山西中南部鐵路通道發鳩山隧道改線方案動力學優化

謝衛民

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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山西中南部鐵路通道發鳩山隧道改線方案動力學優化

謝衛民

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要：依托山西中南部鐵路通道工程，建立車線系統動力學模型，選取典型區段線路設計方案進行全面的動力學評估。以發鳩山隧道改線方案原設計和優化后設計的線路平縱斷面參數作為線路條件，對比30 t貨車和客車通過時的動力學性能指標，給出適用于30 t大軸重的重載鐵路圓曲線半徑建議值，可供未來重載鐵路線路設計參考。

關鍵詞：重載鐵路；30 t軸重；車線動力學；方案優化

1工程概況

山西中南部鐵路通道又稱瓦日鐵路，是我國第一條按照30 t軸重重載鐵路標準設計的鐵路，是連接我國東西部的重要煤炭資源運輸通道[1]。線路西起山西瓦塘鎮，東至山東日照市，經過呂梁、臨汾等市，全長1 267.3 km，是我國一次性建成里程最長的重載鐵路[2]。該線按國家Ⅰ級雙線電氣化鐵路建設，其規劃輸送能力為貨運20 000萬t/年，客運15對/d。該線于2014年12月30日正式建成通車。

當前我國尚無系統的重載鐵路設計標準可循，而準備試行的《重載鐵路設計規范(報批稿)》其設計思路沿用了我國客貨共線鐵路線路設計的準靜態設計方法，線路設計參數對動力學性能的影響亦未可知[3]。而山西中南部通道以貨運為主，兼顧少量客運，與純貨運專線尚有一定區別，因此有必要從動力學角度出發對線路設計方案的合理性進行評估[4]。鑒于此，運用多體動力學軟件SIMPACK，建立了30 t軸重貨車和普速客車車線動力學模型，以發鳩山隧道原設計方案和優化后改線方案的線路參數作為線路條件，對比分析了車輛通過時的各項動力學性能指標(包括輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數、輪重減載率、車體橫向加速度、車體垂向加速度、輪軌磨耗指數)，給出適用于30 t大軸重的重載鐵路圓曲線半徑建議值，可供未來重載鐵路線路設計參考。

2線路方案設置

2.1發鳩山改線方案情況

發鳩山隧道線路為越嶺地段，位于太岳山中山區，沁水塊坳，沾尚—武鄉—陽城北北東向復式向斜構造，橫水盆地為研究區內主要居民聚集區，橫水鄉居民用水為主要的環境地質敏感點，地下水位較高，且走行在土石分界和第四系地層內，夾圓礫土，該段隧道施工易引起地表泉井失水，對堡溝、北寨、橫水等居民飲用水影響較大，存在較大的環境水文地質風險[5]。

根據區域地質情況分析及工程風險分析，原初步設計方案(中穿橫水盆地方案，發鳩山隧道長16.1 km)發鳩山隧道存在較大工程風險和環境地質風險，在補充初步設計中研究了南繞橫水盆地(發鳩山隧道長14.6 km)方案和北繞橫水盆地(發鳩山隧道長15.2 km)方案，并與原初步設計方案進一步進行了研究比選，如圖1所示。北繞方案沒有徹底繞避橫水盆地，隧道施工風險仍然很大，發鳩山隧道出口段亦存在環境地質問題，且線路長度較長。南繞方案基本解決了工程施工安全風險和環境水文地質風險，工程地質條件較優，線路長度亦與原初步設計相當，最后采用了南繞橫水盆地方案。

圖1　發鳩山隧道改線方案

2.2評估段落的選取

為了評價線路方案的優劣，選取發鳩山隧道改線方案D2K435～D2K439段原線路設計方案和優化后線路設計方案作為仿真計算條件。原線路設計方案由3段曲線組成，即第一段曲線半徑為1 600 m，第二段曲線半徑為1 200 m，第三段曲線半徑為1 200 m。其他曲線要素及相關參數見圖2。

圖2　原設計方案線路平面示意

方案優化后將第二段曲線的曲線半徑由1 200 m提高為2 000 m，相應緩和曲線長度和超高與曲線半徑相匹配，分別調整為l=70 m、h=40 mm，但在優化過程中維持該段線路總長度不變。具體曲線要素及相關參數見圖3。

圖3　優化后線路方案平面示意

3車線動力學模型

車線系統動力學方法基于車輛與線路最佳匹配設計原理，在考慮車輛系統各部件振動傳遞規律及線路設置條件的基礎上，可以較為客觀反映線路線形條件及線路不平順激勵引起的車輛振動量變化情況，能較為準確預測車輛運行過程中的安全性、輪軌磨耗和舒適性等動力性能指標，可以為線路設計方案進行動力學評估[6-9]。

圖4　車線系統動力學模型

依據山西中南部通道行車安排車輛特征，采用多體動力學軟件SIMPACK，分別建立了30 t軸重貨車和普通客車車線系統動力學模型(圖4)，分別包括車輛模型、線路模型和輪軌接觸模型[10]。30 t軸重貨車車輛模型由車體、搖枕、側架、軸箱和輪對部件組成[11，12]，首先建立輪對模型，然后在輪軸上建立軸箱，通過一系懸掛連接軸箱與側架，通過二系懸掛連接側架與搖枕，在搖枕上建立心盤和旁承，最后再與車體連接。普通客車車輛模型主要由車體、轉向架和輪對三部分組成，其中車體和轉向架之間通過二系懸掛系統相連接，而轉向架和輪對之間通過一系懸掛相連接。

圖6　D2K435～D2K439段動力性能指標

線路模型按照圖2和圖3所示的實際線路平面設置，即平面曲線由直線-緩和曲線-圓曲線-緩和曲線-直線組成，在曲線地段設置超高。在輪軌接觸模型中，輪軌接觸力采用Kalker簡化滾動接觸理論計算輪軌蠕滑力和蠕滑力矩，具體采用FASTSIM算法計算輪軌作用力[13]。輪軌幾何關系采用75 kg/m鋼軌與LMA型車輪踏面相匹配。為了反映實際線路狀況，在車線系統模型中考慮了線路不平順的激擾，本文選用美國六級譜，其方向不平順和高低不平順如圖5所示。

圖5　美國六級譜軌道不平順

4線路方案動力性能評估

為了對線路設計方案進行動力學評估，利用本文所建車線系統動力學模型，山西中南部通道D2K435～D2K439路段優化前后線路平面圖，分別計算了客車以120 km/h、貨車以80 km/h設計速度運行時輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、磨耗指數、輪重減載率、車體橫向加速度、車體垂向加速度動力性能指標。其中優化前后客車右輪輪重減載率、客車車體橫向加速度、貨車左輪脫軌系數、貨車左輪磨耗指數時程曲線如圖6所示。受篇幅所限，其他時程曲線不再列舉。

從圖6可知，優化前后客車和貨車的動力性能指標均出現3處數值較高的密集區，此時客車和貨車均位于曲線上，表明車輛通過曲線時其動力性能指標要明顯差于直線段[14]。這與常理推斷是相符的，也從一個側面證明了本文所建車線系統模型的正確性。

為了進一步分析優化前后線路方案動力學性能的優劣，分別對計算的客車與貨車主要安全性指標(輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數和輪重減載率)、舒適性指標(車體橫向加速度、車體垂向加速度)和磨耗指數進行統計分析，各項動力性能指標的最大值和平均值分別見表1和表2。

表1　客車動力性能指標統計結果

表2　貨車動力性能指標統計結果

從表1和表2中可以看出，線路優化前后貨車和客車的車體垂向加速度幾乎沒有變化，這主要是由于優化的是平面曲線半徑，而對縱斷面參數沒有改變，因此對于車體的垂向響應改變不大。以脫軌系數最大值為例，線路優化前后計算指標分別為0.259和0.250，均小于脫軌系數最大值0.6，評定等級為優，但線路優化后脫軌系數較優化前略有減小。參考其他車輛性能動力評價指標，從仿真計算結果可以得到，整體而言優化前后線路方案的動力學性能指標都屬于優良等級[15]，但優化后線路方案的安全性指標和舒適度指標都比原線路方案有所減小，線路條件得到改善。在線路優化方案中第二個曲線地段，將曲線半徑從1 200 m提高到2 000 m，緩和曲線長度和超高與曲線半徑匹配。相比于原線路設計方案，曲線半徑增大了，客車的欠超高減小了，貨車由欠超高狀態變為過超高狀態，通過對比表明優化后的線路參數匹配更合理，動力性能更好。因此，從有利后期運營的角度出發，建議30 t大軸重的重載鐵路圓曲線半徑一般條件下取2 000 m，困難條件下取1 200 m。

5結論

山西中南部通道是我國第一條按照30 t軸重重載鐵路標準設計的鐵路，其線路設計方案基于準靜態的傳統線路設計，并未驗證其動力學性能。本文結合山西中南部通道行車安排車輛特征，采用多體動力學軟件SIMPACK分別建立了30t軸重貨車和普通客車車線系統動力學模型，選取發鳩山隧道改線方案D2K435～D2K439路段，采用優化前后設計方案的線路參數作為線路條件，對比分析了車輛通過時的各項動力學性能指標，從有利后期運營的角度出發建議30 t大軸重的重載鐵路圓曲線半徑一般條件下取2 000 m，困難條件下取1 200 m。

參考文獻：

[1]付昌友，丁學鋒.山西中南部鐵路壺關至紅旗渠段長大坡道緩坡設置研究[J].鐵道標準設計，2015(1):11-16.

[2]張雅琴.山西中南部鐵路呂梁山越嶺方案研究[J].鐵道標準設計，2011(2):32-34.

[3]中華人民共和國鐵道部.GB 50090—2006鐵路線路設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2006.

[4]楊文東，韓皓.山西中南部鐵路30 t軸重重載技術方案設計研究[J].鐵道標準設計，2015(4):1-5.

[5]謝衛民.發鳩山隧道環境水文地質及施工風險控制[J].鐵道建筑，2014(12):91-94.

[6]龍許友，時瑾，王英杰，等.高速鐵路線路線形動力仿真及乘坐舒適度評價[J].鐵道科學與工程學報，2012，9(3):26-33.

[7]翟婉明，蔡成標，王開云.高速鐵路線路平縱斷面設計的動力學評估方法[J].高速鐵路技術，2010(1):1-5.

[8]馬淋科.基于動力分析的重載鐵路平面圓曲線參數研究[D].成都：西南交通大學，2014.

[9]孫宏友，王平，張東風，等.動車組與貨車側向通過整體道床12號交叉渡線道岔動力學特性分析[J].鐵道標準設計，2015(5):70-73.

[10]楊繼震，周素霞，陶永忠，等.SIMPACK9實例教程[M].北京:北京聯合出版公司，2013.

[11]齊斐斐，黃運華，李芾.30 t軸重貨車速度匹配及其輪徑選擇研究[J].鐵道機車車輛，2009(2):17-19.

[12]嚴雋耄，翟婉明，陳清，等.重載列車系統動力學[M].北京:中國鐵道出版社，2003.

[13]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學[M].北京：科學出版社，2007.

[14]程遠.山西中強鐵路開行重載列車最小曲線半徑研究[J].鐵道標準設計，2015(6):23-27.

[15]夏禾，張楠.車輛與結構動力相互作用[M].北京:科學出版社，2005.

收稿日期：2014-12-23

基金項目：國家自然科學基金(51408036，51578054)；中國中鐵股份有限公司科技開發計劃(2014-重點-55)

作者簡介：謝衛民(1977—)，男，高級工程師，2005年畢業于西南交通大學土木工程學院道路與鐵道工程專業，工學碩士，E-mail：50986151@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0001-04

中圖分類號：U211.5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.001

Dynamic Optimization of Fajiushan Tunnel Route on Shanxi Central Southern Railway

XIE Wei-min

(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：Based on Shanxi central southern railway corridor， a vehicle/track dynamics model is established to conduct a comprehensive assessment of typical line sections. Taking the flat profile parameters of the original design and the optimized design as boundary condition， the dynamics performances of vehicles of 30 t wagon and passenger car passing through these railway locations are compared and applicable circular curve radius for 30 t axle load heavy haul railway is recommended， which may be used as reference for future heavy haul railway design．

Key words：Heavy haul railway; 30 t axle load; Vehicle/track dynamics; Scheme optimization