２０２１年４月
第１２卷第２期
高 速 铁 路 技 术
ＨＩＧＨＳＰＥＥＤＲＡＩＬＷＡＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｎｏ．２，Ｖｏｌ．１２
Ａｐｒ．２０２１
收稿日期：２０２１ ０３ ０１
作者简介：杨吉忠（１９８０ ），男，教授级高级工程师。
基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科技发展计划项目（ＫＳＮＱ２０２０５８）
引文格式：杨吉忠，谢毅，庞玲，等．４００ｋｍ／ｈ高速铁路轨道几何不平顺敏感波长分析［Ｊ］．高速铁路技术，２０２１，１２（２）：５０－５５．ＹＡＮＧＪｉｚｈｏｎｇ，ＸＩＥＹｉ，ＰＡＮＧＬｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＳｅｎｓｉｔｉｖｅＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＴｒａｃｋＧｅｏｍｅｔｒｉｃＩｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｆ４００ｋｍ／ｈＨｉｇｈ ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙ［Ｊ］．ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，１２（２）：５０－５５． 文章编号：１６７４—８２４７（２０２１）０２—００５０—０６
ＤＯＩ：１０．１２０９８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８２４７．２０２１．０２．００９
４００ｋｍ／ｈ高速铁路轨道几何不平顺敏感波长分析
杨吉忠１ 谢 毅１ 庞 玲１ 姜培斌２ 凌 亮２
（１．中铁二院工程集团有限责任公司， 成都６１００３１；２．西南交通大学， 成都６１００３１）
摘 要：本文基于车辆－轨道耦合动力学理论，建立了考虑柔性车体的高速列车－轨道耦合动力学模型，对 比分析了轨道几何不平顺波长变化对典型高速动车组动力学性能的影响规律，探讨了４００ｋｍ／ｈ行车速度条 件下高速铁路轨道几何不平顺的敏感波长。结果表明：（１）４００ｋｍ／ｈ高速铁路轨道几何不平顺敏感波长主要
存在两个范围，短波范围的敏感波长主要与动车组车体的柔性模态有关，中长波范围的敏感波长主要与动车
组车辆系统的刚体模态有关；（２）由于悬挂参数的差异，不同型号高速动车组对应的轨道几何不平顺敏感波
长存在明显差异，在制定线路养护维修标准时，应考虑整条线路上所有运营的动车组型号；（３）不同类型轨道
几何不平顺的敏感波长也存在差异，应针对不同的轨道几何不平顺类型制定相应的敏感波长管理标准。
关键词：４００ｋｍ／ｈ高速铁路；车辆－轨道耦合动力学；轨道几何不平顺；敏感波长；高速动车组
中图分类号：Ｕ２１３．２；Ｕ２３８ 文献标志码：Ａ
ＳｅｎｓｉｔｉｖｅＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＴｒａｃｋＧｅｏｍｅｔｒｉｃＩｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ
ｏｆ４００ｋｍ／ｈＨｉｇｈ ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙ
ＹＡＮＧＪｉｚｈｏｎｇ１ ＸＩＥＹｉ１ ＰＡＮＧＬｉｎｇ１ ＪＩＡＮＧＰｅｉｂｉｎ２ ＬＩＮＧＬｉａｎｇ２
（１．ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＥｒｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ ｔｒａｃｋｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｆｌｅｘｉｂｌｅｖｅｈｉｃｌｅｂｏｄｉｅｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｃｋｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓ，ｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔ
ｒａｃｋｇｅｏｍｅｔｒｉｃｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｏｆｔｒａｃｋｇｅｏｍｅｔｒｉｃｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｎ４００ｋｍ／ｈｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：（１）Ｔｈｅｒｅａｒｅｔｗｏｒａｎｇｅｓｏｆｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｆｏｒｔｒａｃｋｇｅｏｍｅｔｒｉｃｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｆ４００ｋｍ／ｈｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔ ｗａｖｅｒａｎｇｅａｒｅｍａｉｎｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｍｏｄｅｏｆｔｈｅＥＭＵｃａｒ ｂｏｄｙ，ａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｏｆｔｈｅｍｅｄｉｕｍａｎｄｌｏｎｇ ｗａｖｅｒａｎｇｅｓａｒｅｍａｉｎｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｒｉｇｉｄｍｏｄｅｏｆｔｈｅＥＭＵｖｅｈｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍ．（２）Ｄｕｅｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｓａｒｅｍｕｃｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｔｙｐｅｏｆｔｒａｃｋｇｅｏｍｅｔｒｉｃｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ．Ａｌｌｔｙｐｅｓｏｆｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｓａｍｅｌｉｎｅｓｈａｌｌｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｗｈｅｎｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｒｕｌｅｓａｒｅｄ
ｅｖｅｌｏｐｅｄ．（３）Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｖａｒｙｗｉｔｈｔｙｐｅｓｏｆｔｒａｃｋｇｅｏｍｅｔｒｉｃｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ．Ｔｈｕｓ，ｐｒｏｐｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｓｈａｌｌｂｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｔｒａｃｋｇｅｏｍｅｔｒｉｃｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：４００ｋｍ／ｈｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ；ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｃｋｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓ；ｔｒａｃｋｇｅｏｍｅｔｒｉｃｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ
；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄＥＭＵ 随着高速铁路的不断发展，列车运行速度不断提高。轨道不平顺作为车辆振动的主要激励源，会对轮
轨相互作用以及车辆振动产生重要的影响［１］
，当列车
以较高车速通过某些特定波长的轨道几何不平顺时，车辆系统与不平顺激励会发生共振，从而导致车体加速度大幅度放大，进而造成列车的显著振动［２］
，
影响
运行安全性和乘坐舒适度。
针对轨道几何不平顺敏感波长，国内外学者展开了一系列研究。国外学者Ｋａｒｉｓ、Ｘｉｎ等人［３－４］
仿真研
究了车辆动力学性能与轨道不平顺之间的关系。练松
良等人
［５］
分析了轨道随机不平顺与不同类型车辆车
体加速度之间的关系，并归纳出客货共运线路轨道不
平顺的不利波长范围。高建敏等人［６］应用车辆－轨
高压直流稳压电源道耦合动力学理论及分析软件ＴＴＩＳＩＭ建立了高速客车模型，研究了轨道几何不平顺波长变化对高速列车
系统动力学性能的影响。杨飞等人［７］利用ＣＲＨ２动
车组的动力学仿真模型，分析了运行速度为３００ｋｍ／ｈ和３５０ｋｍ／ｈ时轨道不平顺波长对车辆动力学性能的
影响。徐金辉等人［８］基于车辆－轨道耦合动力学理
论，分析了行车速度、车辆悬挂参数、轨道参数对敏感
波长的影响。袁玄成等人［９］基于车辆－轨道耦合动
力学理论，仿真分析了不同类型轨道不平顺波长和幅
值对车辆动力学性能的影响。芦睿泉等人［
１０］
利用模拟仿真计算了多种类型轨道单一不平顺、复合不平顺和实测随机不平顺激扰下提速车辆的动力响应，分析了相对不利的轨道不平顺类型。
综上可知，现有研究大多针对一种型号的列车进行研究，但我国高速动车组型号众多，在同一条线路上存在多种型号动车组同时运营的情况，由于参数设计的差异，不同型号动车组对于线路轨道不平顺的敏感程度不同，可能出现某一型号动车组出现异常振动的情况。目前，针对不同型号动车组轨道几何不平顺敏
感波长的对比研究还较少。且Ｌｉｎｇ等人［１１］
以车代磨
的研究表
明，车体柔性振动对车辆的动力学性能有很大影响，因此，有必要在分析轨道几何不平顺敏感波长时考虑车体的柔性振动。
为探讨４
００ｋｍ／ｈ行车速度条件下高速铁路轨道几何不平顺的敏感波长，本文基于车辆－轨道耦合动力学理论，建立考虑柔性车体的高速列车－轨道耦合动力学模型，系统对比分析轨道几何不平顺波长变化对典型高速动车组动力学性能的影响规律，总结不同
型号动车组在不同类型轨道几何不平顺上的敏感波长。
１ 计算模型
１．１ 车辆－轨道耦合动力学模型
为仿真研究４００ｋｍ／ｈ行车速度条件下高速铁路轨道几何不平顺的敏感波长，针对４００ＡＦ、４００ＢＦ和ＣＩＴ５００３种型号的动车组，基于车辆－轨道耦合动力学理论，建立了考虑柔性车体的高速列车－板式轨道相互作用的空间耦合动力学模型，如图１
所示。
图１ 高速列车－轨道耦合动力学模型图
模型分为车辆动力学模型、轨道动力学模型、轮轨相互作用模型３个部分。３种不同型号动车组刚柔耦合车辆动力学模型均考虑了１个车体、２个构架、４个轮对共７个部件，其中车体为柔性体，构架和轮对为刚体。各部件都考虑纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头６个方向的自由度。除此之外，车体还考虑了３８阶柔性模态。因此，对于每个型号的动车组，整个车辆系统为８０个自由度的刚柔耦合系统。考虑一、二系悬挂系统的非线性特性（如二系横向止挡的刚度非线性和减振器的阻尼非线性特性）建模。车辆系统运动方程的推导、各阶柔性车体模态及悬挂非线性处理详见参考文献［１－２，１１］。
轨道动力学模型为板式轨道结构，由钢轨、扣件、轨道板及ＣＡ砂浆层组成的。其中，钢轨模拟成连续弹性离散点支承的Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁，考虑其垂向、横向和扭转振动；钢轨扣件系统和ＣＡ砂浆层采用周期性离散的弹簧－阻尼单元模拟；轨道板为等厚度矩形板。
采用迹线法进行轮轨空间接触几何的计算；采用Ｈｅｒｔｚ非线性弹性接触理论计算轮轨法向力。针对轮轨蠕滑力，首先以Ｋａｌｋｅｒ线性蠕滑理论计算，当轮轨间蠕滑达到饱和后，采用Ｓｈｅｎ Ｈｅｄｒｉｃｋ Ｅｌｋｉｎｓ理论进行非线性修正；采用新型快速显式积分方法（翟方法）计算系统的动力学响应。
１．２ 轨道不平顺激扰模型
本文采用轨道高低不平顺、方向不平顺、水平不平
顺和复合不平顺４种轨道几何不平顺模型进行仿真计
彩灯控制电路算，如图２所示。其中，轨道复合不平顺分析采用的是
方向和水平的复合不平顺。图２中，Ｌ为波长，Ａ为幅
值，
采用连续三峰谐波不平顺作为系统激励。
图２ 轨道几何不平顺类型图
２ 不同型号高速动车组在单一轨道不
平顺作用下的动力学性能分析
本节分别以方向不平顺、水平不平顺和高低不平
顺３种单一轨道不平顺作为系统激励。通过系统研究
不同型号动车组在不同波长轨道不平顺作用下的车辆
动力学性能，对比研究不同型号动车组在不同类型轨
道几何不平顺作用下的敏感波长。为避免曲线线路的
影响，采用直线线路进行仿真分析，行车速度设置为
４００ｋｍ／ｈ，轨道几何不平顺幅值为４ｍｍ。
２．１ 方向不平顺
不同型号动车组轮轨作用力随轨道方向不平顺波
长的变化情况如图３所示。
由图３可知，３种车型在波长范围４０～７０ｍ内存
在峰值区域，动车组４００ＡＦ、４００ＢＦ、ＣＩＴ５００
对应的敏
图３ 方向不平顺波长变化对轮轨作用力的影响图
感波长分别为５０ｍ、５５ｍ、６０ｍ。但在波长范围１０～
３０ｍ内，动车组４００ＡＦ和ＣＩＴ５００在波长为２０ｍ时有
明显峰值，而动车组４００ＢＦ则不敏感。在波长范围
１００～１６０ｍ内，动车组４００ＢＦ和ＣＩＴ５００有明显的峰
值区域，对应的敏感波长分别为１２０ｍ、１４０ｍ。上述
分析的中长波范围的敏感波长主要与车辆的刚体模态
有关，加之不同型号动车组的悬挂参数不同，因而不平
顺波长的变化情况必然存在不同之处。
不同型号动车组车体加速度随轨道方向不平顺波
长的变化情况如图４
所示。
图４ 方向不平顺波长变化对车体加速度的影响图
由图４可知，３种型号动车组在波长范围３～１０ｍ
内存在２个共同的峰值区域，不同车型对应的敏感波长均为７ｍ和１０ｍ。除此之外，对于动车组ＣＩＴ５００在轨道方向不平顺波长为４ｍ时，存在明显的峰值。上述分析的中短波范围的敏感波长主要与车体
柔性模态有关。２．２ 水平不平顺
不同型号动车组轮轨作用力随轨道水平不平顺波长的变化情况如图５
头部跟踪所示。
白菊醋图５ 水平不平顺波长变化对轮轨作用力的影响图一体化机芯
由图５可以看出，３种车型在波长范围１５～３０ｍ内存在峰值区域，动车组４００ＡＦ、４００ＢＦ、ＣＩＴ５００对应的敏感波长分别为２０ｍ、２５ｍ、２０ｍ。同样，在波长范围４０～６５ｍ和波长范围１００～１８０ｍ内存在峰值区域，３种车型对应的敏感波长分别为６０ｍ、４５ｍ、５５ｍ和１６０ｍ、１２０ｍ、１４０ｍ。除此之外，由图５（ｂ）可知，在波长为６ｍ时，动车组４００ＡＦ和ＣＩＴ５００有明显的峰
值，出现该峰值的原因主要与车体的柔性模态有关，同时在车体后部垂向加速度上也有类似峰值出现。由于悬挂参数的差异，动车组４００ＡＦ和ＣＩＴ５００在波长为１２ｍ处有明显峰值出现，但动车组４００ＢＦ并无明显的峰值现象，该峰值与构架的某一刚体模态有关。
不同型号动车组车体加速度随轨道水平不平顺波长的变化情况如图６
所示。
图６ 水平不平顺波长变化对车体加速度的影响图
由图６（ａ）可知，当轨道不平顺波长为１２ｍ时，３种车型都有明显的峰值出现，对比图５（ｂ）结果可知，此峰值出现的原因在于不平顺除激发了构架刚体模态外，还激发了车体的柔性模态，且车体的柔性振动起到了主要的作用。结合图６（ｂ）可知，动车组ＣＩＴ５００和４００ＢＦ在轨道不平顺波长为８ｍ时有明显
峰值，动车组４００ＡＦ在轨道不平顺波长为９ｍ时存在明显峰值，出现峰值原因均与车体柔性模态有关。２．３ 高低不平顺
不同型号动车组车辆系统垂向动力学响应随轨道高低不平顺波长的变化情况如图７所示。
图７ 高低不平顺波长变化对车辆垂向动力学性能的影响图
由图７可知，３种车型在波长为９ｍ时都有明显
的峰值，出现该峰值的原因是不平顺激发了车体的某
一柔性模态，从而导致车体垂向加速度大幅度放大。
除此之外，动车组４００ＡＦ和ＣＩＴ５００在波长为７ｍ时也
有明显峰值，但动车组４００ＢＦ没有明显的峰值现象，
出现峰值的原因是不平顺激发了车体的柔性模态。由
图７（ｂ）可知，在波长范围１０～２０ｍ内，３种车型都有
明显的峰值，动车组４００ＡＦ、４００ＢＦ、ＣＩＴ５００对应的最
不利波长分别为２０ｍ、２５ｍ、２０ｍ。
不同型号动车组车辆系统横向动力学响应如图８
所示。动车组４００ＡＦ和４００ＢＦ在波长为６ｍ和１２ｍ
时都存在明显的峰值区域，除此之外，动车组４００ＢＦ
在波长为８ｍ时也存在明显峰值，出现峰值的原因是
不平顺激发了车体的柔性模态。
图８ 高低不平顺波长变化对车辆横向动力学性能的影响图
３ 不同型号动车组在复合轨道不平顺
作用下的动力学性能分析
本文以轨道复合不平顺作为系统激励，系统研究
不同型号动车组在不同波长轨道复合不平顺作用下车
辆的动力学性能，进而研究不同型号动车组在轨道复
合不平顺作用下的敏感波长。为避免曲线线路的影
响，采用直线线路进行仿真分析，行车速度设置为
４００ｋｍ／ｈ，轨道几何不平顺的幅值４ｍｍ，轨道复合不
平顺采用的是方向和水平的复合不平顺。
不同型号动车组轮轨作用力随轨道复合不平顺波
长的变化情况如图９所示。
由图９可知，３种车型在波长范围１０～２０ｍ、４０～
７０ｍ内都存在峰值现象。在波长范围１０～２０ｍ内，
动车组４００ＡＦ、４００ＢＦ、ＣＩＴ５００对应的最不利波长都为
１７ｍ；在波长范围４０～７０ｍ内，动车组４００ＡＦ、４００ＢＦ、
ＣＩＴ５００对应的最不利波长分别为５０ｍ、５５ｍ、６０ｍ；动
车组４００ＢＦ在波长为１２０ｍ处存在明显峰值。上述
峰值的出现均与车辆部件的刚体模态有关。除此之
外，动车组４００ＡＦ和ＣＩＴ５００在波长为７ｍ时有明显峰
值，动车组４００ＢＦ在波长为１０ｍ时有明显的峰值，出
现峰值的原因是不平顺激发了车体的柔性模态。
不同型号动车组车体加速度随轨道复合不平顺波
长的变化情况如图１０所示。
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