減載率未出現(xiàn)連續(xù)減載超過0.8的現(xiàn)象，且經(jīng)過圓緩點(diǎn)或緩圓點(diǎn)時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)不大。

(3) 高速交會(huì)安全性

依據(jù)試驗(yàn)方案，高速交會(huì)地點(diǎn)位于直線開闊路段，模擬計(jì)算復(fù)興號動(dòng)車組以速度420 km/h(相對速度840 km/h)在直線交會(huì)時(shí)的交會(huì)壓力波、脫軌系數(shù)和輪重減載率。計(jì)算結(jié)果表明，直線段明線交會(huì)時(shí)，交會(huì)壓力波最大值為2 118 Pa，脫軌系數(shù)最大值為0.10，輪重減載率最大值為0.72，安全裕量較大，計(jì)算結(jié)果見圖3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及以前研究成果[3]，復(fù)興號動(dòng)車組在直線段以速度420 km/h交會(huì)(相對速度840 km/h)是安全可行的。

綜合鄭徐客專線路條件分析和動(dòng)力學(xué)仿真模擬計(jì)算結(jié)果，復(fù)興號動(dòng)車組經(jīng)過型面和懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的運(yùn)行穩(wěn)定性充裕，采用逐級提速將半徑7 000～9 000 m曲線的欠超高適當(dāng)放寬至110～130 mm，以及在直線開闊地段以400 km/h以上速度交會(huì)的基本試驗(yàn)方案，運(yùn)行安全性指標(biāo)可以滿足要求，且具有較大的裕量。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮袜嵭炜蛯；厩闆r，綜合考慮試驗(yàn)組織、運(yùn)行速度等因素，試驗(yàn)區(qū)段選在開封北站～蕭縣北站區(qū)間(K497+684—K231+359)，交會(huì)試驗(yàn)運(yùn)行區(qū)間選在K497+000—K350+000，定點(diǎn)交會(huì)地點(diǎn)選在K426+000附近。逐級提速試驗(yàn)分別采用CR400AF和CR400BF 兩列復(fù)興號動(dòng)車組，先后進(jìn)行額定載荷和整備載荷提速試驗(yàn)，速度為200～420 km/h時(shí)，每10 km/h為一檔逐級提速；明線交會(huì)試驗(yàn)采用CR400AF和CR400BF 兩列復(fù)興號動(dòng)車組互相交會(huì)，速度分別為360/360、380/380、400/400、410/410、420/420 km/h；重聯(lián)試驗(yàn)采用CR400AF的1車和CR400BF的8車重聯(lián)運(yùn)行，速度分別為350、380、390、400、410、420 km/h。

輪軌動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、車體模態(tài)和噪聲性能試驗(yàn)分別通過在頭車和中間車布置測點(diǎn)，測試復(fù)興號動(dòng)車組以更高速運(yùn)行以及交會(huì)時(shí)的動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等參數(shù)，分析獲得動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)的相關(guān)性能指標(biāo)，及其隨速度的演變規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照預(yù)定試驗(yàn)計(jì)劃和方案，復(fù)興號動(dòng)車組在鄭徐試驗(yàn)區(qū)段順利進(jìn)行了速度420 km/h運(yùn)行和交會(huì)試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)安全，運(yùn)行和交會(huì)試驗(yàn)均采取逐級提速的方式，并且全程對動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在半徑7 000、8 000 m曲線上，最高試驗(yàn)速度達(dá)到400 km/h，脫軌系數(shù)最大值為0.26；在半徑9 000 m曲線上，最高試驗(yàn)速度達(dá)到420 km/h，脫軌系數(shù)最大值為0.28。而且，盡管在這3種曲線上，欠超高已經(jīng)分別達(dá)到113、124、130 mm，橫向和垂向平穩(wěn)性均為“優(yōu)級”，并有充足的裕量。直線段明線交會(huì)過程中產(chǎn)生的壓力波最大值為2 096 Pa，車內(nèi)1、3 s壓力變化最大值均為96 Pa。復(fù)興號動(dòng)車組的安全性和平穩(wěn)性測試結(jié)果中關(guān)鍵性的運(yùn)行安全性指標(biāo)與試驗(yàn)前的仿真計(jì)算預(yù)測結(jié)果基本一致。

復(fù)興號動(dòng)車組車體模態(tài)試驗(yàn)測試了恒速250、300、350 km/h及加速和制動(dòng)工況下06車與00車的車體模態(tài)振型與頻率。試驗(yàn)結(jié)果顯示：車體20 Hz以內(nèi)可激起的振型為一階菱形、一階垂向彎曲、一階扭轉(zhuǎn)、一階橫向彎曲；復(fù)興號動(dòng)車組不同車廂的模態(tài)存在差異，06車菱形模態(tài)與一階垂彎明顯小于00車；以速度350 km/h的測試結(jié)果為例，06車與00車的車體扭轉(zhuǎn)頻率分別為14.6、15.6 Hz；車體橫向彎曲頻率分別為13.0、11.3 Hz。

列車在速度400、420 km/h運(yùn)行時(shí)，復(fù)興號動(dòng)車組車內(nèi)噪聲測試結(jié)果見表2。司機(jī)室內(nèi)噪聲依然滿足速度350 km/h的限值要求，但頭車客室中部和端部以及受電弓車客室端部噪聲已超出速度350 km/h的限值要求。

表2 復(fù)興號動(dòng)車組客室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲測試結(jié)果 dB(A)

2.2 隨速度變化規(guī)律分析

對按速度統(tǒng)計(jì)主要?jiǎng)恿W(xué)指標(biāo)的平均(峰)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，分析隨速度遞增的變化趨勢，見圖4。由圖4可見，主要?jiǎng)恿W(xué)指標(biāo)均隨運(yùn)行速度提高呈上升趨勢，但擬合式的二次項(xiàng)系數(shù)普遍偏小，主要指標(biāo)隨速度的增長平緩；各項(xiàng)指標(biāo)隨速度增加的幅度略有不同，脫軌系數(shù)和輪軸橫向力增幅較小，輪重減載率增幅相對明顯，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的增幅也較緩。

復(fù)興號動(dòng)車組以不同的速度明線交會(huì)過程中，車外壓力波最大峰峰值、車內(nèi)外壓差和1、3 s內(nèi)車內(nèi)壓力變化與速度關(guān)系曲線見圖5、圖6，由擬合曲線可知，交會(huì)壓力波和車內(nèi)外壓差基本上與速度平方成正比；車內(nèi)1 s 和3 s壓力變化隨速度增加略有增加，波動(dòng)較大，具體規(guī)律不顯著，這主要是因?yàn)槊骶€交會(huì)時(shí)間短，且壓力波可以向周圍空間疏散，很難傳入車內(nèi)。車內(nèi)空氣壓力波動(dòng)的主要因素是空調(diào)壓力保護(hù)系統(tǒng)工作時(shí)自身的波動(dòng)，以及隨著速度增大空調(diào)進(jìn)氣口氣流湍流度增加。復(fù)興號動(dòng)車組與和諧號動(dòng)車組在5.0 m線間距下明線交會(huì)的壓力波幅值試驗(yàn)結(jié)果對比見圖7。由圖7可知：復(fù)興號動(dòng)車組較和諧號動(dòng)車組明線交會(huì)壓力波幅值減小，同速度下減幅為11%～21%。

模態(tài)試驗(yàn)測試了速度250、300、350 km/h的車體振型與頻率，結(jié)果見圖8。由圖8可知：運(yùn)行速度對車體固有模態(tài)振型與頻率影響很小，在不同速度下車體模態(tài)頻率基本保持恒定。

復(fù)興號動(dòng)車組不同速度下車內(nèi)噪聲測試結(jié)果顯示：隨速度增長，客室端部和客室中央的噪聲穩(wěn)步增長，速度每增長50 km/h，車內(nèi)噪聲平均增加3 dB左右；空載和重載狀態(tài)下，客室端部噪聲均比中部噪聲高約2～5 dB。

復(fù)興號動(dòng)車組客室不同位置車內(nèi)噪聲水平隨速度的變化規(guī)律見圖9。由圖9可知，車內(nèi)噪聲隨速度的增加近似呈線性增加，對測試結(jié)果進(jìn)行線性擬合，結(jié)果分別見圖9中虛線和表3。結(jié)果顯示：客室噪聲與速度的關(guān)系滿足LPA=K×lg(v/v0)+L(v0)的規(guī)律，其中K取值范圍為：客室中部30～50，客室端部20～50。

表3 復(fù)興號動(dòng)車組客室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)聲壓級與速度的變化關(guān)系(額定載荷)

2.3 高速交會(huì)試驗(yàn)綜合分析

復(fù)興號動(dòng)車組明線交會(huì)瞬間，頭車承受的氣壓波動(dòng)相對于中間車輛更明顯，分速度統(tǒng)計(jì)高速交會(huì)瞬間頭車的運(yùn)行安全性、橫向振動(dòng)加速度以及交會(huì)過程中的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，見圖10。由圖10可知，在直線空闊地段，頭車在交會(huì)瞬間的實(shí)測脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力指標(biāo)均較小，距安全限值有較大裕量，其中脫軌系數(shù)與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。隨著交會(huì)速度從380/380 km/h增加至420/420 km/h，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力指標(biāo)較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)快速遞增趨勢。

復(fù)興號動(dòng)車組高速明線交會(huì)車體不同部位橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度變化趨勢見圖11。由圖11可知，頭車在交會(huì)過程中的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨交會(huì)速度的增加平緩上升，司機(jī)室橫向平穩(wěn)性指標(biāo)高于頭車二位端，在速度420/420 km/h交會(huì)時(shí)司機(jī)室橫向平穩(wěn)指標(biāo)為2.09，略高于非交會(huì)時(shí)的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)。交會(huì)速度從380/380 km/h增加至420/420 km/h，頭車在交會(huì)瞬間的車體橫向振動(dòng)加速度峰值明顯增大，而構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度峰值無此趨勢。

復(fù)興號動(dòng)車組高速明線交會(huì)時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)測波形見圖12，對比圖12(a)中交會(huì)壓力波與圖12(b)中車體加速度的實(shí)測波形可知，在高速交會(huì)瞬間頭車司機(jī)室和車體二位端橫向加速度幾乎同步出現(xiàn)顯著的波動(dòng)，波動(dòng)過程與頭車車體表面承受的氣壓波動(dòng)過程基本相吻合。圖12(c)中構(gòu)架橫向加速度顯示，頭車在交會(huì)瞬間的構(gòu)架橫向加速度與交會(huì)前后幾乎沒有變化。圖12(d)—圖12(f)同樣顯示，頭車在交會(huì)瞬間的運(yùn)行安全性指標(biāo)與交會(huì)前后相比沒有差異。

因此，在鄭徐高鐵直線開闊地帶，盡管兩列復(fù)興號動(dòng)車組在速度420/420 km/h交會(huì)時(shí)車體由于交會(huì)壓力波的作用會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的低幅橫向晃動(dòng)，但橫向晃動(dòng)只停留在車體，沒有下傳至構(gòu)架、輪對，交會(huì)壓力波對橫向平穩(wěn)性指標(biāo)影響有限，而對轉(zhuǎn)向架的橫向穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性幾乎沒有影響。

3 更高速度動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)展望

為滿足更高速度運(yùn)營的需求，動(dòng)車組需要足夠的臨界速度儲(chǔ)備。復(fù)興號動(dòng)車組的最高試驗(yàn)速度已穩(wěn)定地達(dá)到420 km/h，為保障在更高的運(yùn)營速度下，車輪鏇修里程相對于目前速度350 km/h運(yùn)營的動(dòng)車組維持不變甚至有所延長，有必要對更高速度下的輪軌作用及磨耗機(jī)理開展深入研究。

輪軌安全性指標(biāo)是保障動(dòng)車組行車安全最重要最基礎(chǔ)的指標(biāo)，即便在更高運(yùn)營速度下，對輪軌安全性評判的指標(biāo)及限值應(yīng)維持不變。輪軌安全性實(shí)測結(jié)果也表明，在速度350 km/h等級具備提速的線路上，復(fù)興號動(dòng)車組可以以更高的速度運(yùn)營，而脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等脫軌安全性指標(biāo)仍具有較大安全裕量。輪重減載率相對于其他指標(biāo)增長略快，可以通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)及懸掛系統(tǒng)優(yōu)化、簧下及簧間減重加以控制[4-5]。

同樣，運(yùn)營速度的增加不應(yīng)以加劇車體振動(dòng)而導(dǎo)致乘坐的舒適性降低為代價(jià)，為保證旅客乘坐的平穩(wěn)性和舒適性，車體振動(dòng)性能、平穩(wěn)性指標(biāo)和乘坐舒適度指標(biāo)所應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)在更高的運(yùn)營速度下應(yīng)維持不變。對于運(yùn)行平穩(wěn)性的實(shí)測結(jié)果及變化趨勢，在更高的運(yùn)營速度下保持平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)水平是完全可行的。

從空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及先前的研究結(jié)果可知[6-7]，在更高的運(yùn)營速度下可適當(dāng)提高動(dòng)車組車體氣密強(qiáng)度指標(biāo)，但車內(nèi)氣動(dòng)舒適度指標(biāo)仍維持不變。

和諧號動(dòng)車組在服役過程中出現(xiàn)車體固有菱形模態(tài)與構(gòu)架蛇行頻率耦合振動(dòng)而引起的抖車問題，導(dǎo)致乘坐舒適性顯著降低[8-9]。復(fù)興號或更高速動(dòng)車組隨著車輪磨耗，輪軌匹配等效錐度增加，蛇行頻率上升可達(dá)9 Hz[10-11]。為了避免蛇行頻率與車體菱形頻率接近而引起共振，同時(shí)也為了充分隔離其他車體與轉(zhuǎn)向架相近頻率，建議車體的固有模態(tài)頻率最小值應(yīng)大于10 Hz。

根據(jù)動(dòng)車組車內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，噪聲水平隨速度的提高近似線性增大，當(dāng)列車運(yùn)行速度增加至400 km/h和420 km/h時(shí)，客室內(nèi)噪聲已不滿足原有速度350 km/h的限值要求。考慮到車輛減振降噪的技術(shù)水平，建議更高速度下車內(nèi)噪聲的評價(jià)指標(biāo)按不同速度等級進(jìn)行規(guī)定。同時(shí)考慮到車內(nèi)噪聲水平與乘坐舒適性和乘車體驗(yàn)密切相關(guān)[12]，因此建議按優(yōu)、良 2級指標(biāo)進(jìn)行控制，優(yōu)級指標(biāo)對車輛噪聲提出更高的要求。

參照試驗(yàn)結(jié)果，建議動(dòng)車組在速度400 km/h時(shí)的車內(nèi)噪聲指標(biāo)見表4。

表4 速度400 km/h動(dòng)車組車內(nèi)噪聲評價(jià)指標(biāo) dB(A)

國際標(biāo)準(zhǔn)對于車內(nèi)噪聲的要求見表5。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)方面均無速度350 km/h及以上客室內(nèi)噪聲指標(biāo)，僅有Reg(EU)1302—2014[13]規(guī)定速度350 km/h下的司機(jī)室內(nèi)噪聲限值為80 dB(A)，高出上述我國建議良級指標(biāo)2 dB，高出優(yōu)級指標(biāo)4 dB。速度400 km/h時(shí)司機(jī)室內(nèi)良級指標(biāo)限值與UIC 651—2002[14]中300 km/h的噪聲指標(biāo)相同，客室端部和中部的優(yōu)級指標(biāo)與UIC 660—2002[15]中速度300 km/h的強(qiáng)制噪聲指標(biāo)相同。由此可以看出，表4給出的我國動(dòng)車組高速噪聲指標(biāo)建議值遠(yuǎn)優(yōu)于表5中國際標(biāo)準(zhǔn)限值。

表5 國際標(biāo)準(zhǔn)車內(nèi)噪聲限值

要達(dá)到表4中車內(nèi)噪聲限值要求，既有的復(fù)興號動(dòng)車組需要進(jìn)一步減振降噪。復(fù)興號動(dòng)車組在速度350 km/h時(shí)噪聲傳遞路徑貢獻(xiàn)量測試結(jié)果見圖13?？梢钥闯鰟?dòng)車組車內(nèi)噪聲主要受輪軌噪聲、受電弓噪聲以及車體表面氣動(dòng)噪聲等的影響。因此，應(yīng)對動(dòng)車組在更高速度下運(yùn)行時(shí)的車內(nèi)噪聲進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，建議從車體隔聲性能、車端區(qū)域聲學(xué)性能以及受電弓區(qū)域三個(gè)方面開展減振降噪工作。

4 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)及組織實(shí)施復(fù)興號動(dòng)車組在運(yùn)營線路上速度420 km/h的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，獲得了復(fù)興號動(dòng)車組在運(yùn)行速度350～420 km/h的試驗(yàn)結(jié)果，并分析了隨速度的變化規(guī)律及速度420/420 km/h明線交會(huì)的安全性，最后展望了更高速復(fù)興號動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)指標(biāo)，得到如下結(jié)論：

(1) 復(fù)興號動(dòng)車組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明：其運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性滿足速度420 km/h的更高速運(yùn)行要求，振動(dòng)、噪聲和交會(huì)壓力波等性能較和諧號動(dòng)車組大幅改善，其中，明線交會(huì)壓力波較和諧號動(dòng)車組減小11%～21%。

(2) 在運(yùn)行速度為350～420 km/h時(shí)，輪軌動(dòng)力學(xué)主要指標(biāo)均隨運(yùn)行速度提高呈緩慢上升趨勢，擬合式的二次項(xiàng)系數(shù)普遍較小，指標(biāo)數(shù)值隨速度的增長平緩；在這一前提下，隨著運(yùn)行速度的提高，各項(xiàng)指標(biāo)的增幅略有不同，脫軌系數(shù)和輪軸橫向力增幅較小，輪重減載率增幅相對明顯，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的增幅也較小。明線交會(huì)過程中，交會(huì)壓力波和車內(nèi)外壓差基本上與速度平方成正比，但量值不大，對動(dòng)車組的運(yùn)行安全性基本沒有影響；車內(nèi)1 s和3 s壓力變化隨速度增加略有增加，波動(dòng)較大，具體規(guī)律不顯著；車內(nèi)噪聲水平隨運(yùn)行速度的增加近似呈線性增加：速度每增長50 km/h，車內(nèi)噪聲平均增加約3 dB。

(3) 速度420/420 km/h明線交會(huì)產(chǎn)生的交會(huì)壓力波會(huì)對車體的橫向振動(dòng)產(chǎn)生短時(shí)影響，但短時(shí)的低幅橫向晃動(dòng)只停留在車體，沒有下傳至轉(zhuǎn)向架，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)受到的影響有限，而轉(zhuǎn)向架的橫向穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性幾乎不受影響。