鄭徐客專420km/h中國標準動車組綜合試驗研究

張連啟

(北京鐵研建設監理有限責任公司，北京 102628)

截至2020年底，我國高速鐵路運營里程達3.8萬km，占全球高鐵運營里程的2/3以上，全國鐵路動車組保有量達到3 918標準組，是世界上高速鐵路運營里程最長、高速動車組列車保有量最多的國家[1]。自2004年開始，歷經引進消化、吸收提升、創新發展和自主創新4個階段，中國高速鐵路走出了一條獨具中國特色的道路[2]。為了使高速動車組能夠適應我國復雜多變的地理環境和各種氣候條件，保證列車長期高速安全平穩運行，補齊高速動車組關鍵研制技術的短板，實現關鍵核心技術發展的全自主化和可持續化，形成中國標準動車組系列化產品[3-4]。自2012年開始，原中國鐵路總公司組織實施重大裝備研發項目，由鐵科院牽頭開展了中國標準動車組(“復興號”)的設計研發，從2013年以來先后完成技術和方案設計等工作，在2015年完成列車組裝調試并成功下線的2列中國標準動車組隨即在北京環行鐵路試驗基地和大西高速鐵路綜合試驗段上開展了綜合試驗[5]。試驗結果表明，中國標準動車組以最高試驗線路速度385km/h運行時，動車組的系統動力學性能仍有較大裕度，經過充分驗證，動車組具備在更高速度線路條件上進一步展開驗證的條件[6]。受限于大西綜合試驗的線路條件，難以開展速度385km/h以上的高速綜合試驗，為了探索更高運行速度條件下中國標準動車組關鍵技術參數的變化規律，論證經濟適用的高速鐵路運營速度提供基礎數據，驗證中國標準動車組在更高速度下的安全性和穩定性，有必要進一步開展中國標準動車組高速綜合試驗。因此，2016年5月，原中國鐵路總公司決定利用既有線路條件，在鄭徐客運專線上對動車組開展運用考核。同年7月，以每10km/h為一檔在200～420km/h速度范圍內完成中國標準動車組的逐級提速、高速交會和重聯運行試驗[7]。

1 試驗概述

鄭徐客運專線試驗區段全線鋪設CRTSⅢ型先張板式無砟軌道，正線道岔區全線采用板式無砟軌道[8-9]。軌道板上鋪設100m定尺長的60kg/m鋼軌，軌下扣件采用與CRTSⅢ型板式無砟軌道配套的WJ-8型彈性扣件，扣件間距一般為630～650mm，大跨度橋梁縫等極端地段下扣件間距最大不超過725mm。橋上簡支梁均采用常阻力扣件，橋上連續梁和緊靠連續梁一跨的簡支梁則采用小阻力扣件[10]。軌道板下鋪設90mm厚的C40強度自密實混凝土層。車站正線道岔采用18號客專線(07)009道岔。

綜合考慮試驗目的以及鄭徐客運專的基本情況，對軌道結構動力性能檢測選擇了9 000m半徑曲線緩圓點、直線段無砟軌道結構測試工點進行了測試。同時檢測了動車組超過線路設計時速通過道岔時的道岔動力性能。在2016年6月24日—6月27日，完成了測試工點的布置；2016年6月30日起進行了中國標準動車組的準靜態標定及逐級提速試驗，在逐級提速期間，動車組通過軌道結構各測點的最高運行速度為424.2km/h，各測試工點布置如表1所示，曲段超高值見表2,試驗測試項目及評判標準如表3所示[11]。

表1 測試工點布置

2 試驗結果及分析

鄭徐客專420km/h中國標準動車組綜合試驗研究中國標準動車組在高速運行工況下，動車組在通過無砟軌道、直向通過道岔區段測點的動力響應穩定性指標及軌道結構、道岔結構動力性能指標隨列車速度的變化規律，最后對試驗測試的主要動力學指標的最大值數據進行統計并進行多項式擬合。

表2 曲段欠超高值

表3 試驗項目及評判標準

2.1 無砟軌道區段

2.1.1 列車運行穩定性

圖1展示了中國標準動車組運行穩定性指標隨速度的變化趨勢。從圖1可以看出，動車組通過直線段無砟軌道的總體穩定性能優于通過9 000m半徑曲線緩圓點時的車輛穩定性，在列車以最高速度通過時，在測點1統計測試的各項穩定性能指標均為測點2的2倍多。在列車通過測點1時，脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力隨著運行速度(欠超高)逐級增大的過程中，均呈現先減小后增大的趨勢，但增長的幅度略有不同，脫軌系數和輪軸橫向力增幅較小，實測脫軌系數和最小、最大值分別為0.08和0.26，實測輪軸橫向力最小、最大值分別為8.7kN和24.6kN；而實測輪重減載率增幅相對明顯，增長了544.4%，其最小、最大值分別為0.09和0.58。可以看出在列車通過測點1時，在均衡速度附近，列車的穩定性能較好。列車通過測點2時，在速度增長的過程中，各項穩定性能指標近乎呈直線增長，對脫軌系數影響較小，在所有試驗速度范圍內，實測脫軌系數最大值范圍為0.06～0.11，實測輪重減載率最小、最大值分別為0.09和0.35，增長速率相對較高，達到288.9%，實測輪軸橫向力最小、最大值分別為6.6kN和13.4kN。試驗結果表明，中國標準動車組作用下的脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力均在其相應評判標準限值內，表明中國標準動車組在無砟軌道區段以最高速420km運行時的穩定性能較好。

圖1 中國標準動車組運行穩定性指標隨速度的變化趨勢

2.1.2 軌道結構動力性能

圖2展示了軌道結構動力學性能指標隨速度的變化趨勢。由圖2可以看出，當列車通過測點1時，鋼軌和軌道板的振動加速度隨著試驗列車運行速度(欠超高)的逐級增加，其均呈現遞增的趨勢；隨著列車運行速度的逐級增加，列車通過測點2時的鋼軌和軌道板的振動加速度也反映出相同的趨勢。測點1和測點2實測鋼軌振動加速度最大值分別為1 893.0m/s2和3 256.5m/s2，相較于最小鋼軌振動加速度分別增加了115.55%和130.16%；實測軌道板振動加速度最大值分別為86.0m/s2和80.6m/s2，相較于最小實測軌道板振動加速度分別增加了161.40%和136.36%。而輪軌垂向力、軌道板垂向位移、鋼軌橫向和垂向位移，隨列車運行速度的增加，其整體變化幅度較小，測點1的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為125.3kN和83.1kN，鋼軌橫、垂向位移最大值分別為0.76mm和0.84mm，最小值分別為0.46mm和0.62mm，軌道板橫向位移最大、最小值分別為0.08mm和0.03mm，軌道板板中、板端垂向位移最大值分別為0.15mm和0.21mm，最小值均為0.06mm。測點2的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為121.2kN和76.9kN，鋼軌橫向、垂向位移最大值分別為0.61mm和0.79mm，最小值分別為0.42mm和0.62mm，軌道板橫向位移最大、最小值分別為0.08mm和0.03mm，軌道板板中、板端垂向位移最大值分別0.17mm和0.32mm，最小值分別為0.04mm和0.06mm。試驗結果表明，軌道結構振動加速度對列車的運行速度敏感性較高，中國標準動車組作用下的軌道結構動力性能指標均符合標準限值。

圖2 軌道結構動力學性能指標隨速度的變化趨勢

2.2 道岔區段

2.2.1 列車運行穩定性

圖3展示了道岔區中國標準動車組運行穩定性指標隨速度的變化趨勢。從圖3可以看出，列車通過民權北站4#岔位18號道岔(測點4)的各項穩定性能指標變化較為平緩，且均明顯低于標準限值，其道岔性能顯著優于民權北站2#岔位18號道岔(測點3)。隨著列車速度由200km/h逐級增大到420km/h的過程中，測點4的實測脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力變化較為平緩，其最大值范圍分別為0.07～0.18、0.08～0.20和7.4～18.1kN。列車以超過300km/h的速度通過測點3時，實測脫軌系數和輪重減載率增長較高，在列車以420km/h運行時，實測脫軌系數為0.43，相較于最小脫軌系數，增長率高達258.33%，但仍處于限值標準內，而實測輪重減載率達到了0.85，已超過了0.8的限制標準。相較而言，在列車速度增大的過程中，輪軸橫向力增長較為平緩，實測輪軸橫向力由10.2kN增長到25.9kN；試驗結果表明，中國標準動車組以410km/h及以下速度通過時各參數實測值均小于相應標準限值；中國標準動車組以420km/h通過測點3時輪重減載率實測最大值0.85，已超過標準允許限值，其他各參數均小于相應標準限值。

圖3 道岔區中國標準動車組運行穩定性指標隨速度的變化趨勢

2.2.2 道岔結構動力性能

圖4展示了道岔區軌道結構動力學性能指標隨速度的變化趨勢。從圖4可以看出，測點3和測點4的輪軌力、鋼軌和翼軌的橫向位移、尖軌開口量，隨著列車運行速度的增加，其整體變化幅度不大，測點3的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為127.7kN和84.5kN，實測鋼軌、翼軌橫向位移最大值分別為0.64mm和0.85mm，最小值分別0.41mm和0.57mm，實測尖軌開口量最大、最小值分別為0.59mm和0.34mm；測點4的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為116.9kN和85.8kN，實測鋼軌、翼軌橫向位移最大值分別為0.69mm和0.66mm，最小值分別0.46mm和0.45mm，實測尖軌開口量最大、最小值分別為0.49mm和0.35mm。

輪軌力過渡測點選擇在測點3處直尖軌頂寬10mm、20mm、30mm、40mm和50mm斷面處，在曲基本軌上測試輪軌垂直力，從而計算出輪軌垂直力在曲基本軌和直尖軌上的分配系數和過渡范圍，結果如表4所示。由表4可以看出，在頂寬為10～20mm時尖軌開始和基本軌共同承受輪軌垂直力，當頂寬為40～50mm時，輪軌垂直力則全都由尖軌承受，表明輪軌垂直力在尖軌和基本軌間的過渡范圍較短，該處道岔平順性較高，輪軌荷載的轉移符合設計要求。試驗結果表明，中國標準動車組作用下的道岔結構動力性能指標均符合標準限值。

圖4 道岔區軌道結構動力學性能指標隨速度的變化趨勢

表4 輪軌力過渡范圍及分配系數

3 結論

在鄭徐客運專線開展的中國標準動車組綜合試驗結果表明：除列車速度420km/h直向通過民權北站2#岔位18號道岔時實測輪重減載率超過標準限值外，其余各參數均滿足中國標準動車組以420km/h運行的安全性和穩定性。

(1)除了列車以速度420km/h直向通過民權北站2#岔位18號道岔測點輪重減載率超過標準限值外，其余各參數均滿足中國標準動車組以420km/h運行的安全性和穩定性。

(2)列車在9 000m半徑曲線緩圓點和直線段無砟軌道結構運行時，列車的輪重減載率增幅相對明顯，各主要動力學指標的增長趨勢有所不同。在曲段上隨著運行速度(欠超高)逐級增大，均呈現先減小后增大的趨勢，在300 ～420km/h速度范圍內，增幅較為明顯；在直線段上近乎呈現線性增長的趨勢，增幅較為平緩。

(3)在所有運行速度下，列車直向通過民權北站4#岔位18道岔的各項穩定性能指標值變化不大，優于2#岔位18道岔。列車運行速度超過300km/h時，列車直向通過2#岔位道岔的各項穩定性能指標值增長明顯。