CN104636562A - 一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计方法。高速铁路线路线形引起的车体振动响应主要集中在1Hz以下低频范围内，为了有效区分线形、线路平顺性和线下结构刚度等引起的车体振动，本方法采用系统动力仿真手段，引入ISO2631、EN12299等标准中运动病、舒适度、缓和曲线舒适度和瞬时舒适度等指标，并结合加速度频数分布和累积频数分布综合分析评价线形参数和线路方案的合理性，为线形参数确定和线路方案优化提供依据。本方法能弥补传统线路分析方法的不足，实现任意平纵断面线形组合条件下行车安全性和乘车舒适性的预测、分析和评估，为高速铁路线路设计提供科学分析手段，具有重要的理论意义和工程应用价值。

Description

一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计方法

技术领域

本发明涉及铁路工程技术领域；特别是涉及一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计与评估方法。

背景技术

高速铁路运营速度大幅提高，列车与线路之间的动力相互作用显著增强。运营实践表明，高速列车振动衰减周期较长，振动的叠加对舒适性的影响显著，高平顺条件下线形变化引起的低频振动成为影响旅客乘坐舒适性的主要因素之一。高速铁路线路线形参数的合理取值以及线形评价与优化已成为急待解决的重要课题。

长期以来，我国铁路线路设计参数的确定采用准静态方法。该方法将列车简化为一质点或刚体沿刚性轨道上运动，进行受力分析，经计算，再对曲线上的未平衡加速度及其时变率等舒适度评价指标进行评价，从而确定线路平纵断面参数的取值标准。该方法忽略了车辆、线路结构及其动力相互作用的影响；不能准确分析线路参数对列车高速行车条件下的行车安全性和乘坐舒适性；并不能评价线路纵向线形之间的影响，无法评价整体的线路线形方案。因此，该方法有很大的局限性。

国内外，铁道车辆—轨道/桥梁系统动力学一直是铁道工程领域的研究热点问题，取得了很大发展，在高速铁路轨道、桥梁、路基等线路结构的设计和检测中得到了广泛应用和发展，取得了较好的经济社会效益。近年来，国内学者开始逐步将车辆—线路系统动力学理论与方法应用于线路线形的研究中，取得了一些成果。

现有的基于车辆—线路系统动力学线路线形研究大多集中于动力学模型的建立和优化，对适用于线形动力分析的乘坐舒适性评价方法及指标研究较少，通常采用轨道、桥梁等结构动力分析的评价方法和指标。然而，线路线形引起的系统动力响应问题与线下结构引起的有很大的不同，一是产生的振动主要在低频范围内，高速行车条件下，相邻线形产生的振动类似于长波不平顺的激励，二是对振动的分析，从单纯的幅值等考虑，难以区分线形的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于能够较为客观地反映不同线路条件对高速列车乘坐舒适性影响的线路设计与评估方法，以及根据所述方法设计的高速铁路结构。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计方法，所述高速铁路线路包括轨道及其支撑结构，所述高速铁路线路线形由轨道及其支撑结构的空间结构形成，包括平面直线、圆曲线和缓和曲线以及纵断面坡段和竖曲线等，其特征在于，所述线路线形的设计方案采用以下方法设计：

A.线路线形初步设计方案由平面直线、圆曲线、缓和曲线及纵断面坡段、竖曲线等连续组合而成，根据车辆构件参数、轨道及其支撑结构的参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数，建立车辆—线路系统动力分析模型，将初步设计方案的车辆构件参数、轨道及其支撑结构的参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数作为模型计算条件，取得列车在运行过程中的系统动力响应；

B.根据系统动力响应优化线路方案中的平纵断面线形特征参数取值：

B-1.变化上述线形特征参数中的一个特征参数，即得到一系列改变了局部线形的设计方案，利用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到的车体中心进出缓和曲线时的车辆侧滚角速度和横向加速度、横向冲击，换算得到对应所述改变了局部线形的一系列舒适度指标P_CT：

其中舒适度指标P_CT表达为：

式中，为车体横向加速度最大值,具体为车体中心在缓和曲线起点至缓和曲线终点及其后1.6s内的最大值；为车体横向加速度的时变率最大值，具体为车体中心在包括缓和曲线起点前1s内至缓和曲线终点范围内的最大值；为车体中心在缓和曲线范围内时的车体侧滚角速度最大值；A-E为系数，根据站姿或坐姿取值，站姿取值分别为0.2854s²/m、0.2069s³/m、0.111、3.64s/rad、2.283，坐姿取值分别为0.0897s²/m、0.0968s³/m、0.059、0.916s/rad、1.626；

使用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到车辆在曲率变化处的横向加速度最大峰峰值和平均值，换算得到瞬时舒适度指标P_DE：

瞬时舒适度指标P_DE表达为：

$P_{\mathrm{DE}}=100\·\left[\max \right[(a{\stackrel{\·\·}{y}}_{\mathrm{pp}}+b{\stackrel{\·\·}{y}}_{2s}-c),0]---\left(2\right)$

式中，计算时长范围内每2s为一个时窗，和分别为各时窗内车体横向加速度最大峰峰值和平均值；a-c为系数，根据站姿或坐姿取值，站姿取值分别为0.1662s²/m、0.2701s²/m、0.37，站姿取值分别为0.0846s²/m、0.1305s²/m、0.217；

使用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到车辆在曲率变化点前后的振动加速度，得到振动衰减与叠加规律；

使用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到车辆振动加速度进行频数分布统计和累积频数分布统计；

B-2.比较步骤B-1计算得到的车辆在一系列改变了局部线形的设计方案中的舒适度指标P_CT、瞬时舒适度指标P_DE、振动衰减与叠加规律和加速度统计分布特征，对线路线形初步设计方案中的所述一个特征参数进行优化，形成舒适度指标P_CT及瞬时舒适度指标P_DE较优、振动衰减快并避免振动叠加、加速度幅值分布较好的优化方案。

本发明的有益效果是：使用高速铁路列车与线路动力相互作用的研究方法进行线路设计及优化弥补传统线路平纵断面分析方法的不足，实现在不同直线、圆曲线、缓和曲线组合条件下的行车动力性能的预测，为高速铁路线路设计提供了重要的分析手段，研究成果具有重要的科学价值，对实际工程设计具有很强的指导意义。

另外，使用乘坐舒适性评价方法评价线路设计方案可以客观的体现线路平纵断面引起的低频成分是影响乘坐舒适性的主要原因之一，有效地区分线形、线路平顺性和线下结构刚度变化等对乘坐舒适性影响的贡献程度，在线路设计参数及线路方案优化中，增加辨识度，为参数确定和方案比较提供科学依据。

附图说明

图1是轮对与轨道坐标系统示意图；

图2a至图2c是动力分析模型示意图；

图3是线路平纵断面组合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1至图3所示，一种基于线路线形动力学设计的高速铁路结构，包括线路线形、轨道及其支撑结构，所述高速铁路结构的线路线形由轨道及其支撑结构的空间结构形成，包括平面直线、圆曲线和缓和曲线以及纵断面坡段和竖曲线等，其特征在于，所述线路线形方案采用以下方法设计：

a、以车辆—线路动力相互作用理论为基础，建立系统动力分析模型。模型分为车辆与线下结构两个子系统，二者之间以轮轨动态相互关系为联系纽带。(1)车辆模型考虑车体、转向架、轮对及悬挂系统振动特征；(2)线下结构模型考虑轨道、桥梁等结构参振的影响；(3)线形参数与轨道不平顺均为车辆行车方向位移的函数，产生系统附加力作用。(4)轮轨作用力进行迭代求解，轮轨蠕滑力首先采用Kalker线性理论进行计算，然后再采用Johnson-Vermeulen理论进行非线性修正。(5)系统运动方程采用数值积分与分离迭代法进行求解。

b、基于所建模型，完成动力分析软件的开发和验证。

c、通过车辆—线路系统动力计算，得到车辆、线路各构件位移、速度和加速度以及轮轨作用力等系统动力响应时程数据。

d、利用得到的系统动力响应时程数据，针对不同分析对象选取相应的乘坐舒适性评价方法。

d-1、对于线路线形参数问题，分析振动加速度、横向冲击、侧滚角速度等衰减与叠加规律，计算缓和曲线上舒适度指标P_CT、瞬时舒适度指标P_DE等指标，结合加速度均方根值频数分布图、累积频数分布图等进行综合评价。

其中舒适度指标P_CT表达为：

式中，式中，为车体横向加速度最大值,具体为车体中心在缓和曲线起点至缓和曲线终点及其后1.6s内的最大值；为车体横向加速度的时变率最大值，具体为车体中心在包括缓和曲线起点前1s内至缓和曲线终点范围内的最大值；为车体中心在缓和曲线范围内时的车体侧滚角速度最大值；A-E为系数，根据站姿或坐姿取值。

瞬时舒适度指标P_DE为车体振动加速度。

$P_{\mathrm{DE}}=100\·\left[\max \right[(a{\stackrel{\·\·}{y}}_{\mathrm{pp}}+b{\stackrel{\·\·}{y}}_{2s}-c),0]---\left(2\right)$

式中，计算时长范围内每2s为一个时窗，和分别为各时窗内车体横向加速度最大峰峰值和平均值；a-c为系数，根据站姿或坐姿取值。

d-2、对于线路线形方案问题，根据国际标准ISO2631，对车体振动加速度数据分频段计算加权均方根，进行运动病和舒适度分析，并结合加速度均方根值频数分布、累积频数分布等进行综合评价。

其中车体振动加速度均方根A_rms可由下式计算：

$A_{\mathrm{rms}}={\left[\frac{1}{T}{\∫}_0^T{a}_w^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

式中，a_w为频率计权加速度(m/s²)；T为持续时间(s)。

e、根据分析评价结果，确定合理的线路参数、线路方案，优化线路设计。

本发明在较为客观地考虑不同线路条件下乘坐舒适性的基础上，提出了基于动力学分析的高速铁路线路设计与评估方法，具有重要的理论意义和工程实用价值。

Claims (1)

1.一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计方法，所述高速铁路线路包括轨道及其支撑结构，所述高速铁路线路线形由轨道及其支撑结构的空间结构形成，包括平面直线、圆曲线和缓和曲线以及纵断面坡段和竖曲线等，其特征在于，所述线路线形的设计方案采用以下方法设计：

A.线路线形初步设计方案由平面直线、圆曲线、缓和曲线及纵断面坡段、竖曲线等连续组合而成，根据车辆构件参数、轨道及其支撑结构的参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数，建立车辆—线路系统动力分析模型，将初步设计方案的车辆构件参数、轨道及其支撑结构的参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数作为模型计算条件，取得列车在运行过程中的系统动力响应；

B.根据系统动力响应优化线路方案中的平纵断面线形特征参数取值：

B-1.变化上述线形特征参数中的一个特征参数，即得到一系列改变了局部线形的设计方案，利用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到的车体中心进出缓和曲线时的车辆侧滚角速度和横向加速度、横向冲击，换算得到对应所述改变了局部线形的一系列舒适度指标P_CT：

其中舒适度指标P_CT表达为：

式中，为车体横向加速度最大值,具体为车体中心在缓和曲线起点至缓和曲线终点及其后1.6s内的最大值；为车体横向加速度的时变率最大值，具体为车体中心在包括缓和曲线起点前1s内至缓和曲线终点范围内的最大值；为车体中心在缓和曲线范围内时的车体侧滚角速度最大值；A-E为系数，根据站姿或坐姿取值，站姿取值分别为0.2854s²/m、0.2069s³/m、0.111、3.64s/rad、2.283，坐姿取值分别为0.0897s²/m、0.0968s³/m、0.059、0.916s/rad、1.626；

使用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到车辆在曲率变化处的横向加速度最大峰峰值和平均值，换算得到瞬时舒适度指标P_DE：

瞬时舒适度指标P_DE表达为：

$P_{\mathrm{DE}}=100\·\left[\max \right[(a{\stackrel{..}{y}}_{\mathrm{pp}}+b{\stackrel{..}{y}}_{2s}-c),0]---\left(2\right)$

式中，计算时长范围内每2s为一个时窗，和分别为各时窗内车体横向加速度最大峰峰值和平均值；a-c为系数，根据站姿或坐姿取值，站姿取值分别为0.1662s²/m、0.2701s²/m、0.37，站姿取值分别为0.0846s²/m、0.1305s²/m、0.217；

使用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到车辆在曲率变化点前后的振动加速度，得到振动衰减与叠加规律；

使用步骤A的车辆—线路系统动力分析模型，计算得到车辆振动加速度进行频数分布统计和累积频数分布统计；

B-2.比较步骤B-1计算得到的车辆在一系列改变了局部线形的设计方案中的舒适度指标P_CT、瞬时舒适度指标P_DE、振动衰减与叠加规律和加速度统计分布特征，对线路线形初步设计方案中的所述一个特征参数进行优化，形成舒适度指标P_CT及瞬时舒适度指标P_DE较优、振动衰减快并避免振动叠加、加速度幅值分布较好的优化方案。