高速铁路竖曲线对轨道动态不平顺的影响.pdf
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1、NO.9(Ser.300)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYSep2023报学程铁2023年9 月第9 期(总3 0 0)道文章编号:10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 9-0 0 16-0 7高速铁路竖曲线对轨道动态不平顺的影响杨飞1*孙宪夫宁迎智!刘丙强谭社会3梁晨(1.中国铁道科学研究院集团有限公司,北京10 0 0 8 1;2.中国国家铁路集团有限公司,北京10 0 8 44;3.中国铁路上海局集团有限公司,上海2 0 0 0 7 1)摘要:研究目的:高速铁路部分竖曲线区段长期存在长波高低不平顺超限和舒适度不良的问题。本文基于大量动检数据,
2、分析竖曲线参数设置对轨道动态不平顺的影响,提出综合考虑长波高低不平顺和车体垂向加速度两方面的实设竖曲线参数优化策略。研究结论:(1)竖曲线长度大于动态检测的最大截止波长时,长波高低不平顺在竖曲线起终点处呈现出一对近似对称的简谐波,竖曲线段波峰方向与实际一致;竖曲线长度小于动态检测的最大截止波长时,这对简谐波在竖曲线区段内的两个波峰将合并成一个波峰,幅值约是原来的2 倍;(2)设计速度3 5 0 km/h且最小竖曲线半径取2 5 0 0 0 m时,车体垂向加速度达到0.5 9 m/s,超过经验值0.40 m/s;(3)设计速度3 5 0 km/h和300km/h条件下,在坡度代数差大于或等于3.
3、3%时,实设最小竖曲线半径宜取2 5 0 0 0 m,在小于3.3%o时宜取3 0 0 0 0 m;设计速度2 5 0 km/h条件下,在坡度代数差大于或等于2.8%时,实设最小竖曲线半径宜取2 0 0 0 0 m,在小于2.8%o时宜取2 5 0 0 0 m;(4)精调实践验证了增大竖曲线半径可以显著降低竖曲线区段的长波高低不平顺,提高旅客乘坐舒适度,可为高铁线路养护维修提供理论支撑和有效方法。关键词:高速铁路;竖曲线;长波高低不平顺;轨道精调;动力学仿真中图分类号:U216.3文献标识码:AThe Influence of Vertical Curve on Track Dynamic I
4、rregularity for High-speed RailwayYANG Fei,SUN Xianfu,NING Yingzhi,LIU Bingqiang,TAN Shehui,LIANG Chen(1.China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China;2.China State Railway GroupCo.Ltd,Beijing 100844,China;3.China Railway Shanghai Group Co.Ltd,Shanghai 200071,China)Abstr
5、act:Research purposes:There are the long-term problems of long-wave longitudinal irregularity overrun andpoor comfort in some vertical curve sections of high-speed railway.Based on a large number of dynamic detection data,the influence of vertical curve parameter setting on track dynamic irregularit
6、y was analyzed.The parameter optimizationstrategy of the actual vertical curve was proposed,which comprehensively considered the long-wave longitudinalirregularity and vehicle vertical acceleration.Research conclusions:(1)When the length of the vertical curve is greater than the maximum cut-off wave
7、length ofdynamic detection,the long-wave longitudinal irregularity presents a pair of approximately symmetrical simple harmonicwaves at the beginning and end of the vertical curve,which peak direction is consistent with the actual situation.When米收稿日期:2 0 2 2-0 5-18基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(P2021T013
8、)*作者简介:杨飞,19 8 5 年出生,男,副研究员。飞杨孙宪夫宁迎智等:高速铁路竖曲线对轨道动态不平顺的影响第9 期the length of the vertical curve is less than the maximum cut-off wavelength of dynamic detection,the two peaks of thispair of simple harmonic waves in the vertical curve section will be combined into one peak,and the amplitude is abouttwic
9、e that of the original.(2)When the design speed is 350 km/h and the minimum vertical curve radius is 25 000 m,the vehicle vertical acceleration reaches 0.59 m/s?,which exceeds the empirical value of 0.40 m/s?.(3)Under thedesign speed of 350 km/h and 300 km/h,when the slope algebraic difference is gr
10、eater than or equal to 3.3%o,theactual minimum vertical curve radius should be 25 000 m.When it is less than 3.3%o,30 000 m should be taken.Under the design speed of 250 km/h,when the slope algebraic difference is greater than or equal to 2.8%o,the actualminimum vertical curve radius should be 20 00
11、0 m.When it is less than 2.8%o,25 000 m should be taken.(4)Thepractice of fine adjustment proves that increasing the radius of vertical curve can significantly reduce the long-wavelongitudinal irregularity in the vertical curve section and improve passenger comfort,which provides theoretical support
12、and effective methods for the maintenance and repair of high-speed railway lines.Key words:high-speed railway;vertical curve;long-wave longitudinal irregularity;track fine adjustment;dynamicssimulation竖曲线是铁路线路纵断面的重要组成部分,以实现列车在相邻两个坡段间的平顺过渡,减小列车通过变坡点时对线路的冲击作用,保证列车在变坡点处运行的安全性和舒适度要求,既有研究对高速铁路纵断面设置开展了大量工
13、作。白宝英 综合考虑列车运行安全和旅客乘坐舒适性两方面因素给出最小竖曲线半径标准。Yang等 2 借助仿真分析提出时速3 0 0 km条件下最小竖曲线半径应不小于15 0 0 0 m。龙许友等 3 应用舒适性评价方法分析了最小夹坡段长度的合理取值。蒋登伟等 4 研究得出,设计时速为40 0 km的莫喀高铁最小竖曲线半径也应由舒适性控制,取为3 2 0 0 0 m,最大竖曲线半径考虑养护维修条件不大于40 0 0 0 m。现行设计规范规定最小竖曲线半径由舒适性要求控制,即竖向离心加速度一般条件下不得超过经验值0.4m/s;最大竖曲线半径根据京津城际铁路试验经验确定,考虑当时的施工精度和养护维修技
14、术水平取为3 0 0 0 0 m。尽管竖曲线实现了坡段间的平顺过渡,但其自身就是一种圆弧形的长波不平顺,大量动检数据也表明竖曲线区段往往伴随着较大的长波高低不平顺,且部分竖曲线长期存在长波高低不平顺或车体垂向加速度I级超限,竖曲线区段低频振动对旅客乘坐舒适性的影响,以及其固有的长波不平顺问题越来越得到工务部门的重视 5.6 。此外,京津城际铁路设计中就使用了半径为40 0 0 0 m的竖曲线 7 。在高铁线路运营期,工务部门为了提高列车通过竖曲线时的舒适度,对部分竖曲线实设半径进行客观调整,使其成为半径接近3 5 0 0 0 m或40 0 0 0 m的竖曲线。上述情况超出了设计规范规定的最大竖
15、曲线半径值。可以看出,既有研究多结合设计、养护维修经验,采用理论分析和仿真计算等手段探讨纵断面参数合理取值,尚未见针对竖曲线参数与轨道不平顺间关系的研究,而这对高速铁路运营期维修决策至关重要。本文基于大量高速铁路动检数据分析竖曲线区段轨道动态不平顺波形特征和统计规律,利用动力学仿真计算分析列车通过竖曲线区段时的车辆动力学响应特性。结合动态检测原理和仿真结果研究竖曲线参数与轨道动态不平顺间的关联关系,以期为高铁线路养护维修提供一定理论支撑和参考。1竖曲线动检数据特征分析1.1时域特征分析轨道动态不平顺是高速综合检测列车在列车动荷载条件下测得的轨道不平顺,按照1.5 42 m、1.5 70m、1.
16、5 12 0 m 共3 种波长范围将高低和轨向不平顺输出为空间曲线。其中,最大截止波长为7 0 m和120m的长波高低不平顺对竖曲线最为敏感,竖曲线段长波高低不平顺时域特征又与最大截止波长有紧密联系。以某设计速度3 5 0 km/h高铁动检数据为例,如图1所示,长波高低不平顺最大截止波长为12 0 m。当竖曲线长度大于最大截止波长时,如图1(a)所示。两条竖曲线半径均为2 5 0 0 0 m,长度分别为42 5 m和6 47 m,均大于最大截止波长12 0 m。长波高低不平顺在竖曲线起点和终点各存在一个简谐波。对凹曲线而言,两个简谐波内侧长波高低不平顺波谷分别为-3.1mm和-3.8 mm,外
17、侧长波高低不平顺波峰分别为3.3 mm和2.8 mm,内侧波谷和外侧波峰幅值相差不大,且内侧半个周期波形在零线以下,与凹型竖曲线下凹特征一致。对凸曲线而言,两个简谐波内侧长波高低不平顺波峰均为3.5 mm,外侧长波高低不平顺2023年9 月程报道学铁18波谷分别为-4.7 mm和-3.0 mm,内侧波峰和外侧波谷幅值相差不大,内侧半个周期波形在零线以上,与凸型竖曲线上凸特征一致。对于车体垂向加速度,列车在凹曲线所受到的合力向上,测得车体垂向加速度包含向心加速度成分,车体垂向加速度波形偏离零线向上,在凸曲线与之相反,车体垂向加速度在列车通过竖曲线终点后的2 个振动周期内充分衰减。当竖曲线长度小于
18、最大截止波长时,如图1(b)所示。两条竖曲线半径均为3 0 0 0 0 m,长度均为6 0 m,均小于最大截止波长12 0 m。原本长波高低不平顺在竖曲线起点和终点各存在的一个简谐波将叠加合并成一个波形。对凹曲线而言,呈现出中间下凹两侧上凸的特征,竖曲线中部长波高低不平顺波谷达到-4.2 mm,竖曲线外侧两个波峰分别达到2.2 mm和2.8 mm,内侧波谷约是外侧波峰幅值的2 倍,长波高低不平顺中间下凹与凹曲线特征一致。对凸曲线而言,呈现出中间上凸两侧下凹的特征,在竖曲线中部波峰达到5.1mm,外侧两个波谷分别达到-3.6 mm和-2.2 mm,内侧波峰约是外侧波谷幅值的2 倍,长波高低不平顺
19、中间上凸与凸曲线特征一致。车体垂向加速度特征与长度大于12 0 m竖曲线的变化特征一致。4R=25.000 m,/=425mR=25 000m2=647 mwu0-2-41.00.5(z-S.U0三-0.5行车方向-1.0831.0831.5832.0832.5833.0833.5834.0里程/km(a)竖曲线长度大于最大截止波长12 0 m6凹 R=30 000mR=30000m员凸41=60 m1=60 m2ww/0-2-40.5_s.w)00.5行车方向751.5752.0752.5753.0753.5754.0754.5里程/km(b)竖曲线长度小于最大截止波长12 0 m图1坚曲线
20、段动检数据1.2典型长波高低不平顺超限竖曲线段轨道动态不平顺易超限的指标主要是长波高低不平顺和车体垂向加速度。某高铁动态验收阶段动检数据如图2 所示,该竖曲线段12 0 m长波高低不平顺达到5.9 mm,超出验收I级标准(5 mm)。车速3 5 0 km/h条件下车体垂向加速度达到0.8 m/s,接近验收级标准(1m/s)。竖曲线段42 m中波高低不平顺峰值达到1.1mm,远小于验收I级限值(3 mm)。6注:42m;120 m4验收I级(12 0 m)20AMNw-2(z-s.U)/率回垂-40.5-0.5-1.01331.01331.11331.21 331.31.331.4里程/km图2
21、竖曲线A动检数据以10 余条设计时速为3 5 0 km高铁线路动检数据为例,结合台账信息统计得到各竖曲线段12 0 m长波高低不平顺峰值、竖曲线半径和相邻坡段坡度代数差之间的关系,如图3 所示。可以看出,在各个半径条件下均有一部分竖曲线的长波高低不平顺峰值超过验收I级标准(5 mm)。少数半径为2 5 0 0 0 m的竖曲线区段存在运维级(9 mm)长波高低不平顺超限,少数半径为3 0 0 0 0 m的竖曲线区段存在运维I级(7 mm)长波高低不平顺超限。此外,长波高低不平顺峰值分布特征与坡度代数差和竖曲线半径均存在一定关联,随着竖曲线半径和坡度代数差的增大,长波高低不平顺峰值大致呈降低的趋势
22、10注:2 5 0 0 0:30000;35000;400008运维级6运维1级4验收I级20102030102030010203001020.3040坡度代数差/%图3120m长波高低不平顺峰值分布为进一步揭示三者之间的联系,计算得到竖曲线段长波高低不平顺有效值的统计特征,如图4所示。可以看出,相同竖曲线半径条件下,随着坡度代数差的增大,长波高低不平顺有效值先迅速降低,然后降速逐飞杨19孙宪夫宁迎智等:高速铁路竖曲线对轨道动态不平顺的影响第9 期渐变缓。采用5 阶多项式拟合长波高低不平顺有效值发现,长波高低不平顺的降速在坡度代数差为6%9%之间存在拐点。相同坡度代数差条件下,竖曲线半径越大,
23、长波高低不平顺有效值越小。5注:=2 5 0 0 0;30000;35000;40000拟合一拟合一拟合432010203001020.301020.300010203040坡度代数差/%o图4120m长波高低不平顺有效值分布1.3典型车体垂向加速度超限某高铁动态验收阶段由竖曲线引起的车体垂向加速度超限案例如图5(a)所示。竖曲线半径为规范规定的最小值2 5 0 0 0 m,当列车以时速3 5 0 km通过竖曲线起点时,车体垂向加速度达到1.1m/s,超出验收I级标准(1m/s)。12 0 m长波高低不平顺为-4.4mm,尽管幅值较大但并未超限。该区段动检数据功率谱如图5(b)、(c)所示,高
24、低不平顺和车体垂向加速度均存在由长5.4m的CRTS型轨道板所引起的周期性成分,且携带的能量较大 8 。结合时域波形可以得出,列车在经过竖曲线起点时,由离心加速度、竖曲线起点带来的冲击以及CRTS型板周期性高低不平顺这3 个因素共同作用,导致车体垂向加速度产生验收级超限竖曲线段车体垂向加速度峰值分布情况如图6 所示。可以看出,部分半径为2 5 0 0 0 m和3 0 0 0 0 m的竖曲线存在车体垂向加速度I级超限。相同坡度代数差条件下,竖曲线半径越大,车体垂向加速度峰值具有降低的趋势。4注:42m;120m20-2-4(z-s.)/率回垂1.0验收级0.500.52139.92140.021
25、40.12140.22140.32.140.4里程/km(a)时域波形(/)/32.7m5.4m5.4m10110032.7n2.710-1:(c-s.w)10-210-310-410-510-615105010015.1050100波长/m波长/m(b)高低不平顺功率谱(c)车体垂向加速度功率谱图5竖曲线B动检数据1.22个注:=2 5 0 0 0 30000;35000;400000.9运维级0.60.30010 20.301020300102030010203040坡度代数差/%o图6车体垂向加速度峰值分布2竖曲线参数与轨道动态不平顺关联关系2.1现行竖曲线参数取值原则目前,高速铁路最小
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