高速铁路的主要技术特征
高速铁路在激烈的客运市场竞争中以其突出的优势，不但在其发祥地日、法、德等国家已占据了城际干线地面交通的主导地位，并在世界诸多经济发达的国家和地区迅速扩展。时至今日，高速铁路新线总长已逾5000 km。由于高速铁路与既有干线固有的兼容性，高速列车通过既有线服务的里程已扩展至20 000km以上。高速铁路在不长的时期内之所以能取得如此的发展势头，根本原因是基于轮轨系的高速技术充分发挥了既先进又实用的特点，特别是在中长距离的交通中的独特优势。实践表明，高速铁路已是当代科学技术进步与经济发展的象征。高速铁路虽然源于传统铁路，但借助于多项高新技术已全面突破了常规铁路的概念，已形成一种能与既有路网兼容的新型交通系统。高速铁路在运营过程中更新换代，其技术还在不断发展与完善。为了深刻认识高速铁路特点，本节将从总体角度出发剖析其主要技术特征。
一、高速铁路是当代高新技术的集成
在世界上，高速铁路的诞生是继航天行业之后，最庞大复杂的现代化系统工程。它所涉及的学科之多、专业之广已充分反映了系统的综合性。20世纪后期科学技术蓬勃发展，迅速转化为生产力的三大技术有：计算机及其应用；微电子技术、电力电子器件的实用化与遥控自控技术的成熟；新材料、复合材料的推广。高速铁路绝非依靠单一先进技术所能成功，它正是建立在这些相关领域高新技术基础之上，综合协调，集成创新的成果。因此，高速铁路实现了由高质量及高稳定的铁路基础设施、性能优越的高速列车、先进可靠的列车运行控制系统、高效的运输组织与运营管理体系等综合集成，如图1.2.1所示。系统协调的科学性，则是根据铁路行业总的要求，各子系统均围绕整体统一的经营管理目标，彼此相容，完整结合。
高速铁路在实施中，从规划设计开始就把各项基础设施、运载装备、通信信号、运输组织及经营管理等子系统纳入整个大系统工程之中统筹运作。为实现总体目标，采用了多项关键技术。虽然这些新技术分别隶属于各有关的子系统，但其主要技术指标、性能参数是相互依存、相互制约的，均须经详细研究、反复论证与修订，才能保证实现大系统综合集成特性的要求，达到整个系统的合理与优化。
二、高速度是高速铁路高新技术的核心
不言而喻，高速铁路的速度目标值是由常规铁路发展到高速铁路最主要的区别。按照铁道部现行的规定，列车速度的级别划分见表1.2.1。
表1.2.1列车速度级别划分表
序号列 车最高运行速度km/.h
120& ≤200
列车运行速度是属第一层次的系统目标，只有将速度目标值确定之后才能选定线路的设计参数、列车总体技术条件、列车运行控制及通信信号系统。当然，运量规模、行车密度、运输组织、成本效益等也均属第一层次系统目标，但是在各种交通运输方式中，速度始终是技术发展的核心，它是技术进步的具体体现，所以速度目标应是第一位的。自20世纪后半叶以来，铁路旅客列车速度连续跃上三大台阶，60年代第一代高速列车，速度为230km/h，80年代初第二代高速列车速度达到270 km/h，至90年代第三代高速列车速度已达到并超过了300km/h。到21世纪初，将要有350km/h的高速列车问世。列车最高运行速度随着时代的进步不断提高，它体现了铁路的等级及其技术发展水平。但是对社会而言，旅客出行一般并不十分关注列车的最高速度，而关心旅行时间的缩短。只有提高旅速才能给旅客带来实惠。要提高旅速不是轻而易举的，这不仅只是列车的性能，还要看沿线的环境与条件，线路设计优劣，配套设施是否完善，还涉及行车组织及运营管理等，所以从整个系统来分析，列车旅速最能反映铁路的水平。
当今，世界高速铁路区段旅速与最高行车速度之比最高的可超过0.8，而最低的不及O.6。重视提高旅速与最高速度之比也有利于获得良好的运营效果。所以说，高速铁路第一层次的技术核心指标是速度，它不仅是最高运行速度，还应包括高速列车的旅行速度。
高新技术综合集成的高速铁路总示意图
三、系统间相互作用发生了质变
众所周知，常规铁路是一个庞大的综合系统，在长期的实践中，铁路行业的技术进步已获得科学的积累，至今已形成了技术管理规程、系列规范、各种标准、各项规定等一整套可操作的法规，使具有复杂综合集成特性的铁路系统，有据可循、有序运作。在当今铁路系统中，运、机、工、电、辆各子系统的日常工作可各司其职，正常运转。然而，高速铁路情况大不相同，虽然它仍受铁路行业传统影响，但由于行车速度至少提高1倍以上，将引发铁路行业各系统及其相互关系的质变。过去用于常规铁路行之有效的法规
不能照搬于高速铁路。高速铁路从可行性研究、规划、设计、施工、制造到运营管理，都要超前、系统地进行研究才能付诸实施。随着速度的提高，各子系统原有的规律和相互间关系将转化为强作用而须重新认定。系统中某项参数或标准选择不慎都将引发连锁反应。例如，线路参数、路基密实度或桥梁刚度选择不合理，不仅是线路质量问题，还将影响列车运行的平稳性及可靠性，也干扰运输组织、行车指挥。反之，确定列车主要参数及性能也必须考虑线路参数与控制系统方案，否则最终都要制约整个系统效能的发挥。系统之间的关系远比常规铁路复杂。所以，在筹划高速铁路之初，必须从总体上估计到这一庞大系统更加复杂的综合特性，认真研究并协调各子系统主要技术参数变异的合理范围，重视新系统的强耦联特性。
四、系统动力学问题更加突出
前面已经阐明了高速铁路整体的主要技术特征，并说明了高速铁路与常规铁路在本质上的差异，下面将着重从总体上分析发生本质差异的基本原因，俾便更深刻地认识对高速铁路技术系统提出的新课题。纵观世界，凡能独立自主建设高速铁路的国家，在筹划立项之初，对高速铁路的重大技术与经济问题都进行了全面的研究。特别是在确定基本功能与主要技术参数时，都根据各自的条件结合其国情与路情做了周密的调查，进行必要的理论研究与试验分析。其中，高速铁
路系统动力学问题是这一切的根由。
(一)高速铁路系统动力学问题
1.高速列车的振动与冲击问题
高速列车在线路上行驶，速度越高，激励车一线一桥系统发生的振动与冲击越强，致振的敏感因素越宽。振动与冲击的频响函数关系，主要取决于参振系统各自的动力学特性，它包括其内在的物理力学参量、相互间发生接触或约束的几何参量与物理参量。很明显。相互接触的物体其相对速度越高，在研究动载作用时应考察的截止频率越高，而可能发生的强作用点就越多。一般而言，振动与冲击动力响应的物理量(位移、速度、加速度)幅值是与速度的平方成正比的。在频域范围内，应考察的频率不仅取决于激励频率的高低，还与系统的固有频率密切相关。激扰频率与速度成正比，与接 触表面沿速度方向上的几何变异之波长成反比。由此可见，高速铁路的基础设施及运载装备不但应具备优良的固有特性，还必须在界面上彼此都要保有均匀、平顺、光滑的特征。这是建立高速铁路各子系统都必须遵守的共性准则。
系统振动与冲击力学分析，最主要的目的是协调各子系统组成部分的特性参数，保证系统功能优化。对于高速铁路来说，最重要的是确保列车持续、安全、平稳运行。因此，必须预见在各种速度工况下系统的动力响应。突出的问题如：轮轨间接触力的变化，稃影响列车牵引与制动的实现、轮轨的磨损与疲劳、运行的安全指标；车一线一桥系统的动力反应，将影响结构功能与列车平稳运行；弓网系统的振动，将影响授电效能及安全。所以动力响应是涉及高速行车技术深层次的基本问题，须认真处理。
2.高速列车运行中的惯性问题
在系统振动与冲击的动力学分析中，主要着重于研究列车以常速在直线线路上运行的动力反应。实际上对更为复杂的问题，如列车起动或制动时的变速运行工况，通过平面曲线或变坡段竖曲线上运行及高速过岔等问题，只能简化为刚体动力学或弹性联接的多体动力学来分析。其基本点是在理想状态下分析选定系统的固有特征及界面特性，对更复杂的某些非稳态问题着重研究列车的走行性能，限定在低频域内研究列车运行中的惯性问题。预见高速列车运行中可能发生的纵向及横向加速度，前者与列车的牵引制动性能、列车的操纵及线路纵断面有关，后者主要受线路平面设计参数制约。
高速列车运行中的惯性问题直接影响旅客的安全与舒适。对于安全性来说，列车速度在300km/h以下时，安全条件阈值一般宽于舒适度的要求，即只要满足了乘客舒适度就能保证安全的要求。但对超高速铁路来说条件就不一定总保持这样了，即在舒适条件范围内，超高速铁路系统中某些安全限值将超限。这是因为激扰频率增高以后，列车某些部件工作条件更不利于安全运行所致。所以，随着速度进一步提高，安全性将可能比舒适度有更严的要求，这是值得注意的。
对于舒适度，人体承受振动的能力与频率密切相关，根据试验结果(图1.2.2)，其频率在10Hz以下更为敏感，承受能力较低，从感到不适的加速度幅值来看约为O.1g右。对于这种超低频振动横向加速度的承受能力，因人体质而异，它与姿态、年龄、性别、职业、经历等都有关。一般采取在旅途中列车上抽样调查统计分析确定，现参考国外资料列于表
列车运行加速或减速时，旅客均要承受纵向惯性力的作用，通常亦以加速度衡量。加速时由于受到牵引功率的限制，一般准静态(平均，以下同)加速度值都不超过0.05g，所以加速时在正常操纵下，不会给旅客带来不适感。但制动时为确保列车安全，整列车制动功率大，减速距离较短，如列车速度为300
km/h时，紧急制动距离小于3 700m，其准静态减速度低于0.1g，考虑车辆制动时动作不一致将有冲动现象发生，但瞬时减速度将接近0.3g，这时旅客将感到不适，所以紧急制动只能在非常情况下使用。在一般常用制动情况下有较严格的规定，当制动参数取O.8或0.5并操纵得当，其减速度分别为0.075g及0.05g。所以，为保证列车行驶时旅客的舒适度必须重视运动中的惯性问题。这应从线路基本参数、列车性能及操纵技术予以保证。
3.高速列车空气动力学问题
(1)列车空气阻力问题
地面交通系统都有一个难以避免的共性问题，这就是空气动力学问题。在地表大气层中，交通载体所受到的空气阻力、竖向力、横向力和压力波等与速度平方成正比，随着速度的提高急剧增加，从而成为提高地面高速交通速度主要的制约因素。高速列车时速超过200km就必须认真研究这一问题。为减缓空气动力的影响，通过大比例风洞模型试验及三维有限元空气动力学理论分析，筛选设计方案，可作出技术经济合理抉择。其主要问题如下：在一定速度下，高速列车空气阻力及其他空气动力作用取决于列车的外形、列车的截面及外表面的光滑平顺度。所以，在列车的总体设计及车体设计中都必须周密处置，使整列车具有良好的气动性能。您所在位置： &
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Classified Index：U271．91；U238
U．D．C：629 Southwest JiaotongUniversity Master Thesis Degree CHARACTERISTICSOF VIBRATIONON PLANARAND SECTIONINHIGH．SPEEDRAIIM给LY Grade：2010 Jiuchuan Candidate：Yang Academic for：Masterof DegreeApplied Engineering Speciality：VehicleEngineering Kaiyun Supervisor：Prof．Wang June，2013 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并
向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授
权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用
影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1．保密口，在 年解密后适用本授权书； 2．不保密杉使用本授权书。 请在以上方框内打“√” 学位论文作者签名： 南久Ⅵ＼ 指导老师签名： l 日期：
J口f乃-1．弓 日期"7眵t f 5，¨ 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成
果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰
写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。
本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1、建立了高速车辆通过平纵断面的动力学分析模型，分别运用单节车与多节车模
型，对比分析了两种模型在不考虑纵向牵引、制动情况下的轮轨动力响应特性指标，
结果表明，采用单节车模型计算得到的动力学指标值与采用多节车模型得到的指
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中南大学硕士学位论文基于ADAMS/Rail的高速客运专线平纵断面设计参数动力分析姓名:周志华申请学位级别:硕士专业:道路与铁道工程指导教师:向俊摘要线路平纵断面设计参数直接影响到线路等级以及行车的安全性和舒适性。随着铁路速度的提高,轮轨之间动力问题愈加明显,对于高速铁路来说,以静力学为基础的传统线路设计方法无法准确地揭示高速行车条件下轮轨之间复杂的动力作用。因此,如何从动力学角度进行线路平纵断面参数的优化设计,对于提高列车运行安全性和舒适性以及减小轮轨间动力相互作用具有重要的指导意义。本文基于ADAMS/Rail软件建立了完整的车一线系统空间振动分析模型,并对模型进行了验证。利用所建立的模型对我国两条客运专线的平纵断面设计参数进行动力学仿真分析,并与现行的动力学标准进行对比,从而评估其线路参数是否满足安全性和舒适性的要求。分析了各种线路参数变化对车一线系统动力学响应的影响规律,并由此得出部分高速客运专线设计参数的合理取值。对高速铁路空间曲线组合匹配问题进行动力学分析,提出了竖曲线与圆曲线重叠时的合理匹配原则,并计算分析了高速条件下竖曲线与缓和曲线重叠线路的安全性和舒适性问题。本文以我国高速客运专线为研究对象,重...
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高速铁路平纵断面轮轨系统振动特性
【摘要】：随着我国高速铁路的全面建设与快速发展,高速铁路的运营里程已位居世界第一。但是我国关于高速铁路的研究起步较晚,平纵断面许多参数仍以普通铁路的试验结果为基准,或参考国外高速铁路经验,由此导致了相关问题的出现：一方面,随着车辆运行速度的不断提高,轮轨系统的振动加剧,基于静态或准静态的分析方法不能完全满足高速铁路线形参数的动态设计要求；另一方面,国外高速铁路的运营里程及所处地形环境均与国内不同,其参数的可靠性有待验证。因此,本文基于多体系统动力学,研究分析了高速铁路平纵断面轮轨系统的振动特性,为高速铁路平纵断面参数的动态设计与匹配提供了理论依据。
论文首先对高速铁路平纵断面设计参数的静态选取方法作了简要介绍,给出了高、中速共线运输模式下的圆曲线半径和超高,并根据舒适度条件允许的超高时变率限值和离心加速度限值,给出了缓和曲线长度和竖曲线半径的规范取值,各参数按传统的线形设计进行计算。
运用SMPACK软件平台,通过对高速动车组进行简化处理,建立了高速车辆通过平纵断面的动力学分析模型,并针对车辆高速通过平纵断面时轮轨系统的动力响应特性,对比分析了采用多节车与单节车模型的仿真计算结果。结果表明,在不考虑牵引和制动时,采用多节车模型计算得到的动力学指标值与采用单节车模型得到的指标值差异甚微。
为了探明高速铁路平纵断面参数设计与匹配的动态规律,论文分析了平纵断面各参数对高速铁路轮轨系统动力性能的影响。结果表明,高速铁路线路超高与圆曲线半径的匹配需同时满足高、中速车辆共线运行时对轮轨系统动力响应特性的要求；缓和曲线长度需根据圆曲线半径进行性能匹配设计；轮轨垂向动力性能指标随竖曲线半径的增大近似线性减小,但几乎不受纵断面坡度差的影响。
论文进一步分析了平、纵面不同匹配组合方式对高速铁路轮轨系统动力性能的影响。结果表明,竖缓重合与竖圆重合相比无匹配时主要增大了轮重减载率和车体垂向加速度；竖曲线起(止)点与平面直缓(缓直)点、缓圆(圆缓)点重合时,其动力性能相比竖、缓曲线和竖、圆曲线在非关键点重合时的情况较差。
【关键词】：
【学位授予单位】：西南交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：U211.5;U212.34【目录】：
摘要6-7Abstract7-11第1章 绪论11-16 1.1 研究背景11-12 1.2 平纵断面线形参数研究现状12-15
1.2.1 研究现状分析12-14
1.2.2 存在的问题14-15 1.3 本文的主要工作15-16第2章 高速铁路平纵断面线形参数16-25 2.1 平面参数16-23
2.1.1 最小圆曲线半径16-19
2.1.2 最大圆曲线半径19-20
2.1.3 超高20
2.1.4 缓和曲线20-23 2.2 纵断面参数23-24
2.2.1 最大坡度23
2.2.2 最小坡段长度23-24
2.2.3 坡段连接24 2.3 本章小结24-25第3章 高速车辆通过平纵断面动力学模型25-36 3.1 多体系统建模原理25-28
3.1.1 多体系统简介25-27
3.1.2 SIMPACK动力学软件简介27-28 3.2 高速车辆模型28-33
3.2.1 模型简化28-29
3.2.2 模型建立29-31
3.2.3 轮轨接触几何关系31-33 3.3 平纵断面线形参数的输入方法33-35 3.4 本章小结35-36第4章 多节车与单节车通过平纵断面动力性能对比36-44 4.1 平面曲线通过性能对比37-39 4.2 竖曲线通过性能对比39-41 4.3 平纵断面组合曲线通过性能对比41-43 4.4 本章小结43-44第5章 平纵断面参数对轮轨动力特性的影响44-58 5.1 圆曲线半径与超高匹配对轮轨动力特性的影响44-48
5.1.1 小半径曲线与超高匹配的影响44-45
5.1.2 中半径曲线与超高匹配的影响45-47
5.1.3 大半径曲线与超高匹配的影响47-48 5.2 缓和曲线线型及长度对轮轨动力特性的影响48-55
5.2.1 直线型与S型缓和曲线对比48-51
5.2.2 缓和曲线长度的影响51-55 5.3 竖曲线对轮轨动力特性的影响55-57
5.3.1 坡度差的影响55-56
5.3.2 竖曲线半径的影响56-57 5.4 本章小结57-58第6章 平纵断面匹配对轮轨动力特性的影响58-68 6.1 竖缓重合时的轮轨动力响应特性58-61 6.2 竖圆重合时的轮轨动力响应特性61-64 6.3 高速铁路几种典型平纵断面匹配的动力性能比较64-67 6.4 本章小结67-68总结与展望68-70致谢70-71参考文献71-75攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目75
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中国硕士学位论文全文数据库
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