馬莉（中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081）

客貨共線鐵路12號可動心軌道岔線型優(yōu)化

馬莉
（中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

采用多體動力學和非線性有限元仿真相結(jié)合的方式，針對客貨共線鐵路12號可動心軌道岔建立輪軌接觸應(yīng)力瞬態(tài)分析模型和車輛-道岔耦合動力學模型，分析不同軸重條件下的輪軌接觸應(yīng)力分布特性，得出貨車直向和側(cè)向通過道岔時的動力學響應(yīng)，并針對曲尖軌提出5種線型優(yōu)化方案。方案對比分析表明：為保證行車安全性并減小道岔養(yǎng)護維修工作量，在道岔長度不變的條件下，曲尖軌宜增大曲線尖軌半切線的相離距離；在相鄰間距條件允許的情況下，曲尖軌更適宜采用切線線型并增大導(dǎo)曲線半徑。

客貨共線鐵路；12號可動心軌道岔；線型優(yōu)化；輪軌接觸；動力學響應(yīng)

目前客貨共線鐵路道岔總數(shù)超過10萬組，其中單開道岔約占95%。區(qū)間線路的軌道結(jié)構(gòu)隨著無縫線路的發(fā)展已經(jīng)得到強化，道岔成為客貨共線鐵路的薄弱環(huán)節(jié)和限制行車速度的關(guān)鍵設(shè)備。在運營過程中發(fā)現(xiàn)列車側(cè)向通過道岔時，尖軌、心軌等部件在短時間內(nèi)就會出現(xiàn)磨耗、壓潰和掉塊病害。據(jù)統(tǒng)計整鑄轍叉的使用壽命約為0.6～0.8億t通過總重，僅為區(qū)間線路同型鋼軌使用壽命的1/8～1/10，養(yǎng)護維修工作量巨大。結(jié)合客貨共線鐵路軸重增加的緊迫需求，針對主型道岔進行線型優(yōu)化是解決上述問題的重要方式。

1　客貨共線鐵路道岔輪軌關(guān)系仿真研究

道岔組成較為復(fù)雜，由轉(zhuǎn)轍器、轍叉區(qū)和連接部分組成。其中轉(zhuǎn)轍器的尖軌和轍叉區(qū)的翼軌與心軌的踏面形狀不規(guī)則，尤其是道岔采用可動心軌時，踏面形狀更加復(fù)雜。在車輛-道岔耦合分析模型中通常采用10多個離散點代表道岔軌道節(jié)點并賦予不同的變截面特性，以較好地分析軌道動力學性能和車輛舒適性指標，但由于軌道的節(jié)點數(shù)目較少，不適宜分析車輪與道岔軌道的接觸特性。因此本文首先使用ABAQUS有限元分析軟件，建立客貨共線主型12號可動心軌道岔的多節(jié)點輪軌接觸應(yīng)力瞬態(tài)分析模型，重點分析輪軌1點接觸、2點接觸下的應(yīng)力分布特性，為道岔線型優(yōu)化方案提供理論支撐。

1.1計算模型

考慮到車輪強度比道岔軌道強度高，且本文分析重點為道岔在車輪作用下的應(yīng)力分布，因此將車輪簡化為解析剛體。道岔的尖軌和基本軌均采用三維實體單元，其中尖軌部分形狀不規(guī)則，為了保證有限元計算過程的快速收斂，將尖軌的外表面劃分為三角形網(wǎng)格，內(nèi)部將三角形網(wǎng)格拓撲為四面體單元，而基本軌形狀標準，則采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分。

模型中道岔表面和輪對之間的接觸關(guān)系通過定義法向接觸力和切向滑動摩擦力來模擬。法向接觸力采用“硬”接觸模型，而滑動摩擦力采用庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)取為0.35。同時考慮軌下橡膠墊板提供的彈性支撐，在道岔軌底按照每個橡膠墊板的分布尺寸均勻施加面剛度。為了模擬車輪軸重，在車軸的兩側(cè)施加垂向作用力，垂向作用力的取值為車輪通過道岔不同部位時的最大值，施力節(jié)點與車輪剛體運動的參考點之間設(shè)為耦合約束以此保證垂向作用力始終施加在軸的上表面，不隨車軸滾動而產(chǎn)生偏移。

通過調(diào)整車輪在道岔軌道上的運行軌跡，最終確定了道岔軌道區(qū)段最不利的2個受力斷面。其中1個斷面位于尖軌尖端50 mm處，此處輪軌發(fā)生1點接觸，由尖軌承受單側(cè)車輪傳來的全部壓力；另外1個斷面位于尖軌尖端35 mm處，此處輪軌發(fā)生2點接觸，由尖軌和基本軌共同承受單側(cè)車輪傳來的壓力。針對上述2種輪軌接觸情況，分別計算23，25 t軸重時的輪軌接觸應(yīng)力分布。

1.2應(yīng)力分布特性

1）道岔區(qū)輪軌發(fā)生1點接觸、軸重為23 t時最大應(yīng)力為120.8 MPa，軸重25 t時最大應(yīng)力為125.7 MPa，隨著軸重增大，最大應(yīng)力約增大4.06%。

2）道岔區(qū)輪軌發(fā)生2點接觸、軸重23 t時最大應(yīng)力為469.0 MPa，軸重25 t時最大應(yīng)力為512.7 MPa，隨著軸重增大，最大應(yīng)力約增大9.32%。

3）道岔區(qū)輪軌發(fā)生2點接觸相對于1點接觸的情況，尖軌承受荷載約為基本軌承受荷載的1.77倍，同時尖軌最大接觸應(yīng)力約為密貼基本軌接觸應(yīng)力的4倍。由于發(fā)生2點接觸時車輪距離尖軌尖端較近，此處尖軌斷面小且逐漸趨向尖細，不僅承受的荷載相對變大，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致尖軌出現(xiàn)壓潰、掉塊現(xiàn)象，因此在道岔線型優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)盡量減少或避免車輪行進時與尖軌前端發(fā)生2點接觸的情況。

2　道岔線型優(yōu)化

結(jié)合12號可動心軌道岔的輪軌接觸應(yīng)力分布特性，運用通用NUCARS軟件建立車輛-道岔耦合動力學模型，首先分析不同軸重貨車以車速80 km/h直向、45 km/h側(cè)向通過12號可動心軌道岔時的動力學響應(yīng)，確定道岔線型優(yōu)化的區(qū)段。其次針對需要優(yōu)化線型的區(qū)段進行方案設(shè)計，并比較選出最優(yōu)方案。

2.1直向和側(cè)向通過道岔的動力學響應(yīng)對比

當23 t軸重C70貨車和25 t軸重C80貨車分別以車速80 km/h直向、45 km/h側(cè)向通過12號可動心軌道岔時，車體和軌道動力學指標最大值見表1。

表1　不同工況12號可動心軌道岔的動力學指標最大值

由表1可知，隨著列車軸重的增加，直向和側(cè)向通過道岔時的輪軌垂向力、鋼軌垂向撓曲、輪軌磨耗指數(shù)增加幅度較為顯著，其中輪軌垂向力和鋼軌垂向撓曲約增加8%，輪軌磨耗指數(shù)約增加12%，其他動力學指標變化不明顯。而貨車軸重相同時，側(cè)向通過道岔的動力學響應(yīng)明顯大于直向通過道岔時的響應(yīng)，其中輪軌橫向力約增大5.5倍、輪軌磨耗指數(shù)約增大4倍，加大了側(cè)向通過道岔時的養(yǎng)護維修工作量，因此需重點針對曲尖軌進行線型優(yōu)化。

2.2側(cè)向通過道岔的尖軌線型優(yōu)化方案

本文結(jié)合道岔輪軌接觸應(yīng)力情況，通過調(diào)整曲尖軌相離距離、斜切距離、線型等參數(shù)，提出了5種側(cè)向通過12號可動心軌道岔時的平面線型優(yōu)化方案。具體方案如下。

方案1：相離12 mm、半切線線型，尖軌頂寬26 mm處做斜切，導(dǎo)曲線半徑350 m，道岔全長37.8 m。

方案2：相離12 mm、半切線線型，尖軌頂寬34 mm處做斜切，導(dǎo)曲線半徑350 m，道岔全長37.8 m。

方案3：相離 40.8 mm、半切線線型，尖軌頂寬68.8 mm處做斜切，導(dǎo)曲線半徑 350 m，道岔全長37.8 m。

方案4：相離 40.8 mm、半切線線型，尖軌頂寬66.8 mm處做斜切，導(dǎo)曲線半徑 350 m，道岔全長37.8 m。

方案5：切線線型，尖軌頂寬30.9 mm處做斜切，導(dǎo)曲線半徑500 m，道岔全長41.4 m。

5種方案尖軌長度見表2。

表2　5種方案尖軌長度　mm

2.3尖軌線型優(yōu)化方案的比較

當貨車以45 km/h側(cè)向通過12號可動心軌道岔時，對上述5種尖軌線型進行了動力學響應(yīng)分析，綜合考慮了行車的安全性指標和磨耗指數(shù)，計算結(jié)果見圖1。由圖1可知：

1）方案1和方案2尖軌線型均為半切線相離線型且相離距離相同，區(qū)別在于方案2的斜切位置要遠于方案1，由計算結(jié)果可知方案1和方案2的脫軌系數(shù)、減載率、輪軌橫向力、磨耗指數(shù)的差別很小，表明調(diào)整相離線型的斜切位置對改善輪軌動力作用影響較小。

2）方案3和方案4尖軌線型同樣為半切線相離線型，但與前2種方案相比，增大了相離距離。由計算結(jié)果可知方案3和方案4的脫軌系數(shù)、減載率、輪軌橫向力、磨耗指數(shù)與前2種方案的數(shù)值相比變化不大，但最大值出現(xiàn)的位置發(fā)生了后移，間接改善了尖軌薄弱部位的受力。

圖1　不同道岔線型優(yōu)化方案動力學指標沿線路里程分布

3）方案5相對于前4種方案，脫軌系數(shù)、減載率、輪軌橫向力、磨耗指數(shù)明顯減小，其中脫軌系數(shù)、磨耗指數(shù)約減少10%。這是由于該方案增大了導(dǎo)曲線半徑，延長了道岔長度，相應(yīng)減小了軌道受力。

綜上所述，為了保證行車安全性以及減小道岔養(yǎng)護維修工作量，在道岔長度不變的條件下，曲尖軌宜增大曲線尖軌半切線的相離距離，在相鄰間距條件允許的情況下，曲尖軌更適宜采用切線線型并增大導(dǎo)曲線半徑。

3　結(jié)論

1）12號可動心軌道岔發(fā)生2點輪軌接觸相對于1點輪軌接觸，尖軌承受荷載約為基本軌承受荷載的1.77倍，尖軌最大接觸應(yīng)力約為密貼基本軌接觸應(yīng)力的4倍。同時2點接觸的斷面距離尖軌尖端較近，易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致尖軌出現(xiàn)壓潰、掉塊現(xiàn)象，在道岔線型優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)盡量減少或避免車輪行進時與尖軌前端發(fā)生2點接觸的情況。

2）隨著列車軸重的增加，直向和側(cè)向通過12號可動心軌道岔時輪軌垂向力和鋼軌垂向撓曲約增加8%，輪軌磨耗指數(shù)約增加12%。而貨車軸重相同時，側(cè)向通過道岔的動力學響應(yīng)明顯大于直向通過道岔時的響應(yīng)，其中輪軌橫向力約增大5.5倍、輪軌磨耗指數(shù)約增大4倍。為了減小道岔的養(yǎng)護維修工作量，應(yīng)重點針對側(cè)向過岔的曲尖軌進行線型優(yōu)化 。

3）曲尖軌調(diào)整相離線型的斜切位置對改善輪軌動力作用的影響較小。在道岔長度不變的條件下，曲尖軌宜增大曲線尖軌半切線的相離距離，在相鄰間距條件允許的情況下，曲尖軌更適宜采用切線線型并增大導(dǎo)曲線半徑。

［1］王樹國，王猛，司道林，等.曲線尖軌線型對其磨耗特性影響的研究［J］.鐵道建筑，2015（1）：98-102.

［2］王樹國，葛晶，王猛，等.重載鐵路12號道岔設(shè)計［J］.鐵道建筑，2013（12）：87-92.

［3］孫加林，宣言，王樹國.鐵路道岔動態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)的仿真研究［J］.鐵道建筑，2010（7）：116-120.

［4］任尊松，翟婉明，王其昌.空間輪軌接觸幾何關(guān)系在車輛-道岔系統(tǒng)動力學中的應(yīng)用［J］.鐵道學報，2001，23（5）：11-15.

［5］史玉杰，胡仁偉，李古.秦沈客運專線無縫道岔的優(yōu)化設(shè)計和試驗研究［J］.中國鐵道科學，2002，23（2）：65-70.

（責任審編李付軍）

Alignment Optimization for 12#Movable Point Turnout of Railway for Mixed Passenger and Freight

MA Li
（Railway Science and Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T aking 12#movable rail turnout of mixed passenger and freight railway as an example，the transient analysis model of wheel-rail contact stress and vehicle-turnout coupling dynamic model were established by combining the multi-body dynamics and nonlinear finite element method，the wheel-rail contact stress distribution characteristics under difference axle load were analyzed，the dynamic response of freight train passing through turnout directly and laterally，and five optimization schemes of curved switch rail were proposed.Comparative analysis of the schemes showed that semi-tangent separating distance should be increased for curved switch rail with the same turnout length in order to ensure traffic safety and reduce the turnout maintenance and repair，the tangent alignment profile should be used for curved switch rail and the lead curve radius should be increased if adjacent spacing condition is permitted.

M ixed passenger and freight railway；12#movable point turnout；Alignment optimization；W heel-rail contact；Dynamic response

U213.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.31

1003-1995（2016）08-0125-04

2016-04-11；

2016-06-21

馬莉（1980— ），女，助理研究員。