張曉東

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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鐵路選線設(shè)計方案的動力學(xué)性能評價與優(yōu)化研究

張曉東

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著鐵路行車速度提高和軸重增大，線路設(shè)計中應(yīng)重視動力學(xué)性能的評價與優(yōu)化。研究了動力學(xué)選線設(shè)計的原理和方法，建立了線路動力學(xué)性能評價指標(biāo)體系，提出了區(qū)段線路動力學(xué)性能評價和優(yōu)化方法。用線路動力學(xué)性能指數(shù)對線路設(shè)計方案的動力性能進行量化評價，用“影響度”表征線路設(shè)計參數(shù)變化對動力學(xué)性能指標(biāo)的影響程度，可用于指導(dǎo)對線路設(shè)計方案的動力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計。

鐵路；選線設(shè)計；動力學(xué)；評價；優(yōu)化

選線設(shè)計是鐵路設(shè)計中一項關(guān)系到全局的總體性工作，其不僅決定著鐵路運輸能力、建設(shè)投資，而且直接關(guān)系到列車運行的安全性、旅客乘坐的舒適性以及線路的穩(wěn)定性、耐久性等。隨著鐵路行車速度提高、軸重增大，機車車輛與線路間的相互動力作用愈加顯著，由此引發(fā)的動力問題日益突出。因此，有必要在鐵路選線設(shè)計中，針對每條設(shè)計線的選線方案，從動力學(xué)角度進行整體評價和優(yōu)化，即進行動力學(xué)選線設(shè)計，以盡量減小輪軌相互作用力、提高行車的安全性和旅客的舒適性。

1 動力學(xué)選線設(shè)計的理論和方法

1.1 動力學(xué)選線設(shè)計的原理

動力學(xué)選線設(shè)計，就是將機車車輛系統(tǒng)和線路系統(tǒng)作為一個相互作用、相互耦合的整體大系統(tǒng)，運用機車車輛—線路耦合動力學(xué)理論，建立車—線耦合動力仿真分析平臺，對區(qū)段線路設(shè)計方案進行全程模擬運行，以提取的全程線路的車—線整體系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)(稱作線路動力學(xué)性能指標(biāo))作為評價指標(biāo)和優(yōu)化目標(biāo)，對線路設(shè)計方案進行動力學(xué)性能的綜合評價與優(yōu)化設(shè)計，以獲取機車車輛系統(tǒng)和線路系統(tǒng)在動力學(xué)性能設(shè)計上相互適應(yīng)、相互匹配的最優(yōu)線路設(shè)計方案。與傳統(tǒng)選線設(shè)計方法區(qū)別在于，線路方案的評價與優(yōu)化中，除了考慮經(jīng)濟因素、自然因素、環(huán)境因素等之外，將線路動力學(xué)性能指標(biāo)作為方案比選的重要因素，適應(yīng)了鐵路重載化、高速化的發(fā)展趨勢；線路的動力學(xué)性能指標(biāo)并非僅僅考慮線路系統(tǒng)的動態(tài)性能，還必須考察對機車車輛系統(tǒng)的動態(tài)作用影響，即考察機車車輛系統(tǒng)是否與線路系統(tǒng)相匹配[1]，也就是機車車輛在線路上的走行性能指標(biāo)，如運行平穩(wěn)性及輪軌動態(tài)安全性指標(biāo)等，根據(jù)線路動力性能的評估結(jié)果改進線路設(shè)計參數(shù)。

1.2 動力學(xué)選線設(shè)計方法

鐵路線路動力學(xué)選線設(shè)計方法如圖1所示。將線路初始設(shè)計參數(shù)以及機車車輛參數(shù)和運營參數(shù)輸入機車車輛—線路耦合動力學(xué)仿真分析系統(tǒng)，通過模擬分析，獲取線路動力學(xué)性能指標(biāo)；根據(jù)相關(guān)機車車輛及線路結(jié)構(gòu)動力性能評定標(biāo)準(zhǔn)和方法進行綜合評估，并由此對線路設(shè)計方案進行評價；確定較差的動力性能指標(biāo)及對這些指標(biāo)影響度大的線路設(shè)計參數(shù)(如曲線半徑、緩和曲線長度、夾直線長度、坡度、變坡點位置及豎曲線等)；優(yōu)化相關(guān)線路設(shè)計參數(shù)，重新進行動力性能分析與評估，如此反復(fù)，直至獲得既能滿足線路自身動力性能要求又能保證機車車輛在該設(shè)計線路上安全平穩(wěn)運行的最佳線路設(shè)計方案。

2 線路動力學(xué)性能評價指標(biāo)體系與評價方法

2.1 線路動力學(xué)性能評價指標(biāo)體系

科學(xué)、全面的評價指標(biāo)體系是對線路設(shè)計方案進行動力學(xué)性能評價和優(yōu)化的基礎(chǔ)?；趧恿W(xué)選線設(shè)計的原理，參考文獻[2,3]等，建立如圖2所示的評價指標(biāo)體系。

圖1　動力學(xué)選線設(shè)計方法

圖2　動力學(xué)性能評價指標(biāo)體系

2.2 區(qū)段線路動力學(xué)性能評價方法

為對區(qū)段線路動力學(xué)性能進行評價，引入線路動力學(xué)性能指數(shù)Z的概念。它是考慮了線路沿程各項動力學(xué)性能指標(biāo)的評定等級及其對應(yīng)長度，以及各動力學(xué)性能指標(biāo)權(quán)重因素，對線路動力學(xué)性能的綜合評分。Z定義為：

式中：Dij為與動力學(xué)性能指標(biāo)的評定等級相對應(yīng)的分值；Wi為動力學(xué)性能指標(biāo)的權(quán)重值；n為線路沿程的采樣點個數(shù)，一般每10 m采集一個點；m為動力學(xué)性能指標(biāo)的個數(shù)。

線路方案的優(yōu)劣，根據(jù)線路動力學(xué)性能指數(shù)Z的大小排序確定，Z越小，線路的動力學(xué)性能越好。

2.2.1 動力學(xué)性能指標(biāo)權(quán)重的確定

由于設(shè)計線在路網(wǎng)中的地位、作用和性質(zhì)不同，對運營安全性、平穩(wěn)性和輪軌動力作用的要求有所不同，因此要根據(jù)設(shè)計線的特點，確定各動力學(xué)性能指標(biāo)的權(quán)重。權(quán)重的確定采用層次分析法原理。首先根據(jù)圖2所示評價指標(biāo)體系，建立如表1所示層次結(jié)構(gòu)模型；然后由設(shè)計、運營等業(yè)內(nèi)專家根據(jù)設(shè)計線在路網(wǎng)中的地位、作用和性質(zhì)，分別對各層指標(biāo)對上層的相對重要性進行兩兩對比，構(gòu)造判斷矩陣，通過層次單排序、層次總排序及一致性檢驗后，得到各指標(biāo)對于總目標(biāo)相對重要性的權(quán)重。表中括號內(nèi)給出的是某設(shè)計線的指標(biāo)權(quán)重值。

表1 層次結(jié)構(gòu)模型

2.2.2 動力學(xué)性能指標(biāo)等級評定及分值確定

將線路設(shè)計參數(shù)輸入機車車輛—線路耦合動力學(xué)仿真分析系統(tǒng)，計算設(shè)計線沿程各項動力學(xué)性能指標(biāo)。采樣頻率一般取1點/10 m。

依據(jù)文獻[2,3]中各動力學(xué)性能指標(biāo)的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計線的性質(zhì)和特點，建立各動力性能指標(biāo)等級的評語集，確定等級評定標(biāo)準(zhǔn)。各等級對應(yīng)分值的確定，考慮動力學(xué)指標(biāo)對運營安全和行車品質(zhì)的影響程度，根據(jù)專家意見確定。動力學(xué)性能等級對應(yīng)的分值如表2所示。由于“不合格”的動力性能指標(biāo)，對行車安全性、平穩(wěn)性及線路系統(tǒng)的動力作用嚴(yán)重的不利影響，應(yīng)該避免出現(xiàn)，所以賦予大的分值，以剔除該方案。

3 區(qū)段線路動力學(xué)性能優(yōu)化研究

線路設(shè)計方案評價比選后提出的推薦方案，是區(qū)段線路比較方案中綜合動力學(xué)性能相對較佳的方案。以此設(shè)計方案為基礎(chǔ)，找出其中影響整體動力學(xué)性能的主要因素，結(jié)合自然地理、經(jīng)濟、環(huán)境等因素，進一步進行優(yōu)化，最后得出最終方案。

3.1 線路設(shè)計方案動力性能的優(yōu)化設(shè)計方法

(1)將評價后得分較低的線路方案作為備選設(shè)計方案。

表2 線路動力學(xué)性能指標(biāo)的評語集及對應(yīng)分值

(2)對該設(shè)計方案的各動力學(xué)指標(biāo)仿真結(jié)果進行分析，判識出指標(biāo)等級偏低，也就是對Z貢獻大的地段。

(3)確定對該指標(biāo)影響度大的線路設(shè)計參數(shù)。

(4)通過對相應(yīng)線路設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整，完成線路方案的優(yōu)化設(shè)計。應(yīng)該注意，動力學(xué)性能只是選線設(shè)計考察的一個重要方面，不能拋棄經(jīng)濟選線、地質(zhì)選線、環(huán)境選線(綠色選線)等理念，也就是不能為優(yōu)化動力學(xué)性能指標(biāo)而一味的采取改直線路或增大半徑等方法優(yōu)化線路，要全面考察修改線路參數(shù)變動對工程量、運營費用、地質(zhì)地理因素及對周圍的人文、自然環(huán)境的影響，否則有可能得不償失。

(5)完成優(yōu)化后的線路應(yīng)該進行二次仿真，計算Z值并與優(yōu)化前對比，如此反復(fù)改進直至得到能滿足車—線動力性能的最佳設(shè)計方案，完成優(yōu)化。

上述方法中，掌握線路設(shè)計參數(shù)對線路動力學(xué)性能的影響規(guī)律，明確在設(shè)計線運營條件下，線路設(shè)計參數(shù)對各動力學(xué)性能指標(biāo)的影響度，是線路動力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。

3.2 線路設(shè)計參數(shù)對動力學(xué)性能指標(biāo)的影響度研究

明確線路動力學(xué)性能指標(biāo)對線路設(shè)計參數(shù)變化的敏感性，可以在線路方案動力學(xué)優(yōu)化時有的放矢，提高優(yōu)化的效率，提升線路設(shè)計質(zhì)量。理論上，可以通過敏感性分析，明確線路平面、縱斷面設(shè)計參數(shù)對區(qū)段線路動力學(xué)性能的影響程度和敏感性程度。但由于線路設(shè)計參數(shù)非常復(fù)雜，各動力學(xué)指標(biāo)也并非獨立，所以實際中是不可行的。論文結(jié)合某高速鐵路線路，研究了平面設(shè)計參數(shù)(包括曲線半徑、超高、緩和曲線長度、圓曲線長度、夾直線長度)、縱斷面設(shè)計參數(shù)(包括坡度、坡長、坡度差、豎曲線半徑、夾坡段長度)對線路動力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)合高速鐵路各設(shè)計參數(shù)的取值范圍，通過對仿真結(jié)果的定量定性對比分析，確定了線路設(shè)計參數(shù)變化對動力學(xué)性能指標(biāo)的影響程度，并提出“影響度”的概念來定量表示。定義影響度為：5，影響很大； 4，影響較大；3，影響一般；2，影響較小；1，影響很?。?，沒有影響。高速鐵路線路設(shè)計參數(shù)變化對動力學(xué)性能指標(biāo)的影響度值見表3。線路動力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整對該動力學(xué)指標(biāo)影響度大的設(shè)計參數(shù)。

表3 線路設(shè)計參數(shù)變化對動力學(xué)性能指標(biāo)的影響度值(高速鐵路)

4 結(jié)論

(1)隨著鐵路行車速度提高和軸重增大，線路設(shè)計中應(yīng)重視動力學(xué)性能的評價與優(yōu)化。動力學(xué)選線設(shè)計通過對區(qū)段線路設(shè)計方案進行全程車—線動力學(xué)仿真運行，以提取的全程線路的車—線整體系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)作為評價指標(biāo)和優(yōu)化目標(biāo)，對線路設(shè)計方案進行動力學(xué)性能的綜合評價與優(yōu)化設(shè)計，有利于減小輪軌相互作用力、提高行車的安全性和旅客的舒適性。提出了動力學(xué)選線設(shè)計的方法。

(2)建立了線路動力學(xué)性能評價指標(biāo)體系，引入線路動力學(xué)性能指數(shù)Z用于對線路動力學(xué)性能進行量化評價，運用層次分析法原理計算設(shè)計線動力學(xué)性能指標(biāo)權(quán)重，建立了各動力性能指標(biāo)等級的評語集，給出等級評定標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)分值。

(3)提出了線路設(shè)計方案動力性能的優(yōu)化設(shè)計方法，用“影響度”表征線路設(shè)計參數(shù)變化對動力學(xué)性能指標(biāo)的影響程度，用以指導(dǎo)對線路設(shè)計方案動力性能的優(yōu)化。在研究線路平縱斷面設(shè)計參數(shù)對動力性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，確定了影響度的取值。

[1]翟婉明.機車車輛與線路最佳匹配設(shè)計原理、方法及工程實踐[J].中國鐵道科學(xué)，2006，27(2):60-65

[2]國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB5599—85 鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，1985

[3]鐵道部科學(xué)研究機車車輛研究所.TB/T 2360—93 鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，1993

On the Evaluation and Optimization of the Dynamic Performance of the Design Schemes of Railway Location

ZHANG Xiaodong

(College of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

Greater attention should be paid to the evaluation of the dynamic performance and the optimization of the design scheme of railway location with the increase in the train speed and the axle load.Upon the basis of studying the principles and methods for railway location design by means of dynamics,a target system for the evaluation of the railway location design is set up in the paper,with the evaluation and optimization methods for the dynamic performance of the sectioned railway location put forward.The dynamic performance of the location design scheme is evaluated quantitatively by the dynamic performance indexes of the line, whose sensitivity to the design parameters is studied and shown by "influence degree". The result may be used to optimize the dynamic performance of the railway location design scheme.

railway;design of railway location;dynamic performance；evaluation;optimization

2016-07-13

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(Q2012148)

張曉東(1973—)，男，副教授，主要從事鐵路線路勘測設(shè)計理論與技術(shù)研究工作。zhangxdong@139.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.002

U452.13

A

1672-3953(2016)05-0006-04