铁路选线设计方案的动力学性能优化 85页

~$-!1flt4SHIJlAZHUANGTIEDAOUNIVERSITYfk~:Qt~19:tt-7J~~l;l]j]~~(1ijgit1tDynamicPerformanceOptimizationofVariantProjectsinRailway-lineDesign;~;!~if!.1i:?t~~~~~-til".~~=.?t~~fi.I;f!~&~i-t:;tf~-~~~!liP:*~*~J~~~9~~Y"Ji:~1Y~~.I. 密级：公开密级：公开论文类型：应用研究工程硕士学位论文铁路选线设计方案的动力学性能优化DynamicPerformanceOptimizationofVariantProjectsinRailway-lineDesign培养单位：交通运输学院专业领域：交通运输工程学生姓名：檀伟娜校内导师：张晓东副教授校外导师：郑贺民高工二○一五年六月 &~m~~~~*Qg~m~,~7~~*m~~~~~~w~~~Y.r,i~::t$~"E1-aA1mAa~~*~m"§Jiil¥JliJfYi:PX:!~Lm:IF-E1*t1~~~*~~~*~~~~ftftm~~$~~~~ffi~fflM~~~o~~-~I~~~*~*~~m~~ff~M~~B~~~~~7~til§8{]-lREIA#~~7~j~o*A~~7·~~~~~*~~~mm,~m~&~~~~~,~~~~f*m1trtJif~wni!x~~1¥1£EPftt:.fol$i.-1-Jt&*,fti!fi"~x~1t005fD1~00,IEJ:W:~~~~i~XJJDA((~0017t3§:t~~±~fftitJt~Xf9:115Pf.~-fD~A«cp~~1iLitX~Xfiim$))o*A~:fx1=i*J±tJ(mA~,-aTtJ.*fflJJEp,~EPW(:A1ffi~wU¥N1*11iQ-X,PJ~0/fiJif~X8"9~$M$5:1"~?B=o(1:*~81itX?±~l¥~J§~jl~.!lt1J!/E)a1m:tuf?.rrs>_ffyrp~36:~=--=---~-8JJl:~~t) 摘要铁路选线设计是最基础、核心的工作，是关系全局的总体性工作。选线设计方案质量对列车运行安全性、线路平稳性和旅客舒适性有着直接影响。在以往的铁路线路设计，都是通过静态方法和准静态方法中的任意一种方法来确定线路设计参数，忽视了线路与车辆间的作用关系，线路方案的动力学性能得不到保障，导致线路设计方案中动力学性能缺陷难以被及时发现和改进，而铁路线路一旦建成后再被发现，又难以改变和消除，因此，本文基于理论分析和模拟仿真的方法，对铁路区段线路设计方案进行动力学优化，所做的主要工作有：(1)以传统经济比选确定的线路初步设计方案作为该线路设计方案优化对象，基于车辆-轨道动力学理论，建立该区段线路车辆-线路动力学模型。从安全性、稳定性和轮轨作用力三方面确定线路方案的动力学性能评价指标，分析线路动力学性能，确定重点优化的线路区域。(2)结合相关线路规范和实际线路情况，分析确定曲线半径、缓和曲线长度、竖曲线半径、夹直线与圆曲线最小长度、平竖曲线重叠等线路设计参数的取值范围，在此基础上利用动力学仿真模型分析在其余参数不变的情况下，各线路设计参数对车辆—轨道动力学性能的影响规律，从而获得影响线路动力学性能的敏感参数。(3)基于层次分析法，构建动力学评价方法，量化动力学性能评价指标，构建线路选线设计方案的动力学性能评价体系，实现对线路设计方案的动力学性能的综合评分。(4)结合线路设计优化原则、线路设计参数的敏感性分析和重点优化区域线路实际情况，提出适当优化线路动力学影响敏感参数作为优化设计方案，并对比优化前后动力学性能得分，获得线路系统整体动力学性能良好的线路优化方案，实现对该区段线路初步设计方案动力学性能优化目标。本文提出的铁路选线设计方案的动力学性能优化方法，在满足线路设计规范的前提下，可以有效获得线路系统整体动力学性能良好的线路优化方案。为今后的高速铁路线路方案动力学性能优化设计提供参考。关键词：线路方案；UM模拟仿真；动力学性能；敏感参数；优化 AbstractRailwaylinedesignisthemostbasicandcorework,anditistheoverallworkoftherelationship.Thequalityofvariantprojectsinrailway-linedesignhasdirectinfluenceonsafetyoftrainoperation,circuitstabilityandpassengercomfort.Inthedesignoftraditionalrailway,thedesignparametersareoftenidentifiedbyadoptingthemethodofstaticorquasi-static.Themethodhasinsufficientattentiontotheinteractionbetweenthelinesandthevehicles,andcannotguaranteedynamicperformanceofthescheme,whichmayleadtothatdefectofdynamicsperformanceofdesignschemecannotbediscoveredandimprovedintime,butoncethelineisbuiltandthedefectisfoundlater,itisdifficulttoeliminate.Therefore,basedonthemethodoftheoreticalanalysisandsimulation,optimizesdynamicsofdesignschemeforasectionofrailwaylines,andthemajorworkisasfollows:(1)Comparisonandselectiontherailwayline-designwhichisfromtheeconomicpoint,asthepreliminaryrailway-line,whichtakesthedesignschemeofasectionofrailwaylineastheoptimizationobject.Basedonthetheoryofvehicle-trackdynamics,combinedwiththeevaluationsystemofvehicle-trackdynamicperformance,determinesevaluationindexofdynamicperformancefromthesecurity,stabilityandwheelrailforce,threeaspects,andestablishesthedynamicmodelofthevehicle-lineintheselectionline,analyzesdynamicsperformanceofline,determinesthekeyoptimizedregion.(2)Combinedwiththerelevantspecificationsofrailwayandtheactualconditionsofrailway,suchascurveradius,lengthoftransitioncurve,verticalcurveradius,theminimumlengthofclipstraightlineandcircularcurve,andflatandverticalcurveoverlappinglines.Dynamicsimulationisusedthetoanalyzethesituationthatundertheconditionofotherparametersareunchanged,analyzestherulesthatdesignparametersofthetransmissionlinehaveinfluencesonthedynamicsperformanceofvehicle-track,thusobtainingthesensitiveparametersofdynamicsperformance. (3)Basedonsensitivityanalysisofdesignparameters,usingtheanalytichierarchyprocess,combinedwiththeoptimizationprincipleofcircuitdesign.Accordingtotheanalysis,itcanbeobtainedtheinitialevaluationindexvalue,whichquantifiestheevaluationindexofdynamicsperformance,andconstructstheevaluationsystemofdynamicperformanceofthecircuitdesignscheme,andachievescomprehensivescoreofdynamicperformanceofthecircuitdesignscheme.(4)Combinedwithoptimizedprincipleofcircuitdesign,sensitivityanalysisofcircuitdesignparametersandactualsituationofoptimizationofregionalcircuit,putsforwardoptimizeddesignschemethatmakesappropriateoptimizationlinesensitiveparametersofdynamicimpact,andachievestheoptimizationmethodofdynamicsperformanceofdesignschemeforasectionofrailwaylines,andobtainsoptimizationplanoftheoveralldynamicperformancelinesystem.Thedynamicperformanceoptimizationmethodofvariantprojectsinrailway-linedesignisproposedinthispaper.Inthepremiseofsatisfyingthespecificationsoflinedesign,itcanbeobtainedoptimizationplanoftheoveralldynamicsperformancelinesystemeffectively,whichcanprovidereferenceforoptimizationdesignofdynamicperformanceofhighspeedrailwaylineschemeinthefuture.Keywords:Railway-lineDesign,UMsimulation,Dynamicperformance,Thesensitiveparameters,Optimization 目录第一章绪论...........................................................................................................11.1研究背景及意义...............................................................................................11.2国内外研究现状...............................................................................................21.2.1选线设计理念的发展...............................................................................21.2.2线路设计参数动力学优化.......................................................................31.3研究内容...........................................................................................................41.4技术路线...........................................................................................................6第二章线路初步设计方案.......................................................................................72.1线路概况...........................................................................................................72.2线路主要技术标准...........................................................................................72.3自然条件...........................................................................................................82.3.1地形地貌...................................................................................................82.3.2气象特征...................................................................................................82.3.3地层岩性...................................................................................................92.3.4地质构造.................................................................................................102.3.5水文地质特征.........................................................................................102.3.6工程地质特征.........................................................................................112.4确定线路初步设计方案.................................................................................122.4.1影响线路方案两大控制区域.................................................................132.4.2方案说明.................................................................................................152.4.3方案经济比较及优缺点分析.................................................................162.5本章小结.........................................................................................................17第三章线路方案动力学分析.................................................................................183.1UM仿真软件简介..........................................................................................183.2动力学评价标准.............................................................................................193.3线路方案的基本参数.....................................................................................233.4建立车辆-线路动力学模型............................................................................253.4.1轨道动力学仿真模型...............................................................................253.4.2车辆动力学仿真模型...............................................................................27-I- 3.4.3线路动力学仿真模型...............................................................................323.5模型验证.........................................................................................................323.5.1试验概况.................................................................................................323.5.2仿真与测试结果对比.............................................................................323.6线路动力学性能初步分析.............................................................................353.7本章小结.........................................................................................................38第四章线路动力学影响因素分析.........................................................................394.1平面曲线半径的影响.....................................................................................394.1.1最小曲线半径取值范围.........................................................................394.1.2最大圆曲线半径取值范围.....................................................................404.1.3超高不变时曲线半径的影响规律.........................................................404.1.4按实设超高时曲线半径的影响规律.....................................................424.2缓和曲线的影响.............................................................................................434.2.1缓和曲线长度.........................................................................................434.2.2缓和曲线长度的影响规律.....................................................................444.3竖曲线的影响.................................................................................................464.3.1竖曲线半径取值范围.............................................................................464.3.2竖曲线的影响规律...................................................................................474.4夹直线与圆曲线长度的影响.........................................................................484.4.1夹直线与圆曲线长度取值范围.............................................................484.4.2夹直线与圆曲线长度的影响规律.........................................................494.5圆曲线与竖曲线重叠设置的影响.................................................................504.6归纳影响规律及线路敏感参数.....................................................................524.7本章小结.........................................................................................................52第五章线路方案的动力学性能优化.....................................................................545.1线路方案动力学评价.....................................................................................545.1.1确定评价指标的权重...............................................................................545.1.2动力指标评价值.....................................................................................575.2线路设计方案的动力学性能优化原则.........................................................585.3方案优化.........................................................................................................595.4方案动力学得分对比.....................................................................................625.5本章小结.........................................................................................................68第六章结论与展望.................................................................................................69-II- 6.1本文的主要研究成果.....................................................................................696.2对未来工作的展望.........................................................................................70参考文献.........................................................................................................71致谢.........................................................................................................................75个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文.............................................76-III- 第一章绪论1.1研究背景及意义铁路作为国家重要的基础设施，是当今客货运输的重要方式之一。2004年2月，铁道部开始全面部署《中长期铁路网规划》的相关工作，根据发展目标，全国铁路营业里程将在2020年达到12万公里，其中，客运专线将达到1.6万公里，基本形成功能完善、布局合理的铁路网络，使我国铁路技术装备及运输能力达到国际先进水平。进入“十二五”阶段，我国综合交通运输体系进入发展的关键时期，铁路事业的发展将获得更多支持。高速铁路以其快速、大运量、舒适度高等显著优势推动着铁路事业的振兴和经济的发展。在高速铁路建设中，选线设计是最为根本也是最重要的全局性工作，选线设计方案质量不仅决定着铁路运输能力、建设投资，而且关系到列车的运行安全性、线路稳定性以及旅客乘车舒适度等。随着高速铁路行车速度的提高，铁路车辆与线路间的相互作用不断增强，轮轨间作用力的增大直接导致铁路车辆对线路的破坏加剧，而线路条件对车辆运行平稳性、乘车舒适性及行车稳定性的影响亦将更加显著。由此带来的养护维修费用增加、车辆运行品质及安全性问题变得更为严重，也更加复杂。然而在传统线路设计中，线路设计参数大多从技术和经济的角度采用静态或准静态的方法确定，较少采用动力学参数进行设计，对线路及车辆之间复杂的动力相互作用重视不足，无法反映列车与线路之间的动态作用，未能深入的揭示选线设计方案与线路动力学性能(安全性、乘坐舒适性及养护维修费用)之间的内在联系。这将导致存在动力学性能缺陷的路段很难在设计阶段被及时发现，然而铁路线路一旦建成，被发现的缺陷路段又难以改变和消除。在我国已运营的高速铁路上，便存在一些满足线路设计规范但在设计阶段对车-线动力学性能考虑不足的线路，在建成运营阶段出现动力学性能差，列车乘坐舒适性差及养护维修费高等问题。因此，线路动力学问题是线路优化设计中一个不可忽视的因素。线路设计参数的选取作为选线设计中的重要环节，对线路品质及行车可靠性有着直接的影响。因此，在选线设计中，线路选线设计方案应更加注重从轮-1- 轨动力学角度进行比选和匹配，建立线路设计方案与列车运行品质及安全性之间的内在联系，进而实现线路设计方案的动力学性能优化。提高运行的安全性、稳定性及旅客乘坐的舒适性，减少后期运营及养护维修的费用。本论文主要针对聚乐堡至大同铁路区段线路设计方案进行动力学性能优化。通过理论分析和模拟仿真对铁路线路设计参数的动力学性能分析，找出影响区段线路动力学性能的主要影响指标，构建基于层次分析法的动力学评价指标体系，从动力学角度出发对区段线路整体设计方案，进行铁路线路方案动力学性能优化。1.2国内外研究现状铁路选线设计是铁路建设项目中最关键、最重要的工作之一，直接关系到整个工程项目的产品质量和工程造价，而且铁路选线设计是一项涉及面广、技术比较复杂的工作，选线设计方案的好坏直接影响着国家铁路的经济和社会的利益。随着科学技术的不断发展，铁路选线设计理念和理论不断的发展和进步。1.2.1选线设计理念的发展(1)工程技术选线铁路建设最初时期，由于工程技术条件落后、机车车辆性能差，工程技术难度成为铁路选线设计方案的主要影响因素。例如，著名的京张铁路，设计采用“人”字型展线33‟限坡，再利用复式机车的方法，解决了当时机车牵引力不足、隧道修建技术落后的难题。此方法将八达岭隧道由原来约2000m缩短为[1]1090m。现如今，随着科学技术的发展，铁路施工技术得以不断发展和提高，也大大提升了列车的机车性能，由此解决了限制选线技术发展的施工技术、工期问题。工程技术选线理论已不能满足铁路的发展，新的选线理念应运而生。(2经济选线在铁路大发展时期，铁路建设主要受到经济的限制，而且我国铁路建设受前苏联模式影响较深，导致这一时期的铁路选线设计，主要受到经济的影响，[1]换算工程费用的大小成为线路方案的决定因素。但这种以工程投资为主导时期所修建的铁路，在之后的运营过程中暴露出很多严重的问题，例如养护维修、环境保护等问题。这一时期，为了节约总投资，修建的铁路工程，对环境保护-2- 不够重视。高填深挖，地形地貌、生态环境破坏较大，造成地质灾害频发，造成了极大的损失，耗费了大量的人力物力，运营过程中实际产生的人力物力资源浪费、灾害事故损失，远远大于当初忽略环境保护所节约的投资。因此，这种以工程投资为主导的选线理念，在实践中已经不能满足铁路的发展，尤其是高速铁路。(3)地质选线我国是一个地形、地质条件复杂、多样的国家，在总结我国早期修建的部分山区铁路近年来由于地质问题给铁路带来巨大损失教训的基础上，提出了地质选线的理论，从铁路全寿命周期的角度对待选线设计中的地质问题。(4)环境选线随着铁路的高速发展，铁路项目建设、运营对环境的影响越来越严重。近年来，随着人们对环境的高度重视，随即产生了环境选线(所谓的绿色选线)理论，是指把环保理念融入到铁路选线中，综合考虑风景名胜区、自然保护区及生态环境等自然条件因素对线路方案的影响。强调在选线设计中实现铁路建设与自然环境高度的和谐与统一的理念。(5)动力学选线在高速和重载高速发展的今天，随着铁路行车速度不断提高、轴重不断增大，机车车辆与线路间的相互动力作用也越来越显著，由此引发的动力问题日益突出。一方面，机车车辆对线路动力学破坏作用加剧，养护维修费用急剧增加；另一方面，线路条件(轨道结构振动机线路几何状态)对机车车辆运行品质(行车平稳性、乘坐舒适性)、运行稳定性(安全性)的影响愈加明显。因此，在选线设计中，在高速行车和重载运输的技术条件下，轮轨动力作用对行车的安全、旅客的舒适性、养护维修费用的影响成为线路设计中不可回避的问题。因此，在选线设计中，线路设计参数的设置应更加注重从轮轨动力学角度进行优化和匹配。1.2.2线路设计参数动力学优化国外，在日本、德国等高速铁路技术先进的国家，研究人员关于线路几何条件对系统动力响应作了深入有效的研究，其主要做法是基于动力学理论，采[2]用计算机仿真手段。其中，Z.Krzysztof对车辆动态通过时，曲线半径、超高及[19]行车速度对行车动力性能影响作了深入研究。Y.Sato对缓和曲线线型从频域及-3- 时域上进行了系统分析，并以此提出了新的缓和曲线型。LouisT.Klauder对NUCARS(车辆动力学仿真软件)模拟出的客车通过缓和曲线时的车体横向加速度和轮轨横向力做了深入研究，提出通过改善型三次抛物线缓和曲线可以大幅[50]压缩车体横向加速度以及轮轨横向力的变化幅度了。国内，许多科研院校的研究人员也相继在铁路车辆与轨道动力相互作用理论与实践方面开展了大量的研究工作，并为以后的研究提供了大量的参考。将车辆系统与轨道系统合二为一的西南交通大学翟婉明教授，建立车辆-轨[3-5]道耦合动力学模型。而后，随着辆-轨道耦合动力学理论研究的不断深入，车辆-轨道耦合动力学理论成为研究机车车辆与轨道动态相互作用的基本方法[6-10][11-12]。张添欣、刘万明、周宪忠，对高速列车通过小半径曲线时对行车安全[13][14]及舒适性的影响进行了分析；王云、周维俊，基于车辆-轨道耦合动力学理论，对客货共线线路纵断坡段组合及平纵断面动力学性能及匹配等问题进行了[15-16]分析研究：练松良，采用理论分析和试验相结合的方法，以秦沈客运专线线路为研究对象，研究分析了竖曲线与平面曲线重叠问题。北京交通大学魏庆[17][18]朝利用列车-线路纵向动力学理论对线路平纵断面参数进行了研究。龙许友的高速铁路线路设计参数选取与匹配的基本原则是以完善的车线动力模型为基础，通过分析高速铁路路平纵横断面设计参数、平纵断面组合对车线系统动力响应的影响而得到的结果。线路参数方面的研究主要是侧重于单个参数的理论研究，未应用于区段整体线路优化中。随着车辆-线路结构动力相互作用相关研究的深入以及计算机性能的突飞猛进，使得以车-线动力学为基础，研究区段线路设计方案整体参数成为一种可行的新方法，并更准确地反映各线路参数对行车安全、运行稳定及乘坐舒适性的影响。1.3研究内容本文通过对选线设计相关规范，确定设计参数的取值范围；深入分析动力学指标，量化动力学指标；结合车-线动力学的具体特点，以及动力学选线理论，归纳总结线路方案优化的主要影响因素；并基于层次分析法建立动力学性能的铁路线路方案评价方法，结合线路方案动力学性能优化原则与优化目的，实现对铁路区段线路设计方案动力学优化，为今后的高速铁路线路方案动力学性能-4- 优化设计提供辅助性决策参考。论文的主要内容如下：(1)对某铁路聚乐堡至大同南段线路设计方案采用传统方法进行比选，确定线路初步设计方案。以某铁路聚乐堡至大同南段线路设计方案为优化对象，基于车辆-轨道动力学理论，结合车辆-轨道动力学性能评价体系，从安全性、稳定性和轮轨作用力三方面确定线路方案的动力学性能评价指标，建立该区段线路车辆-线路动力学模型，分析线路动力学性能，确定重点优化的线路区域。(2)根据相关规范，分析确定曲线半径、缓和曲线长度、竖曲线半径、夹直线与圆曲线最小长度、平竖曲线重叠等线路设计参数的取值范围，在此基础上利用动力学仿真模型分析在其余参数不变的情况下，各线路设计参数对车辆—轨道动力学性能的影响规律，从而获得影响动力学性能的敏感参数。(3)基于层次分析法，构建动力学评价方法，确定各动力学性能影响因素的权重及动力学性能超限系数，根据指标的波动分析获得初始评价指标值，从而量化动力学性能评价指标，构建线路选线设计方案的动力学性能评价体系，实现对线路设计方案的动力学性能的综合评分。(4)结合线路设计优化原则、线路设计参数的敏感性分析和重点优化区域线路实际情况，在满足线路设计规范的前提下，以技术经济、技术要求为限制条[27]件，根据线路周边实际情况，将自然环境、当地规划作为优先考虑事项，提出适当优化线路动力学影响敏感参数作为优化设计方案，达到对线路某铁路聚乐堡至大同南段线路设计方案动力学性能优化，并对比优化前后动力学性能得分，获得线路系统整体动力学性能良好的线路方案。-5- 1.4技术路线技术路线流程如图1-1所示。线路初步设计方案动力学评价标准UM建立相对应的车、线模型机车车辆运营条件分析得出该线路动力学性能差区段确定线路动力学影归纳铁路线路动力学影线路参数动力学影响响参数取值范围响敏感参数规律线路影响指标敏感参数优化动力学性能评价方法实现线路方案动力学优化图1-1技术路线流程-6- 第二章线路初步设计方案介绍聚乐堡至大同南段铁路线路的线路概况，主要技术标准，自然条件，影响线路方案的主要因素，并对南绕机场和北绕机场方案进行经济比选，确定线路需要进行动力学优化的线路初步设计方案。2.1线路概况大同至张家口铁路位于华北北部，东接京都“北大门”张家口，西连晋北“煤都”大同，呈东西向连结了晋北和冀北地区，直接沟通张家口和大同二市，线路全长141.61km。本线东端衔接京张铁路和呼张铁路，西端连接新建北同蒲四线进而连通大西客专（远期直接与大西客专贯通），是晋北地区旅客对外交流的主通道，以及蒙西、冀北与山西、陕西、西南旅客交流的主通道和与中南、华东旅客交流的辅助通道，建成后将形成华北北部的快速客运网。本文选取聚乐堡至大同南段线路方案。2.2线路主要技术标准主要技术标准参照《新建时速200-250公里客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)中设计速度250km/h的速度目标值执行。铁路等级：客运专线；正线数目：双线；速度目标值：250km/h；线间距：4.6m；最小曲线半径：5000m；最大设计坡度：20‰；到发线有效长度：650m；牵引种类：电力；-7- 列车类型：快速列车采用动车组，中速列车采用SS9；牵引质量：快速列车：400～800t，中速列车：900～1000t；列车运行控制方式：自动控制；行车指挥方式：综合调度集中。2.3自然条件2.3.1地形地貌大同至张家口客运专线工程位于河北省西北部及山西省北部，在张家口市怀安县从呼张铁路怀安站引出后，南折穿越阴山余脉－大梁山，进入山西省经天镇县、阳高县、大同市，至朔州市怀仁县与既有北同蒲四线接轨。怀安县至天镇县，由冀西北山间盆地向低中山区过渡，局部为山间冲洪积河谷，地形起伏较大，沟谷发育，相对高差50～600m，绝对高程900～1800m。天镇县至随士营，属大同盆地，地形平坦开阔，略有起伏，相对高差2～50m。绝对高程1000～1100m。随士营至周士庄、中高庄一带，属中低山区及山前倾斜平原，地形起伏较大，相对高差100～300m，绝对高程1120～1450m。周士庄、中高庄至大同南至怀仁，属大同盆地，地形平坦开阔，相对高差5～50m。绝对高程1040～1150m。2.3.2气象特征本区属中温带亚干旱气候区，干旱少雨，降水量多集中在七、八月份，蒸发强烈且持续时间长，蒸发量远远大于降水量，夏季炎热，冬季严寒，昼夜温差大，四季变化明显，春、秋季大风频繁。由于沿线最冷月平均气温介于-10℃于-15℃之间。沿线主要城镇气象要素见下表（表2-1）：-8- 表2-1沿线主要城镇气象要素（2004～2013年）项目大同阳高天镇怀安历年极端最高气温（℃）39.938.138.141.6历年极端最低气温（℃）-31.9-31.8-37.4-31历年平均气温（℃）6.87.67.28.2历年最冷月平均气温（℃）-12.6-10.5-11.3-15.1历年平均相对湿度（%）51.549.150.850.7历年平均降水量（mm）385.6371.3383.5379.4历年平均蒸发量（mm）1806.51842.11892.41723.8历年最大积雪深度（cm）17252013累年平均风速（m/s）2.02.12.72.4119.016.519.816.6累年最大风速（m/s）及风向WNWWNWNNWWNW累年最多风向WSWWNWSWW历年最大冻结深度（cm）1861111281242.3.3地层岩性怀安至天镇段（CK44+200～CK68+850），该段主要是越岭地段和山前倾斜ml平原，地层主要为第四系人工填土（Q4），主要有人工填筑土和素填土，填筑土主要是既有铁路和公路的路基，填土成分以砂类土以及黏性土为主；素填土，主要是地方采矿筛选出来的弃砟尾矿等，成分以粉土和砂类土为主，局部地方为碎石类土，该类素填土松散，范围、厚度都较大，作为地基时须处理，主要al分布在山脚和山前倾斜平原上；第四系全新统冲积（Q4）细砂、粗砂、细圆砾al+pl土等，主要分布在西洋河河床及漫滩、阶地等位置；第四系全新统冲洪积（Q4）新黄土、黏性土、砂类土和碎石类土，新黄土具湿陷性；第四系上更新统风积eol层（Q3）新黄土，主要分布在山区和南北两麓，具湿陷性；第四系上更新统冲-9- al+pl洪积（Q3）粉质黏土、粉土和细砂，主要在倾斜平原前缘，河流阶地位置分布；上第三系（N2）粉质黏土，砂类土和碎石类土等与上覆地层不整合接触，主要分布在山脚位置，局部冲沟中有出露。太古界瓦窑口组（Arw）是以沉积岩和火山岩为主的负变质岩，岩性以黑云斜长片麻岩和二辉斜长片麻岩为主，密集穿插辉绿岩和变质花岗岩岩脉，岩体极破碎～较破碎。天镇至大同段（CK68+850～CK185+674）位于大同盆地内，地层主要为第ml四系人工填土层（Q4），人工填筑土主要是既有公路和铁路的路基本体、人工素填土主要是地方选矿筛选的弃砟和尾矿，该类素填土松散，范围、厚度都较大，作为地基时须处理，主要分布在山脚和山前倾斜平原上；杂填土主要是沿线村镇附近的生活垃圾以及建筑垃圾；上第三系（N2）粉质黏土、粉土、砂类土，主要分布在山前倾斜平原，大部被第四系地层覆盖，地表出露较少；太古界葛胡窑组（Asg），片麻岩，灰褐色，变晶结构，片麻状构造，主要矿物成分为石英、长石、云母，全风化～弱风化，节理裂隙发育～较发育，呈层状分布。主要在聚乐堡镇附近有揭示。2.3.4地质构造本区位于I级构造单元中朝准地台的三个Ⅱ级构造单元内蒙地轴、山西台隆与燕山台褶带的交接处，位于汾渭断陷带的北段，汾渭断陷带的主要活动断裂大部分为新生代断陷盆地的边界断裂，主要由张家口断陷、大同断陷组成。张家口断陷区主要由万全、怀来断凹、涿鹿断凹、延庆断凹、宣化断凹等组成。大同断陷主要为大同盆地，盆地总体走向为北东—北东东，为地堑型盆地。控制大同盆地的边缘断裂，主要由北东走向的口泉断裂、阳高－天镇断裂、北东东走向的六棱山断裂、恒山北缘断裂等组成。这些断裂的力学性质，均属压性或压扭性。盆地内第四纪沉积厚达数百米松散堆积层。影响本线的主要断裂为怀安镇盆地南缘断裂、天镇－阳高盆地北缘断裂、恒山北麓断裂。2.3.5水文地质特征测区范围内，可分为低中山、黄土丘陵、盆地及河谷等地貌类型，不同的-10- 地貌有不同的水文地质特征。(1)低中山区水文地质特征该区地下水类型主要为基岩裂隙水，赋存于各类基岩的风化带及构造裂隙中，地下水埋深一般不大于100m。大气降水为地下水的主要补给源。地下水位随季节变化显著，地下水径流条件较好，沿沟谷及岩体裂隙排泄成泉。(2)山前缓坡、丘陵区水文地质特征山前缓坡、丘陵主要分布于盆地边缘。在山前缓坡及丘岭区，地下水一般埋藏较深，在分水岭两侧山前倾斜平原，分布有第四系及第三系砂砾石含水层，其厚度由山前向盆地逐渐加厚。这些含水层之间无明显的隔水层。除接受大气降水补给外，基岩裂隙水对其也有一定的补给作用。(3)盆地及河谷区水文地质特征天镇至大同段大同盆地为白登河和南洋河冲积平原，在河的两岸河漫滩及一级、二级阶地，受大气降水及河水补给，地下水埋藏浅，在高阶地及山前第四系地层中，由于受沟谷切割，地下水埋藏深。白登河以及南洋河为季节性河流，平时无水，雨季水量较大。2.3.6工程地质特征(1)不良地质分布、特征及处理对策滑坡和错落（顺层）：线路局部通过的太古界片麻岩地段岩层及节理面倾向线路，开挖时易沿岩层面、节理面产生滑动或塌滑。危岩、落石和崩塌：线路局部通过中低山区及山前陡坡地带，局部存在危岩、崩塌、落石等现象。人为空洞（采空区）：阳高县城西侧存在煤矿及采空区，线路已绕避。天镇县逯家湾附近存在私挖乱采的小型铁矿，阳高～怀安沿线零星分布小型铁矿及规划重金属矿区。地震（活动断裂、液化）：天镇－阳高断裂东段为全新世早期活动的正断裂，但是，该断裂全新世中期以来没有发生过断错地表的地震事件，已在发震的危险期内。恒山北麓断裂全新世活动断裂。沿线地震动峰值加速度为0.10～0.15g（地震基本烈度Ⅶ度），分布于河谷及两侧阶地的第四系全新统饱和粉土及砂类土局部为地震可液化层。地面沉降：大同及附近地区不同程度的存在地面沉降及地裂缝问题。地面-11- 沉降中心一般在市区及附近。地面沉降产生的主要原因是过量开采地下水，导致地下水水位大幅度下降，地层内部有效应力的变化，产生压缩变形，引起地面沉降。大同附近地面沉降速率约为17～23mm/a，近期有所缓解。从现有资料来看，大同市的地裂缝主要分布于御河西侧市区内，对线路影响不大。(2)特殊岩土分布、特征及处理对策新黄土：沿线大部覆盖新黄土，浅黄色，坚硬～硬塑，局部具湿陷性，为Ⅰ～Ⅱ级（非）自重湿陷场地。膨胀土（岩）：泥岩及第三系黏土具膨胀性，设计时应注意。盐渍土：分布于河谷及两侧低洼段落的粉土及黏性土，地表盐渍化现象比较明显。填土：沿线村镇、道路范围分布素填土及填筑土，怀安和天镇山前倾斜平原地带存在大量素填土，主要是当地选矿弃砟，目前当地正在综合治理，主要是将地表高丘就地铲平填平附近取土坑以及天然沟壑，该类填土，厚度较大，范围较广，作为地基时须处理。太古界变质岩：线路通过低中山区广泛分布太古界变质岩，距今约25亿年，非常古老，经历了多期构造运动，形成了变质程度不一的太古代中、深变质岩系和元古代浅变质岩系，经受构造运动后形成了一系列比较复杂的褶皱系统，并伴随混合岩化和古老岩浆活动，侵入岩脉大量分布，致使岩体结构面增多，造成岩体破碎，岩性颗粒之间结合力较差，局部表现出手掰可碎，甚至手捏呈砂状的现象，在施工扰动和地下水作用下岩体结构极易破坏，强度降低。2.4确定线路初步设计方案聚乐堡至大同南线路行经大同市区范围主要有两大控制区域，一是大同市云冈（倍加造）机场，二是大同市装备产业园区及规划。针对以上两处大型控制区域，主要研究南绕机场方案及北绕机场方案，方案比较范围为DK158+000至DK174+500。方案线路见图2-1所示。-12- 图2-1聚乐堡至大同南线路对比方案2.4.1影响线路方案两大控制区域(1)大同机场大同机场位于大同县倍加造镇以北，距市中心15.2km，为国内4C级小型机场。当前已完成二期升级，飞机跑道长3000m，宽60m，远期跑道将向东南方向再延伸600m，满足大飞机起降要求，飞机起降方向为西北向。空限要求：跑道端向、侧向4000m范围为内水平面，此范围内建筑物高程不得高于1098.02m，再向外延伸2km范围为锥形面，限高按距离不同以0.05坡度计算，最外侧限高1198.02m。如图2-2所示。图2-2大同机场净空障碍物限制-13- 预可线位在周士庄西侧（CK146+860=K354+180）轨面标高1136.99，大张轨面设计高度1152.99，机场内水平面与线位相交点（CK148+320）相距跨越点1460m，高差54.79，即使紧坡下差距也很大，不能满足机场内水面的空限要求。本次比选对北绕机场和南绕机场两方案开展了同精度比较。(2)大同市装备制造产业园区大同市装备制造产业园区位于规划范围北至大张公路，南至园区规划路和南环路，西至208国道新线和大准铁路线，东至园区规划路，总规划用地面积为32.47平方公里。大同市装备制造产业园区的开发与建设，推动装备制造产业集群化的发展，促进企业在人才、技术、创新、文化等领域的共享，推进装备制造企业在中试基地、展览展示总部、技术标准体系、成果应用推广体系等的共建共享，降低企业的外部成本。同时，通过装备制造企业集中式的园区化的发展，可以有效扩大大同装备制造业的整体影响力，成为山西省重要的装备制造业基地，并在国家层面也具有一定的影响力。目前规划范围内已搬迁入园的有陕西重汽、同化矿机、重汽集团、雪花啤酒等大型企业，投产均不到两年，投资规模大。其中重汽集团位于云州街北面，占地面积56.38公顷，2007年产值为5.8亿元。-14- 图2-3大同市装备制造产业园区发展规划2.4.2方案说明(1)北绕机场方案线路比较起点DK158+700（五里台南侧），向西跨过301省道、京包线，在聚乐堡乡北侧穿山而过，隧道长度3.66km，向西并行301省道，穿过大同市二三十里铺水源地保护区的东南角，再次跨越京包线折向南，穿过陕汽集团大同专用汽车有限公司西北角，依次跨越208国道、500kv高压走廊、云州街、湖大铁路，之后并行大准线向北，依次跨越南环东路、302省道及二广高速后折向西至大同南DK161+558.58，到达方案比较终点。距离大同机场边缘最近4.07km，满足空限要求。方案线路长度14.9km。(2)南绕机场方案线路起自DK158+700（五里台南侧），并行京包线，跨越天黎高速连接线，折向南并行天黎高速，至小坊城折向西南跨越109国道及339省道折向西，依次跨过坊城河、大准线、109国道、二广高速至大同南站DK163+500，到达方案比较终点。距离大同飞机场边缘（降落方向）最近2.04km，设计接触网高程-15- 1052.27m，检算后满足内水平1098.02高程要求。该方案线路长度13.8km。2.4.3方案经济比较及优缺点分析两方案工程经济比较如表2-2所示。表2-2方案工程经济比较表数量金额（万元）章项目名称单位南绕机场北绕机场南绕机场北绕机场号方案方案方案方案线路长度正线公里13.812.7//一拆迁及征地费用万元//15934.118875.8区土方万断面方366.5157.913362.62377.9路二间级配碎石万断面方22.66.35683.91578.7基路基加固及防护万元//39379.711815.1双线特大桥延长米/座1236/42019/463852.7138229.8单线特大桥延长米/座0/00/0//桥双线大桥延长米/座1828/7324/110993.01949.2三涵单线大桥延长米/座0/00/0//双线中桥延长米/座568/1161/14357.71232.3涵洞横延米/座0/0///隧双线隧道延长米/座0/00/0//四道单线隧道延长米/座0/0305/1/3049.4轨正线铺轨公里27.60029.819188.217779.7五道线路有关工程万元//878.7460.9六～九运营建筑及设备万元//35533.333550.9十章及十一章万元//31757.229985.5预备费万元//48184.252177.1预估算总额万元//289105.4313062.5两方案优缺点分析见表2-3所示。-16- 表2-3方案优缺点分析表项目南绕机场方案北绕机场方案线路长度13.812.7（km）1、无隧道工程，重大桥梁工程较北绕机场方案少，工程实施难度低，工程投资节省23957.1万；1、线路走形长度缩短1.1km；2、对大同市规划区分割小，对公路路2、远期预留京包联络线出岔位置距离优点网干扰较小；既有站较近，管理和运营方便。3、远离装备园区及其他重大企业聚集区，沿线拆迁少，可实施性较高；4、引入大同南站线路条件好，不限速；5、符合地方政府意见。1、投资增大23957.1万；2、对大同市规划分割严重，和既有公1、线路长度长1.1km；路路网交叉较多；2、远期预留京包联络线位置较远，运3、对大同市装备园区形成切割，对其缺点营管理较为不便。部分重大企业及其他企业重大聚集区影响较大，拆迁多；4、受拆迁控制，大同南站小里程端曲线限速。综上所述，南绕机场方案在工程投资、工程实施条件及难度、和地方规划结合程度均优于北绕机场方案，因此选取南绕机场方案。2.5本章小结本章主要介绍聚乐堡至大同南段铁路线路的线路概况、主要技术标准、自然条件、影响线路方案两大控制区域，并对南绕机场和北绕机场方案进行比选，确定线路需要进行动力学优化的线路初步设计方案。-17- 第三章线路方案动力学分析基于车辆-轨道动力学理论，结合车辆-轨道动力学性能评价体系，深入分析动力学评价标准，以脱轨系数、轮重减载率、车体垂向加速度、车体横向加速度、轮轨垂向力、轮轨横向力为动力学性能评价指标，选用较成熟的多体动力学仿真软件—UM建立该区段线路车辆-线路动力学模型，分析该线路动力学性能，确定重点优化的线路区域。3.1UM仿真软件简介UM(UniversalMechanism)软件是俄罗斯布良斯克国立理工大学(BryanskStateTechnicalUniversity)DmitryPogorelov教授带领研发的一款通用多体系统[31]动力学仿真分析软件。(1)建模方面在UM中有专门的建模主程序Input，运用了多种建模技术：几何建模技术、参数化建模技术、子系统建模技术。运用几何建模方法不仅可以直接在Input窗口中通过图形组合绘制建模，而且还能借助外部如CAD等软件导入Input中。UM对于铁路车辆模型几何图形建立十分方便，车辆上的一些部件的几何图形均可从Input中直接找到，例如车辆轮对的创建可直接从Input中的InspectorType菜单中直接选择创建。在几何图形建立完毕后采用参数化建模技术将图形进行实际量化，UM软件中既可以在模型参数中直接输入数值(数值法)，也可以将常量或变量用符号表示(符号法)。例如车辆转向架中的各具体数值可直接输入，转向架的坐标系位置也可以用已设定的常量符号表示。UM中的子系统建模技术简化了多体系统中重复或相似模块的建模过程，例如把一个轮对转化为两个轮对、一个转向架转化为两个、车辆编组时一节车辆转化为多节车辆等等，我们都能以其中一个设置完毕的子模型为参考标准，采用子系统建模技术很容易就能做出其他相应模型。-18- (2)仿真方面UM中另一大主程序—Simulation，主要有先进的符号积分法、丰富的求解器、大规模并行技术、一流的图形技术和便捷的后处理功能。本论文研究往往对一个或几个线路参数值进行多种变化，而其他值基本保持不变，通过UMSimulation中的大规模并行技术可以将这一类变化同时进行仿真，再利用便捷的后期处理功能，同类变化需要得到的指标结果能清楚明了地反映在Results的Wizardofgraphs之中，例如对半径和超高进行变化仿真，将得到的最大脱轨系数采用后期处理功能分析。(3)专业的轮轨分析功能线路设计分析：UM中的平面线路设计可以直接从Wheel/Rail中设置直线、曲线、S型曲线和道岔等，纵断面的设计可通过设置曲线文件更为准确全面地反映实际线路线型。本论文研究的大量曲线可直接通过Wheel/Rail中的Macrogeometry版块直接设置。轨道不平顺分析：使用者可直接从Irregularities版块中加载已有轨道谱文件，如常用的美国一到五级轨道谱、德国高频轨道谱、德国低频轨道谱等。用户也可以根据使用者需要创建任意确定性和随机性不平顺，保存成文件随后直接读取。轮轨型面分析：UM的Profiles中Wheels版块中直接提供了常用车轮型面文件，如LM、LMA、NEWLOCOW、GV40等；Rails版块中直接提供了常用的钢轨型面文件，如ChineseR60、ChineseR75、UIC60等。使用者也可以根据实际情况自定义轮轨型面，保存成文件随后直接读取。综上所述，UM软件从模型的建立到仿真的参数设置再到最后结果数据的处理都有其较为突出的特色，然而这些特点有效地解决了本论文的相关问题，快捷了本论文的研究分析过程，简化了本论文的后期计算工作，故最终选择了多体动力学仿真软件UM。3.2动力学评价标准根据我国《铁道车辆动力学性能评价和试验鉴定规范》(GB5599-1985)和本论文研究目的，采用脱轨系数、轮重减载率、车体横向加速度、车体垂向加速度、轮轨垂直力、轮轨横向力等主要评价指标作为动力学评价标准。-19- (1)脱轨系数脱轨系数Q/P是指轮轨间横向水平力Q与轮轨间垂向力P之比。该系数是防止车轮脱轨稳定性的评定指标。车轮轮缘与钢轨之间的摩擦系数影响轮缘角脱轨系数的极限值，如图3-1所示。图3-1车轮脱轨作用力关系图中，Q——轮轨接触点处的横向力；加速图3-32平面曲线与竖曲线重叠设置工P——轮轨接触点处的垂向力；况α——轮轨接触面与水平面的夹角也称为轮缘角；度的影响μ——车轮轮缘与钢轨间的摩擦系数。[37]脱轨系数根据相应规范制定的相应的标准①脱轨系数限度表如表3-1所示。表3-1脱轨系数限度表动力学指标《铁道车辆动力学性能评价和试验鉴定规范》GB5599–1985第一限度(合格标准)第二限度(安全裕度标准)脱轨系数QP/1.2QP/1.0②脱轨系数安全指标如表3-2所示。表3-2脱轨系数安全指标表动力学指标《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》(TB/T-2360-1993)优良合格脱轨系数QP/0.6QP/0.8QP/0.9③另外，根据《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》(95J01-L)和《高速试验列车客车强度及动力学性能规范》(95J01-M)中规定，脱轨系数安全-20- 限定值均为QP/0.8。④国外，高速铁路动力学规范设计中对脱轨系数安全限值的规定：除国际铁路联盟UIC取QP/1.2；欧洲铁路联盟的―EUROCODE‖、德国ICE高速列车和日本都采用了QP/0.8。综上分析可得，脱轨系数限定值采用QP/0.8。(2)轮重减载率轮对垂向减载量与垂向力之比被定义为轮重减载率，记作△P/P。①《铁道车辆动力学性能评价和试验鉴定规范》(GB5599-1985)中规定轮重减载率标准：△P/P≤0.65危险限度△P/P≤0.60容许限度②《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》(95J01-L)和《高速试验列车客车强度及动力学性能规范》(95J01-M)规定车辆轮重减载率标准△P/P≤0.6。③在我国实际线路中，轮重减载率的取值情况如表3-3所示。表3-3实际线路轮重减载率限值线路名称南津浦线大秦线郑武线轮重减载率限值△P/P≤0.80△P/P≤0.90△P/P≤0.60参照上述规范标准和实际限值标准，轮重减载率限值取PP/0.8。(3)车体加速度列车运行平稳性评判的一项重要技术指标包含车体加速度。GB5599-85中规定，在运行速度v<140km/h时，车体平均最大振动加速度应符合的要求为：Amax0.00027+vC式中，Amax为车体平均最大振动加速度(g)；v为客车运行速度(km/h)；C为常数。参考国内外相关标准，横向振动加速度舒适度标准取值为0.10g。车体垂向振动加速度取值0.10g。(4)轮轨垂向力轮轨冲击力的特性是由英国研究人员通过实验首次发现的，并进一步确定了将轮轨垂向作用力P1、P2，作为评判车辆对线路动力破坏的指标。机车车辆通过钢轨接头等瞬态冲击作用时的轮轨垂向力P1和P2的限值标准如表3-4。-21- 表3-4轨道垂向力P1和P2的限制标准kN车种车轮踏面外形P1P2P1+P2锥形400250600货车磨耗形425250625锥形480340820机车磨耗形510340850德国铁路规定线路负荷非冲击性的中低频轮轨垂向力(类似于P2力)需小于等于极限值170kN。日本铁路规定，轮重最大值小于其轨道部件的设计荷载。新干线采用轴重170kN标准荷载，设计荷载为270kN；既有线采用轴重荷载为160kN，设计荷载为255kN。综上分析，本文将轮轨垂向力极限值设置为170kN。(5)轮轨横向力轮轨横向力对轨道有较大的破坏作用，可导致轨排横移或者轨距扩大，甚至可能造成铁路线路在曲线部位横向变形。①日本铁路规定轮轨横向力极限见表3-5。表3-5日本道钉挤压横向力极限kN道钉挤压横向力极限类型道钉拔起横向力极限第一限度(屈服极限)第二限度(弹性极限)有铁垫板QP29+0.30QP19+0.30QP17.3+0.51无铁垫板QP18+0.30QP12+0.30QP20.9+0.28②我国《铁道车辆动力学性能评价和试验鉴定规范》(GB5599-1985)中规定，以木枕线路道钉所能承受的横向力极限确定，与表3-4中有铁垫板情况的标准相同，即：Q29.030P危险限度stQ19.030P容许限度st式中，Pst为车轮静荷载(kN)。目前，高速铁路基本采用无砟轨道，轨枕基本都采用混凝土轨枕。即要求：Q193.0PW-22- 式中，Pw为静轴重(kN)。③依据规范，轨道上在采用弹性扣件的，扣件的横向设计荷载应大于轮轨横向力。欧美、日本铁路一般也取0.4倍静轴重Pw作为轮轨横向力的限值，。即Q0.4（P+Pst1st2）其中，Pst1为左轮轮静荷载(kN)；Pst2分别及右轮静荷载(kN)。综上分析，轮轨横向力极限值为Q193.0PW综上所述，车线动力学各评价标准限值如表3-6。表3-6车线动力学各评价标准限值序号动力学指标限值标准1脱轨系数≤0.82轮重减载率静态：≤0.65，动态：≤0.823车体垂向加速度/(m/s)1.04轮轨垂向力170KN5轮轨横向力19+0.3Pw26车体横向加速度/(m/s)1.03.3线路方案的基本参数本文选取DK158+000~DK174+500段线路方案进行优化。具体线路方案设计参数见表3-6和表3-7。-23- 表3-6曲线要素表交点号QDJD1JD2JD3起点ZH或—DK162+178.0DK168+246.0DK169+366.0曲线ZY里终点程HZ或DK162+178.0DK163+153.8DK167+993.3DK169+477.5YZ左曲—17°15′03″——线偏偏角右——18°51′43″16°71′12″偏曲线半径—500080006000R/m缓和曲线长—7011080度l/m曲线长度—975.8737.31227.5L/m夹直线长度——1460—p/m附注无无无无-24- 表3-7坡度表设计坡度/‰竖曲线/m路肩设计坡长/m附注变坡点里程上平下半径长度高程——————DK159+8002035.520000—2.2—01900DK162+7002035.020000154.5只有在相邻坡段的坡——3.12350度差大于1‰时才有DK165+502015.520000265.5必要设置竖曲线——2.62900DK167+9501976.0200002883.3—02400DK169+350—20000—————3.4建立车辆-线路动力学模型将动力学系统的本质部分信息减缩成可利用的描述方式的过程，即动力学系统的建模过程。其中，数学模型是数学形式来反映系统的特性，使结构动力学系统分析的。3.4.1轨道动力学仿真模型本文主要研究线路参数对行车动力特性的影响，重点反映的是轨道系统整体上的效果，不考虑轨道结构的振动。在UM软件建立轨道模型，钢轨采用标准的中国60kg/m钢轨，将钢轨视为弹性的连续梁，蠕滑力计算采用Fastsim算法。轨道不平顺，采用轨道德国低干扰谱生成。(1)轨道高低不平顺-25- 2AvcS()(2-1)v2222()()rc(2)轨道方向不平顺2AacSv()2222(2-2)()()rc(3)轨道水平不平顺222AbvcSv()2222(2-3)()()rc其中，——截断频率(rad/m)；rb——左、右滚动圆距离之半，一般可取0.75m；A——基于轨距不平顺在-3mm~3mm内变化经试算得出的参考值。g高低、水平、方向和轨距不平顺随距离的变化曲线，分别如图3-1~3-3所示。图3-1轨道高低不平顺变化曲线-26- 图3-2轨道水平不平顺变化曲线图3-3轨道方向不平顺变化曲线3.4.2车辆动力学仿真模型车辆动力模型大致可以分为三种模型分别是：单轮对简化模型、转向架半车模型和整车模型。整车模型可以较好的反映车辆主要部件之间的相互影响的叠加作用；若车辆模型采用单轮对简化模型或转向架半车模型，则不能或不能充分反映，所以本文所有的仿真分析均采用整车模型。整车模型以UM子系统技术为基础，即将重复出现的轮对和转向架设为子系统。建模时还要假定车体、摇枕、侧架、轮对等结构均为刚体。转向架如图3-4，轮对如图3-5。-27- 图3-4转向架模型图3-5轮对模型虽然单车系统动力学可反映出它的主要动力学特征，但依据高速客车的现实状况，要研究列车的动力学性能，就必须建立多车模型。首先因为高速客车的车端连接装置较特殊，导致各节车辆之间的耦合作用被加强，其次高速客车的动车与拖车的动力学参数相差较大，所以需要采用两动一拖三节（包括头车、中车和尾车）客车的组合列车模型，才能能将列车基本的动力学性能体现出来。在UM中建立的三车仿真模型视图如图3-6所示。铁道机车车辆根据悬挂方式的不同可以分为：二系悬挂的车辆模型，一般主要用于客车；传统一系中央悬挂系统的货车模型；一系轴箱悬挂方式的新型货车系统。本文线路为客运专线，运营列车为高速客车，因此所建立的车辆模型采用二系悬挂模型。[49]列车模型与拖车模型采用的是动力集中型的“先锋号”。具体列车参数见表3-8，拖车参数见表3-9。-28- 图3-6UM中两动一拖车辆模型视-29- 表3-8动车参数参数数值参数数值车体质量/t42400减震装置相对摩擦系数0.0800二系悬挂纵向刚度(每侧2车体绕x轴转动惯量/(kg·m)1015000.3156-1架)/(MN·m)二系悬挂横向刚度(每侧2车体绕y轴转动惯量/(kg·m)10644000.3156-1架)/(MN·m)二系悬挂垂向刚度(每侧2车体绕z轴转动惯量/(kg·m)8672000.8858-1架)/(MN·m)二系悬挂纵向阻尼系数侧架质量/kg34001000/(kN.s/m)二系悬挂横向阻尼系数2侧架绕x转动惯量/(kg·m)320050/(kN.s/m)二系悬挂横向阻尼系数2侧架绕y转动惯量/(kg·m)720045/(kN.s/m)抗蛇行减振器横向跨距2侧架绕z转动惯量/(kg·m)68002.61-1/(MN·m)轮对质量/kg2200滚动圆横向跨距/mm14932轮对绕x转动惯量/(kg·m)1630车轮滚动圆半径/mm5252轮对绕y转动惯量/(kg·m)280转向架轴距/mm32轮对绕z转动惯量/(kg·m)1630车辆定距/mm11.46-1轴箱纵向定位刚度/(MN·m)9钩到钩距离/m21.29-1轴箱横向定位刚度/(MN·m)1.32轴箱弹簧横向跨距/m2.05-1轴箱垂向刚度/(MN·m)1.04轴箱减振器横向跨距/m2.05轴箱减振器垂向阻尼系数30二系钢簧横向跨距/m2.05-1/(MN·m)-30- 表3-9拖车参数参数数值参数数值车体质量/t44000轴向定位节点/(m)2.00车体绕x轴转动惯量二系悬挂纵向刚度740000.212-1/(kg·m)(每侧架)/(MN·m)车体绕y轴转动惯量二系悬挂横向刚度27400000.212-1/(kg·m)(每侧架)/(MN·m)车体绕z轴转动惯量二系悬挂垂向刚度27400000.352-1/(kg·m)(每侧架)/(MN·m)二系悬挂纵向阻尼侧架质量/kg1700300系数/(kN.s/m)二系悬挂横向阻尼2侧架绕x转动惯量/(kg·m)160015系数/(kN.s/m)二系悬挂横向阻尼2侧架绕y转动惯量/(kg·m)170040系数/(kN.s/m)抗蛇行减振器横向2侧架绕z转动惯量/(kg·m)17002.8-1跨距/(MN·m)滚动圆横向跨距轮对质量/kg19001506.1/mm车轮滚动圆半径2轮对绕x转动惯量/(kg·m)1067457.5/mm2轮对绕y转动惯量/(kg·m)140转向架轴距/mm25002轮对绕z转动惯量/(kg·m)1067车辆定距/mm18000-1轴箱纵向定位刚度/(MN·m)15钩到钩距离/m25.50-1轴箱横向定位刚度/(MN·m)5轴箱弹簧横向跨距/m2.05-1轴箱垂向刚度/(MN·m)0.7轴箱减振器横向跨距/m2.05轴箱减振器垂向阻尼系数40二系钢簧横向跨距/m2.00-1/(MN·m)-31- 3.4.3线路动力学仿真模型UM软件中有直线、圆曲线、S曲线、道岔和复杂线路等线路情况的设置选项，在本文中利用UM软件自带的线型输入功能对线路方案的线型参数进行参数输入。3.5模型验证由于本文线路设计方案的铁路线路还未建成，没有相应的试验数据，故本文以秦沈客运铁路线路动载试验为依据进行模型验证。3.5.1试验概况(1)轨道结构线路轨道为60kg/m钢轨，轨枕为Ⅲ型混凝土枕，弹条III型扣件，道床厚度30cm，I级道昨，土质路基。(2)线路条件半径R为5500m，前后缓和曲线l都为300m，曲线超高h为55mm，圆曲线长度s为244.84m，竖曲线半径Rs为20000m，线路处于凸形纵断面，下坡道i为-10‰，坡长p为1400m，，上坡道i为7‰，坡长p为900m。(3)运行条件试验列车采用“先锋号”动力分散型电力电动车组，由2个动力单元组成，每个动力单元由2辆动力车和1辆拖车组成，整列编组为6辆车，最大轴重为13.42t。通过速度为160km/h、180km/h、200km/h、220km/h、240km/h、250km/h。3.5.2仿真与测试结果对比以德国轨道谱模拟线路不平顺，在试验概况中的线路条件下进行仿真，将试验测得的内外轨的最大脱轨系数和轮轨横向力与仿真结果对比分析，整理数据绘制成折线图，如图3-14～图3-15所示，仿真值用S表示，测试值用T表示，内轨用N表示，外轨用W表示，例如WT指的是外轨测试值，NS指的是内轨模型的仿真值。-32- 图3-7轮轨垂向力测试值与仿真值图3-8轮轨横向力测试值与仿真值-33- 图3-9脱轨系数测试值与仿真值图3-10轮重减载率测试值与仿真值从图3-7、3-8发现外轨仿真和测试的最大轮轨横向力、垂向力随车辆运行速度的增大都呈现上升趋势，内轨的都呈现下降趋势；从图3-9可以发现仿真和测试的最大脱轨系数变化趋势基本相似，无过大偏差；从图3-10发现外轨仿真和测试的轮重减载率车辆运行速度的增大都呈现下降趋势，内轨的都呈现上升趋势；。总体而言，仿真数据和试验数据的值都在同一个数量级上，并且变化规律都较为相似，没有明显的偏差，故通过以上分析验证了本文模型的合理性。-34- 3.6线路动力学性能初步分析通过UM对线路进行仿真，该线路各动力学性能仿真结果如图3-7～3-12所示。0.3Y/Q(L/V)_1lY/Q(L/V)_1r0.25Y/Q(L/V)_2lY/Q(L/V)_2rY/Q(L/V)_3l0.2Y/Q(L/V)_3rY/Q(L/V)_4l0.15Y/Q(L/V)_4rY/Q(L/V)_5l0.1Y/Q(L/V)_5rY/Q(L/V)_6lY/Q(L/V)_6r0.05Y/Q(L/V)_7lY/Q(L/V)_7r0Y/Q(L/V)_8lY/Q(L/V)_8rY/Q(L/V)_9l-0.05Y/Q(L/V)_9rY/Q(L/V)_10l-0.1Y/Q(L/V)_10rY/Q(L/V)_11lY/Q(L/V)_11r-0.15Y/Q(L/V)_12lY/Q(L/V)_12r-0.2050100150200t,с图3-7脱轨系数D.Ratio(W/R)_1l0.8D.Ratio(W/R)_1rD.Ratio(W/R)_2lD.Ratio(W/R)_2r0.6D.Ratio(W/R)_3lD.Ratio(W/R)_3r0.4D.Ratio(W/R)_4lD.Ratio(W/R)_4r0.2D.Ratio(W/R)_5lD.Ratio(W/R)_5rD.Ratio(W/R)_6l0D.Ratio(W/R)_6rD.Ratio(W/R)_7l-0.2D.Ratio(W/R)_7rD.Ratio(W/R)_8lD.Ratio(W/R)_8r-0.4D.Ratio(W/R)_9lD.Ratio(W/R)_9r-0.6D.Ratio(W/R)_10lD.Ratio(W/R)_10r-0.8D.Ratio(W/R)_11lD.Ratio(W/R)_11r050100150200t,сD.Ratio(W/R)_12lD.Ratio(W/R)_12r图3-8轮重减载率-35- 0.8a:z(车体/track)0.60.40.20-0.2-0.4-0.6050100150200t,с图3-9车体垂向振动加速度2a_u:y（(车体/track)1.510.50-0.5-1.5050100150200t，с图3-10车体横向振动加速度图2-9车体横向振动加速度-36- Q(V)_1lQ(V)_1r120000Q(V)_2lQ(V)_2rQ(V)_3l100000Q(V)_3rQ(V)_4lQ(V)_4r80000Q(V)_5lQ(V)_5rQ(V)_6l60000Q(V)_6rQ(V)_7lQ(V)_7r40000Q(V)_8lQ(V)_8rQ(V)_9l20000Q(V)_9rQ(V)_10lQ(V)_10r0Q(V)_11l050100150200t,сQ(V)_11rQ(V)_12lQ(V)_12r图3-11轮轨垂向力Y(L)_1lY(L)_1r30000Y(L)_2l25000Y(L)_2rY(L)_3l20000Y(L)_3rY(L)_4l15000Y(L)_4r10000Y(L)_5lY(L)_5r5000Y(L)_6lY(L)_6r0Y(L)_7l-5000Y(L)_7rY(L)_8l-10000Y(L)_8r-15000Y(L)_9lY(L)_9r-20000Y(L)_10lY(L)_10r-25000Y(L)_11l050100150200t,сY(L)_11rY(L)_12lY(L)_12r图3-12轮轨横向力由图3-7～3-12曲线图可以看出，该区段线路脱轨系数、轮重减载率、车体垂向加速度、车体横向加速度、轮轨垂向力、轮轨横向力各动力学指标整体均限值范围内。动力指标的波动性比较大，甚至部分动力学指标接近安全限值的最大值区段集中在58-82s与153-177s范围内，对应该线路里程为DK162+027.52～DK163+694.08与DK168+624.32～DK170+290.88，着重考虑该地段的优化。-37- 3.7本章小结本章介绍了多体动力学仿真软件UM的特点以及选取原因，并基于车辆-轨道动力学理论，运用UM软件建立了车辆模型、轨道模型及线路模型，并验证所建模型的有效性。以铁路区段线路设计方案为优化对象，结合车辆-轨道动力学性能评价体系，以脱轨系数、轮重减载率、车体垂向加速度、车体横向加速度、轮轨垂向力、轮轨横向力为动力学性能评价指标，分析该线路动力学性能，确定重点优化的线路区域。-38- 第四章线路动力学影响因素分析在本文提出的铁路选线设计方案的动力学性能优化方法中，拟建立动力学性能与线路设计参数之间的内在联系。根据线路设计规范确定线路设计参数的取值范围，在此基础上利用动力学仿真模型分析各个线路参数在其余参数不变的情况下，对车辆—轨道动力学性能的影响规律，从而获得影响动力学性能的敏感参数。由于本文线路为高速铁路，仅基于高速铁路设计参数进行分析。在线路参数对动力学性能的敏感性仿真分析中，假设轨道处于理想几何形位，不考虑轨道不平顺影响。车辆在线路上运行时，动力性能指标数据是随时间或里程变化的动态数据，具有连续性，不间断性。虽然计算机提取数据为离散的一系列点，但由于提取的时间间隔非常短(0.02s)，瞬间突变的可能性很小，可近似认为是一系列连续的数据，因此选取动力学指标数据中的最大绝对值用于分析。4.1平面曲线半径的影响4.1.1最小曲线半径取值范围[32]《铁路线路设计规范》中指明线路平面的圆曲线半径的选取要结合实际的工程条件情况、设计速度以及养护维修等因素，一般采用10m的整数倍，如10000m、5000m、1000m、900m、550m等。根据《高速铁路路设计规范》最小曲线半径取值见表4-1。表4-1最小曲线半径取值表行车速度(km/h)350/250300/200250/200250/160推荐(m)8000～100006000～80004500～70004500～7000一般(m)7000500032004000困难(m)5500400028003500-39- 4.1.2最大圆曲线半径取值范围最大曲线半径会直接影响轨道的平顺状态。当曲线半径大到一定数值后，曲线半径越大对轨道平顺性反而有不良影响，因此曲线最大半径值应加以限制。参考国内外实际情况，并结合线路测设精度、轨道检测精度等，我国高速铁路最大曲线半径不大于12000m，个别不大于14000m。结合线路实际情况，仿真分析时，曲线半径取值范围为5000m～12000m。曲线半径取值规则为取100m的整数倍。在分析实设超高下不同曲线半径对系统动力响应的影响之前，首先计算与曲线半径相匹配的超高值，如表4-2所示。表4-2与曲线半径相匹配的超高值曲线实设计算超高/mm半径超高250km/h300km/h350km/h/m/mm平衡过欠平衡过欠平衡过欠超高超高超高超高超高超高超高超高超高50001809486—212—32289—10960001707991—177—7241—7l70001506783—152—2207—5780001455986—13312—18l—3690001255273—1187—161—36100001054758—106—1145—4011000954352—97—2131—3612000853946—89—4120—354.1.3超高不变时曲线半径的影响规律超高值h取150mm，行车速度v取250km/h，缓和曲线线型设置为三次抛物线。曲线半径R分别取5000m，6000m，7000m，8000m，9000m，10000m，11000m，12000m，系统各动力学指标最大值(绝对值)随曲线半径变化如图4-1～4-6所示。-40- 20.09m/s0.085车体垂向加速度0.0856789101112半径r/km图4-2曲线半径对车体垂向加速度图4-1曲线半径对车体横向加速度的影响(超高不变)的影响(超高不变)758kN70kN6654602轮轨垂向力轮轨横向力5505678910111256789101112半径r/km半径r/km图4-3曲线半径对轮轨横向力的影响图4-4曲线半径对轮轨垂向力的影响(超高不变)(超高不变)0.60.360.50.280.40.30.2轮重减载率0.2脱轨系数0.120.100.045678910111256789101112半径r/km半径r/km图4-5曲线半径对轮重减载率的影响图4-6曲线半径对脱轨系数的响(超高不变)(超高不变)-41- 从仿真得到的图4-1～4-6可知，车体的各项动力学指标均呈下降趋势。当半径从5000m增至9000m（平衡半径）时，欠超高逐渐减小，各指标的降低幅度都非常明显。当半径增至9000m之后，过超高逐渐增大，车体横向加速度、轮重减载率、脱轨系数各项指标轻微上升，但较9000m之前的上升幅度较小。车体的垂向加速度总体受曲线半径影响较小。平衡曲线半径有助于车-线动力学性能提高，在线路设计中半径和超高需提高匹配程度。4.1.4按实设超高时曲线半径的影响规律按表4-2中曲线半径和实设超高值对应数值，设置曲线半径与超高，行车速度v取250km/h，缓和曲线线型设置为三次抛物线，系统各动力学指标最大值(绝对值)变化分别如图3-7～3-12所示。10.122m/s0.8m/s0.080.60.40.060.2车体横向加速度车体垂向加速度00.045678910111256789101112半径r/km半径r/km图4-8曲线半径对车体垂向加速度的图4-7曲线半径对车体横向加速度的影响(实设超高)影响(实设超高)-42- 0.6750.4kN70650.2轮重减载率60轮轨垂向力0555678910111256789101112半径r/km半径r/km图4-9曲线半径对轮轨横向力的影响图4-10曲线半径对轮轨垂向力的影响(实设超高)(实设超高)0.60.360.280.40.2轮重减载率0.2脱轨系数0.1200.045678910111256789101112半径r/km半径r/km4-11曲线半径对轮重减载率的影响图4-12曲线半径对脱轨系数的影响(实设超高)(实设超高)从仿真得到的图4-7～4-12可知，车体的各项动力学指标均呈下降趋势。当半径从5000m增至9000m时，欠超高逐渐减小，各指标的降低幅度都非常明显。当半径增至9000之后，过超高逐渐增大，各项指仍在下降，但较9000m之前的下降幅度较小。随着曲线半径的增大，有利于车-线动力学性能提高。4.2缓和曲线的影响4.2.1缓和曲线长度在列车运行速度日益提高的情况下，舒适性与安全性的要求被始终摆在首位，因此在线路设计时对缓和曲线长度提出了较高的要求，以保证曲率和超高的变化满足行车安全。但缓和曲线并非越长越好，纵断面设计与平面选线就会被长度过长的缓和曲线影响，进而引起工程投资的增大。缓和曲线长度过长会-43- 影响平面选线和纵断面设计，引起工程投资的增大。缓和曲线长度受车辆脱轨、未被平衡横向离心加速度时变率(欠过超高时变率)、车体倾斜角速度(超高时变率)影响。超高时变率取值、欠超高时变率取值（取自《京沪高速铁路设计暂行规定》）见表4-3。表4-3超高时变率与欠超高时变率允许值[b](mm/s)[f](mm/s)限制速度(km/h)一般困难一般困难≥2002338253l＜20035452835在铁路选线设计中，曲线长度应根据设计行车速度、曲线半径和地形条件来确定合理的缓和曲线长度。表4-4为行车速度为250km/h时我国高速铁路设计规范中规定的缓和曲线长度的取值。表4-4缓和曲线长度m曲线半径舒适度50006000700080009000100001100012000优秀340280240210190170160140良好300250220190170150140130一般2702301901701501401301204.2.2缓和曲线长度的影响规律根据线路的实际情况，缓和曲线线型采用三次抛物线，缓和曲线线型影响不再进行分析。取行车速度v取250km/h，超高方式为外升方式，圆曲线半径R为7000m缓和曲线长度l从100m取到900m，每次递增100m。各动力学指标随缓和曲线长度变化如图4-19～4-24所示。-44- 0.62m/s0.40.2车体垂向加速度0100200300400500600700800900缓和曲线长/m图4-19缓和曲线长度对车体横向图4-20缓和曲线长度对车体纵向加速度的影响加速度的影响209015kNkN801070轮轨横向力5轮轨垂向力06010020030040050060070080090056789101112缓和曲线长/m缓和曲线长/m图4-21缓和曲线长度对轮轨横向力图4-22缓和曲线长度对轮轨垂向力的影响的影响0.50.20.40.150.3脱轨系数0.1轮重减载率0.20.10.05100200300400500600700800900100200300400500600700800900缓和曲线长/m缓和曲线长/m图4-23缓和曲线长度对轮重减载率图4-24缓和曲线长度对脱轨系数的影响的影响-45-图3-23缓和曲线长度对轮重减载率图3-24缓和曲线长度对脱轨系数 从仿真得到的图4-19～4-24可知，车体的各项指标随缓和曲线的增加呈下降趋势，脱轨系数、轮轨横向力、轮轨垂向力随缓和曲线长度由100m增至200m时下降十分显著；轮重减载率随缓和曲线长度由100m增至400m时下降十分显著；车体横向加速度、车体垂向加速度随缓和曲线长度由100m增至900m时逐渐减小。通过上述分析可知，缓和曲线长度的增大可以提高车体通过曲线的性能；同样缓和曲线长度的增加在一定范围内对动力学性能的降低也十分明显；当缓和曲线增加到一定程度再继续增加将不会给动力学性能来明显减缓，而一味增加缓和曲线长度则会给线路的养护带来更多的不便，所以在线路参数设计时，缓和曲线长度的合理选择变得尤为重要。4.3竖曲线的影响4.3.1竖曲线半径取值范围当变坡点处相邻坡段的坡度差大于等于1‟时设计竖曲线。受运行安全、乘客舒适等条件的影响，需采用圆曲线形竖曲线连接。竖曲线半径与速度和离心加速度的关系为：2VmaxRsh(4-1)3.6[a]sh2式中，[]a为乘客舒适度允许的竖向离心加速度(m/s)。sh22根据国外经验，高速客运专线取值一般为0.4m/s，困难情况下为0.5m/s，2一般条件：RVsh0.2max(4-2)2困难条件：RVsh0.15max(4-3)表4-5根据计算所得不同速度情况下的最小竖曲线取值。表4-5最小竖曲线标准Vmax(km/h)≥300250～300160～250<160Rsh(m)25000200001500010000-46- 4.3.2竖曲线的影响规律在铁路曲线上，往往竖曲线的设置会对系统动力学性能带来一定的影响，竖曲线设置的地方坡度会发生变化产生变坡点，因此下面主要分析“凸形”和“凹形”的竖曲线半径对动力学性能的影响。线路参数设置如下：圆曲线长度s取300m，曲线前后直线段长度p分别都取50m，缓和曲线长度l取60m，半径R取6000m，超高h取150mm，速度v取250km/h，竖曲线设置在圆曲线中间，坡度差3‰，上、下坡道长度分别取260m，竖曲线半径从5000m取到40000m每次递增5000m。将上述竖曲线半径对应的线路参数分别按“凸形”和“凹形”进行仿真。如图4-25～4-27所示。凹形凹形凸形凸形30.422m/s0.2100-1轮重减载率-0.2-2车体垂向加速度-3-0.4010203040010203040竖曲线半径/km竖曲线半径/km图4-25竖曲线半径对车体垂向加速图4-26竖曲线半径对轮重减载率的度的影响影响凹形凸形90KN756045轮轨竖向力30010203040竖曲线半径/km图4-27竖曲线半径对轮轨垂向力的影响-47- 从图4-25～4-27仿真得到的结果可知：轮轨垂向加速度、轮重减载率在凹形竖曲线下产生的绝对值跟凸形的基本一样大，都随竖曲线半径的增加而降低，在竖曲线半径增加到15000m以后，轮轨垂向加速度、轮重减载率的降低幅度不再明显；相比凹形竖曲线而言，凸形竖曲线下竖曲线半径对轮轨垂向力的影响较大，都随着竖曲线半径的增加而减小。综上所述，竖曲线半径的增加在一定的程度上能降低车-线动力学影响，同时对车体通过曲线的平稳性也有一定的提升，不过当竖曲线的半径增至一定值时，各项动力学指标的值变化不再明显，所以如同缓和曲线一样，过多的加大竖曲线半径只会增加相应的养护工作量。4.4夹直线与圆曲线长度的影响4.4.1夹直线与圆曲线长度取值范围线路顺直是铁路线路设计的前提。为了缩短线路长度，使行车条件得以改善，应将直线段尽量延长。但受实际条件的制约，必须设计圆曲线与缓和曲线来适应地形，绕避地物以降低工程量和工程成本。列车运行平稳性和旅客乘坐舒适性是限制缓和曲线间夹直线和圆曲线最小长度的重要因素。同时，后期养护、维修工作也限制了曲线间夹直线和圆曲线最小长度。理论上满足列车在夹直线或圆曲线的起终点产生的振动不叠加的限制条件，即可得到满足列车运行平稳及旅客乘坐舒适所要求的夹直线和圆曲线的最小长度。它受列车振动、衰减特性和列车运行速度的影响。需使车辆通过夹直线、圆曲线的时间t大于等于弹簧振动消失的时间t2，由此可得：tVzmaxL(4-4)3.6实验数据表明，列车在缓和曲线出入口所产生的振动基本需要一个半到两个周期衰减完毕。由实验得到，车辆振动周期约为1S，将振动衰减完毕时间设置为两个周期，则最小夹直线或圆曲线最小长度为：2VmaxLV0.6max(4-5)3.6在我国既有线一般地段的夹直线长度标准取值范围是(0.6～0.67)V，而在max国外运营时速在200～350km/h的高速铁路上，其夹直线和圆曲线最小长度取值-48- 范围为(0.4～1.0)V，具体情况见表4-6。max表4-6国外高速铁路夹直线与圆曲线最小长度国别线路行车速度(km/h)夹直线与圆曲线最小长度(m)德国既有线改造(ICE)≥200(200～270)0.4Vmax(0.6Vmax)法国TVG270～300(350)0.67Vmax(1.0Vmax)我国现行《京沪高速铁路设计暂行规定》中规定夹直线和圆曲线最小长度取0.8V，困难情况下取0.6V。maxmax我国高速铁路确定夹直线最小长度是以车体振动不叠加理论为依据。夹直线和圆曲线最小长度要求相同且不小于50m，通常在0.4V～1.0V范围内。maxmax4.4.2夹直线与圆曲线长度的影响规律行车速度v取250km/h，圆曲线半径R取6000m，超高方式为外轨抬升，超高h取150mm，缓和曲线线型设置为三次抛物线，缓和曲线长度l取200m长。设计两段线路方案进行分析，圆曲线与夹直线长度分别为：方案一：圆曲线0.4V一夹直线0.6V一圆曲线0.6V方案二：圆曲线0.8V一夹直线0.8V一圆曲线1.0V方案一、二系统各振动响应最大值(绝对值)分别如图4-28～4-31所示。方案一方案一方案二方案二0.80.3220.25m/s0.6m/s0.20.40.150.10.2车体横向加速度0.050车体垂向加速度00300600900120003006009001200运行距离/m运行距离/m图4-28夹直线与圆曲线长度对车体横向图4-29夹直线与圆曲线长度对车体垂向加速度的影响加速度的影响-49- 方案一方案一方案二方案二2066KN16KN6212588轮轨垂向力54轮轨横向力4500300600900120003006009001200运行距离/m运行距离/m图4-30夹直线与圆曲线长度对车体横向图4-31夹直线与圆曲线长度对车体垂向力的影响力的影响从仿真得到的图4-28～4-30可知，方案一与方案二相差不大车体横向加速度、轮轨横向力、轮轨垂向力随夹直线与圆曲线长度的改变变化不大，且数值非常接近。通过分析这些规律可知，夹直线和圆曲线长度对车-线系统动力学性能影响不大，优化线路方案时，可不考虑夹直线和圆曲线长度。4.5圆曲线与竖曲线重叠设置的影响平面曲线与竖曲线重叠设置可分几种工况，如图4-32所示。列车以为250km/h速度通过，缓和曲线线型为三次抛物线，超高方式为外轨提升方式。线路参数：线路坡度tani1=12‰，tani2=-12‰，即相邻坡段的坡度差为24‰，竖曲线半径RV=20000m，竖曲线长度为600m，缓和曲线长度为Lh=500m；圆曲线半径为R=7000m，圆曲线长度为600m，外轨超高为h=150m。在一些实际线路中很多缓和曲线比竖曲线更短，重叠设置的方案分别考虑变坡点分别与平面曲线中的直缓点、缓中点(前段缓和曲线中点)、缓圆点、圆缓点和缓直点五个点重合，按照下面的参数仿真，取各指标数值最大值(绝对值)，与平坡曲线的动力学指标相比较。-50- 图4-32平面曲线与竖曲线重叠设置工况不考虑轨道不平顺，列车以为加速图3-32250km/平面曲线与竖曲线重叠h速度通过，缓和曲线线型为三次抛设置工况物线，超高方式为外轨提升方式。度的影响线路参数：线路坡度tani1=6‰，tani2=-6‰，即相邻坡段的坡度差为12‰，竖曲线半径RV为20000m，竖曲线长度为300m，缓和曲线长度为了l为500m；圆曲线半径为R取7000m，外轨超高为h取150m。表4-7为竖曲线中点与缓和曲线不同位置重叠时的系统动力响应最大值。表4-7不同位置重叠时的系统动力响应重叠位置动力学指标平坡曲线直缓点缓中点缓圆点圆缓点缓直点车体横向加速度0.430.440.440.470.430.442/(m/s)车体垂向加速度0.570.530.550.540.530.532/(m/s)车体横向力/KN3.733.763.773.893.863.74车体垂向力/KN64.9465.0765.0960.0364.4764.96脱轨系数0.070.090.090.0110.090.09轮重减载率0.140.140.140.170.190.14-51- 由表4-7的结果可以得出：(1)竖曲线与圆曲线重叠时，只要轮重减载率有相对明显变化，其它动力学性能均变化不大；且其它指标最大值均与无竖曲线的平坡曲线相近。说明竖、圆曲线重叠时，对安全性和舒适性影响不大，可重叠设置。(2)在各种重叠方式中，竖曲线中点与缓和曲线在缓圆点重叠时的动力学参数最不利，圆缓点次之。因此，进行竖曲线与缓和曲线重叠设计时，不宜将竖曲线两端分别放在缓和曲线和圆曲线中，且竖曲线不宜与缓和曲线重叠设置。4.6归纳影响规律及线路敏感参数动力学指标对应的线路影响参数关系为圆曲线半径、超高和缓和曲线长度对动力学指标影响较大，动力学优化时重点考虑圆曲线半径、超高和缓和曲线长度和竖曲线与缓和曲线重叠设置。线路参数对动力学指标的影响规律为：(1)车体各项动力学指标与圆曲线半径大小有直接关系，在圆曲线半径较小时，增大圆曲线半径能有效改善轮轨动力相互作用，提高行车安全性。在线路设计时，如果直线可以通过，应尽量避免曲线，如果必须以曲线通过，应尽可能增大曲线半径。(2)尽量采用外升式超高，在线路设计时，超高设置要与车速及曲线半径相匹配。(3)动力学各项指标随缓和曲线长度的增加而减小。(4)凸形竖曲线对行车更不利，动力学指标随竖曲线半径增大而增大。(5)夹直线与圆曲线长度对轮轨作用力的影响不大。(6)圆曲线与竖曲线重叠设置，在缓和曲线与竖曲线重叠点动力学指标有明显变化，因此要尽量避免圆曲线与缓和曲线重叠设置。4.7本章小结本章参考国内外高速铁路线路参数设计特点，初步确定了高速铁路线路参数的取值范围。基于已建立的车辆模型，并以轮轨垂直力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、横向加速度和垂向加速度为动力学评价指标，在传统线路-52- 参数研究成果的基础上对铁路线路平纵断面参数(曲线半径、缓和曲线长度、竖曲线半径、夹直线和圆曲线最小值、平竖曲线重叠)的设置情况进行了进一步仿真分析，得到了线路参数对车辆—轨道动力学特性之间的影响规律，为进一步进行铁路线路动力学优化设计提供理论依据和基础。-53- 第五章线路方案的动力学性能优化构建基于层次分析法的动力学评价方法，结合线路设计优化原则、线路设计参数的敏感性分析和线路实际情况，在满足线路设计规范的前提下，以技术经济、技术要求为限制条件，根据线路周边实际情况，将自然环境、当地规划作为优先考虑事项对该线路方案进行动力学性能优化，并对比优化前后动力学性能综合得分。实现在满足高速铁路的技术规范要求下，提高线路整体动力学性能。5.1线路方案动力学评价要优化线路设计方案，首先要构建评价方法。构建基于层次分析法的动力学性能评价方法。由于评价方法不是本文的重点，不再详细介绍层次分析法。5.1.1确定评价指标的权重5.1.1建立结构层次模型从脱轨系数、轮重减载率的安全性指标、车体垂向振动加速度、车体横向振动加速度的稳定性指标和轮轨垂向力、轮轨横向力的轮轨作用力指标三方面来建立线路方案动力性能的评价体系。结构层次模型如表5-1所示。表5-1动力学性能评价指标体系目标层准则层指标层脱轨系数X11安全性X1轮重减载率X12车体垂向振动加速度X21线路方案的动力性能评价X平稳性X2车体横向振动加速度X22轮轨垂向作用力X31轮轨作用力X3轮轨横向作用力X32-54- 5.1.1.2构造判断矩阵判断矩阵的标度值由评价小组的多位专家，根据比例标度表，依据其重要性程度，以1-9比例标度法共同打分评价。得出构造判断矩阵的相对权值的比值ωi/ωj。判断矩阵A=(aij)n×n为n行n列的方阵，具体如下式1112naaa11121n221aaa21222nA1n=aaan12nnnnn112满足a=1/a，i≠j，i，j=1，2，3„„，n，a>0。a为i与j两因素ijjiijij相对权值的比值。表5-2比例标度表元素两两比较量化值同等重要1稍微重要3较强重要5强烈重要7极端重要9两相邻判断的中间值2，4，6，8表示Aij对Aji而言，有aij=1/aji1-9的倒数5.1.1.3层次单排序层次单排序就是排出一个优先次序，计算本层各指标对其隶属的上一级指标的权重。计算判断矩阵A的特征值和特征向量，将特征向量正交化。本层元素对其隶属指标元素Ak的排序权值为所得的特征向量W＝{W1，W2，„Wn}。(1)将A的每一列向量归一化-55- aijWijn()j123，，，n(5-1)aiji1(2)对方阵-W按行求和，得向量ijnWwiij(i13，，2，n)(5-2)j1(3)将W归一化，得近似的特征向量iWWin(5-3)wii15.1.1.4一致性检验对指标进行一致性检验，即每一行数据的变化尽量保持一致。当对指标两两比较时，要求必须保证矩阵的一致性。求得最大特征根的近似值：maxnAW1max(5-4)nwi1i计算一致性比例CI，nmaxCI(5-5)n1计算相对一致性比率CICR(5-6)RI一致性指标RI从平均随机一致性指标表中查出，一致性指标表见表5-3。表5-3平均随机一致性标度RIn34567891011121314R.I0.370.670.911.071.191.281.321.371.411.421.451.46判断检验矩阵的一致性用一致性比率CR，当CR越小，判断矩阵的一致性越好。当CR≤0时，判断矩阵具有满意的一致性标准；当CI<0.1时，判断矩阵的一致性可以接受。当CI≥0.1时，判断矩阵中的元素需要进行修正，再进行判-56- 断，直到检验通过。按上述方法计算得出各动力学指标权重系数，如表5-4所示。表5-4各指标权重系数车体垂向车体横向评价指标脱轨系数轮重减载率轮轨垂向力轮轨横向力加速度加速度权重0.44940.22460.113050.113050.05060.05065.1.2动力指标评价值5.1.2.1动力指标初始值动力指标的初始值，其本质上是计算指标数据的方差。各指标数据初始值v的计算公式如公式5-7所示。21222v=sxxxxxx(5-7)n12n式中，x——指标数据的平均值；n——指标数据样本的的数量；x——各动力学指标数据。n对于单个动力指标数据，方差越小，数据越集中，动力指标越平稳，动力学性能越优；指标数据的方差越大，数据越分散，动力指标便越不稳定，动力学性能也越差。5.1.2.2动力指标的超限系数对线路进行动力性能评价时，设定超限系数k。每有一个动力学指标数据超限，就要乘以一个超限系数k。动力学指标评价值根据公式5-8计算得出nV=kv(5-8)式中，V——动力指标评价值；k——超限系数；n——动力指标超限次数。动力学指标评价值V为该动力性能指标的最终得分。超限的评定标准，根据前文介绍的评价指标体系里各个指标的评价标准为依据。超限基数根据每个动力指标评价标准分多个级别，每一级评价标准对应-57- 一个超限系数。超限系数取值规则如表5-5所示的。表5-5超限系数取值评价标准级别优秀良好合格危险超限系数k值11.85100线路方案的得分B为指标权重W乘以动力指标评价值V，简便，直观的比较方案的优劣。5.2线路设计方案的动力学性能优化原则在铁路线路方案进行动力学性能优化时，需充分考虑自然环境、社会经济、环境等特点。在满足高速铁路的技术经济要求的前提下，因地制宜，重点突出其动力学性能。结合相关选线理论文献，提出铁路线路方案动力学优化原则：(1)技术可行。随着铁路建设施工水平不断提高，选线设计方案技术可行性变得越来越容易。科学技术的发展，施工技术的进步，制约线路方案的技术上的难题逐步得以解决。但修建高速铁路，其复杂难度较大，施工建设上仍存在一些特殊的技术难题，线路方案优化中仍不得不考虑。(2)经济合理。高速铁路工程建设、后期的运营维护均需要投入大量的资金因此，铁路线路方案优化应坚持经济的合理性的原则。在满足技术可行的条件下，追求科学合理、高效配置的投资费用，提高投资的使用效率。(3)安全可靠。线路方案优化设计，要满足各项建设规范以及运营管理规范规章要求，尽最大程度保证工程建设和运营均安全，使线路建设、运营安全可靠能得到有效保障。(4)环境友好。铁路线路方案设计如果片面最求换算工程运营费最省，忽略了环境的可持续性发展，将会破坏生态平衡，造成大量污染。环境友好的线路方案不仅能实现高速铁路与区域环境的共同可持续性发展，还能降低因潜在的环境破坏为铁路带来的风险事故风险，因此髙速铁路线路方案优化要坚持环境友好的原则。-58- 5.3方案优化结合本文第三章对线路动力学敏感参数分析与总结，采用优化线路敏感参数的方法对该段线路方案进行优化。由数据可以看出，动力学指标差的地段集中在58-82s与153-177s范围内，对应该线路里程为DK162+027.52～DK163+694.08与DK168+624.32～DK170+290.88。此两段里程范围内都包含平面曲线与竖曲线的叠加，着重考虑优化曲线半径、超高、缓和曲线长度和平曲线和竖曲线重叠设置的情况。平、竖曲线重叠设置动力学性能较差，首先考虑取消平、竖曲线重叠设置情况。根据对京沪高速铁路设计进行分析，为避免竖曲线与圆曲线重叠设置而[54]增加的工程投资平均达55%(每个工点投资增加千万元以上)，所以，取消平曲线与竖曲线重叠设置的情况这是不现实的。经查看线路纵断面图发现，三段竖曲线均与三段圆曲线重叠设置，属于平、竖曲线重叠设置动力学性能较好的情况，不需优化处理。由于竖曲线根据规范设置，不能随意变更，因此应优化平曲线。优化线路方案平面曲线考虑两种解决方法，一种方法是取直代曲，即将该段平面曲线改为直线代替，这样可以有效改善动力学指标，但一般结合地质实际、工程投资、地方规划等不宜采取此种方法。另一种方法是适当增大圆曲线半径。宜采用第二种方法，适当增大圆曲线半径，以提高动力学指标的稳定性。各段曲线根据实际情况是否优化，具体分析如下。(1)第一段圆曲线，曲线半径R1仅为5000m，横向加速度在此处，因此优化该段线路。该段线路周边环境实际情况如图5-1所示。增大曲线半径后，对图中村镇造成分割，增加拆迁费用，根据周边实际资料曲线半径R1"最大可增大到8000km。-59- 图5-1第一段圆曲线周边环境实际情况(2)第二段圆曲线，曲线半径R2为8000m，动力学性能良好。若增大曲线半径，会穿越当地高新发展规划区，与当地规划相冲突，也会造成拆迁费用增加，综合考虑该段不增大曲线半径，选择原方案曲线半径。图5-2第二段圆曲线周边环境实际情况(3)第三段圆曲线，曲线半径R3为6000m。增大曲线半径后，会对村庄进行分割，造成拆迁费用的增加，根据线路投资，周边实际环境该段曲线半径R3’可增大到7000m。-60- 图5-3第三段圆曲线周边环境实际情况根据影响动力学性能参数分析，超高应与曲线半径相对应。圆曲线半径改变，超高也应相应的改变。计算出相应的超高h01=92mm，h03=104mm实际取值取5mm的整数倍，则超高值为h1=95mm，h3=105mm。而超高的改变也会引起缓和曲线长度的变化。根据表4-4选取对应的缓和曲线长度，则缓和曲线长度分别为l1=210m，l3=240m。-61- 表5-1优化后曲线要素表交点号QDJD1JD2JD3起点ZH或—DK162+178.0DK168+246.0DK169+366.0曲线ZY里终点程HZ或DK162+178.0DK163+153.8DK167+993.3DK169+477.5YZ左曲—17°15′03″——线偏偏角右——18°51′43″16°71′12″偏曲线半径—800080007000R/m缓和曲线长—210110240度/m曲线长度—975.8737.31227.5L/m夹直线长度——1460—/m附注无无无无5.4方案动力学得分对比优化后方案在UM中仿真，与优化前相比较。表5-2～5-7为方案优化前后提取动力学指标得分对比情况。(1)脱轨系数由UM中提取脱轨系数，经过计算得各轮轨指标得分，如表5-2所示。-62- 表5-2优化前后脱轨系数指标得分方案优化前方案优化后轮轨编号方差超限系数指标得分方差超限系数指标得分1l0.00163710.0016370.00142310.0014231r0.00167910.0016790.00159210.0015922l0.00270310.0027030.00263110.0026312r0.00327810.0032780.00333210.0033323l0.00170310.0017030.00152710.0015273r0.00162210.0016220.00147110.0014714l0.00243510.0024350.00204710.0020474r0.00297610.0029760.00311510.0031155l0.00169810.0016980.00160710.0016075r0.00190310.0019030.00173110.0017316l0.00287310.0028730.00213410.0021346r0.00309810.0030980.00254710.0025477l0.00146710.0014670.00134310.0013437r0.00160110.0016010.00140010.0014008l0.00302110.0030210.00216310.0021638r0.00298110.0029810.00273310.0027339l0.00169310.0016930.00172710.0017279r0.00199210.0019920.00183710.00183710l0.00287210.0028720.00290110.00290110r0.00353110.0035310.00309610.00309611l0.00177210.0017720.00151710.00151711r0.00158910.0015890.00135110.00135112l0.00343510.0034350.00264910.00264912r0.00302110.0030210.00253210.002532指标评价值0.0565800.050406(2)轮重减载率由UM中提取轮重减载率，经过计算得各轮轨指标得分，如表5-3所示。-63- 表5-3优化前后轮重减载率指标得分方案优化前方案优化后轮轨编号方差超限系数指标得分方差超限系数指标得分1l0.02143010.0214300.01641610.0164161r0.02176810.0217680.01496410.0149642l0.02329610.0232960.02137910.0213792r0.02225010.0222500.01996710.0199673l0.01805410.0180540.01704310.0170433r0.02201510.0220150.01907310.0190734l0.02131510.0213150.01893510.0189354r0.02420110.0242010.02214710.0221475l0.02013910.0201390.01692510.0169255r0.02101610.0210160.01912910.0191296l0.02289110.0228910.02188110.0218816r0.02549310.0254930.02035710.02003577l0.01474910.0147490.01608710.0160877r0.02030210.0203020.01598210.0159828l0.02796110.0279610.02099310.0209938r0.02731210.0273120.02791910.0279199l0.02017110.0201710.01803110.0180319r0.01905410.0190540.01898210.01898210l0.02150210.0215020.01904310.01904310r0.02340710.0234070.02177310.02177311l0.01810910.0181090.01606110.01606111r0.01700610.0170060.01857210.01857212l0.02413710.0241370.01996710.01996712r0.02193210.0219320.02055910.020559指标评价值0.5195100.462185(3)轮轨垂向力由UM中提取轮轨垂向力，经过计算得各轮轨指标得分，如表5-4所示。-64- 表5-4优化前后轮轨垂向力指标得分方案优化前方案优化后轮轨编号方差超限系数指标得分方差超限系数指标得分1l86286808186286808851457211851457211r88304321188304321857321311859021312l108979476110897947610830381911083038192r107353432110735343210696783611069678363l76272242176272242754713481754713483r96092722196092722951158591951158594l98207879198207879964653591964653594r102736579110273657911163677911116367795l89498303189498303887341081887341085r90697326190697326899016471899016476l105697092110532533710459175111045917516r109270143110927014310872867911087286797l79714078179714078785971421785971427r58580139158580139573297931573297938l106577073110657707310583252911058325298r104192850110419285010330759411033075949l85197205185197205847148371847148379r935479851935479859282551919282551910l998920061998920069920165219920165210r1134512121113451212112738697111273869711l764258001764258007577243417577243411r755070941755070947483947217483947212l1061351271106135127105726041110572604112r10638531011063853101056937461105693746指标评价值22560022022196044700-6-6即优化前后轮轨垂向力的得分分别为2256.002202×10，2196.044700×10。(4)轮轨横向力-65- 由UM中提取轮轨垂向力，经过计算得各轮轨指标得分，如表5-5所示。表5-5轮轨横向力指标得分方案优化前方案优化后轮轨编号方差超限系数指标得分方差超限系数指标得分1l90018521139692678847319188473191r91781661139692678643751186437512l13969267113969267127936321127936322r19231094113969267185817491185817493l96707941139692678636248186362483r88570571139692677981749179817494l16301839113969267159622721159622724r178509321139692671685277116852775l104258751139692679731456197314565r98744001139692679021747190217476l14935821113969267133877831133877836r18923536113969267179584621179584627l9780500197805008829499188294997r8386237183862377796892177968928l14567291114567291137419371137419378r18569028118569028179328631179328639l9660042196600428937829189378299r97897901978979091224731912247310l153394261153394261489367211489367210r189013361189013361819368211819368211l84305881843058878924331789243311r77711651777116571321071713210712l156377061156377061499203711499203712r1857354811857354817829601117829601指标评价值313627290278841193统一数量级后分别为313.627290，278.841193。-66- (5)车体垂向振动加速度由UM中提取车体垂向振动加速度指标，经过计算得各轮轨指标得分，如表5-6所示。表5-6优化前后车体垂向振动加速度指标得分方案方差超限系数指标得分评价指标值优化前0.01295810.0129580.012958优化后0.01253710.0125370.012537(6)车体横向振动加速度由UM中提取车体垂向振动加速度指标，经过计算得各轮轨指标得分，如表5-7所示。表5-7优化前后车体横向振动加速度指标得分方案方差超限系数指标得分评价指标值优化前0.14906610.1490660.149066优化后0.12903710.1290370.129037(7)方案最终得分根据优化前后各指标得分、指标权重系数得出方案总得分。如表5-8所示。表5-8优化前后各指标得分、指标权重系数及方案总得分方案优化前方案优化后动力指标指标得分指标权重指标得分指标权重脱轨系数0.0565800.44940.0504060.4494轮重减载率0.5195100.22460.4621850.2246轮轨垂向力2256.0022020.113052196.0447000.11305轮轨横向力313.6272900.11305278.8411930.11305车体垂向振动加速度0.0129580.05060.0125370.0506车体横向振动加速度0.1490660.05060.1290370.0506方案得分290.646921279.919731相比于原来的方案，修改后的线路方案得分明显降低，即优化后方案动力学性能优于优化前方案。-67- 5.5本章小结在高速铁路线路方案优化时，在满足线路设计规范的前提下，以技术经济、技术要求为限制条件，根据线路周边实际情况，将自然环境、当地规划作为优先考虑事项，结合相关选线理论文献，本文提出高速铁路线路方案动力学优化原则：技术可行、经济合理、安全可靠、环境友好。根据第三章总结的线路动力学影响规律及敏感参数，以高速铁路优化原则为前提，结合线路环境、地质等实际情况，优化线路动力学性能差的区段。其实质是在线路周边环境允许情况下，最大范围优化线路敏感参数，使线路方案达到动力学性能最优方案。根据构建的评价方法计算方案优化前后得分情况，并对比优化前后各动力学指标得分和方案总得分，直观的反映出达到线路的优化。-68- 第六章结论与展望随着我国铁路事业的发展，高速铁路以其快速、大运量、舒适度高等显著优势推动着铁路事业的振兴和社会经济的发展。在高速铁路建设中，选线设计方案质量将直接决定列车运行安全性、线路稳定性和旅客乘车舒适性。随着高速铁路行车速度的提高，铁路车辆与线路间的相互作用不断增强，对车辆运行品质及线路安全性产生极大影响。在传统线路设计方法中，线路设计参数往往是采用静态或准静态的方法确定，对线路及车辆之间的相互作用重视不足，无法保证线路方案的动力学性能。本文以聚乐堡至大同南铁路线路为优化对象，采用理论分析和模拟仿真相结合的方法，实现铁路选线设计方案的动力学性能优化。6.1本文的主要研究成果(1)基于车辆-轨道动力学理论，建立了适用于该区段线路的车辆—轨道动力学模型，并验证模型的准确性。(2)根据相关规范，计算曲线半径、缓和曲线长度、竖曲线半径、夹直线与圆曲线最小长度、平竖曲线重叠等线路设计参数的取值范围，基于此基础，利用之前建立的动力学仿真模型，分析在其余参数不变的情况下，各线路设计参数对车辆—轨道动力学性能的影响规律。从而获得影响动力学性能的敏感参数，通过分析可得，圆曲线半径、超高和缓和曲线长度对动力学指标影响较大；竖曲线与缓和曲线重叠仅对轮重减载率有明显影响，在多种重叠方式中，竖曲线中点与缓和曲线在缓圆点重叠时的动力学参数最不利，圆缓点次之；夹直线与圆曲线长度对轮轨作用力的影响不大。动力学优化时应重点考虑圆曲线半径、超高和缓和曲线长度。(3)建立了基于层次分析法的动力学性能评价方法。确定各动力学性能影响因素的权重及动力学性能超限系数，根据指标的波动分析获得初始评价指标值，从而量化动力学性能评价指标，构建线路选线设计方案的动力学性能评价体系，实现对线路设计方案的动力学性能的综合评分。-69- (4)结合线路设计优化原则、线路设计参数的敏感性分析和线路实际情况，提出适当优化线路动力学影响敏感参数作为优化设计方案，实现对聚乐堡至大同南铁路线路线进行线路优化，获得线路系统整体动力学性能良好的线路优化方案。6.2对未来工作的展望本文针对铁路方案设计线路参数设置对车-线动力学影响做出了系统的研究，并优化了区段线路方案，在某些方面上取得了一定成果，但仍有许多不足之处有待完善。(1)UM软件中的轨道简化成无质量的粘弹性力元模型，未考虑轨道结构的振动，因此在轨道模型方面可以做进一步的完善。(2)在UM仿真过程中，设计的行车速度均为匀速，在今后的工作中可以分析启动时的加速度情况及刹车及的减速度情况，及多种行车速度的动力学分析，可以更好的仿真实际线路动力学状态。(3)本文仅理论从上分析了线路设计参数对系统动力响应的影响，缺少动力学测试数据，仿真研究结果无法做到与测试结果全面对比，需充分结合现场测试，才能更好地指导实际工程应用。(4)未采用一定的优化算法对区段线路设计方案进行优化，后期可进一步研究适合的优化算法实现线路设计方案的动力学优化。-70- 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致谢在研究生生活即将结束之际，向所有帮助、关心、教诲过我的老师、朋友和亲人表示诚挚的谢意。感谢我的导师张晓东副教授。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。导师不仅授我以文，而且教我做人，虽赋予我终生受益无穷之道。本论文从选题到完成，几易其稿，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血，在此谨向张晓东教授及其家人表示崇高的敬意和衷心的感谢。感谢郑贺民高工在论文工作中给予的悉心指导，为论文的顺利完成提供了重要的帮助。在写作过程中，郑贺民高工给我提出了许多宝贵的意见，使我从中获得创新灵感，从而让本论文的内容更加充实。本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助，尤其是么二彬同学、陈思亦同学还有陈希同学；还要感谢同门的师兄师妹们，在科研过程中给我以许多鼓励和帮助。特别感谢我的父母和我的爱人谢忱先生，在我求学生涯中给与我无微不至的关怀和照顾，感谢你们给我精神上的支持和经济上的帮助，你们一如既往地支持和鼓励是我生活和学习中前进的动力。-75- 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文檀伟娜，女，1987年3月出生，2010年6月毕业于石家庄铁道大学四方学院土木工程专业专业，获工学学士学位。2010年8月至2012年8月在中铁十二局第二工程有限公司工作。2012年考入石家庄铁道大学交通运输工程领域攻读硕士学位。-76-