張連啟

(北京鐵研建設(shè)監(jiān)理有限責任公司，北京 102628)

截至2020年底，我國高速鐵路運營里程達3.8萬km，占全球高鐵運營里程的2/3以上，全國鐵路動車組保有量達到3 918標準組，是世界上高速鐵路運營里程最長、高速動車組列車保有量最多的國家[1]。自2004年開始，歷經(jīng)引進消化、吸收提升、創(chuàng)新發(fā)展和自主創(chuàng)新4個階段，中國高速鐵路走出了一條獨具中國特色的道路[2]。為了使高速動車組能夠適應(yīng)我國復(fù)雜多變的地理環(huán)境和各種氣候條件，保證列車長期高速安全平穩(wěn)運行，補齊高速動車組關(guān)鍵研制技術(shù)的短板，實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)發(fā)展的全自主化和可持續(xù)化，形成中國標準動車組系列化產(chǎn)品[3-4]。自2012年開始，原中國鐵路總公司組織實施重大裝備研發(fā)項目，由鐵科院牽頭開展了中國標準動車組(“復(fù)興號”)的設(shè)計研發(fā)，從2013年以來先后完成技術(shù)和方案設(shè)計等工作，在2015年完成列車組裝調(diào)試并成功下線的2列中國標準動車組隨即在北京環(huán)行鐵路試驗基地和大西高速鐵路綜合試驗段上開展了綜合試驗[5]。試驗結(jié)果表明，中國標準動車組以最高試驗線路速度385km/h運行時，動車組的系統(tǒng)動力學性能仍有較大裕度，經(jīng)過充分驗證，動車組具備在更高速度線路條件上進一步展開驗證的條件[6]。受限于大西綜合試驗的線路條件，難以開展速度385km/h以上的高速綜合試驗，為了探索更高運行速度條件下中國標準動車組關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的變化規(guī)律，論證經(jīng)濟適用的高速鐵路運營速度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，驗證中國標準動車組在更高速度下的安全性和穩(wěn)定性，有必要進一步開展中國標準動車組高速綜合試驗。因此，2016年5月，原中國鐵路總公司決定利用既有線路條件，在鄭徐客運專線上對動車組開展運用考核。同年7月，以每10km/h為一檔在200～420km/h速度范圍內(nèi)完成中國標準動車組的逐級提速、高速交會和重聯(lián)運行試驗[7]。

1 試驗概述

鄭徐客運專線試驗區(qū)段全線鋪設(shè)CRTSⅢ型先張板式無砟軌道，正線道岔區(qū)全線采用板式無砟軌道[8-9]。軌道板上鋪設(shè)100m定尺長的60kg/m鋼軌，軌下扣件采用與CRTSⅢ型板式無砟軌道配套的WJ-8型彈性扣件，扣件間距一般為630～650mm，大跨度橋梁縫等極端地段下扣件間距最大不超過725mm。橋上簡支梁均采用常阻力扣件，橋上連續(xù)梁和緊靠連續(xù)梁一跨的簡支梁則采用小阻力扣件[10]。軌道板下鋪設(shè)90mm厚的C40強度自密實混凝土層。車站正線道岔采用18號客專線(07)009道岔。

綜合考慮試驗?zāi)康囊约班嵭炜瓦\專的基本情況，對軌道結(jié)構(gòu)動力性能檢測選擇了9 000m半徑曲線緩圓點、直線段無砟軌道結(jié)構(gòu)測試工點進行了測試。同時檢測了動車組超過線路設(shè)計時速通過道岔時的道岔動力性能。在2016年6月24日—6月27日，完成了測試工點的布置；2016年6月30日起進行了中國標準動車組的準靜態(tài)標定及逐級提速試驗，在逐級提速期間，動車組通過軌道結(jié)構(gòu)各測點的最高運行速度為424.2km/h，各測試工點布置如表1所示，曲段超高值見表2,試驗測試項目及評判標準如表3所示[11]。

表1 測試工點布置

2 試驗結(jié)果及分析

鄭徐客專420km/h中國標準動車組綜合試驗研究中國標準動車組在高速運行工況下，動車組在通過無砟軌道、直向通過道岔區(qū)段測點的動力響應(yīng)穩(wěn)定性指標及軌道結(jié)構(gòu)、道岔結(jié)構(gòu)動力性能指標隨列車速度的變化規(guī)律，最后對試驗測試的主要動力學指標的最大值數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并進行多項式擬合。

表2 曲段欠超高值

表3 試驗項目及評判標準

2.1 無砟軌道區(qū)段

2.1.1 列車運行穩(wěn)定性

圖1展示了中國標準動車組運行穩(wěn)定性指標隨速度的變化趨勢。從圖1可以看出，動車組通過直線段無砟軌道的總體穩(wěn)定性能優(yōu)于通過9 000m半徑曲線緩圓點時的車輛穩(wěn)定性，在列車以最高速度通過時，在測點1統(tǒng)計測試的各項穩(wěn)定性能指標均為測點2的2倍多。在列車通過測點1時，脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力隨著運行速度(欠超高)逐級增大的過程中，均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但增長的幅度略有不同，脫軌系數(shù)和輪軸橫向力增幅較小，實測脫軌系數(shù)和最小、最大值分別為0.08和0.26，實測輪軸橫向力最小、最大值分別為8.7kN和24.6kN；而實測輪重減載率增幅相對明顯，增長了544.4%，其最小、最大值分別為0.09和0.58。可以看出在列車通過測點1時，在均衡速度附近，列車的穩(wěn)定性能較好。列車通過測點2時，在速度增長的過程中，各項穩(wěn)定性能指標近乎呈直線增長，對脫軌系數(shù)影響較小，在所有試驗速度范圍內(nèi)，實測脫軌系數(shù)最大值范圍為0.06～0.11，實測輪重減載率最小、最大值分別為0.09和0.35，增長速率相對較高，達到288.9%，實測輪軸橫向力最小、最大值分別為6.6kN和13.4kN。試驗結(jié)果表明，中國標準動車組作用下的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力均在其相應(yīng)評判標準限值內(nèi)，表明中國標準動車組在無砟軌道區(qū)段以最高速420km運行時的穩(wěn)定性能較好。

圖1 中國標準動車組運行穩(wěn)定性指標隨速度的變化趨勢

2.1.2 軌道結(jié)構(gòu)動力性能

圖2展示了軌道結(jié)構(gòu)動力學性能指標隨速度的變化趨勢。由圖2可以看出，當列車通過測點1時，鋼軌和軌道板的振動加速度隨著試驗列車運行速度(欠超高)的逐級增加，其均呈現(xiàn)遞增的趨勢；隨著列車運行速度的逐級增加，列車通過測點2時的鋼軌和軌道板的振動加速度也反映出相同的趨勢。測點1和測點2實測鋼軌振動加速度最大值分別為1 893.0m/s2和3 256.5m/s2，相較于最小鋼軌振動加速度分別增加了115.55%和130.16%；實測軌道板振動加速度最大值分別為86.0m/s2和80.6m/s2，相較于最小實測軌道板振動加速度分別增加了161.40%和136.36%。而輪軌垂向力、軌道板垂向位移、鋼軌橫向和垂向位移，隨列車運行速度的增加，其整體變化幅度較小，測點1的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為125.3kN和83.1kN，鋼軌橫、垂向位移最大值分別為0.76mm和0.84mm，最小值分別為0.46mm和0.62mm，軌道板橫向位移最大、最小值分別為0.08mm和0.03mm，軌道板板中、板端垂向位移最大值分別為0.15mm和0.21mm，最小值均為0.06mm。測點2的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為121.2kN和76.9kN，鋼軌橫向、垂向位移最大值分別為0.61mm和0.79mm，最小值分別為0.42mm和0.62mm，軌道板橫向位移最大、最小值分別為0.08mm和0.03mm，軌道板板中、板端垂向位移最大值分別0.17mm和0.32mm，最小值分別為0.04mm和0.06mm。試驗結(jié)果表明，軌道結(jié)構(gòu)振動加速度對列車的運行速度敏感性較高，中國標準動車組作用下的軌道結(jié)構(gòu)動力性能指標均符合標準限值。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)動力學性能指標隨速度的變化趨勢

2.2 道岔區(qū)段

2.2.1 列車運行穩(wěn)定性

圖3展示了道岔區(qū)中國標準動車組運行穩(wěn)定性指標隨速度的變化趨勢。從圖3可以看出，列車通過民權(quán)北站4#岔位18號道岔(測點4)的各項穩(wěn)定性能指標變化較為平緩，且均明顯低于標準限值，其道岔性能顯著優(yōu)于民權(quán)北站2#岔位18號道岔(測點3)。隨著列車速度由200km/h逐級增大到420km/h的過程中，測點4的實測脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力變化較為平緩，其最大值范圍分別為0.07～0.18、0.08～0.20和7.4～18.1kN。列車以超過300km/h的速度通過測點3時，實測脫軌系數(shù)和輪重減載率增長較高，在列車以420km/h運行時，實測脫軌系數(shù)為0.43，相較于最小脫軌系數(shù)，增長率高達258.33%，但仍處于限值標準內(nèi)，而實測輪重減載率達到了0.85，已超過了0.8的限制標準。相較而言，在列車速度增大的過程中，輪軸橫向力增長較為平緩，實測輪軸橫向力由10.2kN增長到25.9kN；試驗結(jié)果表明，中國標準動車組以410km/h及以下速度通過時各參數(shù)實測值均小于相應(yīng)標準限值；中國標準動車組以420km/h通過測點3時輪重減載率實測最大值0.85，已超過標準允許限值，其他各參數(shù)均小于相應(yīng)標準限值。

圖3 道岔區(qū)中國標準動車組運行穩(wěn)定性指標隨速度的變化趨勢

2.2.2 道岔結(jié)構(gòu)動力性能

圖4展示了道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)動力學性能指標隨速度的變化趨勢。從圖4可以看出，測點3和測點4的輪軌力、鋼軌和翼軌的橫向位移、尖軌開口量，隨著列車運行速度的增加，其整體變化幅度不大，測點3的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為127.7kN和84.5kN，實測鋼軌、翼軌橫向位移最大值分別為0.64mm和0.85mm，最小值分別0.41mm和0.57mm，實測尖軌開口量最大、最小值分別為0.59mm和0.34mm；測點4的實測輪軌垂向力最大、最小值分別為116.9kN和85.8kN，實測鋼軌、翼軌橫向位移最大值分別為0.69mm和0.66mm，最小值分別0.46mm和0.45mm，實測尖軌開口量最大、最小值分別為0.49mm和0.35mm。

輪軌力過渡測點選擇在測點3處直尖軌頂寬10mm、20mm、30mm、40mm和50mm斷面處，在曲基本軌上測試輪軌垂直力，從而計算出輪軌垂直力在曲基本軌和直尖軌上的分配系數(shù)和過渡范圍，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，在頂寬為10～20mm時尖軌開始和基本軌共同承受輪軌垂直力，當頂寬為40～50mm時，輪軌垂直力則全都由尖軌承受，表明輪軌垂直力在尖軌和基本軌間的過渡范圍較短，該處道岔平順性較高，輪軌荷載的轉(zhuǎn)移符合設(shè)計要求。試驗結(jié)果表明，中國標準動車組作用下的道岔結(jié)構(gòu)動力性能指標均符合標準限值。

圖4 道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)動力學性能指標隨速度的變化趨勢

表4 輪軌力過渡范圍及分配系數(shù)

3 結(jié)論

在鄭徐客運專線開展的中國標準動車組綜合試驗結(jié)果表明：除列車速度420km/h直向通過民權(quán)北站2#岔位18號道岔時實測輪重減載率超過標準限值外，其余各參數(shù)均滿足中國標準動車組以420km/h運行的安全性和穩(wěn)定性。

(1)除了列車以速度420km/h直向通過民權(quán)北站2#岔位18號道岔測點輪重減載率超過標準限值外，其余各參數(shù)均滿足中國標準動車組以420km/h運行的安全性和穩(wěn)定性。

(2)列車在9 000m半徑曲線緩圓點和直線段無砟軌道結(jié)構(gòu)運行時，列車的輪重減載率增幅相對明顯，各主要動力學指標的增長趨勢有所不同。在曲段上隨著運行速度(欠超高)逐級增大，均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在300 ～420km/h速度范圍內(nèi)，增幅較為明顯；在直線段上近乎呈現(xiàn)線性增長的趨勢，增幅較為平緩。

(3)在所有運行速度下，列車直向通過民權(quán)北站4#岔位18道岔的各項穩(wěn)定性能指標值變化不大，優(yōu)于2#岔位18道岔。列車運行速度超過300km/h時，列車直向通過2#岔位道岔的各項穩(wěn)定性能指標值增長明顯。