徐 浩, 蔡文鋒, 林紅松, 顏 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

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現(xiàn)代有軌電車(chē)通過(guò)6號(hào)道岔的安全性和舒適性評(píng)價(jià)

徐 浩, 蔡文鋒, 林紅松, 顏 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

為評(píng)估現(xiàn)代有軌電車(chē)側(cè)向通過(guò)6號(hào)單開(kāi)道岔時(shí)的安全性和舒適性，文章基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和道岔動(dòng)力學(xué)理論，建立可考慮6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔鋼軌型面變化的列車(chē)-道岔耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析了有軌電車(chē)以20 km/h速度通過(guò)該6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔時(shí)的動(dòng)力特性。研究表明當(dāng)100 %低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)側(cè)向通過(guò)該6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔時(shí)的輪軌垂向力最大值為106.287 kN，輪軌橫向力最大值為35.2 kN；輪軸橫向力最大值為25.69 kN，未超出其限值36.83 kN；脫軌系數(shù)最大值為0.49，小于安全限值0.8，減載率最大值為0.57，未超出安全限值0.6；現(xiàn)代有軌電車(chē)的垂向和橫向振動(dòng)加速度最大值分別為0.38 m/s2和0.71 m/s2，小于車(chē)體舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)1.3 m/s2和1 m/s2；整體道床6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔能滿(mǎn)足現(xiàn)代有軌電車(chē)安全舒適通過(guò)的要求。研究成果可為現(xiàn)代有軌電車(chē)道岔的完善和研制提供理論參考。

現(xiàn)代有軌電車(chē)； 單開(kāi)道岔； 動(dòng)力特性； 安全性； 舒適性

現(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、投資少、建設(shè)周期短、景觀(guān)效果好等優(yōu)點(diǎn)[1]，在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速。軌道系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)的重要組成部分，而道岔是實(shí)現(xiàn)列車(chē)轉(zhuǎn)線(xiàn)運(yùn)行的關(guān)鍵軌道設(shè)備。有軌電車(chē)道岔一般采用6號(hào)(正線(xiàn))、3號(hào)(車(chē)輛段)等小號(hào)碼道岔。小號(hào)碼道岔存在不可避免的輪軌接觸不平順和橫向沖擊、軌道整體剛度沿線(xiàn)路方向的分布不均勻、活動(dòng)軌件易變形形成離縫[2]等，將影響有軌電車(chē)運(yùn)行的安全性與舒適性，因此有必要評(píng)估現(xiàn)代有軌電車(chē)通過(guò)小號(hào)碼道岔時(shí)的安全性與舒適性。為此，本文基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和道岔動(dòng)力學(xué)理論，建立有軌電車(chē)/道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[3-4]，評(píng)估了有軌電車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的安全性和舒適性，為我國(guó)有軌電車(chē)槽型軌單開(kāi)道岔的完善及研制提供必要的理論指導(dǎo)與參考，促進(jìn)有軌電車(chē)道岔的推廣和應(yīng)用。

1 計(jì)算模型和參數(shù)

1.1 車(chē)輛模型

現(xiàn)代城市有軌電車(chē)的車(chē)輛模型參考文獻(xiàn)[5]建立，有軌電車(chē)主要由4個(gè)模塊組成，其中3個(gè)模塊裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，1個(gè)模塊裝有非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，每個(gè)模塊配置1臺(tái)轉(zhuǎn)向架，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架均為獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪轉(zhuǎn)向架，2個(gè)車(chē)輪之間用軸橋連接[5]。本文利用SIMPACK軟件建立100 %低地板有軌電車(chē)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型。該模型共有118個(gè)自由度，其中有16個(gè)非獨(dú)立自由度。

1.2 道岔模型

將6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔分為轉(zhuǎn)轍器部分，連接部分和固定轍叉部分等3個(gè)部分分別建模。槽型軌6號(hào)單開(kāi)道岔的槽型軌采用60R2鋼軌，鋼軌按槽型軌的實(shí)際截面建模，模型中考慮所有鋼軌的參振，尖軌、固定轍叉部分心軌、翼軌均視為變截面歐拉梁，其它鋼軌視為等截面歐拉梁。以岔枕支承點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)劃分單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮豎向位移、豎向偏角、橫向位移、橫向偏角等4個(gè)自由度[6-7]。道岔轉(zhuǎn)轍器部分的分析模型如圖1所示，道岔連接部分的詳細(xì)模型如圖2所示，固定轍叉部分的分析模型如圖3所示。

圖1 轉(zhuǎn)轍器部分模型平面

圖2 連接部分模型平面

圖3 轍叉部分模型平面

1.3 計(jì)算參數(shù)

6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔的直向通過(guò)速度不大于80 km/h，側(cè)向通過(guò)速度不大于20 km/h，軌下基礎(chǔ)為混凝土短岔枕、整體道床型式，扣件系統(tǒng)采用C4彈條扣件。道岔全長(zhǎng)14.450 m，道岔前長(zhǎng)為4.226 m，道岔后長(zhǎng)為10.224 m?；拒壊捎?0R2鋼軌制造，尖軌采用60D40在線(xiàn)淬火鋼軌制造。導(dǎo)曲線(xiàn)半徑為50 m，采用單圓曲線(xiàn)；尖軌采用半切線(xiàn)型，切點(diǎn)在20 mm斷面?；拒壴诿苜N段范圍進(jìn)行2 mm刨切，尖軌尖端形成水平藏尖結(jié)構(gòu)。岔枕間距一般按600 mm布置，牽引點(diǎn)處岔枕間距加寬至650 mm，側(cè)股導(dǎo)軌部分適當(dāng)調(diào)整。

100 %低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)的列車(chē)運(yùn)行最高速度為80 km/h，車(chē)體寬度為2 650 mm，安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和帶有司機(jī)室的動(dòng)車(chē)長(zhǎng)度為9 200 mm，安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的動(dòng)車(chē)的車(chē)體長(zhǎng)度為7 800 mm，安裝受電弓和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的拖車(chē)長(zhǎng)度為7 200 mm。地板面高350 mm，轉(zhuǎn)向架固定軸距為1 850 mm，車(chē)輛直徑為600 mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1 360 mm，軸重小于10 t。

2 槽型軌道岔動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

本文計(jì)算了現(xiàn)代有軌電車(chē)以20 km/h的速度側(cè)向通過(guò)整體道床6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，由于列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中第一輪對(duì)首先受到較大沖擊，因此本文以現(xiàn)代有軌電車(chē)第一輪對(duì)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)作為分析對(duì)象。

2.1 輪軌力分布

當(dāng)現(xiàn)代有軌電車(chē)側(cè)逆向通過(guò)6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔時(shí)，第一輪對(duì)兩側(cè)輪軌間垂向力和橫向力如圖4所示。

由圖4(a)可知，當(dāng)有軌電車(chē)通過(guò)槽型軌道岔的轉(zhuǎn)轍器和轍叉部分時(shí)，側(cè)股外側(cè)鋼軌上兩處最大值分別為69.788 kN和106.287 kN，這是由于固定轍叉區(qū)存在有害空間，導(dǎo)致車(chē)輪滾動(dòng)通過(guò)時(shí)沖擊叉心產(chǎn)生的較大的沖擊力，因此槽型軌道岔轍叉處的受力較大。

由圖4(b)可知，當(dāng)有軌電車(chē)側(cè)逆向通過(guò)現(xiàn)代有軌電車(chē)道岔時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)尖軌的撞擊作用，導(dǎo)致橫向力突變，同時(shí)疊加有道岔結(jié)構(gòu)本身的橫向不平順，最大值達(dá)35.2 kN，大于轍叉處基本軌上的輪軌橫向力峰值19.02 kN。

(a)垂向力

(b)橫向力圖4 第一輪對(duì)的輪軌力

2.2 安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)有軌電車(chē)第一輪對(duì)的輪軌作用力得到有軌電車(chē)脫軌系數(shù)和減載率，如圖5和圖6所示。

圖5 第一輪對(duì)脫軌系數(shù)

圖6 第一輪對(duì)減載率

由圖5可知，輪對(duì)脫軌系數(shù)與輪軌橫向力的變化趨勢(shì)相似，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌側(cè)的最大值為0.49，小于安全限值0.8。由于轍叉區(qū)的輪軌相互作用力僅由結(jié)構(gòu)不平順引起，轍叉區(qū)脫軌系數(shù)的最大值為0.24，遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)轍器區(qū)的脫軌系數(shù)，對(duì)行車(chē)安全性基本無(wú)影響。

由圖6可知，現(xiàn)代有軌電車(chē)第一輪對(duì)的減載率與輪軌垂向力變化趨勢(shì)相似，因此，側(cè)股內(nèi)側(cè)的輪軌相互作用較小，在轉(zhuǎn)轍器和轍叉處較為明顯，減載率最大值分別為0.27和0.57，但均未超出安全限值0.6。

2.3 舒適性評(píng)價(jià)

有軌電車(chē)側(cè)逆向通過(guò)道岔時(shí)，車(chē)體垂向及橫向振動(dòng)加速度隨輪對(duì)所在道岔位置的不同而產(chǎn)生的變化(圖7)。

(a)垂向加速度

(b)橫向加速度圖7 車(chē)體振動(dòng)加速度

由圖7(a)可知，當(dāng)有軌電車(chē)通過(guò)轉(zhuǎn)轍器和轍叉部位時(shí)，由于道岔結(jié)構(gòu)自身的不平順作用使車(chē)體產(chǎn)生明顯波動(dòng)，且轍叉處道岔的不平順作用較轉(zhuǎn)轍器大，使有軌電車(chē)通過(guò)轍叉時(shí)的垂向振動(dòng)加速度最大值達(dá)到0.38 m/s2，大于轉(zhuǎn)轍器處的0.05 m/s2，但均遠(yuǎn)小于車(chē)體的舒適度指標(biāo)1.3 m/s2。

由圖7(b)可知，當(dāng)現(xiàn)代有軌電車(chē)通過(guò)轉(zhuǎn)轍器與轍叉位置附近時(shí)，車(chē)體的橫向加速度達(dá)到最大值，并在導(dǎo)曲線(xiàn)上維持較大值，有軌電車(chē)側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，未被平衡加速度將增大車(chē)體的橫向加速度，且增加程度大于車(chē)體的垂向加速度。由于輪對(duì)在固定轍叉處與心軌發(fā)生撞擊，此處的車(chē)體橫向加速度最大為0.71 m/s2，小于車(chē)體的舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)1 m/s2。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該100 %低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)以20 km/h速度側(cè)向通過(guò)整體道床6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算分析，可得到如下結(jié)論：

(1)100 %低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)側(cè)向通過(guò)6號(hào)單開(kāi)道岔時(shí)的輪軌垂向力最大值為106.287 kN，輪軌橫向力最大值為35.2 kN；輪軸橫向力最大值為25.69 kN，未超出其限值36.83 kN。

(2)現(xiàn)代有軌電車(chē)的脫軌系數(shù)最大值為0.49，小于安全限值0.8，減載率最大值為0.57，未超出安全限值0.6。

(3)現(xiàn)代有軌電車(chē)的垂向和橫向振動(dòng)加速度最大值分別為0.38 m/s2和0.71 m/s2，小于車(chē)體舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)1.3 m/s2和1 m/s2；整體道床6號(hào)槽型軌單開(kāi)道岔能滿(mǎn)足現(xiàn)代有軌電車(chē)安全舒適通過(guò)的要求。

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中國(guó)中鐵股份有限公司科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2014-重大-16)、四川省科技支撐計(jì)劃(2016GZ0333)、高鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1434208)。

徐浩(1989～)，男，博士，工程師，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)及軌道動(dòng)力學(xué)研究。

U213.6

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[定稿日期]2016-10-26