精调高速铁路无砟轨道几何状态对车辆动力学性能影响分析.pdf

2023 年 7 月（总第 441 期）48质量与安全QUALITY AND SAFETY第 51 卷Vol.51第 7 期No.7铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2022-09-20基金项目：国家自然科学基金项目（51865009）作者简介：胡伟豪，工程师；林凤涛，副教授；李昊，工程师0引言高速铁路无砟轨道几何状态符合标准要求是保障高速铁路安全性、舒适性的重要条件之一。无砟轨道精调可以有效改善线路状态，提高线路平顺性1-3。国内专家学者深入研究了无砟轨道线路精调。戴宗林4以合宁高铁现场维修工作为背景，发现通过精调作业能够有效改善无砟轨道静态几何状态，改善轨道水平、三角坑、高低等几何状态达 40%以上。木东升5等分别分析大机作业、人工精调、钢轨打磨等方式对线路状态的提升。谭社会6针对目前无砟轨道精调作业中的不足，提出“绝对+相对”精密测量模式和“先基准后非基准”精细调整模式，取得良好效果。曹德志7阐述了不同类型无砟轨道结构扣件系统的轨道线路精调原理、施工技术要求、作业技术标准和质量控制方法，为后续施工提供指导和建议。已有研究主要关注无砟轨道精调作业方法和效果等，没有深入分析经精调后的无砟轨道几何状态对车辆动力学性能的影响。为此，利用未精调和精调高速铁路无砟轨道几何状态对车辆动力学性能影响分析胡伟豪1，林凤涛2，李昊3（1.中铁物总运维科技有限公司，北京 100084；2.华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西 南昌 330013；3.中国铁路上海局集团公司上海高铁基础设施段，上海 200040）摘要：高速无砟轨道线路的轨道平顺性对车辆平稳安全运行至关重要。为了分析未精调和精调无砟轨道线路区段轨道几何状态对车辆动力学性能的影响，选取某高速铁路未精调轨道区段 K130K135 和精调轨道区段 K135K140 为研究对象，仿真对比分析 2 区段内轨道的方向、轨距、高低、水平、三角坑和轨道复合不平顺等参数。结果表明，精调区段轨道几何状态有所优化。利用未精调和精调区段轨道几何状态，通过车辆-轨道耦合动力学模型，开展车辆动力学仿真。由仿真结果可知，与未精调区段相比，在精调区段运行时车辆车体横向、垂向振动加速度降低 20%30%，脱轨系数降低约 46.15%，轮重减载率降低约29.17%。这表明精调区段轨道几何状态能有效改善车辆运行安全性、平稳性和乘坐舒适性。关键词：高速铁路；无砟轨道；轨道几何参数；精调；轮轨动力学；车辆动力学中图分类号：U211.6文献标识码：B文章编号：1006-9178（2023）07-0048-05Abstract：The track irregularity of high-speed ballastless track line is very important to the smooth and safe operation of vehicles.In order to analyze the influence of track geometry state of imprecise-adjusted and precise-adjustedballastless track on vehicle dynamic performance,imprecise-adjusted track section K130-K135 and precise-adjusted track section K135K140 of a high-speed railway are selected as the research object,and the alignment of track,gauge,profile,cross level of track,triangle pit and track compound irregularity of the two sections are compared andanalyzed by simulation.The results show that the track geometry is optimized in the precise-adjusted section.The vehicle dynamics simulation was carried out by using the imprecise-adjusted and precise-adjusted track geometry stateand the vehicle-track coupling dynamics model.It can be seen from the simulation results that,compared with the imprecise-adjusted section,the transverse and vertical vibration acceleration of vehicle body is reduced by 20%30%,the derailment coefficient is reduced by about 46.15%,and the wheel load reduction rate is reduced by about 29.17%when running in the precise-adjusted track section.This indicates that the track geometry state of the precise-adjusted track section can effectively improve the safety,stability and ride comfort of the vehicle.Keywords：High-speed Railway;Ballastless Track;Railway Track Geometry;Precise Adjustment;Wheel-rail Dynamics;Vehicle Dynamics49铁道技术监督第 51 卷第 7 期已精调的某无砟轨道线路区段几何参数，通过仿真分析，研究列车在这 2 个区段上运行的动力学性能。1无砟轨道精调及其几何参数对比分析1.1无砟轨道精调无砟轨道精调分为轨道静态调整和轨道动态调整。轨道静态调整是指在联调联试前，利用轨道小车，基于 CPIII 控制点，测量轨道几何参数，参考软件分析后得到的结果，将轨道几何参数调整至允许范围内，优化调整轨道线型（轨向和轨面高程），控制轨距变化率和轨道水平变化率，使轨道静态精度满足相应行车速度所需条件。轨道动态调整是指在联调联试期间，利用动态轨道检查车检测得到的轨道几何状态数据，修复轨道局部缺陷，精准调整部分区段轨道几何参数，进一步优化轨道线型，使轨道几何状态和精度进一步完善、提高，以实现轮轨匹配良好，提高行车安全性、平稳性和乘坐舒适性。无砟轨道精调主要依据是铁运201283 号 高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）8。选取某高速铁路无砟轨道线路曲线区段 K130K140，曲线半径为 4 000 m。其中，区段 K130K135 轨道未进行精调，区段 K135K140 轨道进行了精调，列车以 300 km/h 速度通过仿真线路区段。对比分析研究未精调和精调无砟轨道线路区段的轨道几何参数。在无砟轨道精调过程中，首先，采用安柏格小车，测量区段 K135K140 轨道几何参数。之后，参照测得的轨道几何参数数据，对区段 K135K140 轨道进行静态调整。然后，利用轨道检测车检测区段 K135K140 轨道几何参数。最后，根据轨道检测车检测得到的轨道几何参数数据，再次调整不良区段轨道，打磨钢轨，以改善线路轨道高低、水平、方向和三角坑等。1.2无砟轨道几何参数对比分析1.2.1方向区段 K130K135 和 K135K140 的方向测量结果如图 1 所示。分析无砟轨道区段 K130K135 和 K135K140的方向测量数据可知，方向偏差最大值由 1.66 mm减小至 0.98 mm，方向偏差最大值降低 40.96%；方向偏差标准差由 0.34 mm 降低到 0.21 mm，方向偏差标准差降低 38.24%。1.2.2轨距区段 K130K135 和 K135K140 的轨距测量结果如图 2 所示。130132134136138140-2.0-1.001.02.03.04.0轨距/mm里程/km图 2区段 K130K135 和 K135K140 的轨距测量结果分析无砟轨道区段 K130K135 和 K135K140的轨距测量数据可知，轨距偏差最大值由 3.12 mm减小至 2.28 mm，轨距偏差最大值降低 26.92%，轨距偏差标准差由 0.53 mm 降低至 0.30 mm，轨距偏差标准差降低 43.40%。1.2.3高低区段 K130K135 和 K135K140 的高低测量结果如图 3 所示。130132134136138140-3.0-2.0-1.001.02.03.0高低/mm里程/km左高低；右高低图 3区段 K130K135 和 K135K140 的高低测量结果130132134136138140-1.5-1.0-0.500.51.01.52.0轨向/mm里程/km左轨向；右轨向图 1区段 K130K135 和 K135K140 的方向测量结果50精调高速铁路无砟轨道几何状态对车辆动力学性能影响分析质量与安全分析无砟轨道区段 K130K135 和 K135K140的高低测量数据可知，高低偏差最大值由 2.4 mm减小至 1.13 mm，高低偏差降低 52.91%，高低偏差标准差由 0.59 mm 降低至 0.22 mm，高低偏差标准差降低 62.71%。1.2.4水平区段 K130K135 和 K135K140 的水平测量结果如图 4 所示。130132134136138140-2.0-1.0-0.500.51.01.52.0水平/mm里程/km-1.5图 4区段 K130K135 和 K135K140 的水平测量结果分析无砟轨道区段 K130K135 和 K135K140 的轨道水平测量数据可知，水平偏差最大值由 1.95 mm 减小至 1.71 mm，水平偏差最大值降低 12.31%，水平偏差标准差由 0.33 mm 降低为0.20 mm，水平偏差标准差降低 39.39%。1.2.5三角坑区段 K130K135 和 K135K140 的三角坑测量结果如图 5 所示。00.10.20.30.40.5偏差值/mm平均值标准差未精调区段；精调区段图 5区段 K130K135 和 K135K140 的三角坑测量结果分析无砟轨道区段 K130K135 和 K135K140 的三角坑测量数据可知，三角坑偏差最大值由 1.90 mm 减小至 1.10 mm，轨道三角坑偏差最大值降低 42.11%；三角坑偏差平均值由 0.42 mm 降低为 0.22 mm，三角坑偏差平均值降低 47.62%，三角坑偏差标准差由 0.24 mm 降低为 0.11 mm，三角坑偏差标准差降低 54.17%。1.2.6轨道复合不平顺区段 K130K135 和 K135K140 的复合不平顺测量结果如图 6 所示。130132134136138140-3.0-2.0-1.001.02.03.0复合不平顺/mm里程/km左股；右股图 6区段 K130K135 和 K135K140 的复合不平顺测量结果分析无砟轨道区段 K130K135 和 K135K140 的复合不平顺测量数据可知：左股钢轨复合不平顺最大值由 2.35 mm 降低为 1.48 mm，左股钢轨复合不平顺最大值降低 37.02%；右股钢轨复合不平顺最大值由 2.44 mm 降低为 1.28 mm，右股钢轨复合不平顺最大值降低 47.54%。综上所述，与未精调无砟轨道区段 K130K135 相比，精调无砟轨道区段 K135K140 的方向、轨距、高低和水平等几何参数明显优化，三角坑参数和复合不平顺指标得到改善，降低了无砟轨道线路区段 K135K140 的不平顺偏差。2车辆-轨道耦合动力学模型2.1模型建立车辆-轨道耦合动力学9-10用于研究车辆和轨道结构的动态行为，以及车辆与轨道系统之间的动态相互作用。基于车辆-轨道耦合动力学理论，考虑轮轨接触几何关系、轮轨蠕滑特性、车辆悬挂等非线性环节，能够反映车辆动力学性能和轮轨接触状态的影响。所建立的车辆-无砟轨道耦合动力学模型中，车辆模型主要由 1 个车体、2 个转向架、8 个轴箱和 4 组轮对，以及一系和二系悬挂组成。车辆动力学模型拓扑11-13如图 7 所示。2.2模型自由度车辆-轨道耦合动力学模型中，应假定车体、侧架和轮对的自由度。车辆-轨道耦合动力学模型自由度见表 1。51铁道技术监督第 51 卷第 7 期表 1车辆-轨道耦合动力学模型自由度刚体车体侧架（i=1，2）轮对（i=14）横摆自由度YCYtiYwi沉浮自由度ZCZtiZwi侧滚自由度Ctiwi摇头自由度Ctiwi点头自由度Ctiwi在车辆动力学性能仿真过程中，不考虑伸缩自由度，各部位的横摆自由度、沉浮自由度、侧滚自由度、摇头自由度和点头自由度均为 1。2.3临界速度临界速度反映车辆运行平稳性，验证车辆动力学模型的准确性。此外设置抗蛇行减振器以及抗侧滚扭杆装置，能有效抑制转向架高速蛇行失稳，提高列车临界速度。列车临界速度仿真结果如图 8 所示。-0.015-0.010-0.00500.0050.0100.015轮对横移量/mm02469101214时间/sv=382 km/h；v=383 km/h图 8列车临界速度仿真结果经仿真发现，CRH3 型动车组在 382 km/h 以下的速度经过初始激励后，列车振动很快衰减，当运行速度大于 383 km/h 时，轮对的横移不再衰减，呈发散状态，所以，CRH3 型动车组模型的临界速度为 382 km/h，大于实际列车运行速度，并且各项动力学性能指标满足要求。3车辆动力学性能仿真将未精调和已精调的无砟轨道几何参数体现的线路不平顺作为线路激励，开展车辆动力学仿真。3.1仿真条件区段 K130K135 为未精调线路区段，区段K135K140 为精调线路区段，采用实测线路不平顺数据作为激励依据，进行车辆动力学仿真。仿真过程中，采用的车轮为 LMB 磨耗车轮，钢轨廓形为线路实测钢轨廓形。采用 Kalker 简化滚动接触理论计算轮轨蠕滑力和蠕滑力矩，利用 FASTSIM算法计算轮轨作用力。3.2仿真结果及其分析3.2.1车辆振动加速度根据 GB/T 55992019机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范14的要求，对仿真得到的车体横向、垂向振动加速度数据进行带通滤波，频带为 0.4 Hz40 Hz。0.4 Hz 的截止频率是为了消除车辆通过平面曲线产生的未被平衡加速度对评价结果的影响。经计算可得车辆振动加速度。未精调区段和精调区段车体振动加速度仿真结果如图 9 所示。00.10.20.3振动加速度/（m/s2）时间/s车体横向振动加速度；车体垂向振动加速度-0.2-0.1-0.3-0.4020406080100120 125未精调区段精调区段图 9未精调区段和精调区段车体振动加速度仿真结果车体转向架 1转向架 2轴箱 5，6轴箱 7，8轮对 4轮对 3轮对 2轮对 1轴箱 1，2轴箱 3，4Zw2w2Zw3w3Zw1w1Zw4w4约束；刚体；系统固定坐标系；弹性力元；阻尼力元图 7车辆动力学模型拓扑52精调高速铁路无砟轨道几何状态对车辆动力学性能影响分析质量与安全由图 9 可知，未精调区段车体垂向振动加速度最大值为 0.22 m/s2，精调区段车体垂向振动加速度减小至 0.15 m/s2，降低 31.8%。未精调区段车体横向振动加速最大值为 0.33 m/s2，精调区段车体横向振动加速度减小至 0.26 m/s2，降低 21.21%。经过精调作业，车体横向、垂向加速度幅值最大值降低 20%30%。3.2.2脱轨系数和轮重减载率经仿真发现，区段 K130K140 脱轨系数均小于 0.6，满足 GB/T 55992019 要求。其中，未精调区段车辆脱轨系数峰值为 0.26，经过精调作业，精调区段车辆脱轨系数为 0.14，降低约 46.15%，同时脱轨系数最大值呈现下降趋势。未精调区段车辆的轮重减载率最大值为 0.24，经过精调作业，精调区段车辆轮重减载率最大值为 0.17，降低约 29.17%。3.2.3钢轨磨耗轮轨力相互作用会产生磨耗。钢轨磨耗会引起钢轨表面材料的摩擦损失，影响计算结果。采用自适应步长算法，设置钢轨累计磨耗峰值，达到 0.10 mm 时，停止迭代，更新钢轨廓形。采用样条函数对更新后的型面进行平滑处理，保证计算结果收敛。该方法可有效减小计算误差15。经仿真可得钢轨磨耗情况。钢轨磨耗计算结果如图10 所示。0.0050.01000.0150.0250.027磨耗量/mm0.02045102030400-30-20-101020300-10钢轨纵坐标/mm钢轨横坐标/mm未精调区段；精调区段图 10钢轨磨耗计算结果由图 10 可知，在未精调区段运行 4.8 Mt 后，钢轨横坐标在 10 mm20 mm 处垂向磨耗为 0.008 mm，在 20 mm30 mm 处垂向磨耗为 0.024 mm。在相同条件下，精调区段的钢轨横坐标在 10 mm20 mm处垂向磨耗为 0.006 mm，在 20 mm30 mm 处垂向磨耗为 0.022 mm。由此可得，精调区段的钢轨横坐标的垂向钢轨磨耗均有所下降。4结语某高速铁路无砟轨道线路区段实测数据结果的对比分析表明，通过精调作业，能明显改善无砟轨道几何参数，提高线路平顺性。建立车辆动力学性能仿真模型，利用高速铁路无砟轨道线路区段精调和未精调的轨道几何参数，进行车辆动力学性能仿真计算。仿真结果表明，高速铁路无砟轨道线路区段精调后，车体横向、垂向加速度幅值整体降低，脱轨系数和轮重减载率均有所减小，能够有效改善列车运行安全性、平稳性和乘坐舒适度。参考文献1 张迪浅谈高速铁路无砟轨道正线长轨精调技术J 四川水泥，2022（1）：286-2882 董慧，朱志伟，邓程程高速铁路无砟轨道精调作业技术研究J 运输经理世界，2021（2）：3-43 JUN S LEE，YOON CHOI，KYUM KIM，et al.Tamping and renewal optimization of ballasted track using track mea-surement data and genetic algorithmJ Journal of transporta-tion engineering，Part A：Systems，2018，144（3）：1-84 戴宗林高铁有砟线路几何状态维修效果动力学评估 J 华东交通大学学报，2022，39（2）：102-1095 木东升，周宇，韩延彬，等轨道综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺改善效果 J 交通运输工程学报，2018，18（5）：90-996 谭社会高速铁路无砟轨道线路动静态检测数据均值差异性研究J 铁道标准设计，2017，61（2）：1-57 曹德志高速铁路无砟轨道线路精调整理技术研究及应用J 高速铁路技术，2018，9（3）：67-70，988 高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）：TG/GW 1152012S 9 翟婉明车辆轨道耦合动力学 M 北京：科学出版社，2015.10 时瑾，孙征南，孙宪夫，等现行 350 km/h 高铁线路技术条件运营 400 km/h 高速列车适应性研究 J 铁道科学与工程学报，2020，17（9）：2171-218011 林凤涛，胡伟豪磨耗钢轨经济性打磨型面研究J 铁道科学与工程学报，2020，17（10）：2493-250212 郭猛刚基于钢轨被动式打磨技术实施廓形优化的研究与实践J 铁道技术监督，2022，50（4）：34-39，5413 胡伟豪，李金良，杨逸航，等高速铁路道岔运用状态综合评估方法研究 J 铁道技术监督，2023，51（2）：38-4314 机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范：GB/T 55992019S 15 胡伟豪客货混跑线路钢轨打磨廓形优化及磨耗预测D 南昌：华东交通大学，2020（编辑陈建国）