[发明专利]一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁路工程技术领域；特别是涉及一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计与评估方法。

背景技术

高速铁路运营速度大幅提高，列车与线路之间的动力相互作用显著增强。运营实践表明，高速列车振动衰减周期较长，振动的叠加对舒适性的影响显著，高平顺条件下线形变化引起的低频振动成为影响旅客乘坐舒适性的主要因素之一。高速铁路线路线形参数的合理取值以及线形评价与优化已成为急待解决的重要课题。

长期以来，我国铁路线路设计参数的确定采用准静态方法。该方法将列车简化为一质点或刚体沿刚性轨道上运动，进行受力分析，经计算，再对曲线上的未平衡加速度及其时变率等舒适度评价指标进行评价，从而确定线路平纵断面参数的取值标准。该方法忽略了车辆、线路结构及其动力相互作用的影响；不能准确分析线路参数对列车高速行车条件下的行车安全性和乘坐舒适性；并不能评价线路纵向线形之间的影响，无法评价整体的线路线形方案。因此，该方法有很大的局限性。

国内外，铁道车辆-轨道/桥梁系统动力学一直是铁道工程领域的研究热点问题，取得了很大发展，在高速铁路轨道、桥梁、路基等线路结构的设计和检测中得到了广泛应用和发展，取得了较好的经济社会效益。近年来，国内学者开始逐步将车辆-线路系统动力学理论与方法应用于线路线形的研究中，取得了一些成果。

现有的基于车辆-线路系统动力学线路线形研究大多集中于动力学模型的建立和优化，对适用于线形动力分析的乘坐舒适性评价方法及指标研究较少，通常采用轨道、桥梁等结构动力分析的评价方法和指标。然而，线路线形引起的系统动力响应问题与线下结构引起的有很大的不同，一是产生的振动主要在低频范围内，高速行车条件下，相邻线形产生的振动类似于长波不平顺的激励，二是对振动的分析，从单纯的幅值等考虑，难以区分线形的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于能够较为客观地反映不同线路条件对高速列车乘坐舒适性影响的线路设计与评估方法，以及根据所述方法设计的高速铁路结构。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于车线系统动力学的高速铁路线路设计方法，所述高速铁路线路包括轨道及其支撑结构，所述高速铁路线路线形由轨道及其支撑结构的空间结构形成，包括平面直线、圆曲线和缓和曲线以及纵断面坡段和竖曲线等，其特征在于，所述线路线形的设计方案采用以下方法设计：

A.线路线形初步设计方案由平面直线、圆曲线、缓和曲线及纵断面坡段、竖曲线等连续组合而成，根据车辆构件参数、轨道及其支撑结构的参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数，建立车辆-线路系统动力分析模型，将初步设计方案的车辆构件参数、轨道及其支撑结构的参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数作为模型计算条件，取得列车在运行过程中的系统动力响应；

B.根据系统动力响应优化线路方案中的平纵断面线形特征参数取值：

B-1.变化上述线形特征参数中的一个特征参数，即得到一系列改变了局部线形的设计方案，利用步骤A的车辆-线路系统动力分析模型，计算得到的车体中心进出缓和曲线时的车辆侧滚角速度和横向加速度、横向冲击，换算得到对应所述改变了局部线形的一系列舒适度指标P_CT：

其中舒适度指标P_CT表达为：

式中，为车体横向加速度最大值，具体为车体中心在缓和曲线起点至缓和曲线终点及其后1.6s内的最大值；为车体横向加速度的时变率最大值，具体为车体中心在包括缓和曲线起点前1s内至缓和曲线终点范围内的最大值；为车体中心在缓和曲线范围内时的车体侧滚角速度最大值；A-E为系数，根据站姿或坐姿取值，站姿取值分别为0.2854s²/m、0.2069s³/m、0.111、3.64s/rad、2.283，坐姿取值分别为0.0897s²/m、0.0968s³/m、0.059、0.916s/rad、1.626；

使用步骤A的车辆-线路系统动力分析模型，计算得到车辆在曲率变化处的横向加速度最大峰峰值和平均值，换算得到瞬时舒适度指标P_DE：

瞬时舒适度指标P_DE表达为：