重載鐵路復合不平順的仿真計算及安全限值研究

陳睿穎，許玉德，程建平

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海200092；2.朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州062350）

重載鐵路復合不平順的仿真計算及安全限值研究

陳睿穎1，許玉德1，程建平2

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海200092；2.朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州062350）

鐵路軌道幾何形位不平順是車輛振動及輪軌動力作用增大的重要激振源，而其中水平和軌向反向復合不平順對軌道動力響應和行車安全有著極不利影響。針對重載鐵路C80型鋁合金敞車，用Simpack多體動力學仿真軟件，建立車輛-軌道耦合模型，取水平、軌向最不利波長條件下，對復合不平順各種幅值組合的工況進行仿真，分析各動力響應指標與列車速度、不平順幅值的關系，并提出其安全限值，供工務管理參考。

重載鐵路，復合不平順，水平不平順，軌向不平順，動力響應，輪重減載率

我國正在大力發展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及輪軌動力作用增大的重要激振源，對行車安全有著重大影響。1963年，日本某鐵路線鶴見車站發生貨車脫軌事故，“鶴見事故”原因認定為“復合脫軌”，引起了最早對軌道復合不平順的重視。日本學者認為，水平不平順與連續的軌向不平順逆相位組合對車輛的運行安全有不良影響［1］，我國學者也通過仿真研究得出復合不平順是線路維修養護需要重點控制的結論［2-3］。

本文對重載鐵路C80型鋁合金敞車建立車輛-軌道多體動力仿真模型，取水平、軌向最不利波長條件下，對復合不平順各種幅值組合的工況進行仿真，分析各動力響應指標與列車速度、不平順幅值的關系，并提出其安全限值。迄今為止，我國重載鐵路尚未對軌道復合不平順的大小規定過其安全標準，這為現場控制各種軌道復合不平順和制定重載軌道養護維修和不平順管理標準提供理論依據，是十分重要和必要的。

1 貨車對復合不平順動力響應的仿真計算

1.1 車輛-軌道模型建立

依據文獻［4］的理論基礎，用Simpack多體動力學仿真軟件，建立車輛-軌道耦合模型，C80型鋁合金敞車具體參數見文獻［5］，滿車匹配75 kg·m-1軌，空車匹配60 kg·m-1軌。考慮列車速度為80 km·h-1，100 km·h-1和120 km·h-13種情況。

1.2 復合不平順仿真計算方案

按線路日常檢查符號規定，水平（z）為負，軌向（y）為正。在文獻［4，5］最不利波長分析結論的基礎上，結合重載鐵路用10m弦來管理幾何不平順的經驗，以及用波長=速度/頻率公式估算的結果（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為10m，水平不平順最不利波長為10m，即在左右軌設置波長Ly=10m的軌向不平順的同時，對同一地段的右軌設置波長Lz=10m的向下的垂向不平順，復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 評價指標

用于評價車輛運行的安全性和平穩性的指標有：脫軌系數、輪重減載率和車體垂向和橫向振動加速度。

1）脫軌系數采用我國鐵道行業標準《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評價標準》（TB/T 2360-93）［6］中評定等級為“良”對應的限值，即脫軌系數Q/P≤0.8。

2）輪重減載率采用國家標準《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB5599-85）［7］中第一限度安全標準，即輪重減載率△P/≤0.65。

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

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

2 仿真計算結果分析

2.1 速度的影響

取軌向不平順幅值y=14mm，水平不平順幅值z=-16mm這一復合不平順組合為例，對比C80空車80，100和120 km·h-13種工況。速度對各動力響應評價指標影響如圖2所示。

圖2 速度對各項動力指標的影響Fig.2 Influences of speed on certain dynamic responses

從圖中可以看出，在復合不平順波長和幅值確定的情況下，空載列車的動力響應隨著速度的增加而增大，速度較大時還可能造成動力響應突增的情況，在各項評價指標中，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空車的各項動力響應指標，計算結果如圖3所示。

圖3 不同幅值復合不平順組合對各項動力指標的影響Fig.3 Influences of different amptitudes of complex irregularities on certain dynamic responses

從圖3中可以看到，隨著軌向不平順幅值y和水平不平順幅值z的增大，車輛運行的動力響應各項指標都將不同程度的增大，特別是輪重減載率變化顯著，超限區域較其他指標明顯大，因此將其作為決定性的控制指標。這與文獻［4］［5］的分析結論一致。

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，將仿真計算得到的軌向不平順幅值和水平不平順幅值的散點分別進行擬合修正，再按照輪重減載率0.65進行插值，得到表1。

表1 輪重減載率為0.65時軌向-水平復合不平順峰值對應關系Tab.1 The corresponding relationship of complex irregularity peak value when the rate of wheel load reduction is 0.65

由軌向修正數據插值得到的X，Y坐標如圖4中“◆”表示的散點，由水平修正數據插值得到的X、Y坐標如圖4中“×”表示的散點。分別進行擬合，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，其下方為安全區域。而x=-z，復合不平順安全限值：

圖4 軌道復合不平順安全控制區域Fig.4 Safety criterion of track complex irregularities

4 結論

本文仿真計算了在軌道線形的同一位置同時出現垂向和橫向不平順時，即水平和軌向不平順的反向復合情形時的軌道動力響應，取不同軌向和水平復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，結論如下。

1）在復合不平順波長和幅值確定的情況下，空載列車動力響應隨著速度的增加而增大，速度較大時還可能造成動力響應突增的情況。

2）隨著軌向不平順幅值y和水平不平順幅值-z的增大，車輛的動力響應各項指標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。

3）水平和軌向復合不平順，按照輪重減載率為0.65確定安全控制區域如下：

當V=120 km·h-1時，安全限值區域：

可為現場控制各種軌道復合不平順和制定重載軌道養護維修和不平順管理標準提供理論依據。

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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

國家科技支撐計劃項目（2013BAG20B00）

陳睿穎（1991—），女，碩士研究生,主要研究方向為城市軌道與鐵道工程；許玉德（1964—），男，教授，博導，研究方向為鐵道工程、工務管理。

1005-0523（2014）04-0033-05