CRH3型動車組動態限界設計技術研究

景建輝，呂鳳梅，邵楠，石俊杰

(中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

2005年底，西門子交通技術集團以提供樣車和技術轉讓形式，開始與中國北車集團唐山機車車輛廠合作制造60列CRH3C型動車組，從2008年8月1日CRH3型動車組正式在京津線正式運營至今，以CRH3型動車組為平臺設計制造的動車組已有120列8輛短編，100多列16輛長編下線運營.與此同時，在引進消化吸收CRH3型動車組各項設計技術過程中，西門子的限界設計和工程技術逐漸被認識和掌握.為了最大程度上利用限界空間，達到提高車輛運行安全性和經濟性的兩大目標，本文以CRH3C動車組的限界設計為例，對相關的限界依據標準、計算模擬方法和試驗驗證結果進行系統分析，指出各種限界計算方法的特點.計算結果證明，側風大小對動車組的橫向位移量其主導作用，試驗結果證明動車組運行速度對橫向位移量沒有明顯影響.

1 限界標準和計算方法

鐵路限界由機車車輛限界和建筑限界共同組成，兩者相互制約與依存［1］，車輛動態限界計算不僅是車輛設計過程中一項重要內容，也是安全行車的重要保障［2］.鐵路最初是以結構限界來校驗機車車輛輪廓的，然后發展到考慮車體和線路的誤差、靜態變形和磨耗的靜態限界，在此基礎上，進一步考慮懸掛的靜態、準靜態和動態振動變形，得到車輛的動態限界(亦稱“動態包絡線”).

1.1 限界標準

世界各國鐵路基于其歷史原因、運營情況、管理方法等各方面的差別，裕留空間所包含的內容及取值不盡相同.關于裕留空間的設置，基本有兩種情況，一種是具有各種技術狀態的機車車輛和鐵路線路，在運營中可能發作的垂直方向和水平方向位移，除在曲線上的車寬縮減以外，大部分均在裕留空間內考慮.中國、俄羅斯、美國、日本等多數國家，均屬這一類型.另一種是歐洲鐵路聯盟(UIC)所使用的鐵路限界《UIC505－1－2003鐵路運輸車輛——機車車輛限界(Railway transport stock-Rolling stock construction gauge)》(以下簡稱“UIC505”)［3］，其裕留空間比較小，由各成員路自定.在UIC505中，給定各成員國均認可的基準輪廓線，并根據機車車輛可能發生的、具有各種特性的水平方向位移，縮小或擴大基準輪廓線，從而得到機車車輛制造限界、靜態限界、動態限界.UIC505雖可在較大程度上利用裕留空間，但在機車車輛設計時需作較繁雜計算.同時，實施這種限界需符合機務、工務所規定的管理規則.

對我國的既有鐵路而言，既有線普通客車需滿足《GB146.1－1983標準軌距鐵路機車車輛限界》［4］(以下簡稱“GB146.1”)標準要求，高速鐵路需要滿足《客運專線機車車輛限界暫行規定》(以下簡稱“暫規”)車輛限界和《TB10621－2009高速 鐵 路 設 計 規 范 (試 行)》［5］(以 下簡 稱“TB10621”)建筑限界要求，而地鐵車輛需要滿足《CJJ96-2003 地 鐵 限 界 標 準》［6］(以 下 簡 稱“CJJ96”)和《GB50490-2009城市軌道交通技術規范》［7］，其中 CJJ96中的計算方法參考了德國BOStrab(Straβnbahn-Bau-und-Betriebsordnung 城軌車輛－建筑－和運營規則)標準，同時為了提高空間利用和經濟性，引入了設備限界概念(equipment gauges)，確定線路上安裝的信號、通信、通風等固定設備不能侵入的空間.出口國外的車輛需要滿足其各國的限界條件，但對很多鐵路欠發達國家，沒有相關的鐵路限界和標準，計算方法一般借鑒UIC505或者國內標準.文獻［8］中分別對美國、歐盟、俄羅斯和澳大利亞鐵路車輛限界做了概述，主要分類見圖1.

圖1 限界標準分類

1.2 公式計算方法

UIC505、GB146.1和 CJJ96中的計算都是根據對建筑限界和車輛限界的不同應用條件，將各種影響限界的因素通過固定公式計算，得出車輛設計參數是否符合標準規定.這些標準使用都比較簡便，其中CJJ96標準中的方法考慮的因素比較全面，實際上其理論原理可適用于各種軌道車輛，該標準將影響動態限界的因素分為隨機Z和非隨機因素NZ，對隨機因素采用平方和開根號的疊加原則，對非隨機變量直接相加，見表1.公式表示為:

車體最大偏移量:

式中，m為非隨機因素數個數;n為隨機因素數個數.

在確定計算參數時，由于無法準確考慮車輛振動時一系、二系變形量，所以基本上是按照最大變形量取值，輪軌間隙一般也按照最惡劣磨耗的情況考慮，以上情況實際上只會在特殊情況下達到極限.總的來說，CJJ96考慮的因素比較全面，但是部分參數取值不易確定，由于取值都向極限狀態靠攏，所以掌握不好的話會導致計算結果偏于保守.目前，西南交通大學、同濟大學［9］、北京交通大學［10］等單位已經開發出相關的計算軟件，方便工程人員計算設計.

表1 車輛限界計算因素

1.3 動力學計算方法

動力學計算是通過車輛在軌道不平順條件下的隨機振動仿真，得出計算車輛的最大位移和姿態.動力學仿真方法不需要人為確定懸掛偏移量，且能考慮車速、風載、線路條件、輪軌磨耗狀態等因素的綜合影響，能夠較為準確反映車輛在實際運行過程中的最大動態偏移量.但是，由于動力學仿真模型一般都是理想位置建模的，沒有考慮制造、安裝和維護誤差，仿真計算結果不能代表最惡劣的情況.

因此，本文建議可將CJJ96與動力學計算相結合方式，先通過動力學方法得到CJJ96標準中不容易確定的懸掛變形和輪軌間隙，通過CJJ96標準計算輪軌磨耗、軌道不平順和制造、安裝定位和維護誤差引起的偏移量，然后累加得到車輛動態包絡線，此方法已經在西門子公司的限界計算中得到應用.

2 限界計算結果

2.1 GB146.1 靜態限界計算

根據GB146.1標準中的計算方法，將CRH3型動車組的設計制造參數與靜態限界進行對比，見圖2，通過與TB10621中規定的高鐵站臺建筑限界進行對比，車體制造輪廓在站臺1 250 m高度的最小橫向距離為148.3 mm，車門打開后有與站臺有69.3 mm的間隙，見圖3.

圖2 CRH3型動車組的設計參數

圖3 CRH3型車體橫斷面和限界對比

2.2 CJJ96 限界計算

根據CJJ96的計算方法，CRH3動車組的計算結果見表2，動態包絡線見圖4.

表2 CRH3動車最大位移

圖4 CRH3動車組動態包絡線和高鐵站臺限界對比

2.3 動力學計算結果

運用動力學模擬軟件SIMPACK對CRH3動車組進行動態模擬，線路工況為京津線路譜，側風加載方式為5 s瞬時陣風.根據動態位移計算結果，側風的強度對車體的橫向位移影響較大，而在不同速度級下，車體橫移量區別不大，見表3.

表3 不同風速下車體最大動態橫移量 mm

在CRH3型動車組運營條件中規定:15 m/s風速時，限速300 km/h;30 m/s風速時，限速160 km/h.列車在300 km/h(15 m/s風速)運行條件下，在距軌面1 300 mm高度，車體最大橫向偏移量為7.8 mm，在距軌面3 900 mm高度，車體最大橫向偏移量為18.9 mm，見圖5.

圖5 CRH3動車組車體3.9 m高度車端最大橫移量

表4 不同風速下的最大動態橫移量

2.4 動力學和CJJ96綜合方法限界計算結果

根據西門子的動力學限界計算方法，在列車動態模擬環境中，列車在300 km/h(15 m/s風速)運行條件下，結合CJJ96的計算方法，輪軌磨耗、軌距偏差和軌道不平順與動態計算結果進行線性相加，計算結果見表4.

3 限界試驗和計算結果對比

根據鐵科院在京津線上的動態限界試驗結果［11］，選擇正常載客的一列CRH3型動車組，速度在5～260 km/h范圍內運行，1 000～1 300 mm高度的車體橫移量最大標準差σ為9.5 mm，根據隨機參數分布符合正態分布的概率理論，可認為車體最大橫向位移量在3 σ范圍內，即28.5 mm，測試平均值為1 625 mm，則最大車體最大可能值為1 653.5 mm，車體的理論半寬為1 605.6 mm，所以車體最大橫移量為(47.9±5)mm(測試偏移量的傳感器誤差為5 mm).

另外，試驗結果表明，車體的偏移量與列車運行速度相關性不大，見圖6.

根據不同的以上計算和試驗結果，對動車組進行橫向位移量進行對比分析，見表5和圖7，結果表明，列車在300 km/h運行速度條件下，運用CJJ96標準方法計算出的橫向位移量比動態綜合模擬結果大1倍左右，動態模擬綜合計算結果與動態試驗結果比較接近，差別在35%以內.

圖6 不同速度下車體橫向偏移量

表5 CRH3動車組在各種工況下最大橫向位移量對比 mm

圖7 CRH3動車組在空重車工況下最大橫向位移量對比

4 結論

通過以上對限界依據標準和CRH3動車組的限界計算和試驗結果，可以得出以下結論和建議:

(1)運用CJJ96標準方法的計算結果偏于保守，初期設計階段可運用CCJ96進行初步校核，待各設計參數確定后，適當調整設計參數，在有條件情況下，可運行動力學綜合方法進行驗證，以充分利用限界空間;

(2)在車輛總體運行環境對限界的影響方面，必須考慮側風對車輛橫移量的影響，計算結果表明側風大小對動車組的橫向位移量其主導作用，試驗結果表明動車組運行速度對橫向位移量沒有明顯影響.

［1］嚴雋耄.車輛工程［M］.3版，北京:中國鐵道出版社，2009:11.

［2］滕萬秀，程亞軍.車輛限界計算方法對比研究［J］.都市快軌交通，2009，22(4):40-45.

［3］International Union of Railways.UIC505-1-2003國際鐵路聯盟鐵路車輛限界標準［S］.巴黎:國際鐵路聯盟(UIC)，2003.

［4］中華人民共和國鐵道部.GB46.1－1983標準軌距鐵路機車車輛限界［S］.北京:中國標準出版社，1983.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10621－2009高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［6］同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院.CJJ96－2003地鐵限界標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50490－2009城市軌道交通技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［8］田葆栓.對鐵路限界的分析與思考［J］.鐵道貨運，2010，28(8):13-18.

［9］朱劍月，王建，羅湘萍，等.A型車車輛限界和設備限界的確定［J］.城市軌道交通車輛，2004(2):42-45.

［10］陳良龍，孫守光，任尊松.地鐵限界分析與軟件實現［J］.鐵道車輛，2005，43(1):11-14.

［11］中國鐵道科學研究.CRH型動車組車體偏移量計算和試驗報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2009.