高速动车组在不同无砟轨道结构上运行的动力学响应分析

袁玄成　田国英　王开云

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室　四川成都　610031)



高速动车组在不同无砟轨道结构上运行的动力学响应分析

袁玄成田国英王开云

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031)

摘要：以某型高速动车组在CRTSⅡ板式无砟轨道和双块式无砟轨道上的直线运行工况为例，基于车辆-轨道耦合动力学理论，分析高速铁路不同轨道结构的轮轨动力学性能之差异。研究结果表明，该型高速动车组在不同无砟轨道结构上运行时均具有良好的安全性和平稳性，动力学响应虽然存在差异，但差异很小。

关键词：CRTSⅡ板式无砟轨道双块式无砟轨道高速动车组动力学响应

由于无砟轨道具有良好的结构稳定性、连续性和高平顺性等优点，能够保证高速列车高速、安全、平稳舒适地运行，因而被广泛应用于高速铁路。我国高速铁路采用的无砟轨道结构分为板式无砟轨道和双块式无砟轨道两类。新建高速铁路在轨道结构选型时会结合沿线地质、气候、环境等多方面因素对不同轨道结构的施工性、适应性、经济性等进行综合评估，最终决定采用一种或多种轨道结构[1]。因此，不同的线路所采用的轨道结构通常是不一样的。

随着我国规划的“四纵四横”高速铁路网逐步建成，高速动车组跨线运行越来越普遍，这意味着高速动车组需要在不同的轨道结构上运行。尽管不同轨道结构都可以保证高速列车运行的基本要求，但是由于结构和参数上的差异，车辆的动力学响应也势必会有差异。已有的研究多以轨道结构为研究对象，且多采用有限元分析方法，将车辆荷载作为外界激励作用于轨道结构，对比分析不同轨道结构的动力学响应[2-4]。文献[5]虽然考虑了轨道整体刚度和阻尼对车辆系统动力学性能的影响，但不能分析不同轨道结构对车辆动力学性能影响的差异。

本文以应用较为广泛的CRTSⅡ板式无砟轨道和双块式无砟轨道为例，基于车辆-轨道耦合动力学理论[6]，通过动力学仿真，比较我国某型高速动车组在不同轨道结构上运行时动力学响应的差异，以期为高速动车组的动力学性能优化设计提供参考。

1动力学模型

研究表明[6]，轨道结构的振动会对车辆的动力学响应造成巨大影响，而经典的车辆动力学将轨道视为刚性的，不考虑轨道系统振动对车辆系统的动态影响，因此无法客观描述车辆在轨道上运行的状态。车辆-轨道耦合动力学理论[6]将车辆和轨道视为相互作用、相互耦合的整体大系统，二者通过轮轨相互作用联系在一起，因而可以分析轨道结构的弹性(阻尼)对车辆动力学响应的影响。图1和图2分别为车辆与板式无砟轨道、双块式无砟轨道的耦合动力学模型侧视图。

图1　车辆-板式无砟轨道耦合动力学模型侧视图

图2　车辆-双块式无砟轨道耦合动力学模型侧视图

本文以某型高速动车组的拖车为例。该车采用“三无结构”转向架，车体通过空气弹簧支承在构架上，二系悬挂由横向减振器、抗蛇行减振器和二系垂向减振器提供阻尼。轮对采用转臂式轴箱定位方式，一系悬挂由螺旋钢弹簧、转臂橡胶关节和垂向减振器来提供刚度和阻尼。

车辆子系统模型由车体、构架、轮对共7个刚体组成，每一个刚体考虑横移、沉浮、侧滚、摇头、点头5个自由度，共计35个自由度(表1)。

表1　车辆子系统模型自由度

CRTS Ⅱ板式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、支承层(或底座)组成，相邻轨道板通过螺纹钢筋实现纵连。水泥乳化沥青砂浆层作为轨道板和底座之间的调整层，主要起填充支撑、承力传力以及提供适当的刚度和弹性的作用。

对于板式无砟轨道，轨道振动主要体现在钢轨和轨道板的振动上。建模时，左右两股钢轨均视为离散弹性点支承基础上的无限长Euler梁，并考虑其垂向、横向及扭转自由度。轨道板的垂向振动按弹性地基上的等厚度矩形薄板考虑，而横向可视为刚体运动。

双块式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板、支承层等部分组成。双块式无砟轨道的振动主要体现在钢轨的振动上，建模时左右两股钢轨均视为离散弹性点支承基础上的无限长Euler梁，并考虑其垂向、横向及扭转自由度。

根据京沪、武广、京津等多条高速铁路的不平顺实测数据整理得到了中国高速铁路无砟轨道不平顺谱，该不平顺谱的表达式及相关参数详见文献[6]。将中国高速铁路无砟轨道不平顺谱施加于动力学分析模型，可以分析车辆在随机不平顺激扰下的动力学响应。

2动力学响应对比分析

分别计算某型高速动车组在CRTSⅡ 板式无砟轨道和双块式无砟轨道上以200，250，300，350 km/h速度沿直线运行时的动力学响应，并选取脱轨系数、轮重减载率、车体垂向加速度、车体横向加速度、轮轨垂向力和轮轨横向力作为评价指标进行对比分析。

图3展示了高速动车组在两种轨道结构上运行时各项动力学响应随车速变化的情况。从变化规律上可以看出，该高速动车组在这两种轨道结构上运行的动力学响应变化趋势是一致的，即都随着车速的提高而增大。下面以高速动车组在CRTSⅡ板式无砟轨道上运行时的动力学响应为例进行说明。从图3(a)和图3(b)可以看出，当车速为200 km/h时，脱轨系数约为0.074，轮重减载率约为0.13，当车速为350 km/h时，脱轨系数增大至0.098左右，轮重减载率增大至0.34左右；脱轨系数增幅约为32.4%，轮重减载率增大了约1.6倍。脱轨系数和轮重减载率作为安全性指标，均远低于相关规范[7]规定的0.8的安全限值，即车辆运行均处于安全范围之内。从图3(c)和图3(d)可以看出，随着车速从200 km/h增大至350 km/h，车体垂向加速度从0.0124g增大至0.0256g，增大了1倍左右；车体横向加速度先增大，随后变化趋于平稳，最小值为0.0165g，最大值为0.0230g。车体垂向加速度和车体横向加速度也远低于规范规定的2.5 m/s2，表明该型高速动车组在这两种轨道结构上运行均较平稳。据图3(e)和图3(f)可知，在车速从200 km/h提高到350 km/h的过程中，轮轨垂向力从81 kN左右增大至96 kN，增大了18.5%；轮轨横向力增长先快后缓，从5.3 kN左右增大至7.7 kN左右，增大了27.4%。随着车速提高，车辆与轨道之间的动力作用也随之增强。

表2进一步给出了二者差异的百分比。由表2可以发现，大部分动力学响应的差异都在1%以下，差异最大的也不超过3%。例如：当车速为300 km/h时，轮重减载率的差异达到2.8%；当车速为350 km/h时，轮重减载率的差异为2.19%，脱轨系数的差异为2.37%。由此说明，该型动车组对CRTSⅡ板式无砟轨道和双块式无砟轨道都具有良好的适应性，无需针对某一种轨道结构对车辆的动力学性能进行特殊优化。

图3　高速动车组在不同轨道结构上运行的动力学响应对比

动力学指标速度/km·h-1CRTSⅡ双块式差异动力学指标速度/km·h-1CRTSⅡ双块式差异脱轨系数2000.07390.07420.42%2500.08980.09060.99%3000.09140.09110.37%3500.09830.09602.37%轮重减载率2000.13080.13140.52%2500.18140.18210.36%3000.25980.26712.80%3500.34440.35202.19%车体垂向加速度/g2000.01240.01240.10%2500.01760.01770.45%3000.02350.02350.01%3500.02560.02560.09%车体横向加速度/g2000.01650.01640.62%2500.02470.02470.20%3000.02310.02310.21%3500.02300.02320.67%轮轨垂向力/kN20080.9281.070.19%25084.5184.670.20%30089.9090.490.65%35096.0196.180.17%轮轨横向力/kN2005.345.320.35%2506.606.580.29%3007.457.351.33%3507.727.700.27%

3结论

(1)某型高速动车组在CRTSⅡ板式无砟轨道和双块式无砟轨道上运行的各项动力学响应具有相同的变化规律，均随着车速的提高而增大。CRTSⅡ板式无砟轨道和双块式无砟轨道条件下的高速动车组轮轨动力学性能有一定的差异，但是差异很小。

(2)该型高速动车组的动力学设计满足在CRTSⅡ板式无砟轨道和双块式无砟轨道上运行的要求，该型高速动车组对这两种类型轨道结构均具有良好的适应性。

参考文献

[1]史龙龙. 客运专线轨道结构选型分析[J]. 铁道建筑技术, 2013, (10): 64-69.

[2]李中华. CRTSⅠ型与CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析[J]. 华东交通大学学报, 2010, (1): 22-28.

[3]孙璐, 段雨芬, 赵磊,等. 高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构动力特性分析[J]. 东南大学学报:自然科学版, 2014, (2): 406-412.

[4]石现峰, 李建斌,安蕊梅. 路基上双块式无砟轨道结构的参数影响分析[J]. 石家庄铁道学院学报:自然科学版, 2008, (2): 1-4.

[5]刘宏友,曾京. 轨道整体刚度和阻尼对车辆系统动力学性能的影响[J]. 铁道车辆, 2004, (4): 1-4,45.

[6]翟婉明. 车辆-轨道耦合动力学(上册)[M], 第4版. 北京: 科学出版社, 2015.

[7]中华人民共和国铁道部. 铁运[2008]28号， 高速动车组整车试验规范[S]. 2008.

Dynamic Response Analysis of High-speed EMU Running on

Different Non-ballasted Track Structures

YUAN Xuan-cheng, TIAN Guo-ying, WANG Kai-yun

(TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:This article takes the working conditions that a kind of high-speed EMU running on CRTSⅡ slab track as well as double-block non-ballasted track along the straight line as examples, the differences that wheel-rail dynamic performance on different high-speed railway track structures are analyzed according to the Vehicle-Track Coupled Dynamics. The research results indicate that this kind of high-speed EMU has superior qualities of safety and stability while running on different non-ballasted track structures. Though there are differences between dynamic responses on different non-ballasted track structures, they are proved to be very small.

Key words:CRTSⅡ slab track; Double-blocknon-ballasted track; High-speed EMU; Dynamic response

中图分类号：U231.2+44

文献标志码：A

文章编号：1671-8755(2015)04-0001-05

作者简介:袁玄成(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为铁路大系统动力学。E-mail: yuanxch@foxmail.com

基金项目:国家重点基础研究973课题(2013CB036206)；中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2014G010-H)。

收稿日期：2015-07-01