高速铁路轨道不平顺预设试验最大幅值的研究

杨 飞，黎国清，刘金朝，孙善超

(中国铁道科学研究院 铁道部基础设施检测中心，北京 100081)

轨道不平顺是轮轨系统的激扰源，是引起列车车辆振动和轮轨作用力的主要原因。严重的轨道不平顺不但会引起机车车辆剧烈的振动，影响乘客乘坐的舒适性，甚至还会导致列车脱轨，危及行车安全。国内外的实践证明，如果轨道的平顺状态满足要求，列车的振动和动作用力都不太大，行车安全和平稳舒适性就能得到保证，轨道和机车车辆部件的使用周期和维修周期也会得到延长。安全和舒适一直是高速铁路的核心问题，与之密切相连的轨道不平顺也受到更大的关注［1-3］。

通过预设轨道不平顺实车试验的方法进行高速铁路线路状态管理标准的验证和探索，在高速铁路上预设轨道不平顺，用实际运营的动车组以不同的速度级运行，再通过车上车下的检测设备来实际检测动车组的动力响应性能。但是，实设不平顺试验首先应当考虑试验的安全性，目前世界各国普遍的做法是先通过动力学仿真计算出合适的不平顺幅值，现场通过逐级提速的方法来保证安全。

1 几何不平顺输入模型

由于无砟轨道比有砟轨道更易保持预设不平顺的幅值及波长，因此，本文先考虑在无砟轨道线路上设置轨道不平顺的情况。考虑到仿真计算时输入的轨道激励不平顺应最大程度接近现场情况，先在无砟轨道上预设多处不平顺，用静态小车测量实际的不平顺线型状况，通过整理分析，可发现，调整确认后的各不平顺线型主要接近图1所示类型。

图1 静态小车测量实际的不平顺线型

实际证明，由于钢轨具有一定的弹性，即使想把钢轨调整为阶梯状，最后也变为余弦形状，因此，输入的轨道激励不平顺基本可等效为余弦形不平顺(图2)。

其中，A为幅值，λ为波长。

图2 等效的轨道激励不平顺(余弦形)

2 动力学仿真模型建立及其验证

1)利用 ADAMS/RAIL动力学仿真软件建立了CRH2的动力学整车模型和CHN60踏面轮廓图如图3和图4所示。

图3 CRH2整车动力学模型

图4 CHN60踏面轮廓

2)为验证高低项目仿真结果的实用性，在某无砟轨道上预设一处10 m波长幅值为8 mm的高低，使用CRH2型动车组以不同的速度级通过，最高速度级为320 km/h，利用测力轮对测得通过此处时轮重减载率的大小，将轮重减载率实测数据作平均后和仿真数据作对比，如图5所示。从图5中可以看出，各速度级下实测轮重减载率基本在仿真结果趋势线的上下均匀分布，考虑到测试数据的离散性和以及现场不可能是单一的高低不平顺，仿真结果和实测数据有较小误差，总之，在高低项目上仿真结果是比较准确的。

3)为验证轨向项目仿真结果的实用性，在某无砟轨道上预设一处6 mm的轨向，使用CRH2型动车组以不同的速度级通过，最高速度级为320 km/h，利用测力轮对可以测得通过此处时脱轨系数的大小值，将脱轨系数试验数据作平均后和仿真数据作对比，如图6所示。从图6中可以看出，轨向实测的离散性较大，和仿真结果有一定的偏差，但各速度级下实测脱轨系数基本在仿真结果趋势线的上下均匀分布，考虑到测试数据本身的离散性和测试现场的复杂性，仿真结果在轨向项目上应当是可以适用的。

4)同样，为验证水平项目仿真结果的实用性，在某无砟轨道上预设一处6 mm的水平，使用CRH2型动车组以不同的速度级通过，最高速度级同样为320 km/h，利用测力轮对可以测得通过此处时脱轨系数和减载率的大小，将脱轨系数和减载率试验数据作平均后和仿真数据作对比，如图7～图8所示，从图7～图8中可以看出，各个速度级下实测减载率基本在仿真结果趋势线以下，实测脱轨系数与仿真结果趋势线偏差稍大，但基本上也在仿真结果趋势线上下均匀分布，考虑到测试数据具有一定的离散性和测试现场的复杂性，以及水平对减载率的影响要大于脱轨系数，仿真结果在水平项目上是可以适用的。

图5 动车减载率仿真结果和实测数据对比(高低8 mm)

图6 动车脱轨系数仿真结果和实测数据对比(轨向6 mm)

图7 轮重减载率仿真结果和实测数据对比(水平6 mm)

3 轨道不平顺预设试验最大幅值的研究

3.1 高低不平顺

理论分析和试验证明，高低不平顺会激起车体和转向架的垂向沉浮和点头振动，并使得轮轨作用力产生很大的增减变化，因此高低不平顺主要影响列车的垂向加速度和减载率。以下给出10 m波长垂向加速度和轮重减载率随高低不平顺幅值增加的仿真结果图。从图9、图10中可以看出，随着速度的增大，动车车体的垂直加速度和轮重减载率逐渐增大;随着不平顺幅值的增加，动车车体垂向加速度和减载率单调递增，且近似为线性关系。由图9和图10建议实车试验速度达到350 km/h和400 km/h时在无砟轨道上预设的高低不平顺最大幅值为9 mm和8 mm。

图8 脱轨系数仿真结果和实测数据对比(水平6 mm)

图9 垂向加速度随着幅值增加的变化情况

图10 轮重减载率随着幅值增加的变化情况

3.2 轨向不平顺

理论分析和试验证明，轨向不平顺会激起车体的摇头和侧摆振动，并使得轮轨作用力中横向力增大，因此轨向不平顺主要影响列车的横向加速度和脱轨系数。以下给出10 m波长横向加速度和脱轨系数随轨向不平顺幅值增加的仿真结果图。从图11、图12中可以看出，随着速度的增大，动车车体的横向加速度和脱轨系数呈递增关系;随着不平顺幅值的增加，动车车体横向加速度和脱轨系数单调递增。在速度为400 km/h幅值为7 mm时，横加幅值突增;在速度 350 km/h幅值为9 mm时，脱轨系数幅值突增;在速度400 km/h幅值为7 mm时，脱轨系数幅值突增。

因此，由图11和图12建议实车试验速度达到350 km/h和400 km/h时，在无砟轨道上预设的轨向不平顺最大幅值为7 mm和6 mm。

3.3 轨距不平顺

轨距不平顺主要影响轮轨接触的几何关系，对列车的横向加速度和脱轨系数有一定的影响。以下给出10 m波长横向加速度和脱轨系数随大轨距和小轨距不平顺幅值增加的仿真结果图。从图13～图16中可以看出，随着速度的增大，动车车体的横向加速度和脱轨系数基本呈递增关系。随着不平顺幅值的增加，动车车体横向加速度和脱轨系数单调递增。速度400 km/h时，大轨距情况下横向加速度和脱轨系数先低于速度350 km/h时横向加速度和脱轨系数，然后突增。

图11 横向加速度随着幅值增加的变化情况

图12 脱轨系数随着幅值增加的变化情况

图13 横向加速度随着大轨距幅值增加的变化情况

为研究实际现场轨距对车辆的动态响应，在某无砟轨道上预设一处7 mm的大轨距和5 mm的小轨距，使用CRH2型动车组以不同的速度级通过，最高速度级为330 km/h，利用测力轮对可以测得通过此处时脱轨系数的大小，如图17所示，可见大轨距和小轨距对动车安全运行的影响很小。因此根据目前300 km/h≤V≤350 km/h动态检测标准和图13～图16，建议在速度350 km/h和400 km/h时在无砟轨道上预设的大轨距不平顺最大幅值为7 mm和6 mm，小轨距不平顺最大幅值为 5 mm 和 4 mm［4］。

图14 脱轨系数随着大轨距幅值增加的变化情况

图15 横向加速度随着小轨距幅值增加的变化情况

图16 脱轨系数随着小轨距幅值增加的变化情况

3.4 水平不平顺

水平不平顺加剧车辆的侧滚、侧摆振动，使得轮轨侧向力增大，对列车的横向加速度、垂向加速度、减载率和脱轨系数都有影响。以下给出10 m波长横向加速度、垂向加速度、减载率和脱轨系数随水平不平顺幅值增加的仿真结果图。从图18～图21中可以看出，随着速度的增大，动车车体的横向加速度、垂向加速度、脱轨系数和减载率呈递增关系;随着不平顺幅值的增加，动车车体的横向加速度、垂向加速度、脱轨系数和减载率也单调递增。

因此，由图 18～图 21，建议实车试验速度达到350 km/h和400 km/h时在无砟轨道上预设的水平不平顺最大幅值为8 mm和7 mm。

综上所述，高速铁路轨道预设不平顺试验最大建议安全值如表1所示。

图17 大轨距和小轨距实测脱轨系数变化

图18 垂向加速度随着幅值增加的变化情况

图19 横向加速度随着幅值增加的变化情况

图20 减载率随着幅值增加的变化情况

图21 脱轨系数随着幅值增加的变化情况

表1 高速铁路轨道预设不平顺试验最大建议安全值 mm

4 结论

随着我国高速铁路的快速发展，运营速度的不断提高，与之相配套的管理标准也应当更加完善。因此，越来越多的科研工作者希望能够进行预设不平顺的实车试验，以辅助制订更加准确、合理、经济的管理标准。

1)通过先在某无砟轨道线路上预设几处轨道不平顺，用静态小车测量其线型状况，确定仿真计算时输入的轨道激励不平顺用余弦形不平顺比较合适。

2)建立了CRH2的动力学模型，并根据320 km/h以下的试验结果对模型进行验证和完善。

3)通过计算机仿真，详细研究了轨道不平顺和动力学响应的关联关系。对于高低项目，随着速度和幅值的增加，近似为线性递增关系;对于轨向项目，随着速度和幅值的增加，动力学响应单调递增，但会有响应突增现象，轨距项目也有类似现象;对于轨向项目，随着速度和幅值的增加，各项动力学响应也表现为递增关系。

4)给出了350 km/h和400 km/h下轨道不平顺试验预设的最大安全值，为完善试验方案、节约试验成本提供理论支撑。

［1］罗林，张格明，吴旺青，等.轮轨系统轨道不平顺状态的控制［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［2］赵国堂.高速铁路无砟轨道结构［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［3］李子睿 ，肖俊恒，李伟.高速行车条件下预设轨道不平顺状态的试验分析［J］.铁道建筑，2010(7):124-126.

［4］中华人民共和国铁道部.科技基［2008］65号 客专300～350公里轨道不平顺动态管理值［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［5］李明华，李立林，何晓源.高速铁路轨道不平顺幅值控制研究［J］.铁道工程学报，2009，132(9):26-30.

［6］铁道部科学研究院.客运专线300 km/h轨道不平顺管理值的研究［R］.北京:铁道部科学研究院，2008.