高速動車組動力學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)選用建議

趙建葵

（青島四方阿爾斯通鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，山東青島 266111）

0 引言

目前國內(nèi)與國外有不同的鐵道車輛動力學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計速度為350km/h 的高速動車組時，選用不同標(biāo)準(zhǔn)的評價指標(biāo)來滿足車輛的運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和乘坐舒適性是設(shè)計難點(diǎn)之一。研究了國內(nèi)外主要鐵道車輛動力學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)，對比分析評價標(biāo)準(zhǔn)中評價指標(biāo)的主要差異，并結(jié)合既有高速動車組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對速度為350km/h 高速動車組，提出動力學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)選用建議。

1 主要動力學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軌距機(jī)車車輛動力學(xué)試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)為《機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB/T 5599—2019）[1]。歐洲標(biāo)準(zhǔn)軌距機(jī)車車輛動力學(xué)試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)主要為《鐵道車輛動力學(xué)性能試驗(yàn)-安全性-軌道疲勞-運(yùn)行品質(zhì)試驗(yàn)及其認(rèn)可》（UIC 518—2009）[2]、《鐵路設(shè)施-鐵路車輛運(yùn)行特性的驗(yàn)收試驗(yàn)和模擬-運(yùn)行性能試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)》（EN 14363—2016+A1）[3]、《對于有關(guān)鐵路車輛振動中評估乘客舒適性的指導(dǎo)》（UIC 513—1994）[4]等。

2 動力學(xué)評價項(xiàng)點(diǎn)

動力學(xué)性能評價主要包括決定最高運(yùn)行速度的蛇行穩(wěn)定性、決定曲線通過和傾覆安全的運(yùn)行安全性、決定乘坐舒適性和貨物完整性的運(yùn)行平穩(wěn)性三個內(nèi)容。

根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)定義，GB/T 5599—2019 從運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)、運(yùn)行平穩(wěn)性對車輛動力學(xué)性能進(jìn)行評價；UIC 518—2009、EN 14363—2016 從運(yùn)行安全性、軌道疲勞、運(yùn)行品質(zhì)對車輛動力學(xué)性能進(jìn)行評價；UIC 513—1994 則規(guī)定了車輛的舒適度指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的評價項(xiàng)點(diǎn)見表1。

上述表1 標(biāo)準(zhǔn)對評價項(xiàng)點(diǎn)的分類有所不同，但各項(xiàng)點(diǎn)均是通過評估車輛運(yùn)行時的力和或加速度的方式評判車輛動力學(xué)性能。

表1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的評價項(xiàng)點(diǎn)

3 評價指標(biāo)

3.1 脫軌系數(shù)

爬軌側(cè)車輪作用于鋼軌上的橫向力與其作用于鋼軌上的垂向力的比值，即脫軌系數(shù)。各標(biāo)準(zhǔn)中脫軌系數(shù)要求均為不超過0.8，但也有所不同，具體為GB/T 5599—2019 要求脫軌系數(shù)適用于曲線半徑R＞400m 的線路、UIC 518—2009 要求脫軌系數(shù)適用于曲線半徑R＞250m 的線路、EN 14363—2016 則規(guī)定過渡線路中脫軌系數(shù)限值可能超過0.8，但不得超過1.2。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脫軌系數(shù)限值相同。但是歐洲標(biāo)準(zhǔn)對脫軌系數(shù)測量數(shù)據(jù)信號進(jìn)行了20Hz低通濾波，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未要求濾波處理，且對于小曲線半徑的線路（如250 大于R≤400m），UIC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相對嚴(yán)格。對于脫軌系數(shù)，建議高速動車組設(shè)計時采用UIC 518—2009 的規(guī)定。

3.2 輪軸橫向力

輪軸橫向力用于評價車輛在運(yùn)行過程中是否會因?yàn)檫^大的橫向力而導(dǎo)致軌距擴(kuò)寬或線路產(chǎn)生嚴(yán)重變形。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)對輪軸橫向力的評定要求分別為≤15+P0/3 與≤10+P0/3，其中P0為靜軸重，單位kN。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)的輪軸橫向力限值嚴(yán)于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)處理時，歐洲標(biāo)準(zhǔn)均對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行了20Hz 低通濾波，并對滑動平均間隔做出規(guī)定，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未做相關(guān)要求。考慮車輪踏面磨耗、構(gòu)架受力情況，建議高速動車組設(shè)計時，輪軸橫向力限值采用更嚴(yán)格的≤10+P0/3。

3.3 輪軌垂向力

輪軌垂向力用于評定車輛在運(yùn)行過程中是否因?yàn)檫^大的輪軌垂向力而導(dǎo)致鋼軌破壞或線路產(chǎn)生嚴(yán)重變形。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未對該項(xiàng)進(jìn)行規(guī)定，歐洲標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)最大運(yùn)營速度V 不同，輪軌垂向力限值也有所變化。輪軌垂向力限值取值方法為：取（P，PV）中的小值，其中P=90+每個輪的靜負(fù)載。V≤160km/h 時，PV取200kN；160km/h＜V≤200km/h 時，PV取190kN；200km/h＜V≤250km/h 時，PV取180kN；250km/h＜V≤300km/h 時，PV取170kN；V＞300km/h 時，PV取160kN。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未對此評價項(xiàng)點(diǎn)做出要求（和諧號高速動車組采用了輪軌垂向力≤170kN 的要求）；歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用某倍率標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間的方式對最后的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，輪軌垂向力限值與運(yùn)行速度、車組質(zhì)量有一定關(guān)系。建議高速動車組設(shè)計時，增加輪軌垂向力的評定，評定標(biāo)準(zhǔn)≤170kN，數(shù)據(jù)處理及評定值計算方法參照GB/T 5599—2019 中輪軸橫向力的規(guī)定。

3.4 輪重減載率

輪重減載率是評價因輪重減載過大而引起脫軌的另一種脫軌安全指標(biāo)，具體為輪重減載量與該軸平均靜輪重的比值。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中輪軌垂向力的評定要求為：試驗(yàn)速度≤160km/h 時，輪重減載率≤0.65；試驗(yàn)速度＞160km/h 時，輪重減載率≤0.8。歐洲標(biāo)準(zhǔn)未對此項(xiàng)點(diǎn)做出要求。建議高速動車組設(shè)計時，按照GB/T 5599—2019 輪重減載率對脫軌安全指標(biāo)進(jìn)行評定。

3.5 傾覆系數(shù)

傾覆系數(shù)用于鑒定試驗(yàn)車輛在側(cè)向風(fēng)力、離心力、橫向振動慣性力的同時作用下是否會導(dǎo)致車輛傾覆，具體為轉(zhuǎn)向架一側(cè)車輪總的車輪減載量與總靜輪重的比值。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未對該項(xiàng)進(jìn)行規(guī)定，歐洲標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定，僅在線路欠超高＞165mm 時，要求傾覆系數(shù)≤1。目前國內(nèi)高速線路條件不存在欠超高＞165mm 的情況，建議高速動車組設(shè)計時，可不對該項(xiàng)進(jìn)行評估。

3.6 橫向穩(wěn)定性

橫向穩(wěn)定性用于評價轉(zhuǎn)向架是否發(fā)生了不能迅速衰減的連續(xù)橫向振蕩。歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用構(gòu)架端部加速度均方根是否超過（12m.s-2-M/5）/2、輪軸力/構(gòu)架力均方根是否超過（10kN+P0/3）/2 對車輛橫向穩(wěn)定性進(jìn)行評估，其中M 為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，單位t，P0代表靜軸重，單位kN。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)則通過評價構(gòu)架端部連續(xù)6 次加速度峰值超過8m.s-2判斷是否發(fā)生了失穩(wěn)，該方法對橫向穩(wěn)定性的判斷更加直觀。建議高速動車組設(shè)計時，采用GB/T 5599—2019 的方式判定橫向穩(wěn)定性。

3.7 運(yùn)行品質(zhì)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均采用車體橫向、垂向振動加速度評價運(yùn)行品質(zhì)。對于橫向、垂向最大加速度值，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將加速度信號采用0.4～40Hz 進(jìn)行帶通濾波，求出每個采樣段內(nèi)加速度的最大值和最小值的絕對值。對各種線路工況、各速度級的樣本進(jìn)行統(tǒng)計處理，求得均值Xˉ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，然后求出Xmax= Xˉ+ 2.2σ用于評價運(yùn)行品質(zhì)，要求橫向、垂向最大加速度不超過2.5。

對于橫向準(zhǔn)靜態(tài)加速度值，UIC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將曲線段信號經(jīng)過20Hz 低通濾波，取左旋曲線上累計頻次曲線50%的值，取右旋曲線上累計頻次曲線50%的絕對值，然后求得算術(shù)平均值，要求不超過1.5；對于橫向、垂向最大加速度，信號經(jīng)過0.4～10Hz 帶通濾波，最大加速度取累計頻次曲線0.15%的絕對值、累計頻次曲線99.85%的值為采樣段樣本，要求不超過2.5；對于橫向加速度均方根值，信號經(jīng)過0.4～10Hz 帶通濾波，取均方根值，要求不超過0.5。橫向、垂向最大加速度值，橫向、垂向加速度均方根評估值按照Xmax=+ 2.2σ 計算。

對于橫向、垂向最大加速度值和均方根值，歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將加速度信號經(jīng)過0.4～10Hz 帶通濾波，取累計頻次曲線0.15%的絕對值、累計頻次曲線99.85%的值為采樣段樣本，要求橫向、垂向最大加速度不超過2.5。

關(guān)于運(yùn)行品質(zhì)評定，國內(nèi)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)之間的差異主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理方式、評價項(xiàng)點(diǎn)不同。首先是帶通濾波的最大頻率不同，濾波后，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)選取每個采樣段的加速度最大值和最小值的絕對值用于后續(xù)計算，歐洲標(biāo)準(zhǔn)則選取濾波后累計頻次曲線對應(yīng)99.85%的值，累計頻次曲線對應(yīng)0.15%值的絕對值用于后續(xù)計算。國際標(biāo)準(zhǔn)相較于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)增加了橫向準(zhǔn)靜態(tài)加速度、橫向垂向加速均方根值的評定要求。采用車體橫向、垂向最大加速度評價運(yùn)行品質(zhì)是比較通用的做法，建議高速動車組設(shè)計時，采用GB/T 5599—2019 的規(guī)定。

3.8 運(yùn)行平穩(wěn)性

GB/T 5599—2019 規(guī)定運(yùn)行平穩(wěn)性采用平穩(wěn)性指標(biāo)W 或乘坐舒適度Nmv進(jìn)行評價。Nmv指標(biāo)參考了UIC 513—1994 中Nmv的規(guī)定。

3.8.1 平穩(wěn)性指標(biāo)

平穩(wěn)性指標(biāo)W 在最高運(yùn)營速度范圍內(nèi)評價，以車體振動加速度測量為基礎(chǔ)，高速動車組評價標(biāo)準(zhǔn)（橫向、垂向分別評價）如下：

計算頻率為fi時的平穩(wěn)性指標(biāo)分量Wi：

計算平穩(wěn)性指標(biāo)：

對各種線路工況、各速度級的樣本進(jìn)行統(tǒng)計處理，求得均值Xˉ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，對于高速動車組，統(tǒng)計評價值W=Xˉ。W≤2.50 時評定為優(yōu)；2.50＜W≤2.75 時評定為優(yōu)；2.75＜W≤3.00 時評定為合格。

3.8.2 乘坐舒適度

乘坐舒適度Nmv是對在機(jī)車車輛上乘客和乘員平均舒適度的度量方法，評價以車輛地板振動加速度測量為基礎(chǔ)。指標(biāo)為NMV＜1.5，評價為非常舒適；1.5≤NMV＜2.5，評價為舒適；2.5≤NMV＜3.5，評價為一般；3.5≤NMV＜4.5，評價為不舒適；NMV≥4.5，評價為非常不舒適。

3.8.3 差異分析

平穩(wěn)性W 與舒適度Nmv均采用了加權(quán)函數(shù)計算，綜合考慮了各個方向的各種頻率振動對乘客的影響。分析加權(quán)函數(shù)后可知，舒適度指標(biāo)垂向加權(quán)考慮了較多高頻振動，但人體對高頻振動不是很敏感，平穩(wěn)性指標(biāo)高頻加權(quán)很小。建議高速動車組設(shè)計時，采用平穩(wěn)性指標(biāo)評價運(yùn)行平穩(wěn)性。客室平穩(wěn)性指標(biāo)應(yīng)達(dá)到優(yōu)級，司機(jī)室指標(biāo)至少達(dá)到良好。

4 結(jié)語

高速動車組輪重減載率、橫向穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)采用GB 5599—2019 規(guī)定；脫軌系數(shù)采用UIC 518—2009 規(guī)定；另建議增加對輪軸橫向力不超過10+P0/3、輪軌垂向力不超過170kN 的評價要求；運(yùn)行平穩(wěn)性則采用GB 5599—2019 規(guī)定的平穩(wěn)性指標(biāo)W 進(jìn)行評價，要求客室達(dá)到優(yōu)級，司機(jī)室至少達(dá)到良好，可以基本滿足旅客對高速動車組的運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和乘坐舒適性的要求。