秦沈客运专线轨道谱与德国轨道谱的比较

1、西南交通大学学报第42卷第4期Vol.42No.42007年8月Aug.2007JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITY文章编号:025822724(2007)0420425206秦沈客运专线轨道谱与德国轨道谱的比较王开云,翟婉明,蔡成标(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)摘要:从轨道谱的功率谱密度、,谱.,在3045m波长范围内方向谱优于德国低干扰谱.,是20m和30m.从时间样本来看,明显小于高干扰谱;有;无碴谱和有碴谱的高低不平顺均介于德国低干扰和高干扰之间.、德国高干扰谱、秦沈线无碴谱和德国低干扰谱.、秦沈线有碴谱、秦沈线无碴谱和

2、德国低干扰谱.关键词:轨道谱;功率谱密度;动力学性能;比较中图分类号:U211.3文献标识码:AComparisononTrackSpectraofQinghuangdao2ShenyangPassengerRailwayLineandGermanRailwayLineWANGKaiyun,ZHAIWanming,CAIChengbiao(TractionPowerStateKeyLab.,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:ThetrackspectraofQinhuandao2Shenyang(QS)passen

3、gerrailwaylineandGermanrailwayswerecomparedintermsofpowerspectrumdensity(PSD),amplitudeoftimedomainsamplesThePSDoftheQSballastlesstrack(QSBLT)fallsbetweenthoseofanddynamicperformance.Germanrailwayspectraofhighirregularity(GRSHI)andlowirregularity(GRSLI),withtheverticalPSDoftheQSBLTbeingclosetothatof

4、theGRSHI,andthelateralonebeingbetterthanthatofGRSLIinawavelengthof3045m.TheorderofPSDsoftheQSballasttrack(QSBT)andGRSHIchangesatthecriticalwavelengthsof20mand30minlateralandverticaldirections,respectively.Inregardwiththeamplitudesoftimedomainsamples,thelateralirregularityofQSBLTisveryclosetothatofth

5、eGRSLI,andobviouslysmallerthanthatoftheGRSHI;thelateralirregularityofQSBTisalittlesmallerthanthatoftheGRSHI,butobviouslylargerthanthatoftheGRSLI;theverticalirregularitiesofboththeQSBLTandQSBTliebetweenthoseoftheGRSLIandGRSHI.Theratesofwheelloadreductionareintheorderof,fromlargetosmall,theQSBT,theGRS

6、HI,theQSBLT,andtheGRSLI.ThecarbodyvibrationsbecomesevererundertheGRSLI,theQSBLT,theQSBT,andtheGRSHI.Keywords:trackspectrum;passengerrailwayline;PSD;dynamicperformance;comparison轨道不平顺是轮轨系统的外部激振源,是研究轮轨动态相互作用、考核和评估列车运行安全性及舒适收稿日期:2007203215基金项目:四川省杰出青年学科带头人培养计划基金项目(06ZQ0262003);教育部创新团队发展计划(IRT0452);教育部科

7、学技术研()究重点项目107095作者简介:王开云(1974-),男,副研究员,研究方向为机车车辆2轨道耦合动力学,电话:028287600773,E2mail:kywang426西南交通大学学报第42卷性、优化设计机车车辆参数、滚振台整车实验研究等领域的基础.我国关于轨道谱的研究工作开展较18晚,并且由于各种原因(如样本数据太少、轨道谱分辨率精度不够高),许多领域的研究采用了国外轨道谱7,8.实际上,我国线路状态与国外线路差别较大,对机车车辆在我国线路上适应性进行理论和实验研究时不能完全采用国外轨道谱.随着我国铁路客运快速化、高速化发展,对轨道不平顺的需求越显重要.虽然文献36已经提出了我国

8、客运专线有碴和无碴轨道谱,但没有对其等级及适应速度等关键问题进行论述,尚未达到很好应用的目的.为了探明我国客运专线轨道谱与国外典型轨道谱之差异,识别其等级程度,为我国高速线路谱的研究提供参考,本文将比较秦沈线有碴谱、无碴谱及德国轨道谱.,分析不平顺之间的功率谱密度,讨论各轨道谱在整个波长范围内的优劣;,对比不同轨道谱激振对轮轨动力学性能的影响.1文献3,4,通过变换,得到不同类型的不平顺功率谱密度,单位为mm/m-1,145m,各自表达式如下.Sv(f)=22,2f(f+B)高低不平顺功率谱密度(1)式(1)中f是空间频率(1/m).方向不平顺功率谱密度Sa(f)=.2222(f+B)(f+C

9、)(2)水平、轨距和扭曲不平顺功率谱密度Sc(f)=Sg=St(f)=.222222(f+B)(f+C)(f+D)(3)式(1)式(3)中A,B,C和D是特征参数.另外,对于秦沈线无碴轨道不平顺,文献5的作者根据同样方法,得到了由A,B,C,D,E和K特征参数控制类型的功率谱密度表达式(单位与波长范围同有碴轨道).高低、方向不平顺功率谱密度Sv(f)=Sa(f)=.2222(f+B)(f+C)(4)水平、轨距和扭曲不平顺功率谱密度Sc(f)=Sg=St(f)=6.42Cf+Df+Ef+K(5)德国轨道谱有2种形式,即高干扰和低干扰,轨道谱的表达式参见文献9.2轨道谱的比较2.1功率谱密度10根

10、据轨道谱密度函数式(1)式(5),按空间波数采样,得到不同波长范围下的谱密度值.图1给出了145m波长范围内4种类型(秦沈线有碴谱、秦沈线无碴谱、德国低干扰谱、德国高干扰谱)轨道谱密度的对比.由图1(a)可知,对于方向不平顺,在整个波长范围内,秦沈线无碴谱和德国低干扰谱优于德国高干扰谱和秦沈线有碴谱;在130m波长范围内,德国低干扰谱功率密度小于秦沈线无碴谱功率密度,在3045m波长范围内,前者高于后者;德国高干扰谱和秦沈线有碴谱也互有优劣,在120m波长范围内,秦沈线有碴功率谱密度大于德国高干扰功率谱密度,当波长大于20m时,前者小于后者.第4期王开云等:秦沈客运专线轨道谱与德国轨道谱的比较

11、427对于高低不平顺,如图1(b),在130m波长范围内,秦沈线无碴谱功率密度略小于德国高干扰谱密度,而秦沈线有碴谱密度明显高于德国高干扰谱功率密度,在3045m波长范围内,秦沈线无碴谱密度值小于高干扰谱密度值,而秦沈线有碴谱密度值与高干扰谱密度值非常接近;在整个波长范围内,德国低干扰谱明显优于其他3种谱.a)(b)高低不平顺图14种类型轨道不平顺顺功率谱密度的比较Fig.1ComparisononPSDsoffourtypesofrandomirregularities2.2时间样本幅值采用文献10中模拟轨道不平顺的方法,可由功率谱密度函数得到随机不平顺的时间样本.图2和图3分别给出了4种类

12、型不平顺的方向和高低时间样本的对比.从轨道方向不平顺幅值来看(图2),德国高扰谱最大,秦沈线有碴谱次之,德国低干扰谱和秦沈线无碴谱非常接近,幅值最小,且秦沈线有碴谱明显大于无碴谱.德国低干扰谱、德国高扰谱、秦沈线无碴谱和秦沈线有碴谱幅值最大值依次是3.4,5.6,3.4和4.9mm.(a)德国低干扰谱(b)德国高干扰谱(c)秦沈线无碴谱(d)秦沈线有碴谱图2轨道方向不平顺样本的比较Fig.2Comparisononalignmentirregularities428西南交通大学学报第42卷对比高低不平顺幅值(图3)可以发现,德国低干扰谱最小,高干扰谱最大,秦沈线无碴谱和有碴谱介于二者之间,且无

13、碴谱的平顺度优于有碴谱的平顺度.4种类型不平顺幅值最大值分别为5.7,9.4,6.8和7.7mm,如图3所示.图3轨道高低不平顺样本的比较Fig.3Comparisononverticalirregularities3动力学性能的比较在4种轨道谱激扰下,基于车辆2轨道耦合动力学理论9,计算了某型高速动车组拖车以200km/h速度在直线轨道上运行时的动力学性能指标并对比分析.主要选用轮重减载率(安全性指标)和车体振动加速度(舒适性指标)作为对比对象.(1)轮重减载率图4给出了4种不平顺激扰下轮重减载率(图中正值)的计算结果.由图4可知,在整个运行过程中,秦沈线有碴谱激扰下的轮重减载率最大,普遍超

14、过准静态限值0.65,极少数位置达到了0.80(动态限值)以上,不能满足高速行车安全要求;德国高干扰谱作用下的减载率值次之,峰值在0.500.60之间,个别位置略高于0.65;德国低干扰谱和秦沈线无碴谱激扰下的轮重减载率最小,前者最大值仅约为0.40,后者的最大值也仅为0.50,二者均小于准静态限值.轮重减载受高低不平顺中较短波长成分(激振频率较高)的影响较明显.由第2节分析可知,在较短波长范围内,高低不平顺功率谱密度值大小依次是秦沈线有碴谱、德国高干扰谱、秦沈线无碴谱和德国低干扰谱,因此,轮重减载率大小规律与之相似.(2)车体振动加速度在4种类型不平顺激扰下,车体横向振动加速度、垂向振动加速

15、度及其相应的平稳性指标的计算结果列于表1.第4期王开云等:秦沈客运专线轨道谱与德国轨道谱的比较429图4轮重减载率之比较Fig.4Comparisononratesofwheelloadreduction表1车体振动加速度及其舒适性指标的比较Tab.1Comparisononcarbodyaccelerationsandsperlingindices轨道谱类型德国低干扰谱德国高干扰谱秦沈线无碴谱秦沈线有碴谱横向振动加速度/(ms-2)垂向振动加速度/(ms-2)横向平稳性指标0.80.52.421.40.82.840.90.62.441.30.72.672垂向平稳性指标2.322.682.36

16、2.45对比表1中结果可知,德国高干扰谱激扰下的车体横向振动加速度最大,为1.4m/s,秦沈线有碴谱22激扰下的加速度次之,为1.3m/s,德国低干扰谱激扰下的横向振动加速度值最小(0.8m/s),秦沈线无碴谱作用下的加速度略大于低干扰下的值.德国高干扰谱和秦沈线有碴谱工况下的车体横向振动加速度2已经超出舒适性限值1.0m/s;德国低干扰谱和秦沈线无碴谱的加速度值能够满足舒适性标准.从横向平稳性指标来看,规律与横向振动加速度相同,德国低干扰谱和秦沈线无碴谱激扰下的横向舒适性指标属优,而高干扰谱下的舒适性指标仅合格,秦沈线有碴谱下的舒适性指标属良好.值得注意的是,高速动车组车体横向振动主要由轨道

17、方向较长波长(激振频率低)的不平顺引起,由不平顺功率谱密度对比结果可知,2045m波长范围内的4种不平顺方向功率谱之差异正好反映出了加速度的差异.德国高干扰谱、秦沈线有碴谱、秦沈线无碴谱和德国低干扰谱作用下的垂向振动加速度和平稳性指标依次递减,德国高干扰谱的平稳性指标属良好,其余3种平稳性指标属优.产生这种差异的主要原因是轨道高低不平顺长波长成分差别较大.4结论(1)对于方向不平顺谱密度,秦沈线无碴谱介于德国高干扰谱和低干扰谱之间,且在3045m波长范围内,秦沈线无碴谱比低干扰谱更优;秦沈线有碴谱和德国高干扰谱互有优劣,在120m波长范围内,前者次于后者,当波长高于20m时,前者优于后者.43

18、0西南交通大学学报第42卷(2)对于高低功率谱密度,秦沈线无碴谱介于德国高干扰谱和低干扰谱之间,更接近高干扰谱.在130m波长内,秦沈线有碴谱差于高干扰谱,在3045m波长内,秦沈线有碴谱略优于高干扰谱.(3)从时间样本看,秦沈线无碴谱方向不平顺与德国低干扰谱非常接近,明显小于德国高干扰谱,秦沈线有碴谱方向不平顺度略优于德国高干扰、明显劣于德国低干扰;秦沈线无碴谱和有碴谱高低不平顺介于德国低干扰和高干扰之间,且无碴谱的平顺度优于有碴谱的平顺度.(4)在较短波长范围内,高低不平顺功率谱密度值大小依次是秦沈线有碴谱、德国高干扰谱、秦沈线无碴谱和德国低干扰谱,因此,轮重减载率大小规律与之相似;在较长

19、波长范围内,方向和高低不平顺功率谱密度值大小依次是德国高干扰谱、秦沈线有碴谱、,及其平稳性指标规律与之相似.)的资助.参考文献:1刘秀波,吴卫新.J.中国铁道科学,2000,21(2):26234.LIUXiubo,WUW.PSDanalysisofshortwaveirregularityonweldedjointsJ.ChinaRailwayScience,2000,21(2):26234.2林建辉,陈建政,高燕,等.我国干线轨道谱理论分析与试验研究J.机械工程学报,2004,40(1):1742178.LINJianhui,CHENGJianzheng,GAOYan,etal.Theor

20、yanalysisandtestresearchofChinesemaintrackirregularitiesPSDJ.ChineseJournalofMechanicalEngineering,2004,40(1):1742178.3陈宪麦,杨凤春,吴旺青,等.秦沈客运专线轨道谱评判方法的研究J.铁道学报,2006,28(4):84288.CHENXianmai,YANGFengchun,WUWangqing,etal.Studyonevaluationmethodofpowerspectrumdensity(PSD)fortheQinhuangdao2Shenyangdedicatedp

21、assengerrailwaylineJ.JournaloftheChinaRailwaySociety,2006,28(4):84288.4陈宪麦,杨凤春,吴旺青,等.秦沈客运专线轨道谱的研究J.铁道建筑,2006(8):94297.CHENXianmai,YANGFengchun,WUWangqing,etal.StudyonpowerspectrumdensityfortheQinhuangdao2ShenyangdedicatedpassengerrailwaylineJ.RailwayEngineering,2006(8):94297.5陈宪麦,王澜,杨凤春,等.无碴轨道谱的初步分析J.铁道建筑,2006(12):87290.CHENXianmai,WANGLan,YANGFengchun,etal.StudyonpowerspectrumdensityfortheballastlesstrackJ.RailwayEngineering,2006(12):87290.6曾华亮,金守华,陈秀方.客运专线新建线路轨道不平顺功率谱分析J.铁道科学与工程学报,2005,2(4):31234.ZENGHualiang,JINShouhua,CHENXiufan.Powerspectrumdensityanalysisoftrackirregularityo