（道路与铁道工程专业论文）高速铁路舒适度评价方法研究及在平纵断面参数选取中的应用.pdf

l 学位论文版权使用授权书 l y m i 呲7 8 叭叭0 m 4 m 2 1 l 7 帆 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北 京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务。 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一签司b 乱橼 签字日期：2 - i o 年b 月z 尹日 导师签名： l奄 缎天移 签字日期：矽，o 年6 月矽日 ， v 一 中图分类号：u 2 3 1 u d c ：6 2 5 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 高速铁路舒适度评价方法研究及在平纵断面参数选取中的应用 s t u d yo nr i d i n gc o m f o r t a b l i t ye v a l u a t i n gm e t h o d sa n dt h ea p p l i c a t i o nt o s e l e c t i o no fl i n ep a r a m e t e r so f h i g hs p e e dr a i l w a y 作者姓名：鲍凤麒 导师姓名：魏庆朝 学号：0 8 1 2 1 7 6 0 职称：教授 学位类别：工学学位级别：硕士 学科专业：道路与铁道工程 研究方向：线路勘测设计理论 与技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ，? 致谢 本论文的工作是在我的导师魏庆朝教授的悉心指导下完成的，魏庆朝教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来魏庆朝老师对 我的关心和指导。 魏庆朝教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我 很大的关心和帮助，在此再次向魏庆朝教授表示衷心的谢意。 时瑾副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，龙许友博士、尹国栋博士、王英杰博士等同学对我 论文中的相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 ，io， ， t 中文摘要 中文摘要 摘要：中国人口众多、内陆深广，解决大规模人口流动问题，最安全、最快捷、最经济、 最环保、最可靠的交通方式是高速铁路。预计到2 0 2 0 年，中国2 0 0 k m 及以上时速的高 速铁路建设里程将超过1 8 万公里，将占世界高速铁路总里程的一半以上。 高速是我国铁路现代化的一个重要发展方向。在大力发展高速铁路的同时，应确保 列车运行品质不随速度的提高而降低。如何通过线路设计参数的合理设置来达到提高旅 客舒适度的目的，是高速铁路的重要研究课题之一。 本文论述了旅客舒适度理论，分析了舒适度的主要影响因素，详细介绍了世界上主 流的舒适度评价方法，并对各种评价方法的特点做出分析，论证了u i c 5 1 3 评价方法是 适合我国高速铁路舒适度评价的。 使用m a t l a b 语言编写s p e r l i n g 方法计算程序和u i c 5 13 方法计算程。哼0 在此基础 之上，详细分析了s p e r l i n g 评价方法、u i c 5 1 3 评价方法和i s 0 2 6 3 1 评价方法之间的相 互关系。 总结了现行的高速铁路主要设计参数的研究方法，如最小圆曲线半径、缓和曲线线 形及长度、竖曲线半径等参数的确定原则和方法。在此基础之上，使用车一线耦合系统 动力学模型，模拟了不同工况下的列车加速度数据，并采用自编程序进行计算分析，最 后从舒适度的角度对相关结果进行动力学分析。 关键词：高速铁路：舒适度；相互关系；线路参数；曲线拟合； 分类号：u 2 3 1 j ，j a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：c h i n ah a sal a r g e p o p u l a t i o na n dt e r r i t o r y , t h eb e s ta p p r o a c h t os o l v e l a r g e s c a l ep o p u l a t i o nm i g r a t i o ni sh i g h - s p e e dr a i l w a y a si sp l a n n e d ，u pt o2 0 2 0 ，t h em i l e a g e o fc h i n a sh i 曲一s p e e dr a i l w a yw i l le x c e e d18 0 0 0 0k m ，h a l fo ft h em i l e a g eo ft h ew o r l d st o t a l a tl e a s t h i 曲s p e e di sav e r yi m p o r t a n td i r e c t i o nf o rc h i n ar a i l w a y sm o d e r n i z a t i o n h i g hs p e e d r a i l w a ys h o u l db ed e v e l o p e d , a tt h es a m et i m e ，m a k es u r et h a tt h eo p e r a t i o nq u a l i t ys h o u l d n o tb ed e c r e a s e da st h er u n n i n gs p e e di si n c r e a s i n g i ti sa l li m p o r t a n ts u b j e c tf o ru st o i n c r e a s et h er i d i n gc o m f o r t a b l i t yt h r o u g hr e a s o n a b l es e t t i n g sf o rl i n ep a r a m e t e r s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h et h e o r i e so fr i d i n gc o m f o r t a b l i t y , a n a l y s e st h em a i nf a c t o r so f r i d i n gc o m f o r t a b l i t y , a n di n t r o d u c e st h em a i n s t r e a mr i d i n gc o m f o r t a b l i t yc a l c u l a t i n gm e t h o d i nt h ew o r l d , p r o v e st h a tu i c 513m e t h o di ss u i t a b l ef o rc h i n a a l s ot h es p e r l i n gm e t h o dp r o g r a ma n du i c 513m e t h o dp r o g r a ma r ec o m p i l e d , u s i n g m a t l a b b a s e do nt h e s e ，t h ec o r r e l a t i o no fs p e r l i n gm e t h o d , u i c 513m e t h o da n di s 0 2 6 31 m e t h o di sd e d u c e d a tl a s tt h i sp a p e rs u m m a r i z e sr e s e a r c hm e t h o d so fm a i nl i n ep a r a m e t e r so fh i g h - s p e e d r a i l w a y , s u c ha st h em i n i m u mr a d i u so fh o r i z o n t a lc u r v e s ，l e n g t ha n da l i g n m e n to ft r a n s i t i o n c u r v e s b a s e d0 1 1t h e s e ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ea c c e l e r a t i o nd a t ab yu s i n ga d y n a m i cm o d e l o fv e h i c l e t r a c k c o u p l i n gs y s t e m , c a l c u l a t e s t h e e o m f o r t a b l i t yi n d e x e si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，a n df i n a l l ym a k e sad y n a m i ca n a l y s i so fr e l a t e dr e s u l t si nt h et e r mo fr i d i n g e o m f o r t a b l i t y k e y w o r d s ：h i g l l 一s p e e dr a i l w a y ；r i d i n gc o m f o r t a b l i t y ； c u r v ef i t t i n g c l a s sn 0 ：u 2 3 1 。 v 目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t v l 绪论1 1 1选题背景1 1 2 国内外研究现状及问题1 1 2 1 国内外研究现状2 1 2 2 目前尚存在的问题3 1 3 本论文主要研究工作3 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础5 2 1 高速铁路线路参数研究。5 2 1 1 平面参数5 2 1 2 纵断面参数1 l 2 2 车辆一线路动力学模型简介1 2 2 2 1 车辆模型1 3 2 2 2 轨道模型1 4 2 2 3 线路模型1 5 2 2 4 轮轨关系模型15 2 2 5 系统求解1 7 2 3 本章小结18 3 舒适度评价方法及程序开发2 l 3 1 舒适度理论2 1 3 1 1 舒适度理论简介2 l 3 1 2 影响舒适度的因素2 2 3 2 舒适度评价方法介绍及分析2 3 3 3s p e r l i n g 平稳性指标计算程序3 5 3 3 1 计算步骤及流程图。3 5 3 3 2s p c r l i n g 方法计算程序简介3 6 3 4u i c513 评价方法计算程序3 7 3 4 1 计算步骤及流程图3 7 3 4 2 测点布置及加权曲线3 8 目录 3 4 3u i c 5 1 3 方法计算程序简介3 9 3 5 程序演算。4 0 3 6 本章小结4 1 4 舒适度评价方法相互关系研究4 3 4 1s p e r l i n g 方法与i s 0 2 6 31 方法间关系研究。4 3 4 1 1s p e r l i n g 方法推导过程4 3 4 1 2i s 0 2 6 31 方法演变过程4 4 4 1 3 关系研究4 5 4 2s p e r l i n g 方法与u i c 5 1 3 方法间的关系研究4 8 4 2 1s p e r l i n g 方法和u i c 513 方法对比研究4 8 4 2 2 关系研究51 4 3 本章小结。5 9 5 平纵断面参数对舒适度的影响研究6 1 5 1 平面圆曲线半径设置问题。6 1 5 2 平面缓和曲线长度设置问题6 3 5 3 竖曲线半径设置问题6 6 5 4 线形对舒适度的贡献研究6 8 5 5 本章小结7 0 6 总结与展望7 l 6 1 结论研究7 l 6 2 展望7 2 参考文献7 3 i 村蜀乏a 一7 7 作者简历7 9 独创性声明8l 学位论文数据集8 3 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 近半个世纪以来，运营速度2 0 0 k m h 以上的高速铁路建设在日本、法国、德 国等世界上多个国家取得了成功，快捷、方便、舒适的高速铁路不仅支持了这些 国家的社会经济发展，而且丰富了铁路的内涵。进入2 1 世纪，相对于公路、航空、 水运等交通方式，高速铁路因具有输送能力大、速度快、安全性高、正点率高、 占用土地资源少、能耗低、环境污染小、全天候运行的特点，综合比较优势增大， 在交通体系中扮演的角色日益突出，成为世界铁路发展的潮流，也是国家综合实 力和发展水平的象征。 由于生活品质的改善，随着列车速度的不断提高，乘客对行车时的舒适度要 求越来越高。舒适度是体现高速列车品质的一个重要因素，是唯一涵盖了主观和 客观两个方面因素的指标。 舒适度从广义上讲，是指乘坐列车的旅客对乘车旅行品质的综合反应评价， 涉及到物理因素、生理因素和心理因素。舒适度从狭义上讲，是指车辆的运行平 稳性，是线路与车辆对乘客的共同作用影响，主要是振动对整个运行过程的影响。 在高速行车条件下，列车在行驶过程中会产生各种振动。由于速度较快，各 种振动的衰减周期延长，振动的叠加可能导致运行舒适度的恶化。因此，有必要 深入研究舒适度评价方法的基本原理，从舒适度角度去分析线路参数，推动高速 铁路线路设计理论向纵深发展，这对保证旅客舒适度、铁路行车安全性以及进一 步提高我国高速铁路运营速度具有重要意义。 1 2 国内外研究现状及问题 线路设计参数作为高速铁路设计的核心内容，随着高速铁路技术的飞速发展， 该方面的研究被不断的推进和创新，其中舒适度作为线路参数设计的重要考虑因 素，在线路设计参数的研究中被重点考虑。如下将分析高速铁路线路设计参数研 究现状与进展，总结已取得的研究成果，指出尚需进一步完善的问题。 北京交通大学硕士学位论文 究现状 代以来，我国铁路运输迅速发展，既有线列车全面提速，重载、 设。随着广深准高速铁路的建设以及京沪高速前期工作的开展， 求，相关科研与设计单位对线路设计参数及标准展开了大量研 新、补充也越来越频繁。 白宝英【l 】从舒适度、线位选择、优化工程设计、施工及养护精度 探讨了欠超高和超高时变率与缓和曲线标准的关系，提出在一 定的设计边界条件下对欠超高取值、缓和曲线长度等提出了一些建议。广州铁路 分局肖国根【2 】从动力性能、测设以及养护维修角度出发，对缓和曲线曲率、超高变 化等进行了分析，得出1 6 0 k m h 以下使用三次缓和曲线完全能满足要求，而广深 准高速铁路2 0 0 k m h 区段可以采用五次缓和曲线。西南交通大学周宪忠等p j 在应用 车辆动力学的原理和方法建立客车车辆横向与垂向动力学模型的基础上，对规范 推荐的高速铁路线路平面曲线设计标准及参数进行动力学检算，以检验车辆通过 曲线时的安全性，由此得出了推荐标准及线路参数可行的结论。北京交通大学和 铁道科学研究院利用北美铁道协会( a a r ) 开发的大型商业通用轮轨动力学仿真计 算软件n u c a r s ，对秦沈客运专线高速试验段采用的三次抛物线型缓和曲线进行 了列车线路动力学仿真分析，并与日本新干线采用的半波正弦缓和曲线进行了对 比，同时也对中国与日本新干线不同超高设置方法对轮轨动力学性能的影响进行 了对比仿真计算。研究结果表明，现在使用的缓和曲线线型以及中国式超高设置 方法满足秦沈线试验段高速试验要求的安全性和舒适性 4 1 。同济大学许玉德、徐其 昌1 5 】阐述了在提高既有线行车速度时缓和曲线长度的计算方法，讨论了缓和曲线长 度和超高受到限制条件时如何确定最高行车速度，提出了困难时可适当降低舒适 度标准来提高行车速度。广州铁路集团王小文 6 1 采用车辆动态曲线通过理论研究 了车辆曲线通过安全和舒适度与缓和曲线线型之间的关系，为准高速、高速铁路 缓和曲线线型选择提供了理论依据，研究认为铺设高次缓和曲线对提高旅客舒适 度效果不明显，广深准高速铁路可以采用三次螺旋缓和曲线。张添欣、刘万明、 周宪忠等【7 】采用动力学模型计算了高中速混跑和高速客车运行条件下一般地段及 困难地段曲线通过时的动力学指标，分析了曲线参数对行车安全及舒适度的影响。 中南大学许国平等【8 】分析了缓和曲线线型基本条件与运营性能的关系，阐明了运营 性能在高速铁路缓和曲线选型中的重要性，研究得到：半波正弦缓和曲线运营性 能占有优势，七次四项式在缩短长度方面占有优势，拟九次方缓和曲线消除了缓 和曲线端点处的突变值，理论性能指标显著优越。铁道科学研究院等相关单位和 2 1 绪论 个人 9 1 1 1 0 1 【1 1 1 【1 2 1 1 3 1 ，利用n u c a r s 、a b a q u s 等仿真软件，建立相关车线动力学模 型，分析计算了不同速度下各种线路参数设置对动力学指标的影响。何华武等【1 4 】【1 5 1 通过实车提速综合试验和提速交会试验研究得到：2 0 0k m h 级提速改造线路单绕 或双绕地段的最小曲线半径一般可采用3 5 0 0 m ；提速改造线路仍然采用三次抛物 线型缓和曲线比较合理：其长度按照线路缓和曲线超高时变率一般地段为2 8 m m s ； 竖曲线半径不小于1 5 0 0 0m 。 国外，z k i z y s z t o f 1 6 对车辆在曲线轨道上的动力问题进行了深入研究，研究表 明常规理论在分析曲线上轨道不平顺对行车动力性能影响以及曲线上临界速度大 小等问题上有一定的限制。ys a t o 1 7 1 采用v a m p i r e 软件分析了日本常用的几种 缓和曲线线型对车辆动力响应影响并提出了一种新的缓和曲线线型。 l o u i s t k l a u d e r 利用n u c a r s 进行动力仿真，得到改善型三次抛物线型缓和曲线 能明显降低车体横向加速度和轮轨横向力的变化幅度【1 8 】。 1 2 2 目前尚存在的问题 舒适度是铁路领域中非常重要的一个动力学指标，其值大小受到很多因素的 影响。迄今为止，国内外出现了很多种评价方法，而这些评价方法的评价方式都 不一样，铁路工作者在进行舒适度评价的时候，较难选择合适的舒适度评价方法。 我国现行的舒适度评价主要是通过平稳性指标来进行，主要用于评价线路方 案的合理性。舒适度评判是以人及其感觉为对象的，国际上一些舒适度评价方法f 如 i s 0 2 6 31 、u i c 513 ) 更适合于对旅客乘坐舒适度做出客观评价。 因此，本论文将重点研究国际上主流的舒适度评价方法间的相互关系。采用 u i c 5 1 3 舒适度评价体系和国内正在使用的s p e r l i n g 平稳性指标进行计算，从舒适 度的角度出发，初步分析高速铁路线路平纵断面参数对舒适度的影响，从而为高 速铁路设计参数选取提供建议。 1 3 本论文主要研究工作 ( 1 ) 详细介绍国际上已出现过的各种舒适度( 平稳性) 评价方法，分析每种方法 的特点； ( 2 ) 使用m a t l a b 语言编写s p e r l i n g 评价方法程序和u i c 513 评价方法程序； ( 3 ) 研究s p e r l i n g 评价方法、i s 0 2 6 3 1 评价方法、u i c 5 1 3 评价方法之间的相互 关系； 北京交通大学硕士学位论文 不同高速铁路线路参数进行动力学分析。通过模拟不同线路工况，使用 价方法及u i c 5 1 3 评价方法计算，以分析不同高速铁路线路参数对舒适 4 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础 高速铁路要求线路平纵断面线形变化平缓、轨道的高平顺性要求其赖以存在 的空间线路曲线尽可能平滑，即线路平纵断面的变化尽可能平缓。无论是平面曲 线还是立面曲线，曲率变化快的地方，轮轨间的相互作用力都会增加，线形也难 于保持，往往是产生轨道不平顺的处所；同时，列车在曲线上运行时，产生离心 力与列车速度的平方成正比，将影响列车运行的舒适、平稳和安全。 本章详细介绍了高速铁路线路参数的主要研究方法，主要包括圆曲线最小半 径、缓和曲线线型及长度、夹直线及圆曲线的最小长度和竖圆曲线半径的确定等 等。在此基础之上，建立了车线动力相互作用分析模型。该模型较为全面地考虑 了线路平纵横断面特征、车辆及轨道结构参振特性及轮轨间动态相互关系等因素， 重点突出线路参数对系统动力响应影响的建模。 2 1 高速铁路线路参数研究 2 1 1 平面参数 2 1 1 1 曲线半径 线路平面曲线半径的确定，取决于铁路运输要求和所在地区自然条件等因素。 随着行车速度的提高，对铁路各项技术标准也有更高要求。目前各国高速铁路的 最小曲线半径标准一般为2 0 0 0 4 0 0 0 m ，个别线路有采用7 0 0 0 m 的。在既有高速旅 客列车专用线中，日本东海道新干线最高速度2 1 0 k m h ，最小曲线半径4 0 0 0 m ( 困 难条件下3 5 0 0 m ) ；法国巴黎一里昂铁路最高速度2 5 0 3 0 0 k m h ，最小曲线半径 4 0 0 0 m ( 困难条件下3 2 0 0 m ) 。 曲线半径选用原则是选择圆曲线半径时，应优先选用常用半径，从而提高列 车通过曲线的运行品质，使线路与列车间保持良好的匹配关系，实现线路“少维修” 的目标。在困难地段允许采用最小半径，但必须慎用，以降低最小半径出现频次， 使线路养护维修工作的难度和工作量控制在适度范围之内；在特殊困难地段，经 技术经济比选，方可采用困难地段最小半径，严格控制其出现频次。 为了满足客运专线铁路的设计速度要求，当实设超高与欠超高之和为 办+ 吃】 时，其最小曲线半径按照式2 1 确剧1 9 l ： 5 通大学硕士学位论文 t v ，z = 1 1 8 丽l n l “ 确定，考虑高速低差要求，以及最高设计速度 、曲线半径为7 0 0 0 m ；在特殊困难条件下，当 值为2 7 0 m m ，此时最小曲线半径为5 5 0 0 m ，采 用此最小曲线半径时，是在特殊困难条件下，经过技术经济必选才能使用。 对于有砟轨道最小曲线半径的确定，也是根据高低速差要求，以及最高设计 速度要求，来确定最小曲线半径。 表2 1 、2 2 介绍了我国高速铁路对于无砟轨道和有砟轨道平面圆曲线半径的 相关规定。 表2 1 无砟轨道线路平面圆曲线半径 t a b l e 2 1r a d i u so fp l a n ec u r v eo fu n b a l l a s t e dt r a c k 设计速度( k m h )推荐曲线半径( m )最小曲线半径( m ) 3 5 08 0 0 0 1 0 0 0 0 7 0 0 0 ( 5 5 0 0 ) 3 5 0 5 5 0 0 8 0 0 0 4 5 0 0 ( 4 0 0 0 ) 注：括号内数值为特殊困难条件下经过经济技术比选之后方可采用的个别曲线半径。 表2 - 2 有砟轨道线路平面圆曲线半径 t a b l e 2 2r a d i u so fp l a n ec u r v eo fb a l l a s t e dt r a c k 设计速度( k m h )推荐曲线半径( m )最小曲线半径( m ) 3 5 09 0 0 0 11 0 0 07 0 0 0 3 5 0 6 0 0 0 9 0 0 0 5 0 0 0 ( 4 5 0 0 ) 注：括号内数值为特殊困难条件下经过经济技术比选之后方可采用的个别曲线半径。 2 1 1 2 超高 列车在曲线上运行时会产生离心力，所以必须在外侧钢轨轨面和内侧钢轨轨 面设置一定高差，使列车产生向心力作用来平衡离心力，防止列车向外侧倾倒， 保证列车运行的安全和平稳。 按照最理想的情况，按理论超高值设置曲线外轨超高，即可抵消列车在曲线 上运行时产生的离心力，使两侧钢轨承受同等压力，钢轨侧面磨耗最小，列车运 行最为安全平稳。但是理论超高只适用于各种列车运行速度相同的线路，在实际 运行时根本不存在。实际中一条线路上的列车运行速度都不一致，特别是既有客 运又有货运、速度相差较悬殊的铁路，便不存在理论超高，因理论超高不能同时 6 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础 满足通过该曲线的不同速度列车的运行要求。所以在实际工作中，通常是按照各 种列车的平均速度( 圪) 计算并设置超高，这种实际设置超高值介于高速度情况下 ( ) 的理论超高和低速度情况下( ) 的理论超高之间，即： d m 1 1 名圪兹抛1 1 盘吆 ) 这样设置的超高是一种折中的做法，可使高速列车通过时发生的不平衡离心 力保持在容许范围之内，同时当列车以低速通过时，在内侧钢轨上引起的超载也 不致过大。 另外，从日常的运营维护来考虑，当最大实设超高大于2 0 0 m m 时，会增加道 床整理维护作业量，因此最大实设超高不应不大于2 0 0 m m 。 最大实设超高主要取决于列车在曲线上停车时的安全、稳定和旅客乘坐舒适 度要求。根据铁科研1 9 8 0 年的实验研究，当列车停在超高为2 0 0 m m 及以上的曲 线上时，部分旅客感觉站立不稳，行走困难甚至头晕。日本新干线为了保留一定 的安全裕度，其最大实设超高值只有1 8 0 m m ，困难条件下采用2 0 0 m m 。法国巴黎 里昂客运线采用1 8 0 m m ，意大利罗马一佛罗伦萨客货混运线采用1 2 5 m m 。我国 为了满足不同轨道结构要求，规定最大超高为1 7 0 r a m 2 0 1 。 关于超高的设置方法，世界上主要高铁国家有两种办法。我国等一些国家采 用的是保持内轨不动、抬高外轨；而日本高速新干线采用内轨降低1 2 超高度、外 轨抬高1 2 超高度的方法，这样做可以减小限界，避免行驶于缓和曲线上车辆重心 的上下移动【2 1 1 2 2 。 综上所述，关于曲线实设超高值，应按列车平均速度求算，以满足内外轨负 荷均等的要求，此外还应对欠超高与过超高加以适当控制，以满足旅客舒适和货 物运输安全要求，并便于线路维修、养护等条件，即： 死一h 9 x l o 3 圪x h 高速铁路缓和曲线的另外一个问题就是缓和曲线线型【1 l 【6 】。 8 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础 随着列车时速的不断增长，时速较低时所使用的缓和曲线线型已经不能满足 舒适度的需要。为了改善这种状况，不少国家研究采用了曲线型超高顺坡缓和曲 线。 英国铁路速度在时速2 0 0k m 及以上线路上，没有采纳u i c 的建议，而是在3 次抛物线型缓和曲线两端的立面上加一特定长度的满足哆么= 0 的2 次方圆曲线 圆顺段，以减小高速机车车辆通过缓和曲线起、终点处所产生的附加作用力，提 高高速列车运行平稳度。可将其简称为“3 加圆”3 次改善型。 法国铁路专家在设计s e t g v 线时，既不采纳u i c 的建议，也不“借用”英国 所采用的“3 加圆”3 次改善型，而是采用在3 次抛物线型缓和曲线两端立面上加一 4 0 m 长满足哆厶= 0 的余弦曲线圆顺段，可将其简称为“3 加余”3 次改善型。英、 法两国高速铁路所采用的3 次改善型缓和曲线，同属简单曲线_ 3 次一曲线三段组 合对称型。 德国1 9 9 1 年7 月1 日生效的d s 8 0 00 2 规范规定，高速铁路缓和曲线采用 3 次抛物线型，对时速2 5 0k m 至3 0 0 k m 的线路，超高顺坡坡度f 彳o v ；大于 3 0 0k m ，f 彳，矿实质上，是在原型基础上对平、立面进行了改善，以满足高速 列车运行要求。 众所周知，理论上，因3 次抛物线缓和曲线起、终点超高存在突变，机车车 辆通过该点时将产生附加作用力和摇晃，从而使行车不平稳，而行车的不平稳又 导致线路的不平顺( 轨道几何状态变形) ，这一互为因果的作用，将影响对高速铁路 线路缓和曲线线形的保持，因此必须将所产生的附加作用力限于某一允许值之内。 在这种情况下，又出现了在三次式缓和曲线始终点附近，将超高和正矢作适当调 整的所谓改善直线型顺坡缓和曲线。我国高速铁路平面所使用的缓和曲线线型正 是这种类型瞄】。 总之，关于缓和曲线线型的选择，应以高速行车安全舒适为前提，并考虑计 算、测设及养护工作的方便。条件困难地段，更要注意结合工程大小全面衡量确 定。对新建高速旅客列车专用线路，应特别重视对旅行舒适度的影响，在改造既 有线以提高行车速度时，要注意最大限度减小改建工程、节省投资的可能性。 9 北京交通大学硕士学位论文 线及圆曲线最小长度 面由直线、圆曲线、缓和曲线三个要素组成，在设计高速铁路线 顺直为前提，力争设置较长的直线段，以缩短线路长度，改善运 适应地形，绕避地物以减小工程数量和工程投资，必须设置一定 长度的圆曲线和缓和曲线，缓和曲线间夹直线和圆曲线的最小长度主要受到列车 运行平稳和旅客乘坐舒适条件的控制，另外也受到轨道检测、机械化养路作业要 求的限制。 由于高速铁路的运行速度较高，“缓和曲线一夹直线缓和曲线”、“缓和曲线 一圆曲线缓和曲线”的组合形式实质上是一组放大了的线路不平顺，将会对列车 运行的平稳和旅客乘坐舒适性产生一些不利影响。列车经过这样的地段，除了在 缓和曲线上产生的振动外，在线形变化点前后由于线路曲率、超高的变化，将产 生一定的振动激扰，其激扰振动是否会产生叠加受列车运行速度和夹直线及圆曲 线长度控制，还与列车振动衰减特性有关。 因此，理论上列车运行平稳、旅客乘坐舒适所要求的夹直线和圆曲线的最小 长度，通常按列车在缓和曲线出入口( 即夹直线或圆曲线的起终点) 产生的振动不致 叠加考虑。根据实验结果，车辆振动的周期大概为1 0 s ，列车在缓和曲线出入口产 生的振动在一个半至两个周期内基本衰减完。按两个周期计算，则夹直线或圆曲 线的最小长度为： 矿 厶血= 2 x 詈= 0 6 ( 2 1 2 ) j o 我国既有干线一般地段夹直线长度标准约为0 6 v 一- 0 6 7 。国外最高运营 时速2 0 0 - 3 5 0 k i n 高速铁路的夹直线和圆曲线最小长度约为0 4 v 一- 1 0 。 下表是国外高速铁路夹直线和圆曲线的最小长度与运营速度的关系。 表2 3 国外高速铁路夹直线和圆曲线的最小长度与运营速度关系 t a b l e2 - 3r e l a t i o n sb e t w e e nl m 血a n do p e r a t i n gs p e e da b r o a d 国家线路 运营速度( k m h ) 夹直线和圆曲线的最 法国 t 6 v ( 规划) 3 5 0 1 0 圪。 俄罗斯中央南方线 3 0 0 o 6 7 圪。 澳大利亚悉尼墨尔本3 5 0o 5 7 法国 t g v ( 运营) 2 7 0 3 0 0 o 6 7 英国e u r o s t a r2 0 0 2 5 0 0 5 德国i c e2 0 0 o 4 圪。 东海道新干线2 0 0 o 4 2 圪。 日本 山阳新干线2 5 0 0 4 2 1 0 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础 综上所述，我国高速铁路夹直线或圆曲线的最小长度一般按o 8 计算确定， 困难条件下按0 6 v m 田, 计算确定。显然，随着高速铁路的运行速度越来越高，为了 保证乘客舒适度要求，夹直线和圆曲线的最小长度必然需要逐渐提高。 2 1 2 纵断面参数 2 1 2 1 纵断面最小坡段长度 从列车运行的平稳性和舒适性出发，纵断面最小坡段长度宜设计为较长的坡 段；但从节省工程投资的角度出发，较短的坡段能够较好的适应地形，减少工程 数量，降低工程投资。因此，最小坡段长度的确定，既要满足列车运行的平稳性 和舒适性要求，又要尽可能的节约工程投资，使两者取得最佳的统一。 从列车运行平稳性和舒适性出发，最小坡段长度除应满足两竖曲线不重叠之 外，还应考虑两竖曲线之间有一定的夹直线长度，确保列车在前一个竖曲线上产 生的振动在夹直线长度范围内完成衰减，不与下一个竖曲线上产生的振动造成叠 加。 对于两竖曲线间夹坡段长度的要求，德国、日本两国高速铁路的规范无具体 规定，但法国高铁要求两竖曲线之间夹坡段长度不得小于0 4 ，由于我国尚未 有这方面的经验，因此我国参照法国标准，即两竖曲线之间夹坡段长度不得小于 0 4 ，即最小坡段长度可以按下式计算，并取整为5 0 m 的倍数： = 2 x 如+ o 4 v m 脚, ( 2 一1 3 ) 其中： 出相邻坡段最大坡度差； 如一竖曲线半径，一般最小取3 0 0 0 0 m ，个别可取2 5 0 0 0 m 。 同时，为了提高行车舒适度，还规定最小坡段长度不小于9 0 0 m ，困难条件下 不小于6 0 0 m 。 2 1 2 2 竖曲线半径 为了缓和变坡点坡度的急剧变化，使列车通过变坡点不脱轨和产生的附加加 速度不超过允许值，相邻坡段的坡度差大于一定限度时，应在变坡点处设置圆曲 线型的竖曲线。 为保证列车在变坡点处的运行安全、乘客的舒适度要求，参照国外有关规范， 北京交通大学硕士学位论文 相邻坡段的坡度差超过1 o 时，就要使用圆曲线型的竖曲线。 表2 - 4 是国外高速铁路线路竖曲线半径标准。 表2 - 4 国外高速铁路线路竖曲线半径标准 t a b l e 2 - 4r e g u a t i o n so f r a d i u so f v e r t i c a lc u r v e sa b r o a d 国家线路 】 ( k m h )如( m ) 德国 i c e0 0 2 52 8 02 5 0 0 0 东海道新干线 0 0 3 82 2 01 0 0 0 0 日本 其他0 0 3 32 4 01 5 0 0 0 t g v 0 0 4 53 0 01 6 0 0 0 法国 其他 0 0 5 0 3 0 0 1 4 0 0 0 根据铁科研的研究，竖曲线半径由旅客舒适度控制。即受列车运行于竖曲线 产生的竖向离心加速度限制的最小竖曲线半径为： 如6 2 【】) ( 2 - 1 4 ) 其中， 】为乘客舒适度允许的竖向离心加速度，根据国外高速铁路的取值 经验，一般可取0 4 m s 2 ，困难时取0 5 m s 2 ，则 如0 2 v 2 和如0 1 5 v 2( 2 1 5 ) 根据上式计算取整后，我国竖曲线半径取值如下表所示： 表2 - 5 竖曲线半径表 t a b l e 2 5r a d i u so f v e r t i c a lc u r v e s v ( k m h )3 0 0 及以上 2 5 0 3 0 02 5 0 以下 如 2 5 0 0 02 0 0 0 01 5 0 0 0 根据上表可知，时速超过3 5 0 k i n 的高速铁路，其竖曲线半径应取2 5 0 0 0 m 。当 然，对于平面条件较好、竖曲线长度不受控制的地段，竖曲线半径可适当加大， 以提高的乘坐舒适度。同时，由于当竖曲线半径达到一定程度时，养护维修很难 达到要求，因此，根据养护维修要求，最大竖曲线半径不能超过4 0 0 0 0 m 。 2 2 车辆一线路动力学模型简介 动力学模型是动力学仿真分析的基础，模型不能过于简单，以至于不能反映 系统动力响应的主要方面与影响因素；也不宜过于复杂，使分析过程繁琐，计算 耗时长，甚至掩盖系统主要因素的影响。要根据系统的结构和特性，根据所要分 1 2 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础 析的问题，进行一定的假定，突出主要因素，忽略次要因素，建立经济、合理的 模型。 在分析高速铁路车辆、线路结构及线路几何条件等特点的基础上，本文建立 了车线动力相互作用分析模型。该模型较为全面地考虑了线路平纵横断面特征、 车辆及轨道结构参振特性及轮轨间动态相互关系等因素，重点突出线路参数对系 统动力响应影响的建模。能较为准确地反映线路设计参数对高速列车行车安全性 与乘坐舒适性的影响。 模型将车辆与线路结构分为两个子系统，两者之间以轮轨几何关系及轮轨作 用力为联系纽带。采用迭代法求解轮轨作用力，并采用分离迭代法求解系统方程， 该求解方法具有准确、高效的优点。特别是在线路几何条件的分析中，计算距离 较长，该方法求解速度的高效性优势明显。 2 2 1 车辆模型 每辆车由一车体、前后转向架及四轮对组成。车体、构架及轮对沿列车运行 方向的振动( 伸缩) 对线路结构的垂向与横向振动几乎无影响，因此，在车辆模型中 一般不需要考虑各刚体沿列车运行方向的振动，于是每一刚体有5 个自由度，分 别是浮沉、横移、侧滚、点头及摇头。轮对浮沉及侧滚由钢轨及轮对横移、摇头 决定，而不作为独立的自由度，且不考虑轮对旋转运动，因而，轮对考虑仅横移 与摇头2 个自由度。最终，车辆模型共计2 3 个自由度，见表2 6 。图2 1 、2 2 、 2 3 为车辆板式轨道分析模型示意图。 表2 - 6 车辆自由度 乃6 l e 2 - 6f r e e d o r e so f t r a i 力s 构件横移沉浮侧滚摇头点头 车体k 磊 以仇 妒c 构架( i = 1 ，2 )k i 磊i巩i仇i 垆c 轮对0 = 1 4 )k i ( 瓦i )( 钆1 )i 、1 盐一 直1 ， 气 k d lb 一生 每di 匕b 爿垄 墨 芒= j di 舛编。毖琢。“彳、鳝 h ，= 、张， 叶h 毒 一， l。 | x l ，号 宝 t = ol 苎宝 铀一f ，一 暂 l n l 一 * | 讯奄1 y 图2 - 1 模型俯视图 f i 9 2 - 1t o pv i e wo fm o d e l 北京交通大学硕士学位论文 2 2 2 轨道模型 图2 - 2 模型侧视图 f i 9 2 - 2s i d ev i e wo fm o d e l 图2 - 3 模型后视图 f i 9 2 3b a c kv i e wo fm o d e l 轨道的建模可分为集总参数轨道模型和分布参数轨道模型。集总参数轨道模 型把轨道作用等效为车辆悬挂的最后一个元件。假定车轮下钢轨变形受阻于一个 线形弹簧和一个与之平行的粘滞阻尼。该模型具有模型简单、计算方便的特点， 但等效参数难以准确确定，应用范围也有很大的局限性，只适用于定性分析轮轨 系统动力学问题。 分布参数轨道模型从根本上可分为连续弹性基础梁模型和连续弹性离散点支 承梁模型。前者将轨下基础作为均匀分布的整体地基；而后者则把轨下结构描述 成为一系列按轨枕间距相隔的离散弹性一阻尼点支承体系。前者着重反映的是轨 1 4 2 高速铁路平纵断面参数确定理论基础 道系统的最基本特征，而且是总体上的效果；而后者还可以进一步描述各个轨枕 支承点的局部影响，能更客观地反映轨道系统的实际结构特征。 论文中采用连续弹性离散点支承梁模型，并建立高速铁路轨道结构一般所采 用的板式无砟轨道模型。 2 2 3 线路模型 线路条件模型中主要包括线路几何条件与线路平顺性的建模两部分。 ( 1 ) 线路几何条件 直线、圆曲线、缓和