高速动车组运行性能与乘坐舒适度的关系研究

高速动车组运行性能与乘坐舒适度的关系研究

刘天宇、李尚宇、庞博

长春轨道客车股份有限公司 高速制造中心 长春 130000

引言

动车组的运行性能和乘坐舒适度主要按运行稳定性、运行安全性、轮轴横向力和运行平稳性来评定。运行稳定性包括线性稳定性和非线性稳定性（又称为横向运动稳定性或蛇行运动稳定性）。运行安全性分别按脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轴（横向）力来评定。本文以引进西门子的CRH3动车组动为例，进行力学仿真计算分析和说明。所计算分析内容涵盖了CRH3动车组的运行稳定性、安全性、平稳性、轮轴横向力和轮轨关系等方面的内容。

1、运行安全性

1.1、脱轨系数

在《铁道车辆动力性能评定和试验鉴定规范》（以下简写为GB5599-85）中定义为：爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力Q与其作用与钢轨上的垂向力P的比值。即：脱轨系数=Q/P≤0.8由于在西门子的UIC518标准中采用Y表示横向力，Q表示垂向力，因而西门子公司在概念中采用了欧洲习惯的表达方式，即用Y/Q代替Q/P表示脱轨系数。

1.2、减载率

GB5599-85中定义为：轮重减载量Δp与该轴平均静轮重p的比值；即：轮重减载率=Δp/p，其中：Δp=pd-p，pd是动态下的实测轴重。按规定：当速度≤160km/h时，轮重减载率≤0.65；当速度≥160km/h时，轮重减载率按准静态和动态两种工况考察。其中，准静态轮重减载率是只考察准静力作用下的减载率，其限值：=0.65（准静态）。西门子概念中采用了欧洲习惯的表示方法:△Q/Q0=0.65。动态轮重减载率是同时考察动态作用下的减载率，其限值：=0.80（动态）。西门子概念中的表达方式为：△Q/Q0 =0.80。

1.3、倾覆系数

按GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定

规范》规定：倾覆系数D=Pd/Pet<0.8。

2、运行稳定性

运行稳定性主要考察非线性稳定性，即横向运动稳定性（或者说蛇行运动稳定性），考核对象为构架的横向加速度，其限值为连续6个周期8～10m/s2(0.5～10Hz，见图1)。开始出现失稳时的速度，称为第一临界速度，Vc2是车辆减速恢复到稳定状态时的速度，称为第二临界速度。

3、运行平稳性

动车组的运行平稳性分别按舒适度指数Nmv或平稳性指标ω评定。其中，ω=7.08 式中，A为振动加速度； f为振动频率；F（f）为频率修正系数，查表取值。对于CRH3动车组，要求：ω≤2.5（客室），司机室ω≤3.5。其中Nmv是参照UIC518确定的评定参数（在GB5599中无此参数）。其目标是用乘客所能感受到的振动（加速度）来评定乘坐舒适性。但是，由于每个人在对于振动中对舒适性的感觉是不同的，因而，该参数具有统计数据的特征。对于CRH3的动车组，要求客室Nmv=2.0；司机室 Nmv=4.0。

4、最高运行速度

在西门子概念中明确阐明，CRH3的最高运营速度为300km/h，在该速度下动车组不仅要满足运行安全性要求，而且还必须要满足运行平稳性要求。即,ω值和Nmv要符合相关规定。在西门子概念中明确阐明，CRH3动车组的最高试验速度为330km/h，在该速度下，动车组必须要满足运行安全性要求，即脱轨系数，轮重减载率，倾覆系数，轮轴力要符合相关规定；但可以不将平稳性（ω值）和振动舒适性（Nmv）做为强制性考核指标。在西门子概念中明确阐明，CRH3动车组的最高速度为350km/h，在该速度下，不强制考核运行安全性指标，也不考核运行平稳性。CRH3动车组在300km/h速度下，能够顺利通过的弯道曲线半径为7000m；在200km/h速度下，能够顺利通过的弯道曲线半径为2200m。CRH3动车组组适应的曲线超高为180mm。CRH3动车组允许的曲线欠超高在不利条件下为110mm，其未平衡离心加速度为≤0.72m/s2，正常条件下为80mm。

5、动力学仿真计算

在西门子概念中确定CRH3动车组的动力学仿真计算包括：线性稳定性计算；非线性稳定性计算，其中包括直线段和曲线段的分析计算。既需要分析准静态曲线通过能力和动态曲线通过能力；最后进行轮轨力和加速度评估。西门子概念中阐述，动力学仿真计算将对CRH3动车组的动车及其转向架和拖车及其转向架，建立集中质量、刚度、阻尼构成的计算模型。在西门子概念中还将研究轮轨关系，即车轮路面形状，钢轨轨头形状及两者之间的接触关系。西门子概念确定的动力学仿真计算工况如下：（1）运行品质分析计算西门子概念选择的线性稳定性计算工况为：速度V=200km/h、250km/h、300km/h、330km/h和350km/h。（2）曲线通过计算西门子概念选择的曲线通过的线性稳定性计算工况为：速度V=200km/h、250km/h、300km/h、330km/h和350km/h。（3）动车组的非线性计算模型以下的曲线超高和曲线半径的依存关系是按特定的曲线线路条件给出的。该特定曲线条件为动车组以200km/h的速度通过2200m的曲线时的欠超高为110mm，相当于存在0.72m/s2的未平衡离心加速度。

6、结论

本概念主要阐述的内容和结论性说明为：⑴ 在保证运行平稳性合舒适性的前提下，CRH3动车组的最高运营速度可以达到300km/h；此时客室平稳性指标ω≤2.7，司机室平稳性指标ω≤3.5；振动舒适度指标Nmv=2.2（客室），Nmv=4.0（司机室）。⑵ 在保证运用安全性的前提下，CRH3动车组的最高试验速度为330km/h，此时，对平稳性指标不做强制性要求，但其安全性指标可以达到：脱轨系数：≤0.8轮重减载率：≤0.65（准静态）≤0.8（动态）轮轴横向力：≤170kN。倾覆系数：D≤0.8⑶ 在不失稳的前提下，CRH3动车组的理论最高速度为350km/h，即此时CRH3动车组转向架构架不会在0.5～10Hz的振动频率内，出现连续6个周期的横向振动加速度达到8～10m/s2的现象。但对运行平稳性和安全性均不做强制性要求。⑷ CRH3动车组的曲线通过速度为：R≥2200m时，V=200km/h；R≥7000m时，V=300km/h。⑸ CRH3动车组适于在无渣轨道上运用，对于冰雪路面需要采取清扫措施或限速。

参考文献

[1] GB5599-85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S]

[2] UIC518.铁道车辆的动力性能-安全性-线路疲劳-乘坐质量试验和认证方法[S]