0.   引言

根据中国《中长期铁路网规划》, 为了解决运能与运量之间的矛盾, 中国既有铁路将进一步提速, 客运旅行速度将达200 km·h^-1, 货运速度也将由目前的80 km·h^-1提高到120 km·h^-1, 并将大力发展重载运输, 与此同时, 规划和修建客运专线和高中低速客货共线铁路。由于中国对这种高低速客货混运模式下的大系统动力学研究基础尚未深入开展, 因此速度为200 km·h^-1高低速客货共线的行车安全性、平稳性及乘坐舒适度还未被完全认知和了解。鉴于此, 本文采用系统工程理念, 即机车车辆-轨道耦合动力学理论^[1], 运用TTISIM仿真平台^[2-3], 在给定速度为200 km·h^-1高低速客货共线的线路平纵断面参数(中国已经新建成功的某条铁路) 条件下, 仿真计算了高低速客货列车以不同速度通过全线时的行车安全性及舒适性能, 并且根据中国现行铁道机车车辆动力学性能评定标准, 对动力学性能指标进行了综合分析与评估, 以期为中国高速重载客货共线运输模式下的安全性及舒适性问题提供理论依据。

1.   仿真计算条件

1.1   行车速度的选取

对客货混运线路, 最高速度为200 km·h^-1; 对于客运, 速度分别为160和200 km·h^-1; 对于货运, 速度等级为60、80、120 km·h^-1。

1.2   机车车辆的选取

根据上述速度等级及结合目前中国铁路实际运输情况, 仿真计算选取的列车编组见表 1。

表  1  列车编组

Table  1.  Train formations

列车编组情况	高速动车组	SS9机车+提速客车	SSJ3机车+双层集装箱货车	SS4机车+快运货车ZK4	SS3机车+普通货车C62A	SS3机车+普通货车C62A
速度/ (km·h-1)	200	160	120	120	80	60
运输特点	高速客运	提速客运	重载货运	快速货运	普通货运	普通货运

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需要说明的是: 对于高速动车组, 由于动车与拖车的动力学性能非常接近, 因此, 在实施动力学仿真计算时, 仅以其中之一为对象, 予以分析和评价。

1.3   线路参数的选取

线路结构参数, 如平面曲线半径、超高、缓和曲线长、竖曲线坡长、坡度等, 均取自于中国某条客运专线线路施工图纸, 线路动力学参数, 如刚度、阻尼、质量等, 取自于此条线路的设计说明书。本文仿真计算时选取的平纵断面设计示意图见图 1。

图  1  断面

Figure  1.  Section

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1.4   不平顺的选取

由于目前中国铁路没有成熟的高低速客货混运线路轨道不平顺, 因此, 本次仿真计算时暂选取秦沈客运专线实测随机不平顺为系统激励, 见图 2~5。

图  2  左轨向随机不平顺时间样本

Figure  2.  Alignment irregularity of left rail

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图  3  右轨向随机不平顺时间样本

Figure  3.  Alignment irregularity of right rail

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图  4  左轨高低随机不平顺时间样本

Figure  4.  Vertical profile irregularity of left rail

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图  5  右轨高低随机不平顺时间样本

Figure  5.  Vertical profile irregularity of right rail

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2.   动力学性能评价体系

由于本次仿真计算列车最高速度为200 km·h^-1, 其客车舒适性及安全性采用了《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》 (95J 010-L) ^[4]、《高速试验列车客车强度及动力学性能规范》 (95J 01-M) ^[5]及铁道部印发的《秦沈客运专线综合试验段线桥养护维修技术条件》中的评价标准。而对于中低速客货运, 其动力学性能评价体系采用了《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》 (GB 5599-85) ^[6]及《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》 ([TB/T 2360-93]) ^[7]。机车车辆的动力学性能评价限值见表 2。

表  2  动力学性能评定标准限值

Table  2.  Limits of dynamics evaluation indices

机车车辆类型		高速动车组	提速客车	SS9	SSJ3	SS4	SS3	重载货车	ZK4	C62
轮轨横向力/kN		51.16	61.07	82.64	92.00	87.28	92.00	98.75	84.77	81.70
轮轨垂向力/kN		250.00
脱轨系数		0.80		0.90				1.00
轮重减载率		0.65 (第1限值), 0.60 (第2限值)
车体横向加速度/ (m·s-2)		1.00		2.45				5.00
车体垂向加速度/ (m·s-2)		1.50		3.63				7.00
平稳性指标	优	< 2.50		< 2.75				-
	良好	2.50~2.75		2.75~3.10
	合格	2.75~3.00		3.10~3.45
注: 对于车体横向加速度, 在曲线上, 未被平衡加速度的允许值为0.8 m·s-2; 货车平稳性未作评价。

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3.   仿真计算结果分析

3.1   全线数据统计分析结果

经过理论仿真分析计算, 客货混运列车分别以不同速度通过全线时, 所有安全性指标及舒适性指标的最大值统计结果见表 3、4。

表  3  高中速客车动力性能指标的计算结果

Table  3.  Simulation results of dynamic indices of passenger trains

行车速度/ (km·h-1)	200	160
列车编组	高速动车组	SS9	提速客车
轮轨横向力/kN	29.40	58.31	22.15
轮轨垂向力/kN	92.72	152.99	110.85
脱轨系数	0.35	0.45	0.21
轮重减载率	0.54	0.49	0.49
车体横向加速度/ (m·s-2)	1.80	1.10	0.90
车体垂向加速度/ (m·s-2)	0.90	1.00	0.60
横向平稳性指标	2.69	2.78	2.44
垂向平稳性指标	2.56	2.62	2.35

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表  4  货车动力性能指标的计算结果

Table  4.  Simulation results of dynamic indices of freight trains

行车速度/ (km·h-1)	120		120		80		60
列车编组	SSJ3	集装箱	SS4	ZK4	SS3	C62A	SS3	C62A
轮轨横向力/kN	28.47	15.63	41.66	16.64	37.20	30.71	38.22	32.27
轮轨垂向力/kN	148.55	153.91	149.14	135.30	148.58	132.46	144.79	132.32
脱轨系数	0.25	0.12	0.29	0.15	0.29	0.25	0.30	0.28
轮重减载率	0.33	0.33	0.39	0.31	0.32	0.31	0.33	0.34
车体横向加速度/ (m·s-2)	0.60	1.20	1.30	2.20	0.70	2.90	0.80	3.20
车体垂向加速度/ (m·s-2)	1.30	2.30	1.00	3.10	0.60	2.30	0.40	1.60
横向平稳性指标	2.47	-	2.62	-	2.53	-	2.20	-
垂向平稳性指标	2.42	-	2.51	-	2.42	-	2.13	-

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(1) 当动车组以速度200

km·h^-1通过时, 轮轨横向力及轮轨垂向力最大值分别是29.40和92.72 kN, 而各自的合格限值分别为51.16和250.00 kN, 属合格等级; 脱轨系数及轮重减载率最大值分别是0.35和0.54, 亦小于合格限值0.80及0.65;车体横向及垂向振动加速度最大值分别为1.80和0.90 m·s^-2, 皆属合格等级; 车体横向及垂向平稳性指标分别是2.69及2.56, 均属良好等级。

(2) 提速客运列车以速度160

km·h^-1通过全线时, 机车与客车作用下的轮轨横向力分别是58.31和22.15 kN, 均合格(限值分别是82.64和61.07 kN); 轮轨垂向力最大值为152.99和110.85 kN, 皆小于合格限值250.00 kN; 脱轨系数最大值为0.45和0.21, 各自合格限值为0.90和0.80, 亦属合格; 轮重减载率均为0.49, 小于第1限值0.65, 属合格; 车体横向振动加速度分别为1.10和0.90 m·s^-2, 均小于合格值(分别是3.25和1.80 m·s^-2); 垂向振动加速度最大值分别为1.00和0.60 m·s^-2, 合格限值为3.63和1.50 m·s^-2, 运行最大值小于合格值; 车体横向振动平稳性指标分别为2.78和2.44, 机车属良好级, 客车属优级; 垂向平稳性指标分别是2.62和2.35, 均属优级。

(3) 重载货物列车以速度120

km·h^-1通过全线时, 机车与车辆作用下的轮轨横向力最大值分别是28.47和15.63 kN, 均远小于各自的合格限值(限值分别为92.00和98.75 kN), 属合格等级; 轮轨垂向力最大值分别是148.55和153.91 kN, 皆小于合格限值250.00 kN; 脱轨系数最大值分别是0.25和0.12, 亦远小于各自合格限值; 轮重减载率最大值均为0.33, 小于第1合格限值0.65;车体横向振动加速度是0.60和1.20 m·s^-2, 限值为3.25和5.80 m·s^-2, 属合格等级; 车体垂向振动加速度最大值为1.30和2.30 m·s^-2, 而合格限值为3.63和7.00 m·s^-2, 也属合格等级; 机车的横向及垂向平稳性指标分别为2.47和2.42, 属优级。

(4) 对于以速度120

km·h^-1运行的快速货运列车, 机车与车辆通过全线的安全性及舒适性评估如下: 轮轨横向力分别为41.66和16.64 kN, 各自合格限值为87.28和84.77 kN, 属合格等级; 轮轨垂向力最大值分别为149.14和135.30 kN, 均小于合格限值250.00 kN; 脱轨系数最大值分别为0.29和0.15, 均远小于各自合格限值; 轮重减载率最大值分别是0.39和0.31, 低于第1限值0.65, 属合格等级; 车体横向振动加速度最大值分别为1.30和2.20 m·s^-2, 合格限值分别为3.25和5.80 m·s^-2, 亦属合格等级; 车体垂向振动加速度分别为1.00和3.10 m·s^-2, 小于合格限值(分别为3.63和7.00 m·s^-2); SS4机车横向及垂向平稳性指标分别为2.62和2.51, 均属优级。

(5) 对于以速度80

km·h^-1运行的普通货物列车, 机车车辆通过时行车安全性及运行舒适性的评估分析如下: 轮轨横向力分别为37.20和30.71 kN, 均小于各自的合格限值(分别为92.00和81.70 kN), 属安全等级; 轮轨垂向力分别是148.58和132.46 kN, 皆小于合格限值250.00 kN, 属合格等级; 脱轨系数最大值分别为0.29和0.25, 远小于合格限值(分别为0.90和1.00);轮重减载率最大值是0.32和0.31, 小于第1合格限值0.65, 属安全等级; 车体横向振动加速度最大值分别是0.70和2.90 m·s^-2, 低于合格限值, 属合格等级; 车体垂向振动加速度最大值分别是0.60和2.30 m·s^-2, 远低于合格限值(分别为3.63和7.00 m·s^-2); 机车横向及垂向振动平稳性指标分别是2.53及2.42, 属优级。

(6) 如果普通货物列车以速度60

km·h^-1运行, 对比机车车辆作用下的所有安全性及舒适性指标, 可以发现, 速度降低20 km·h^-1后, 除轮轨垂向力、车体垂向振动加速度及其平稳性指标之外, 其余指标反而有所增加。究其原因, 是由于速度降低后, 过超高进一步加大, 轮轨横向动力性能指标将随之加大; 垂向力及垂向加速度和平稳性指标的速度效应要明显大于超高效应, 因此这些值将随着速度的降低而减小。另外, 指标增幅均在10%范围以内, 对比各自的合格限值, 部分值距限值较远, 这些指标仍属合格等级。

3.2   典型指标的时间历程

为了展示高低速客货列车通过全线时的安全性及舒适性指标响应特征, 图 6、7给出了一组典型的动力学性能指标时间历程(对应的平纵断面情况可参考图 1), 主要包括脱轨系数和车体横向振动加速度。其中, 图 6为高速动车组以速度200 km·h^-1通过时的时间历程, 图 7为C62A重载货车以速度80 km·h^-1通过时的时间历程。

图  6  高速动车组动力性能指标的时间历程

Figure  6.  Dynamic response histories of high-speed train

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图  7  C62A货车动力性能指标的时间历程

Figure  7.  Dynamic response histories of C62A freight car

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据所有图可知: 在全线时间历程中, 所有安全性及舒适性指标均在合格范围之内, 未见超出合格限值及其他异常振动的现象。

4.   结语

(1) 在轨道随机不平顺激扰下, 高中低速客货列车以不同速度通过该条线路时, 所有安全性及舒适性指标均未超出允许限值, 属合格等级, 其中部分指标具有较多的富余量, 如轮轨横向力, 舒适性指标属良好及以上等级。

(2) 普通货物列车运行速度降低后, 轮轨横向动力性能指标有所增加, 增幅均在10%范围以内, 而轮轨垂向力、车体垂向振动加速度及其平稳性指标值降低。主要原因是横向动力性能指标对过超高量的敏感程度大于速度量值的, 而垂向力及垂向加速度和平稳性指标的速度效应要明显大于超高效应。

(3) 对于速度200 km·h^-1的新建高低速客货混运线路或提速既有线路的行车安全性及舒适性问题, 完全有必要进行理论上的分析与预评估, 从而更好地指导工程实践。