CN111859580B - 一种铁路线路线型动态分析与设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路线路线型动态分析与设计方法，该方法是在进行铁路线路设计时，根据列车与轨道的具体参数，建立列车‑轨道三维耦合动力学模型，对列车在线路上运行时，列车与轨道的振动和轮轨的相互作用进行计算。根据计算结果，对铁路线路的平面曲线参数、竖曲线参数与坡道参数等进行调整优化。采用该方法得到的结果能为铁路现行设计提供合理的设计方案与科学的技术支持。

Description

一种铁路线路线型动态分析与设计方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种基于车线三维耦合动力学，为铁路线路线型设计提供合理的设计方案与科学的技术支持的分析与设计方法。

背景技术

随西成高铁、贵南高铁、成贵高铁等山区高铁的相继开通运营，我国高速铁路网向中西部地区延伸的进程在不断加快。在崇山峻岭、峡谷河道等复杂地势条件的影响下，铁路线路的线型设计面临着巨大的挑战。铁路线路线型设计关系到铁路的建设、维护与运营成本，也直接影响到列车运行的平稳性、安全性与乘客的乘坐舒适性。为保证铁路线路线型设计的合理性，《铁路线路设计规范》、《新建时速300-350km/h客运专线铁路设计暂行规定》、《新建时速200～250km客运专线铁路设计暂行规定》、《新建时速200km客货共线铁路设计暂行规定》等文件充分考虑安全余量，对线路线型设计提出了非常严格的要求。但很多情况下，铁路线路线型设计无法同时兼顾建设可行性、成本与安全需要，这一点在山区铁路的设计上体现得尤为明显。在考虑建设可行性与建设成本，对规范规定进行突破时，线路设计方案对线路运营与维护带来的影响便不能忽视，需要对线型设计方案进行科学的评估与优化。此外，现有的运营经验表明，列车运行经过山区铁路长大坡道时，经常会出现掉速现象。因为圆曲线超高的存在，速度降低会影响到列车的曲线通过性能，需通过提高牵引功率消除降速或更改圆曲线参数减少降速带来的影响。

规范提供的线路线型设计参考依据多通过试验与长期的运营经验积累得到，因而可以有效指导实践。随铁路网络向中西部艰险山区不断延伸，平原丘陵地区的铁路运营经验已难以为山区铁路的线路设计提供全面的参考，正在规划设计的线路线型方案也难以通过试验验证其合理性。传统的铁路线路设计方法对线路线型参数的确定一般通过一维方向上的力学计算与现场试验分析得到，在充分考虑安全余量的前提下为线路设计提供参考。波兰、瑞典、意大利、俄罗斯等国家利用不同的计算软件，研究了轨道不平顺、轨道超高、钢轨型面及轨距、轨道结构等对车辆平面曲线通过安全性能的影响，但未能综合考虑平纵断面线型和线下结构刚度的影响。这些研究的局限性在于：1.未考虑车辆系统与轨道系统耦合振动对列车运行的影响；2. 在无法进行试验的情况下，难以为新设计铁路需要对现有规范进行突破的部分进行有效指导； 3.不能分析列车通过平纵断面的轮轨动态安全性能与乘车舒适性；4.难以综合考虑车线匹配情况，分析平纵断面线形匹配以及前后线形间的影响，容易忽视实际运营过程中可能存在的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种铁路线路线型动态分析与设计方法，该方法通过构建车辆-轨道三维耦合动力性能分析模型，对铁路线路设计方案进行科学有效地评估。该方法能准确计算列车在既定设计方案的线路上的运行状态，同时根据计算结果，对线路方案进行优化设计。是一种优秀的铁路线路线型动态分析与设计方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其包括以下操作：

S1，根据铁路轨道信息与拟投入运营的列车信息，搭建包含列车牵引与制动性能的车辆-轨道耦合动力学模型；

S2，输入线路线型信息与列车运行初始条件，对列车车体的振动信息与轮轨相互作用进行仿真计算；

S3，根据S2中的仿真计算结果，计算列车的平稳性指标、列车运行安全性指标与轨道结构稳定性；

S4，根据S3中的指标计算结果，评价不同铁路线路线型设计方案的合理性，合理则择优选择，不合理则执行步骤S5；

S5，根据S2中仿真过程中不合理指标出现时列车在线路上的位置，判断线路线型设计的不合理部分，对该部分的线型参数进行调整优化重新输入模型进行计算，然后执行步骤S2，判断方法为依据生成的平纵断面线型图，对比平纵断面线型图与列车运行性能指标计算结果，判断产生车线不匹配的主要原因，线路位置是指线路的公里标位置，所述线型参数是线路公里标与线路线型的结合，得知线路公里标以获取此位置的线型。

进一步地优选方案是：搭建列车牵引与制动性能的车辆-轨道耦合动力学模型是将车辆系统与轨道系统视为相互作用的大系统，在进行线路线型参数分析时，综合考虑了车辆结构振动与轨道结构振动。

进一步地优选方案是：在搭建列车牵引与制动性能的车辆-轨道耦合动力学模型时综合考虑了列车牵引与制动能力、线路线型对列车运行的影响，在对线路线型设计方案进行评价时考虑了速度变化的影响。

进一步地优选方案是：S1中所述的轨道信息包括轨道不平顺、钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、支承层和路基的模拟数据；列车信息包括拟投入运营列车的结构参数、编组信息、牵引制动信息。

进一步地优选方案是：S2中所述的线路线型信息包括圆曲线、缓和曲线、夹直线、竖曲线与坡道信息；列车运行初始条件包括列车运行初始状态与初始速度；列车车体的振动信息包括车体纵、横、垂三向振动加速度；轮轨相互作用包括轮轨作用力、车轮与轨道结构加速度与位移。

进一步地优选方案是：列车运行初始状态指列车启动时在线路上的位置，以及惰行、牵引或制动操作。

进一步地优选方案是：S3中所述列车运行平稳性指标包括车体垂向与横向加速度、车体垂向平稳性指标与横向平稳性指标；列车运行安全性指标包括脱轨系数、轮重减载率与倾覆系数；轨道结构稳定性包括轨道结构位移、加速度、横向稳定性系数与轨道结构加速度。

进一步地优选方案是：S4中评价铁路线型设计方案的评价参数包括圆曲线的曲线半径、圆曲线长度与超高；缓和曲线与夹直线的长度；坡道的坡度与坡长；竖曲线的曲线半径与曲线长度。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1. 本发明采用先进的车辆-轨道三维耦合动力学模型，对铁路线路线型方案进行分析与优化设计。综合考虑了车辆结构与轨道结构耦合振动在既定线路线型下对列车运行的影响，仿真结果能更真实的反映列车的实际运行性能。

2.本发明利用计算机仿真技术，利用成熟的车辆-轨道耦合动力学模型对线路线型设计方案进行动态分析与设计，在完成模型验证后，能对不同设计方案的可行性进行高效与科学地分析，为列车在新建铁路线路上的安全运营提供保障。

3.本发明综合考虑拟运营列车性能与铁路线路线型的匹配关系，对列车在线路上的运行状态进行全程模拟。充分考虑了列车运行速度变化，能够分析平纵断面线形匹配以及前后线形间的影响，对线路的评估与优化设计结果更具可靠性。

4.本发明能分析列车通过平纵断面的轮轨动态安全性能与列车通过平纵断面的乘车舒适性，为线路设计方案的进一步择优提供理论支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的原理流程框图。

图2是350（200）km/h速度匹配线型方案图。

图3原方案与本申请的方案的车辆运行状态结果比较图表。

图4是竖曲线半径对轮轨垂向力的影响计算结果示意图。

图5是安全性指标最大值统计结果表。

图6是车体振动加速度最大值统计结果表。

图7是某线路DK1052+450～DK1060+200区段平纵断面线型 示意图。

图8是平纵断面线型优化结果示意图。

图9为优化方案中轮轴横向力计算结果对比图。

图10是采用本发明中轮轨横向力仿真与试验测试结果对比图。

具体实施方式

本发明实施方式中对附图进行详细说明，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例

如图1所示，本实施例中的铁路线路线型动态分析与设计方法，包括以下操作：

S1，根据铁路轨道信息与拟投入运营的列车信息，搭建车辆-轨道耦合动力学模型；

S2，输入线路线型信息与列车运行初始条件，对列车车体的振动信息与轮轨相互作用进行仿真计算；

S3，根据S2中的仿真计算结果，计算列车的平稳性指标、列车运行安全性指标与轨道结构稳定性；

S4，根据S3中的指标计算结果，评价不同铁路线路线型设计方案的合理性，合理则择优选择，不合理则执行步骤S5；

S5，根据S2中仿真过程中不合理指标出现时列车在线路上的位置，判断线路线型设计的不合理部分，对该部分的线型参数进行调整优化重新输入模型进行计算，然后执行步骤S2；

S6，重复步骤S5，通过计算寻找符合线路设计与运营需要的线型参数限值。

下面结合在工程中的实际应用，将本发明中进行评估的具体步骤进行展示：

在搭建车辆-轨道耦合动力学模型时，首先根据线路拟投入运营的列车的参数信息、拟铺设的轨道的参数信息以及车轮与钢轨的型面参数，搭建车辆-轨道耦合动力学模型。模型的搭建方式与模型求解在翟婉明院士著《车辆-轨道耦合动力学（第四版）》（上册）中有详细的描述。构建车辆模型、轨道模型与轮轨接触模型所需要的各项参数，可根据技术人员面对的实际情况与构建模型的方法，从既有的车辆模型库、轨道模型库、钢轨与车轮模型库中选取。

在本实施例中具体是，将车辆模型简化为由车体、构架、轮对和两系悬挂系统构成的动车模型，单节车辆考虑1个车体、2个构架与4个轮对共7个刚体部件在纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头这6个方向上的自由度，共42个自由度；车钩缓冲装置简化为只能沿轴向伸缩的空间二力杆；轨道模型中钢轨简化为连续弹性离散点支撑的Timoshenko梁，轨道板采用三维实体有限单元进行离散，钢轨扣件采用线性的弹簧-阻尼单元模拟，轨道板下支撑结构考虑成连续的粘弹性单元；采用迹线法对轮轨空间接触几何关系进行计算，轮轨法向力采用赫兹非线性弹性接触理论进行计算，轮轨蠕滑力采用Kalker线性理论求解并通过沈志云-Hedrick-Elkins理论进行修正。对平面曲线轨道的相对位移与悬挂力进行计算时，依据刚体空间运动相互关系，推导出平面曲线轨道车辆部件相对位移，得到悬挂系统之间的相互作用力。对纵断面线形模型进行处理时，将纵断面线形处理为轮轨界面的垂向不平顺激励，根据积分步长进行插值求解。

通过建立好的模型，可以对列车通过既定线型线路时，车辆与轮对的振动加速度与位移、轮轨接触几何关系与轮轨接触力进行计算。根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》对轮重减载率与脱轨系数的计算规定，可以通过轮轨力计算轮重减载率与脱轨系数。其中脱轨系数为某一时刻作用在车轮上的横向力与垂向力的比值，轮重减载率为减载侧车轮的轮重减载量与轮对的平均静轮重之比。根据《高速试验列车客车强度及动力学性能规范》（95J01-M）对旅客乘坐舒适度指标的规定，可以通过车体横向加速度与车体垂向加速度对乘坐舒适性指标进行算。乘坐舒适度计算公式：

式中，N为舒适度指标；α为加速度的均方根值；

和

分别与按加权曲线d、b的频率加权值有关（参见ISO2631标准）；X,Y,Z分别表示纵向、横向、垂向三个测量方向；P表示地板面（列车的地板面）；95表示分布概率分位点95%。

车辆运行平稳性指标

采用Sperling指标，计算公式为：

式中，

为车体振动加速度(g)，

为振震动频率(Hz)，

为频率修正系数，如下表所示：

下面本实施例根据铁路线路线型动态分析与设计方法，以单面坡（原方案）划分为多面坡为例，分析线型动态设计技术的应用。

以图2为例，线路线型设计提供多坡段与单面坡两种设计方案，将线型参数输入仿真模型，根据计算结果比较两种设计方案的车辆运行状态，结果如图3所示。

从比较结果看出，图2所示两种方案，单面坡变多段坡时，多段坡的指标普遍略大于大面坡方案中的指标，但差幅不足5%，两种方案均满足线路设计与运营需要，采用单面坡方案时，列车将具备更优的动力学性能表现。

下面本实施例将根据本发明的铁路线路线型动态分析与设计方法，分析竖曲线半径对轮对动力学性能的影响，其计算结果如图4所示，由图可知列车运行速度为300km/h,随竖曲线半径增大，轮轨垂向力随之降低，可根据设计方案、运营需求以及建设成本对竖曲线半径进行合理选择。本发明所述铁路线路线型动态分析与设计方法具有良好的应用效果。

下面以某线路全程线型评估与优化设计为例，对列车在该线运行时，全程的安全性指标最大值与车体振动加速度最大值进行统计，图5和图6展示了部分统计结果，图5和图6分别是安全性指标最大值统计结果表和车体振动加速度最大值统计结果表。

由上述图5和图6展示的统计结果表表明，列车运行通过该线DK1052+450～DK1060+200地段时的安全性指标与车体加速度均超过限制，该段平纵断面线型如图7所示，对比平纵断面线型图中的平纵断面方案与列车运行性能指标计算结果，判断产生车线不匹配的主要原因为平面曲线缓圆点与竖曲线变坡点相距非常近，坡度代数差达到了21.5‰，因而需要对平面曲线与竖曲线参数进行合理匹配设计。优化方案如图8所示，是通过增大平面曲线的缓圆点与竖曲线起点的距离ΔL, ΔL分别取10m、17m和20m，分别计算优化后的结果展示如图9所示，ΔL增加长度17m以上时，满足高速安全与舒适行车要求。

如图10所示，该图是试验测试与本发明仿真计算得到的轮轨横向力的对比图，从图中可以看出对应曲线半径为1200m，提速客车运行速度为160km/h，仿真计算结果与试验测试结果吻合较好，因此可以采用该方法对线路线型设计方案进行评估与优化，从而达到对铁路线路线型动态分析与设计优化的目的。

本发明中所述的规范规定是指（中华人民共和国行业标准铁建设（2007）47号）《新建时速300-350km/h客运专线铁路设计暂行规定》、《新建时速200～250km客运专线铁路设计暂行规定》、《新建时速200km客货共线铁路设计暂行规定》、《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所作出的规范和规定，本发明与上述规定的性能指标限值进行比对，对铁路线路线型进行动态分析与设计。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于包括以下操作：

S1，根据铁路轨道信息与拟投入运营的列车信息，搭建包含列车牵引与制动性能的车辆-轨道耦合动力学模型；

S2，输入线路线型信息与列车运行初始条件，对列车车体的振动信息与轮轨相互作用进行仿真计算；

S3，根据S2中的仿真计算结果，计算列车的平稳性指标、列车运行安全性指标与轨道结构稳定性；

S4，根据S3中的指标计算结果，评价不同铁路线路线型设计方案的合理性，合理则择优选择，不合理则执行步骤S5；

S5，根据S2中仿真过程中不合理指标出现时列车在线路上的位置，判断线路线型设计的不合理部分，对该部分的线型参数进行调整优化重新输入模型进行计算，然后执行步骤S2，判断方法为依据生成的平纵断面线型图，对比平纵断面线型图与列车运行性能指标计算结果，判断产生车线不匹配的主要原因，线路位置是指线路的公里标位置，所述线型参数是线路公里标与线路线型的结合，得知线路公里标以获取此位置的线型；

S6，重复步骤S5，直到通过计算寻找符合线路设计与运营需要的线型参数限值。

2.根据权利要求1所述的一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于：搭建包含列车牵引与制动性能的车辆-轨道耦合动力学模型是将车辆系统与轨道系统视为相互作用的大系统，在进行线路线型参数分析时，综合考虑了车辆结构振动与轨道结构振动。

3.根据权利要求1所述的一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于：在搭建列车牵引与制动性能的车辆-轨道耦合动力学模型时综合考虑了列车牵引与制动能力、线路线型对列车运行的影响，在对线路线型设计方案进行评价时考虑了速度变化的影响。

4.根据权利要求1所述的一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于：S1中所述的轨道信息包括轨道不平顺、钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、支承层和路基的模拟数据；列车信息包括拟投入运营列车的结构参数、编组信息、牵引制动信息。

5.根据权利要求1所述的一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于：S2中所述的线路线型信息包括圆曲线、缓和曲线、夹直线、竖曲线与坡道信息；列车运行初始条件包括列车运行初始状态与初始速度；列车车体的振动信息包括车体纵、横、垂三向振动加速度；轮轨相互作用包括轮轨作用力、车轮与轨道结构加速度与位移。

6.根据权利要求5所述的一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于：列车运行初始状态指列车启动时在线路上的位置，以及惰行、牵引或制动操作。

7.根据权利要求1所述的一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于：S3中所述列车运行平稳性指标包括车体垂向与横向加速度、车体垂向平稳性指标与横向平稳性指标；列车运行安全性指标包括脱轨系数、轮重减载率与倾覆系数；轨道结构稳定性包括轨道结构位移、加速度、横向稳定性系数与轨道结构加速度。

8.根据权利要求1所述的一种铁路线路线型动态分析与设计方法，其特征在于：S4中评价铁路线型设计方案的评价参数包括圆曲线的曲线半径、圆曲线长度与超高；缓和曲线与夹直线的长度；坡道的坡度与坡长；竖曲线的曲线半径与曲线长度。

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