（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海; 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,100055,北京∥第一作者,碩士研究生）

列車過18號道岔時輪對橫移仿真及試驗研究*

毛曉君1許玉德1陳文2

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海; 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,100055,北京∥第一作者,碩士研究生）

列車過岔時輪對橫移量的大小是道岔通過性能的重要參數(shù),也是影響道岔通過速度的關(guān)鍵因素之一。通過現(xiàn)場實測采集道岔型面數(shù)據(jù),根據(jù)輪軌動力學理論利用仿真軟件建立列車-道岔動力學仿真模型,對高速列車通過客運專線18號道岔時產(chǎn)生的輪軌橫移量進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明列車過岔時在轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)的橫移量較大,且轉(zhuǎn)轍區(qū)橫移量大于轍叉區(qū)。輪對橫移量隨列車過岔速度的提高增大,實測橫移量比仿真偏移量大些,最大實測橫移量發(fā)生在10號岔枕處,平均值為8.40 mm。

道岔;輪對橫移;仿真分析;現(xiàn)場試驗

First-author’saddress Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,201804,Shanghai,China

道岔是線路上的薄弱環(huán)節(jié),高速道岔的設(shè)計、施工和養(yǎng)護維修是確保列車運行速度和安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。列車過岔時輪對橫移量的大小是道岔通過性能的重要參數(shù),也是影響道岔允許通過速度的關(guān)鍵因素之一［1-2］。道岔區(qū)列車橫移運動從產(chǎn)生機理上來說共包括列車的蛇行運動和橫向振動兩個部分,而道岔區(qū)列車的橫移是這兩種運動的復合運動［3-4］。

由于道岔結(jié)構(gòu)及岔區(qū)輪軌作用的復雜性,列車過岔時的橫向運動比垂向運動復雜得多,如輪對沖擊尖軌和護軌、道岔橫向穩(wěn)定性問題、側(cè)向過岔問題等,都是迫切需要研究和分析解決的問題。因此利用動力學手段研究列車過岔時的動力學特性已經(jīng)成為必然趨勢。本文以合寧客運專線某18號道岔為例,在現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上利用Simpack動力學仿真軟件建立列車道岔動力學仿真模型,仿真分析高速列車過岔時的橫移量大小,其結(jié)果與同一道岔處現(xiàn)場橫移量測試結(jié)果對比,分析了仿真結(jié)果的可靠性和誤差的原因。

在輪軌動力學和多體動力學理論的基礎(chǔ)上,利用多體動力學仿真軟件Simpack建立單節(jié)CRH2型高速列車模型［5］。該模型由車體、搖枕、構(gòu)架以及輪對組成,輪對通過一系懸掛與轉(zhuǎn)向架的側(cè)架連接,側(cè)架通過二系懸掛與搖枕連接,搖枕與車體間的連接采用心盤及旁承。此外車體和每個構(gòu)架之間配有垂向、橫向和抗蛇行減震器。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于道岔區(qū)的軌道截面不同于一般區(qū)段,為了實現(xiàn)列車從一股軌道平穩(wěn)地轉(zhuǎn)入另一股軌道,要求道岔區(qū)的鋼軌截面寬度沿鋼軌縱向逐漸變化。為此,對合寧客運專線某18號道岔按照圖2所示位置進行了道岔區(qū)不同截面數(shù)據(jù)的采集,而建模的基本思想是在模型中對應(yīng)軌道長度處分別調(diào)用這些由實測得到的變截面數(shù)據(jù),并在兩個相鄰截面之間利用線性插值方法實現(xiàn)離散截面的連續(xù)和緩慢過渡［6］,其插值原理如圖3所示。

圖1 軌道列車拓撲關(guān)系示意圖

圖2 現(xiàn)場采集道岔截面形狀位置示意圖

圖3 變截面軌道插值原理示意圖

建好的變截面道岔模型,與CRH2型高速列車模型一起構(gòu)成完整的列車-道岔動力學仿真模型,并由此進行輪對橫移量仿真分析。

2 道岔區(qū)輪對橫移量仿真分析

2.1 輪軌接觸點的理論分析

為了分析高速列車通過道岔區(qū)各岔枕時的輪軌接觸狀態(tài),包括接觸位置及接觸應(yīng)力分布等,仿真過程中等間隔地選取4號、8號、12號、16號和20號岔枕作為典型岔枕,觀測其輪軌接觸狀態(tài)如圖4所示。

從圖4中可以看出,列車由4號岔枕向20號岔枕逆向過岔時,隨著尖軌截面的變寬,輪軌接觸點逐漸由基本軌轉(zhuǎn)移到尖軌,且其過渡在12～16號岔枕間完成。

2.2 高速列車過岔時輪對橫移量仿真分析

為研究不同速度下,列車過岔時輪對橫移量的差異,結(jié)合18號道岔的設(shè)計理論與試驗研究［7-8］,采用210 km/h、250 km/h、270 km/h 3個速度級,對直順向出岔的工況進行仿真計算。由于同一列車各輪對橫移變化趨勢基本相同,因此在仿真計算過程中只對每一速度級列車的第一輪對的計算結(jié)果進行分析。

不同速度下列車過岔時第一輪對橫移量仿真結(jié)果如圖5所示。圖中橫坐標表示為岔枕編號,正方向指向心軌方向;縱坐標表示輪對在該計算點處的橫移量大小,正向表示偏向道岔直尖軌一側(cè),負向表示偏向道岔直基本軌一側(cè)。且圖中4～39號岔枕為轉(zhuǎn)轍器范圍,92～113號岔枕為轍叉范圍。

由圖5可知,列車直順向過岔時橫移運動受道岔橫向不平順的影響較大,且速度越高,橫移量越大。此外,列車輪對橫移量突變發(fā)生在5～42號岔枕及82～99號岔枕處,該范圍分別對應(yīng)于轉(zhuǎn)轍區(qū)及轍叉區(qū)。造成輪軌橫移量在轉(zhuǎn)轍區(qū)及轍叉區(qū)較大范圍變化的原因是在該部位列車分別由基本軌向尖軌、翼軌向心軌運動或反向運動,因而輪軌接觸狀態(tài)產(chǎn)生變化。

此外,以250 km/h順向出岔的工況為例,計算列車過岔時的橫移量大小,結(jié)果在轉(zhuǎn)轍區(qū)的兩處橫移量峰值為5.5 mm （偏向尖軌側(cè)）和-5.3 mm （偏向基本軌側(cè)）;而轍叉區(qū)的橫移量峰值為2.7 mm （偏向基本軌側(cè)）。由此可見,列車過岔時在轉(zhuǎn)轍區(qū)處的橫移量遠大于轍叉區(qū)。

綜上所述,受結(jié)構(gòu)不平順、鋪設(shè)精度、道岔幾何不平順等綜合影響,列車高速通過道岔時,在轉(zhuǎn)轍區(qū)及轍叉區(qū)會產(chǎn)生較大橫移量,且速度越高,橫移量越大,最大可達5～6 mm。此外,列車通過轉(zhuǎn)轍區(qū)的橫移量明顯大于轍叉區(qū)。

圖4 典型岔枕處輪軌接觸狀態(tài)

圖5 列車直順向過岔時第一輪對計算橫移量

3 輪對橫移測試分析

3.1 測試簡介

為了比較橫移量仿真結(jié)果與輪對實際橫移量的差異,在道岔直向基本軌外側(cè),選擇6個測點,采用激光非接觸位移傳感器對道岔關(guān)鍵位置處輪對橫移量進行了測試,測試原理如圖6所示。

圖6 輪對橫移測試原理示意圖

測點位置包括尖軌尖端處、尖軌頂寬20 mm附近、尖軌頂寬40 mm附近、尖軌跟端、心軌尖端和心軌中部等,具體布置如表1所示。

測試過程中在線路外側(cè)安設(shè)傳感器,測出輪對與傳感器之間的距離,根據(jù)輪對、鋼軌和傳感器之間的幾何關(guān)系,可推出輪對相對線路中心線橫移量Δt,計算表達式如式（1）所示。

表1 輪對橫移量測點布置表m

式中：

S——測點對應(yīng)位置處軌距;

Wr——鋼軌軌頭寬度;

T——輪背距為1 353 mm;

Tw——車輪厚度;

Dw——被測輪對端面距離傳感器的水平距離;

Dr——鋼軌外側(cè)距離傳感器的距離。

伏能士DeltaSpot電阻點焊工藝是針對鋁焊而開發(fā)的新技術(shù)。它的創(chuàng)新在于配備了獨特的電極帶。電極帶的發(fā)明帶來了前所未有的優(yōu)勢：

當Δt為正值時,表示輪對向遠離傳感器的一側(cè)橫移;當Δt為為負值時,表示輪對向靠近傳感器的一側(cè)橫移。

當測量一列動車組時,可根據(jù)一個傳感器測量的數(shù)據(jù)計算得到該列車每個輪對在同一位置的輪對橫移量;因而可由所有傳感器的數(shù)據(jù)計算整列車在整個道岔的運行狀態(tài)。

3.2 測試結(jié)果分析

測試的對象包括通過該組道岔的 CRH1和CRH2動車組。測試結(jié)果如圖7、圖8所示。圖中橫坐標為岔枕編號,正方向指向心軌方向;縱坐標為輪對橫移量,正值表示輪對向遠離傳感器的一側(cè)橫移;負值表示輪對向靠近傳感器的一側(cè)橫移。

圖7 道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)輪對橫移量平均值

圖7為不同編組的CRH1、CRH2型動車組順向通過6～26號岔枕時,動車組在轉(zhuǎn)轍區(qū)相對線路中心的輪對橫移量。由圖可知,動車、拖車相對線路中心的輪對運動規(guī)律一致,其中16節(jié)編組的動車組動車與拖車輪對橫移量相近,8節(jié)編組的CRH2型動車組拖車和動車輪對橫移量最大相差為0.93 mm。因而動車組動車、拖車在轉(zhuǎn)轍區(qū)過岔輪對橫移量區(qū)別不大。此外,最大橫移量平均值為8.40 mm,發(fā)生在10號岔枕位置附近。

圖8為不同編組的CRH1、CRH2型動車組順向通過88～110號岔枕時,動車組在轍叉區(qū)相對線路中心的輪對橫移量。由圖8可知,動車組動車、拖車在轍叉區(qū)過岔輪對橫移量仍然區(qū)別不大。最大橫移量平均值為4.71 mm,發(fā)生在 88號岔枕位置附近。

因此實測數(shù)據(jù)也表明,動車組直順向過岔時,轉(zhuǎn)轍區(qū)的橫移量大于轍叉區(qū)。

圖8 道岔轍叉區(qū)輪對橫移量平均值

3.3 與仿真分析的對比

將實測數(shù)據(jù)與列車 道岔動力學仿真模型得到仿真結(jié)果對比,可以發(fā)現(xiàn),實測輪對橫移量平均值大于仿真結(jié)果。這是由于在列車-道岔動力學仿真模型中由于沒有實測道岔區(qū)的軌道幾何不平順數(shù)據(jù),因此未考慮水平和高低等幾何不平順。因而在仿真計算時實際上忽略了邊界影響,列車輪對基本以零橫移量進入道岔,而實測列車進入道岔前有一定初始橫移量。這種初始橫移量不僅造成理論計算與實測橫移量的差異,同時使得二者發(fā)生最大橫移量的位置也有所偏移：仿真分析中最大橫移量發(fā)生在17號岔枕位置附近,而實測數(shù)據(jù)則發(fā)生在10號岔枕附近。因而為了提高動力學仿真模型計算結(jié)果的正確性,應(yīng)在列車進入道岔前輸入一定初始橫移量,而初始橫移量可通過現(xiàn)場實測或在仿真模型中加入實測軌道幾何不平順等方式得到。但仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)均表明,列車直順向過岔時,轉(zhuǎn)轍區(qū)的橫移量大于轍叉區(qū)。

4 結(jié)語

通過對客運專線18號道岔的仿真分析及現(xiàn)場實測,結(jié)果表明：

（1）列車直順向過岔時,受道岔結(jié)構(gòu)的影響,在轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)的橫移量較大,且轉(zhuǎn)轍區(qū)橫移量大于轍叉區(qū)。用建立的列車-道岔動力學模型仿真計算得到結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果一致。

（2）通過對過210 km/h、250 km/h、270 km/h 3個速度級列車直順向出岔的工況進行仿真,結(jié)果表明列車過岔速度越高,橫移量越大。

（3）通過對輪軌橫移量實測數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)動車組過岔時,動車和拖車橫移趨勢一致,且最大橫移量平均值為8.40 mm,發(fā)生在10號岔枕位置附近。

（4）仿真模型中由于忽略了邊界影響,列車輪對基本以零橫移量進入道岔,而實測列車進入道岔前有一定初始橫移量,因而造成二者發(fā)生最大橫移量的位置也有所偏移。因此為了提高動力學仿真模型計算結(jié)果的正確性,應(yīng)在列車進入道岔前考慮一定初始橫移量。

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Simulation and Test of Wheelset Lateral Displacement for No. 18 Turnout on Passenger Dedicated Line

Mao Xiaojun,Xu Yude,Chen Wen

Lateral displacement of wheelset is an important factor of turnout passing performance,which affects the passing speed to a great degree.In this paper,the data of turnout profile is collected from field test,according to wheel/rail dynamic theory,a vehicle-turnout dynamics simulation model is established by using the multi-body dynamics simulation,which simulates the lateral displacement of wheelset when a high-speed train passes through the No.18 turnout on this passenger dedicated line.The analytic results show that the lateral displacement in switch area is larger than that in frog area,and is smallest in connecting area,meanwhile the lateral displacement will become larger when the speed of vehicle increases.The largest lateral displacement from field test occurs near the No.10 switch sleeper,and the average lateral displacement is 8.40 mm.

turnout;lateral displacement of wheelset;simulation calculation;field measurement

U 213.6

2013-01-25）