铁路最小曲线半径的动力性能分析

(线路/路基(

铁路最小曲线半径的动力性能分析

朱 颖,周惟俊

(铁道第二勘察设计院,成都 610031)

摘 要:运用车辆轨道耦合动力学理论分别对列车动态通过高中速客车共线与高低速客货混跑的曲线轨道进行动力学性能指标的仿真计算、分析与评价,可作为论证制定最小曲线半径标准技术可行、经济合理的有力支撑。关键词:铁路线路;最小曲线半径;动力性能中图分类号:U212 33+2 1 文献标识码:B文章编号:10042954(2005)01002504

AnAnalysisoftheDynamicPerformanceoftheMinimumCurveRadiusonRailwaysZhuYing,ZhouWeijun

Abstract Anemulationcomputationandanalysiswasmadebytrackcoupleddynamicstheoryofthedynamicperformanceoftrainspassingthroughhighspeedandmediumspeedmixedpassen gerrailwaysandhighspeedpassengerandlowspeedfreightmixedrailways,providingtechnicalsupportfordeterminingminimumcurveradiusstandard.

Keywords railwaytrack;minimumcurveradius;dynamicper formance

Author saddress Railway2ndSurveyandDesignInstitute,Chengdu 610031

(GB5599 85)等规定进行评价。这种动态设计理念不仅能全方位地考察到制定最小曲线半径标准技术上的可靠性(安全、快速、舒适)以及经济上的合理性(工程量与维修量),也体现了设计以人为本,为运输服务的基本方针。

TTISIM系统软件系由西南交大列车与线路研究所研制,并已付诸实践。如,2000年12月!京秦线时速200km提速列车运行试验∀以及1999年12月~2000年1月在北京环形铁道试验线上进行的!货物列车直线段脱轨试验∀等项目,其仿真计算与试验测量差值约为6%~20%。在本次动力性能计算中,高速客车采用的是动力集中型的!中华之星∀动车组,中速客机是SS8,客车是SFT(四方厂造),低速货机是大同厂制造的120km/h提速货机(DT是转K4提速货车与C64。

2 拟定的最小曲线半径与缓和曲线长度

(1)计算参数

本文结合现行部颁#京沪高速铁路设计暂行规定∃(修订稿)(下称#京沪规定∃)、#新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定∃(下称#200km/h客货共线规定∃),以及#时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定∃中对曲线半径、缓和曲线长度以及各种计算参数

档次的划分及其推荐值,并有意识地将个别计算参数加大,以检验列车动态运行时的最小曲线半径与缓和曲线长度对列车安全性与运行平稳性指标的影响(表1)。

表1 拟定的计算参数

计算参数

欠超高[hq]/mm过超高[hq]/mm

客运线Vmax%200km/h推荐40一般60

困难80个别110推荐40一般60困难80个别110推荐80一般110

客货混跑线Vmax&250km/h

推荐50一般70

困难90个别110推荐30一般50困难70个别80推荐80一般110

120)与SS3,货车

1 研究思路及主要研究内容

鉴于过去及现在有关设计规范中最小曲线半径标准均是按满足舒适度及内外轨均磨两个约束条件确定的,即单纯地只用客货车设计行车速度与超高参数来确定,而未能考虑到列车动态运行在曲线轨道上的行车安全性、运行平稳性及轮轨磨耗等项动力性能指标。笔者试图运用系统工程理念(即将机车车辆与轨道视为一个整体系统)、车辆轨道耦合动力学理论、TTISIM动力仿真计算软件,对高中速客车共线以及高低速客货混跑铁路的8种不同速度匹配分别用4种不同档次的最小曲线半径(即!推荐∀、!一般∀、!困难∀与!个别∀)与2种不同档次的缓和曲线长度(即!困难∀与!个别∀)组合而成的动态运行平面曲线轨道的各项动力性能指标进行仿真计算与分析,并按#铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准∃(TB/T2360 93)与#铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范∃

收稿日期:20040806

作者简介:朱 颖(1963 ),男,教授级高级工程师,1984年毕业于西南交通大学铁道工程专业,工学学士,铁道第二勘察设计院总工程师。

欠过超高之和(hq+hg)=[hq]

+[hq]-∋h(预留超高)/mm困难140个别170困难140个别170最大超高与欠超高之和(hmax+hq)/mm

超高时变率(f)/(mm/s)欠超高时变率( )/(mm/s)最大超高(h)/mm

推荐180一般220推荐175一般195困难260个别290困难215个别235推荐25一般28推荐25一般28困难31个别35困难31个别35推荐23一般30推荐23一般30困难35个别40困难35个别40

180125(个别150)

()

25

(线路/路基(

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(2)最小曲线半径与缓和曲线长度的计算

按客运专线的350/200、300/160、250/140km/h的3种速度匹配及客货混跑的250/120、250/90、200/120、200/90及200/70km/h5种速度匹配,选用表1中相应的4个不同档次的计算参数、遵照#京沪规定∃及#200km/h客货共线规定∃的计算办法分别计算出相应的最小曲线半径与缓和曲线长度,并取其中大者,再按100m和10m的整数倍取整(表2)。

表2 最小曲线半径与缓和曲线长度

运输速度匹配最小曲线半径性质/(km/h)/m

推荐12000一般9000

350/200

困难7000个别6000推荐10000客

一般7000运

300/160专困难5500线个别4500

推荐6500一般4500

250/140

困难3500个别3000推荐7000一般5000

250/120

困难4000个别3500推荐8000一般6000

250/90

困难4500个别3800推荐4000

一般2800货

250/120混困难2200跑个别1800

推荐4800一般3500

200/90困难2800

个别2200推荐5500一般4000

200/70

困难3000个别2500

推荐[***********][***********][***********][***********][***********]200220

缓和曲线长度/m一般困难[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]170200180

个别

[***********][***********][***********][***********][***********]0160

的最小曲线半径与2种缓和曲线长度组合而成的平面曲线轨道的动力性能指标进行了动力性能仿真计算。结果表明,除个别工况的个别指标外,安全性指标均能符合规定的允许值要求,平稳性指标均达到良好以上的等级;也表明在仿真中采用的4种曲线半径与2种缓和曲线长度,除个别工况外(如350/200km/h匹配方案动车组以350km/h通过R=6000m曲线的轮重减载率与倾覆系数,以及300/160km/h匹配方案拖车以300km/h通过R=4500曲线的倾覆系数均超过安全限值),其余在技术上均可行。

(2)一般来讲,平面曲线半径越大,安全度越高,平稳性越好,轮轨磨耗越小。如250/120km/h速度匹配时,DT120在推荐半径(7000m)和个别半径(3500m)、!困难∀缓和曲线长度条件下轮轨磨耗指数分别为120 2N(m/m和172 2N(m/m,倾覆系数为0 34和0 42,脱轨系数为0 29和0 35,轮重减载率为0 38和0 43。轮轨横向力为39 88kN和44 11kN,轮轨垂向力为151 8kN和165 8kN,横(垂)向平稳性指标分别为2 53(1 76)和2 58(1 83)。(3)就轮轨磨耗指数而言,曲线半径越小,速度越高,轮轨磨耗越大。若高中速客车混跑,曲线半径由推荐值变为个别最小值,高速动车作用下的轮轨磨耗指数增加35%~100%,拖车作用下的约增加70%,SS8作用下的约增加50%,SFT作用下的约增加40%。高速车与中速车相比,动车(ZH

D)作用下的轮轨磨

T下D

耗最大,次为SS8下的,再次为ZHT下的,SF

的最小。若高低速客货混跑,以SS3为最大,ZH次之,再次为DT120、ZK4与C64。

(4)据计算,在曲线半径、行车速度与机车车辆类型相同时,缓和曲线越长动力性能越好,但差值较小,如!困难∀缓和曲张长度与!个别∀缓和曲线长度动力性能指标相比,相差幅度在5%以内。

(5)高中速客专混跑时,高速拖车作用下的安全性指标与轮轨磨耗指数普遍大于中速拖车作用下的相应值,二者平稳性指标以中速车为小,差值约20%。车辆或拖车的平稳性要优于机车或动车,而安全性则以拖车劣于动车,机车劣于车辆。在速度匹配为350/200、300/160km/h与250/140km/h时,!中华之星∀动车作用下除横向力小于SS8作用下的相应值外,高速动车的大部分性能指标大于中速机车(SS8),准高速客车作用下大部分动力性能指标均小于!中华之星∀拖车作用下的相应值。

(6)高低速客货混跑时,在所有速度匹配工况下,货运机车作用下的轮轨相互作用力和轮轨磨耗指数较!中华之星∀动车作用下的大,而倾覆系数、脱轨系数和轮重减载率等安全性指标和平稳性指标普遍优于动车

(1)

3 最小曲线半径动力性能的初步分析

笔者根据机车车辆与轨道空间耦合动力学仿真系统TTISIM,分别对高中速客车共线3种速度匹配与高低速客货车混跑5种速度匹配的列车动态通过表2中4种不同档次的曲线半径与2种不同档次的缓和曲线长度(!困难∀与!个别∀)组合而成的平面曲线轨道计8)4)2=64个不同工况动力性能指标的计算结果,并加以分析、归纳如下。

(1)在德国高速铁路低干扰及我国京广线郑武高速试验段轨道谱激扰下,分别对350/200、300/160km/h和250/140km/h3种高中速混跑的客车,以及250/120、250/90、200/120、200/90、200/70km/h5种高低速客货混跑列车,分别采用表2中4种不同等级

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(线路/路基(

!中华之星∀。货车作用下的轮轨相互作用力、轮轨磨耗指数和平稳性指标普遍大于!中华之星∀拖车作用下的相应值,而倾覆系数、脱轨系数和轮重减载率等安全性指标普遍优于后者的。就安全性指标而言,除脱轨系数较为接近,且均属优良等级外,余皆以客车为最大,次为动车与货机,再次为货车;就平稳性指标而言,以货车为最大,次为动车与货机,再次为拖车;就磨耗指数而言,大多以货机为最大,次为动车,再次为货车与拖车。

(7)就整体而言,无论是高中速还是高低速混跑,!中华之星∀动车或货机作用下的轮轨相互作用力普遍较拖车或货车作用下的大,而动车或货机倾覆系数、脱轨系数和轮重减载率等安全性指标则分别小于或大于拖车或货车下的相应值,而平稳性指标则反之。总之,高中速客车相比:除横向力外,大多动力性能指标均以前者为大,高速客车与低速货车相比,轮轨作用力、轮轨磨耗指数及平稳性指标均以后者为大,而安全性指标则反之。

4 影响动力性能指标主要因素的分析

(1)高低速客货混跑(以动车与货机相比)∗在曲线半径(R)、货车最高行车速度(VH)与客货机型相同、客车最高行车速度(VG)不同条件下的各项动力性能指标的比较,详见表3中R=4000m,250/120、200/120km/h的各栏。

由比较可知,各项动力性能指标均是250/120

km/h匹配的大于200/120km/h匹配的相应值。这就说明了在R、VH及客货机车相同的条件下,客车速度

越高,安全性与平稳性越差,轮轨磨耗越大。且在两种速度匹配中的轮轨垂(横)向力、轮轨磨耗指数均以货机DF

120为大,但安全性与平稳性指标则反之,即

货机DT120小于动车ZHD的相应值。其动力性能指标的增幅大多是货机大于动车。

+在VG、VH与机型相同曲线半径不同的条件下各项动力性能指标的比较,详见表3中200/120km/h匹配,R=2200、2800m及R=4000m的各栏。

由比较得知,各项动力性能指标均以R=2200m者为最大,次为R=2800m,再次为R=4000m。这就说明了在VG、VH与机型相同的条件下,曲线半径越小,安全性、平稳性越差,轮轨磨耗越大。且在3种曲线半径中的轮轨横(垂)向作用力、轮轨磨耗指数及大多横向平稳性指标均以货机为大,大多安全性指标及垂向平稳性指标则反之。其动力性能指标的增幅也是货机大于动车。

,从动力性能指标的增幅来看,VG的增减引起动力性能指标的变化要大于曲线半径增减引起动力性能指标的变化,详见表3。如200/120km/h提高至250/120km/h时,VG提高25%与R=2200m提高至2800m,即R提高27%相比,显然前者引起的增幅明显大于后者。这就说明了,在机型、VH一定的条件下,VG的增减后对动力性能的影响要大于后者(曲线半径)。

半径相同时不同速度匹配的比较增量增幅/%

R=4000m250(120)ZHD(DT120)

0 12

35 23

(44 97)167 24(165 71)39 86(54 44)0 59(0 46)0 34(0 28)0 65(0 60)140 11(146 83)0 13(0 26)0 09(0 01)2 45(2 60)2 07(1 82)

表3 高低速客货混跑时动力性能指标比较

动力性能指标高速车速度

(速度匹配)/(km/h)机车车辆类型缓和曲线设置轮轨横向力/kN轮轨垂向力/kN轮轴横向力/kN倾覆系数脱轨系数轮重减载率磨耗指数/(N(m/m)横向加速度/()g)垂向加速度/()g)横向平稳性指标垂向平稳性指标

速度匹配不同半200/120km/h匹配200/120km/h匹配

R=R=R=R=R=径相同的比较相同半径不同的比较相同半径不同的比较3000m3000m2200m2800m4000m

增量/%增量增幅/%增量增幅/%

[***********]/90)(200/70)(120)(120)(120)ZHDZHDZHDZHDZHD(SS3)(SS3)(DT120)(DT120)DT120)

个别

40 191 62

13(15)

(40 21)(2 60)(6)(42 81)(41 18)(3 95)(11)(37 23)(4 90)(32 33)139 520 37

120与SS3的数据。

说明:表中括号内数字为货机DT

()

27

(线路/路基(

朱 颖,周惟俊 铁路最小曲线半径的动力性能分析

−在R、VG与机型相同条件下,不同VH(或叫不同VH/VG)对动力性能指标的影响。

据表3中R=3000m,200/90km/h与200/70km/h的各栏比较可知,各项动力性能指标大多以200/90km/h的低速货车为大,且2种速度匹配的相应指标差额大多不足5%。这就说明在R、VG与机型相同条件下,其动力性能指标仍以VH大者为高,且货、客车的速度比对动力指标的影响甚微。

(2)高中速客车混跑(以动车与客机相比)

∗据表4,在曲线半径与高速动车组(货中速SS8

客机)类型相同条件下,高速车的行车安全性指标及运行平稳性指标均相应地较中速车为大。这就说明高速车的安全性与平稳性、轮轨磨耗均较中速车差,且VG越大,动力性能指标越劣。如R=7000m,350/200km/h与300/160km/h匹配,VG=350km/h动车的倾覆系数(K倾)为0 80,轮重减载率(K轮)为0 83,轮轨磨耗指数(K磨)为202 99N(m/m,横向平稳性指标(K横平)为2 66,垂向平稳性指标(K垂平)为2 52。而VG=300km/h动车的K倾=0 69,K轮=0 69,K磨=115 80N(m/m,K横平=2 46,K垂平=2 45。对拖车、SS8机车及SF

T客车,以及R=4500m时的动力

性能指标也有上述规律,不再赘述,详见表4。

又据表4,当VG由250km/h提高至300km/h(速度增幅为20%)时,大多数动力性能指标的增幅均分别大于VG=300km/h,R由4500m增至7000m(半径增幅为56%)相应的动力性能指标增幅。这就说明了在动车组类型相同条件下,高速车最高行车速度与曲线半径二者对动力性能指标的影响应以前者为大,后者次之。

+在曲线半径基本相等的条件下,从350/200(R=7000m)与250/140km/h(R=6500m)2种速度匹配的比值(VZ/VG)来看,虽二者比值接近相等(0 57与0 56),但各项动力性能指标均以前者为大,后者次之,详见表4。这就说明了虽中高速车速度比值相同,但动力性能指标仍受高速车的最高行车速度所控制。

,在相同速度匹配与动车类型条件下,曲线半径越小,行车安全、运行平稳性越差,轮轨磨耗越大。据表4,如300/160km/h速度匹配的R=4500m与R=7000m曲线相比,其动力性能指标均以前者为大。如横向力分别为29 11kN与26 11kN,倾覆系数分别为0 73与0 69,轮重减载率分别为0 78与0 69,横(垂)向平稳性指标分别为2 58(2 46)与2 46(2 45)。

表4 高中速客车混跑动力性能指标比较

VG相等时(300曲线半径相等时(4500曲线半径相等时(7000km/h)R=7000m曲线半径与速度比m)V=250km/h与G曲线半径曲线半径与R=4500m比曲线半径m)VG=300km/h与曲线半径基本相等的比较曲线半径

4500mVG=300km/h比较4500m7000mVG=350km/h比较7000m6500m

增量拉幅/%增量增幅/%增量增幅/%增量增幅/%

50

20

300

(300/160)ZHD

24 17145 2533 880 580 220 66116 280 110 152 362 47

4 9419 323 360 150 020 1231 950 0600 22-0 01

[***********]

29 11164 5737 240 730 240 78148 230 170 152 582 46

2 398 333 360 040 010 0932 430 0300 120 01

[**************]

26 72156 2433 880 690 230 69115 800 140 152 462 45

300

(300/160)ZHD

1 0819 612 100 11-0 020 1487 190 03-0 010 200 07

413616-9207521083

27 80175 8535 980 800 210 83202 990 170 142 662 52

0 7036 57-2 280 42-0 020 42143 750 050 030 230 40

27 10139 2838 260 380 230 4159 240 120 112 432 12

50

17

350

(350/200)ZHD

100

40

250(250/140)

SS8

动力性能指标

高速车速度250(速度匹配)/(km/h)250/140)机车车辆类型缓和曲线设置轮轨横向力/kN轮轨垂向力/kN轮轴横向力/kN倾覆系数脱轨系数轮重减载率磨耗指数/(N(m/m)横向加速度/()g)垂向加速度/()g)横向平稳性指标垂向平稳性指标

ZH

D

参考文献:

[1] 铁二院线路处.200km/h客货混运铁路线路平纵面设计标准研究

报告[R].成都:西南交通大学土木学院及列车与线路研究所,2003.

[2] 京沪高速铁路设计暂行规定[S],2003.

[3] 新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定[S].2003.

[4] 徐鹤寿.200km/h客货共线铁路的必要性和设计暂行规定[J].铁

道标准设计,2004(7).

[5] 黄建苒.发展时速200km客货共线铁路之管见[J].铁道标准设

计,2004(7).

[6] TB/T2360 93,铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准

[S].

[7] GB5599 85,铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].

(1)

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铁路最小曲线半径的动力性能分析

朱 颖,周惟俊

(铁道第二勘察设计院,成都 610031)

摘 要:运用车辆轨道耦合动力学理论分别对列车动态通过高中速客车共线与高低速客货混跑的曲线轨道进行动力学性能指标的仿真计算、分析与评价,可作为论证制定最小曲线半径标准技术可行、经济合理的有力支撑。关键词:铁路线路;最小曲线半径;动力性能中图分类号:U212 33+2 1 文献标识码:B文章编号:10042954(2005)01002504

AnAnalysisoftheDynamicPerformanceoftheMinimumCurveRadiusonRailwaysZhuYing,ZhouWeijun

Abstract Anemulationcomputationandanalysiswasmadebytrackcoupleddynamicstheoryofthedynamicperformanceoftrainspassingthroughhighspeedandmediumspeedmixedpassen gerrailwaysandhighspeedpassengerandlowspeedfreightmixedrailways,providingtechnicalsupportfordeterminingminimumcurveradiusstandard.

Keywords railwaytrack;minimumcurveradius;dynamicper formance

Author saddress Railway2ndSurveyandDesignInstitute,Chengdu 610031

(GB5599 85)等规定进行评价。这种动态设计理念不仅能全方位地考察到制定最小曲线半径标准技术上的可靠性(安全、快速、舒适)以及经济上的合理性(工程量与维修量),也体现了设计以人为本,为运输服务的基本方针。

TTISIM系统软件系由西南交大列车与线路研究所研制,并已付诸实践。如,2000年12月!京秦线时速200km提速列车运行试验∀以及1999年12月~2000年1月在北京环形铁道试验线上进行的!货物列车直线段脱轨试验∀等项目,其仿真计算与试验测量差值约为6%~20%。在本次动力性能计算中,高速客车采用的是动力集中型的!中华之星∀动车组,中速客机是SS8,客车是SFT(四方厂造),低速货机是大同厂制造的120km/h提速货机(DT是转K4提速货车与C64。

2 拟定的最小曲线半径与缓和曲线长度

(1)计算参数

本文结合现行部颁#京沪高速铁路设计暂行规定∃(修订稿)(下称#京沪规定∃)、#新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定∃(下称#200km/h客货共线规定∃),以及#时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定∃中对曲线半径、缓和曲线长度以及各种计算参数

档次的划分及其推荐值,并有意识地将个别计算参数加大,以检验列车动态运行时的最小曲线半径与缓和曲线长度对列车安全性与运行平稳性指标的影响(表1)。

表1 拟定的计算参数

计算参数

欠超高[hq]/mm过超高[hq]/mm

客运线Vmax%200km/h推荐40一般60

困难80个别110推荐40一般60困难80个别110推荐80一般110

客货混跑线Vmax&250km/h

推荐50一般70

困难90个别110推荐30一般50困难70个别80推荐80一般110

120)与SS3,货车

1 研究思路及主要研究内容

鉴于过去及现在有关设计规范中最小曲线半径标准均是按满足舒适度及内外轨均磨两个约束条件确定的,即单纯地只用客货车设计行车速度与超高参数来确定,而未能考虑到列车动态运行在曲线轨道上的行车安全性、运行平稳性及轮轨磨耗等项动力性能指标。笔者试图运用系统工程理念(即将机车车辆与轨道视为一个整体系统)、车辆轨道耦合动力学理论、TTISIM动力仿真计算软件,对高中速客车共线以及高低速客货混跑铁路的8种不同速度匹配分别用4种不同档次的最小曲线半径(即!推荐∀、!一般∀、!困难∀与!个别∀)与2种不同档次的缓和曲线长度(即!困难∀与!个别∀)组合而成的动态运行平面曲线轨道的各项动力性能指标进行仿真计算与分析,并按#铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准∃(TB/T2360 93)与#铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范∃

收稿日期:20040806

作者简介:朱 颖(1963 ),男,教授级高级工程师,1984年毕业于西南交通大学铁道工程专业,工学学士,铁道第二勘察设计院总工程师。

欠过超高之和(hq+hg)=[hq]

+[hq]-∋h(预留超高)/mm困难140个别170困难140个别170最大超高与欠超高之和(hmax+hq)/mm

超高时变率(f)/(mm/s)欠超高时变率( )/(mm/s)最大超高(h)/mm

推荐180一般220推荐175一般195困难260个别290困难215个别235推荐25一般28推荐25一般28困难31个别35困难31个别35推荐23一般30推荐23一般30困难35个别40困难35个别40

180125(个别150)

()

25

(线路/路基(

朱 颖,周惟俊 铁路最小曲线半径的动力性能分析

(2)最小曲线半径与缓和曲线长度的计算

按客运专线的350/200、300/160、250/140km/h的3种速度匹配及客货混跑的250/120、250/90、200/120、200/90及200/70km/h5种速度匹配,选用表1中相应的4个不同档次的计算参数、遵照#京沪规定∃及#200km/h客货共线规定∃的计算办法分别计算出相应的最小曲线半径与缓和曲线长度,并取其中大者,再按100m和10m的整数倍取整(表2)。

表2 最小曲线半径与缓和曲线长度

运输速度匹配最小曲线半径性质/(km/h)/m

推荐12000一般9000

350/200

困难7000个别6000推荐10000客

一般7000运

300/160专困难5500线个别4500

推荐6500一般4500

250/140

困难3500个别3000推荐7000一般5000

250/120

困难4000个别3500推荐8000一般6000

250/90

困难4500个别3800推荐4000

一般2800货

250/120混困难2200跑个别1800

推荐4800一般3500

200/90困难2800

个别2200推荐5500一般4000

200/70

困难3000个别2500

推荐[***********][***********][***********][***********][***********]200220

缓和曲线长度/m一般困难[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]170200180

个别

[***********][***********][***********][***********][***********]0160

的最小曲线半径与2种缓和曲线长度组合而成的平面曲线轨道的动力性能指标进行了动力性能仿真计算。结果表明,除个别工况的个别指标外,安全性指标均能符合规定的允许值要求,平稳性指标均达到良好以上的等级;也表明在仿真中采用的4种曲线半径与2种缓和曲线长度,除个别工况外(如350/200km/h匹配方案动车组以350km/h通过R=6000m曲线的轮重减载率与倾覆系数,以及300/160km/h匹配方案拖车以300km/h通过R=4500曲线的倾覆系数均超过安全限值),其余在技术上均可行。

(2)一般来讲,平面曲线半径越大,安全度越高,平稳性越好,轮轨磨耗越小。如250/120km/h速度匹配时,DT120在推荐半径(7000m)和个别半径(3500m)、!困难∀缓和曲线长度条件下轮轨磨耗指数分别为120 2N(m/m和172 2N(m/m,倾覆系数为0 34和0 42,脱轨系数为0 29和0 35,轮重减载率为0 38和0 43。轮轨横向力为39 88kN和44 11kN,轮轨垂向力为151 8kN和165 8kN,横(垂)向平稳性指标分别为2 53(1 76)和2 58(1 83)。(3)就轮轨磨耗指数而言,曲线半径越小,速度越高,轮轨磨耗越大。若高中速客车混跑,曲线半径由推荐值变为个别最小值,高速动车作用下的轮轨磨耗指数增加35%~100%,拖车作用下的约增加70%,SS8作用下的约增加50%,SFT作用下的约增加40%。高速车与中速车相比,动车(ZH

D)作用下的轮轨磨

T下D

耗最大,次为SS8下的,再次为ZHT下的,SF

的最小。若高低速客货混跑,以SS3为最大,ZH次之,再次为DT120、ZK4与C64。

(4)据计算,在曲线半径、行车速度与机车车辆类型相同时,缓和曲线越长动力性能越好,但差值较小,如!困难∀缓和曲张长度与!个别∀缓和曲线长度动力性能指标相比,相差幅度在5%以内。

(5)高中速客专混跑时,高速拖车作用下的安全性指标与轮轨磨耗指数普遍大于中速拖车作用下的相应值,二者平稳性指标以中速车为小,差值约20%。车辆或拖车的平稳性要优于机车或动车,而安全性则以拖车劣于动车,机车劣于车辆。在速度匹配为350/200、300/160km/h与250/140km/h时,!中华之星∀动车作用下除横向力小于SS8作用下的相应值外,高速动车的大部分性能指标大于中速机车(SS8),准高速客车作用下大部分动力性能指标均小于!中华之星∀拖车作用下的相应值。

(6)高低速客货混跑时,在所有速度匹配工况下,货运机车作用下的轮轨相互作用力和轮轨磨耗指数较!中华之星∀动车作用下的大,而倾覆系数、脱轨系数和轮重减载率等安全性指标和平稳性指标普遍优于动车

(1)

3 最小曲线半径动力性能的初步分析

笔者根据机车车辆与轨道空间耦合动力学仿真系统TTISIM,分别对高中速客车共线3种速度匹配与高低速客货车混跑5种速度匹配的列车动态通过表2中4种不同档次的曲线半径与2种不同档次的缓和曲线长度(!困难∀与!个别∀)组合而成的平面曲线轨道计8)4)2=64个不同工况动力性能指标的计算结果,并加以分析、归纳如下。

(1)在德国高速铁路低干扰及我国京广线郑武高速试验段轨道谱激扰下,分别对350/200、300/160km/h和250/140km/h3种高中速混跑的客车,以及250/120、250/90、200/120、200/90、200/70km/h5种高低速客货混跑列车,分别采用表2中4种不同等级

朱 颖,周惟俊 铁路最小曲线半径的动力性能分析

(线路/路基(

!中华之星∀。货车作用下的轮轨相互作用力、轮轨磨耗指数和平稳性指标普遍大于!中华之星∀拖车作用下的相应值,而倾覆系数、脱轨系数和轮重减载率等安全性指标普遍优于后者的。就安全性指标而言,除脱轨系数较为接近,且均属优良等级外,余皆以客车为最大,次为动车与货机,再次为货车;就平稳性指标而言,以货车为最大,次为动车与货机,再次为拖车;就磨耗指数而言,大多以货机为最大,次为动车,再次为货车与拖车。

(7)就整体而言,无论是高中速还是高低速混跑,!中华之星∀动车或货机作用下的轮轨相互作用力普遍较拖车或货车作用下的大,而动车或货机倾覆系数、脱轨系数和轮重减载率等安全性指标则分别小于或大于拖车或货车下的相应值,而平稳性指标则反之。总之,高中速客车相比:除横向力外,大多动力性能指标均以前者为大,高速客车与低速货车相比,轮轨作用力、轮轨磨耗指数及平稳性指标均以后者为大,而安全性指标则反之。

4 影响动力性能指标主要因素的分析

(1)高低速客货混跑(以动车与货机相比)∗在曲线半径(R)、货车最高行车速度(VH)与客货机型相同、客车最高行车速度(VG)不同条件下的各项动力性能指标的比较,详见表3中R=4000m,250/120、200/120km/h的各栏。

由比较可知,各项动力性能指标均是250/120

km/h匹配的大于200/120km/h匹配的相应值。这就说明了在R、VH及客货机车相同的条件下,客车速度

越高,安全性与平稳性越差,轮轨磨耗越大。且在两种速度匹配中的轮轨垂(横)向力、轮轨磨耗指数均以货机DF

120为大,但安全性与平稳性指标则反之,即

货机DT120小于动车ZHD的相应值。其动力性能指标的增幅大多是货机大于动车。

+在VG、VH与机型相同曲线半径不同的条件下各项动力性能指标的比较,详见表3中200/120km/h匹配,R=2200、2800m及R=4000m的各栏。

由比较得知,各项动力性能指标均以R=2200m者为最大,次为R=2800m,再次为R=4000m。这就说明了在VG、VH与机型相同的条件下,曲线半径越小,安全性、平稳性越差,轮轨磨耗越大。且在3种曲线半径中的轮轨横(垂)向作用力、轮轨磨耗指数及大多横向平稳性指标均以货机为大,大多安全性指标及垂向平稳性指标则反之。其动力性能指标的增幅也是货机大于动车。

,从动力性能指标的增幅来看,VG的增减引起动力性能指标的变化要大于曲线半径增减引起动力性能指标的变化,详见表3。如200/120km/h提高至250/120km/h时,VG提高25%与R=2200m提高至2800m,即R提高27%相比,显然前者引起的增幅明显大于后者。这就说明了,在机型、VH一定的条件下,VG的增减后对动力性能的影响要大于后者(曲线半径)。

半径相同时不同速度匹配的比较增量增幅/%

R=4000m250(120)ZHD(DT120)

0 12

35 23

(44 97)167 24(165 71)39 86(54 44)0 59(0 46)0 34(0 28)0 65(0 60)140 11(146 83)0 13(0 26)0 09(0 01)2 45(2 60)2 07(1 82)

表3 高低速客货混跑时动力性能指标比较

动力性能指标高速车速度

(速度匹配)/(km/h)机车车辆类型缓和曲线设置轮轨横向力/kN轮轨垂向力/kN轮轴横向力/kN倾覆系数脱轨系数轮重减载率磨耗指数/(N(m/m)横向加速度/()g)垂向加速度/()g)横向平稳性指标垂向平稳性指标

速度匹配不同半200/120km/h匹配200/120km/h匹配

R=R=R=R=R=径相同的比较相同半径不同的比较相同半径不同的比较3000m3000m2200m2800m4000m

增量/%增量增幅/%增量增幅/%

[***********]/90)(200/70)(120)(120)(120)ZHDZHDZHDZHDZHD(SS3)(SS3)(DT120)(DT120)DT120)

个别

40 191 62

13(15)

(40 21)(2 60)(6)(42 81)(41 18)(3 95)(11)(37 23)(4 90)(32 33)139 520 37

120与SS3的数据。

说明:表中括号内数字为货机DT

()

27

(线路/路基(

朱 颖,周惟俊 铁路最小曲线半径的动力性能分析

−在R、VG与机型相同条件下,不同VH(或叫不同VH/VG)对动力性能指标的影响。

据表3中R=3000m,200/90km/h与200/70km/h的各栏比较可知,各项动力性能指标大多以200/90km/h的低速货车为大,且2种速度匹配的相应指标差额大多不足5%。这就说明在R、VG与机型相同条件下,其动力性能指标仍以VH大者为高,且货、客车的速度比对动力指标的影响甚微。

(2)高中速客车混跑(以动车与客机相比)

∗据表4,在曲线半径与高速动车组(货中速SS8

客机)类型相同条件下,高速车的行车安全性指标及运行平稳性指标均相应地较中速车为大。这就说明高速车的安全性与平稳性、轮轨磨耗均较中速车差,且VG越大,动力性能指标越劣。如R=7000m,350/200km/h与300/160km/h匹配,VG=350km/h动车的倾覆系数(K倾)为0 80,轮重减载率(K轮)为0 83,轮轨磨耗指数(K磨)为202 99N(m/m,横向平稳性指标(K横平)为2 66,垂向平稳性指标(K垂平)为2 52。而VG=300km/h动车的K倾=0 69,K轮=0 69,K磨=115 80N(m/m,K横平=2 46,K垂平=2 45。对拖车、SS8机车及SF

T客车,以及R=4500m时的动力

性能指标也有上述规律,不再赘述,详见表4。

又据表4,当VG由250km/h提高至300km/h(速度增幅为20%)时,大多数动力性能指标的增幅均分别大于VG=300km/h,R由4500m增至7000m(半径增幅为56%)相应的动力性能指标增幅。这就说明了在动车组类型相同条件下,高速车最高行车速度与曲线半径二者对动力性能指标的影响应以前者为大,后者次之。

+在曲线半径基本相等的条件下,从350/200(R=7000m)与250/140km/h(R=6500m)2种速度匹配的比值(VZ/VG)来看,虽二者比值接近相等(0 57与0 56),但各项动力性能指标均以前者为大,后者次之,详见表4。这就说明了虽中高速车速度比值相同,但动力性能指标仍受高速车的最高行车速度所控制。

,在相同速度匹配与动车类型条件下,曲线半径越小,行车安全、运行平稳性越差,轮轨磨耗越大。据表4,如300/160km/h速度匹配的R=4500m与R=7000m曲线相比,其动力性能指标均以前者为大。如横向力分别为29 11kN与26 11kN,倾覆系数分别为0 73与0 69,轮重减载率分别为0 78与0 69,横(垂)向平稳性指标分别为2 58(2 46)与2 46(2 45)。

表4 高中速客车混跑动力性能指标比较

VG相等时(300曲线半径相等时(4500曲线半径相等时(7000km/h)R=7000m曲线半径与速度比m)V=250km/h与G曲线半径曲线半径与R=4500m比曲线半径m)VG=300km/h与曲线半径基本相等的比较曲线半径

4500mVG=300km/h比较4500m7000mVG=350km/h比较7000m6500m

增量拉幅/%增量增幅/%增量增幅/%增量增幅/%

50

20

300

(300/160)ZHD

24 17145 2533 880 580 220 66116 280 110 152 362 47

4 9419 323 360 150 020 1231 950 0600 22-0 01

[***********]

29 11164 5737 240 730 240 78148 230 170 152 582 46

2 398 333 360 040 010 0932 430 0300 120 01

[**************]

26 72156 2433 880 690 230 69115 800 140 152 462 45

300

(300/160)ZHD

1 0819 612 100 11-0 020 1487 190 03-0 010 200 07

413616-9207521083

27 80175 8535 980 800 210 83202 990 170 142 662 52

0 7036 57-2 280 42-0 020 42143 750 050 030 230 40

27 10139 2838 260 380 230 4159 240 120 112 432 12

50

17

350

(350/200)ZHD

100

40

250(250/140)

SS8

动力性能指标

高速车速度250(速度匹配)/(km/h)250/140)机车车辆类型缓和曲线设置轮轨横向力/kN轮轨垂向力/kN轮轴横向力/kN倾覆系数脱轨系数轮重减载率磨耗指数/(N(m/m)横向加速度/()g)垂向加速度/()g)横向平稳性指标垂向平稳性指标

ZH

D

参考文献:

[1] 铁二院线路处.200km/h客货混运铁路线路平纵面设计标准研究

报告[R].成都:西南交通大学土木学院及列车与线路研究所,2003.

[2] 京沪高速铁路设计暂行规定[S],2003.

[3] 新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定[S].2003.

[4] 徐鹤寿.200km/h客货共线铁路的必要性和设计暂行规定[J].铁

道标准设计,2004(7).

[5] 黄建苒.发展时速200km客货共线铁路之管见[J].铁道标准设

计,2004(7).

[6] TB/T2360 93,铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准

[S].

[7] GB5599 85,铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].

(1)


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