蔣俊, 王軍平, 崔容義
(1. 中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司南方事業(yè)部,四川成都 610000;2. 中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司技術(shù)研發(fā)部,北京 100081)
道岔作為軌道線(xiàn)路中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),如何保持良好的狀態(tài),對(duì)確保車(chē)輛通過(guò)安全性、平穩(wěn)性至關(guān)重要。長(zhǎng)久以來(lái),道岔區(qū)軌道剛度合理取值、轉(zhuǎn)轍區(qū)運(yùn)動(dòng)學(xué)軌距優(yōu)化[1-2]及尖軌降低值合理設(shè)置[3]是確保車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性的主要關(guān)注點(diǎn)。文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)京滬線(xiàn)黃渡線(xiàn)路所2號(hào)道岔橫向加速度超限進(jìn)行了分析,指出尖軌降低值不良是引起道岔處晃車(chē)的主要原因。文獻(xiàn)[6]分析了尖軌降低值超限對(duì)轉(zhuǎn)轍器動(dòng)力學(xué)特性的影響,并提出現(xiàn)場(chǎng)降低值超限時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,避免轉(zhuǎn)轍器動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)一步惡化。
運(yùn)用Simpack 動(dòng)力學(xué)軟件建立車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型,從環(huán)境、軌道激勵(lì)、輪軌關(guān)系等方面,研究了不同因素對(duì)高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性的影響。最后,運(yùn)用仿真結(jié)果成功解決了南廣線(xiàn)桂平站12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)橫向加速度超限的問(wèn)題。
道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)、轍叉區(qū)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),導(dǎo)致岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系的特殊性。研究岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系,有利于進(jìn)一步分析道岔行車(chē)平穩(wěn)性[7]。任尊松等[8]依據(jù)岔區(qū)空間布置關(guān)系,詳細(xì)研究了道岔區(qū)輪軌接觸特點(diǎn),為進(jìn)一步優(yōu)化高速道岔各股軌線(xiàn)空間結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)輪軌幾何接觸特性分析,岔區(qū)輪軌接觸方式較為復(fù)雜,包含單點(diǎn)接觸、兩點(diǎn)接觸以及三點(diǎn)接觸。
車(chē)輛正向通過(guò)道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)時(shí),輪軌接觸點(diǎn)由基本軌逐漸過(guò)渡到尖軌,車(chē)輪滾動(dòng)半徑也不斷發(fā)生變化。圖1 為車(chē)輛直向通過(guò)轉(zhuǎn)轍區(qū)示意圖,從圖中可以看出:左股鋼軌接觸位置從尖軌20 mm 斷面開(kāi)始逐漸遠(yuǎn)離軌道中心線(xiàn),達(dá)到最大后突然向軌道中線(xiàn)靠攏,到尖軌50 mm斷面回到軌道中心線(xiàn),然后接觸位置逐漸穩(wěn)定下來(lái)。左右輪滾動(dòng)圓半徑從尖軌20 mm 斷面開(kāi)始逐漸減小,其中左輪減小更快,車(chē)體向左側(cè)貼靠;達(dá)到臨界點(diǎn)后,左輪滾動(dòng)圓半徑突然增加,車(chē)體向右側(cè)貼靠,右輪滾動(dòng)圓半徑逐漸增加;達(dá)到尖軌50 mm 斷面后,左右輪滾動(dòng)圓半徑基本一致,車(chē)體逐漸平穩(wěn)靠近軌道中心運(yùn)行。
圖1 車(chē)輛直向過(guò)岔示意圖
王平等[9]提到車(chē)輪通過(guò)尖軌部分的重心軌跡可用正弦曲線(xiàn)來(lái)模擬,對(duì)60AT軌12號(hào)道岔尖軌,該運(yùn)行軌跡可表示為:
式中:h=2.8 mm,x為距尖軌尖端距離,m,最大不平順?lè)滴挥诩廛夗斆鎸挾?5 mm處,該結(jié)果與圖1中車(chē)輛直向過(guò)岔車(chē)輪滾動(dòng)半徑變化情況基本一致。
為研究高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性,這里從環(huán)境因素、軌道激勵(lì)、輪軌關(guān)系等方面進(jìn)行仿真分析。環(huán)境因素主要考慮橫風(fēng)風(fēng)速的影響,軌道激勵(lì)考慮軌道方向、高低復(fù)合不平順,輪軌關(guān)系考慮了不同車(chē)輪和鋼軌廓形。
采用CRH2A 型動(dòng)車(chē)組模型,車(chē)輛模型包括1 個(gè)車(chē)體、2 個(gè)構(gòu)架、4 個(gè)輪對(duì)共7 個(gè)剛體組成。車(chē)體和構(gòu)架具有縱向、橫移、沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾和搖頭6 個(gè)自由度,輪對(duì)具有縱向、橫移、沉浮、側(cè)滾和搖頭5個(gè)自由度,車(chē)輛模型共有38 個(gè)自由度。道岔模型選取(07)004-18號(hào)高速道岔,道岔全長(zhǎng)69 m,直向容許通過(guò)速度為250 km/h。模型中軌道示意見(jiàn)圖2,包含岔前50 m線(xiàn)路及岔后線(xiàn)路,共計(jì)600 m。
圖2 軌道示意圖
橫風(fēng)作用下高速列車(chē)可能會(huì)出現(xiàn)脫軌、傾覆的現(xiàn)象,此處基于列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)靜態(tài)理論對(duì)高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性來(lái)進(jìn)行分析?;跍?zhǔn)靜態(tài)理論,列車(chē)在橫風(fēng)作用下的氣動(dòng)力和力矩[10]可表示為下式(2)、(3),表1為列車(chē)時(shí)速250 km時(shí)氣動(dòng)載荷值。
式中:ρ為空氣密度,取1.226 kg/m3;A為迎風(fēng)側(cè)車(chē)體投影等效面積,m2;Ci(β)、Cj(β)為滑移角為β時(shí)的氣動(dòng)力、力矩系數(shù);h為迎風(fēng)側(cè)車(chē)體等效高度,m;U為相對(duì)合成風(fēng)速,m/s。
表1 列車(chē)時(shí)速250 km時(shí)氣動(dòng)載荷
圖3 為橫風(fēng)作用下高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果,從圖中可以看出:橫風(fēng)速度達(dá)到10 m/s 時(shí),車(chē)體橫向加速度約為0.8 m/s2,達(dá)到了線(xiàn)路保養(yǎng)維修標(biāo)準(zhǔn);橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s 時(shí),車(chē)體橫向加速度約為1.3 m/s2,達(dá)到了線(xiàn)路舒適度維修標(biāo)準(zhǔn);橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s 時(shí),車(chē)體橫向平穩(wěn)性約為2.6,低于合格標(biāo)準(zhǔn)。
圖3 橫風(fēng)作用下列車(chē)平穩(wěn)性
圖4(a)為實(shí)測(cè)軌道激勵(lì),軌道激勵(lì)垂向最大偏差為3.6 mm,橫向最大偏差為1.74 mm;圖4(b)為車(chē)體橫向加速度頻譜圖,主頻為1.1 Hz(與車(chē)體上心滾擺頻率接近),峰值為0.01 m/s2。根據(jù)上述分析結(jié)果,CRH2A 型動(dòng)車(chē)組以250 km/h 速度直向通過(guò)18 號(hào)高速道岔時(shí)的敏感波長(zhǎng)約為63 m。
圖4 實(shí)測(cè)激勵(lì)下車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)
根據(jù)車(chē)體橫向加速度響應(yīng)結(jié)果,以下將分析50~70 m 波長(zhǎng)范圍內(nèi)高低、軌向復(fù)合不平順對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響。此處分析了2 種50~70 m 波長(zhǎng)范圍內(nèi)復(fù)合不平順對(duì)高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性的影響,2 種復(fù)合不平順軌向、高低見(jiàn)圖5。從圖中可以看出:給定的2 種形式的復(fù)合不平順高低完全一致,軌向方向相反、幅值一致;2種復(fù)合不平順?biāo)狡钜恢?,軌距偏差方向相反、幅值一致,?fù)合不平順1轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)為軌距加寬,復(fù)合不平順2轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)軌距變窄。
圖6 為2 種形式軌道復(fù)合不平順作用下車(chē)體橫向加速度計(jì)算結(jié)果,從圖中可以看出:2種復(fù)合不平順情況下,車(chē)體橫向加速度隨著軌向的增加而增加。以車(chē)體橫向加速度0.6 m/s2(線(xiàn)路維修保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn))為限值,2 種情況下軌向臨界值約為9 mm;復(fù)合不平順1 情況下,高低對(duì)車(chē)體橫向加速度影響比較明顯。隨著高低偏差值的增加,車(chē)體橫向加速度有增加趨勢(shì);復(fù)合不平順2 情況下,當(dāng)軌向超過(guò)9 mm 時(shí),車(chē)體橫向加速度急劇增加。
此處分析了輪軌廓形對(duì)高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性的影響,其中車(chē)輪廓形采用了凹形磨耗車(chē)輪廓形以及標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪廓形,鋼軌廓形采用了實(shí)測(cè)廓形以及標(biāo)準(zhǔn)廓形。表2 為動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果,從中可以看出:工況4 車(chē)體橫向加速度已超過(guò)0.600 m/s2,達(dá)到維修保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn);凹形磨耗車(chē)輪廓形對(duì)車(chē)體橫向加速度影響很大,最大橫向加速度約為0.641 m/s2,較標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪廓形工況下最大車(chē)體橫向加速度0.265 m/s2增加141.9%;在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪和凹形車(chē)輪廓形下,通過(guò)改變鋼軌廓形車(chē)輛橫向加速度分別減小了6%和18.7%; 橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在4種工況下均小于2.5,滿(mǎn)足平穩(wěn)性要求。
圖5 軌道復(fù)合不平順
圖6 車(chē)體橫向加速度
表2 輪軌廓形對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響
2017年12 月南廣線(xiàn)南寧局管內(nèi)桂平站12號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車(chē)體橫向加速度超過(guò)1.0 m/s2(舒適度限值)的情況,橫向加速度最大達(dá)到了1.4 m/s2,72 h 內(nèi)重復(fù)次數(shù)達(dá)18次。桂平站12號(hào)道岔為客專(zhuān)(07)004-18號(hào)高速道岔,直向最大允許通過(guò)速度為250 km/h。為分析橫向加速度超限原因,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)道岔框架尺寸、降低值進(jìn)行了反復(fù)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果均符合要求,未發(fā)現(xiàn)橫向加速度超限原因。根據(jù)研究結(jié)果,橫風(fēng)、軌道復(fù)合不平順、輪軌廓形均可能影響高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性,因此進(jìn)一步對(duì)橫向加速度超限原因進(jìn)行分析,結(jié)果如下:
(1)桂平站僅12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車(chē)體橫向加速度超限,且2017年底未出現(xiàn)持續(xù)大風(fēng)天氣,因此可排除橫風(fēng)影響;
(2)動(dòng)檢車(chē)波形圖顯示方向、高低偏差均小于5 mm,根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可以排除軌道復(fù)合不平順?lè)矫娴挠绊懀?/p>
(3)鋼軌廓形對(duì)稱(chēng)性、一致性以及輪軌關(guān)系。圖7為滾動(dòng)半徑差計(jì)算結(jié)果,從中可以看出:滾動(dòng)半徑差對(duì)稱(chēng)性較差,橫移量正負(fù)值對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)半徑差差異太大;橫移量-3~7 mm 滾動(dòng)半徑差約等于0,滾動(dòng)半徑差太小不利于車(chē)輛的自動(dòng)對(duì)中;橫移量-10~-4 mm 滾動(dòng)半徑差由0 mm增加到6 mm,滾動(dòng)半徑差突變可能會(huì)影響車(chē)輛橫向平穩(wěn)性;
圖7 滾動(dòng)半徑差
根據(jù)以上分析,桂平站12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車(chē)體橫向加速度超限的可能原因?yàn)殇撥壚尾?、輪軌關(guān)系不良。為了改善輪軌接觸關(guān)系,制定了個(gè)性的廓形打磨方案。首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的車(chē)輪、鋼軌廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);然后采用鋼軌廓形打磨軟件進(jìn)行打磨方案設(shè)計(jì);最后運(yùn)用道岔打磨車(chē)對(duì)岔區(qū)鋼軌廓形進(jìn)行打磨。打磨后修正了鋼軌廓形、改善了輪軌接觸關(guān)系、減小了車(chē)體橫向振動(dòng),解決了岔區(qū)頻繁出現(xiàn)車(chē)體橫向加速度超限的問(wèn)題。
圖8為打磨前后鋼軌廓形與設(shè)計(jì)廓形對(duì)比,圖中綠色為設(shè)計(jì)廓形,紅色為測(cè)量廓形。從中可以看出,打磨后測(cè)量廓形與設(shè)計(jì)廓形匹配程度明顯提升,鋼軌廓形質(zhì)量得到顯著改善。
表3 為打磨前后鋼軌廓形GQI 指標(biāo)(GQI 指標(biāo)代表測(cè)量廓形與設(shè)計(jì)廓形的匹配程度,GQI指標(biāo)越高代表測(cè)量廓形與設(shè)計(jì)廓形越匹配),從數(shù)據(jù)中可以看出:鋼軌GQI均值由打磨前的60.3提高到了打磨后的92.1,提高了52.7%;岔前右股鋼軌GQI 提升最明顯,由打磨前的52.6 提高到了92.3,提高了75.5%;標(biāo)準(zhǔn)差由打磨前的7.04 降低到打磨后的2.25,降低了68.1%,廓形一致性、對(duì)稱(chēng)性得到明顯改善。
表3 打磨前后鋼軌GQI指標(biāo)
圖9 為桂平12 號(hào)道岔打磨前后橫向加速度超限(舒適度限值)數(shù)量較多的區(qū)域每月變化趨勢(shì),圖中2018年2月以后為打磨后數(shù)據(jù)。從圖中可以看出:桂平站12 號(hào)道岔打磨后總的超限數(shù)量大幅減少,并且保持比較穩(wěn)定;岔后60 m、連接部分、心軌前打磨前數(shù)量較多,打磨后也得到了明顯改善。
表4為打磨前后車(chē)體橫向加速度超限數(shù)量統(tǒng)計(jì),從表中可以看出:打磨前橫向加速度超限數(shù)量較多,2018年1月達(dá)到245次;打磨后橫向加速度超限數(shù)量急劇減小,2018年3月僅出現(xiàn)4 次,較打磨前減少了98.4%;2018年2月打磨后至2018年11月橫向加速度超限數(shù)量比較穩(wěn)定,最多為18次。
橫風(fēng)、軌道復(fù)合不平順以及輪軌廓形的角度分析了高速道岔的行車(chē)平穩(wěn)性,并運(yùn)用分析結(jié)果解決了桂平站12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車(chē)體橫向加速度超限問(wèn)題。主要結(jié)論如下:
(1)隨著風(fēng)速增加,橫風(fēng)對(duì)高速道岔行車(chē)平穩(wěn)性影響逐漸增加。風(fēng)速達(dá)到10 m/s 時(shí),車(chē)體橫向加速度達(dá)到維修限值;風(fēng)速達(dá)到20 m/s 時(shí),車(chē)體橫向加速度達(dá)到平穩(wěn)性限值;
圖8 打磨前后廓形對(duì)比
圖9 橫向加速度超限變化趨勢(shì)
表4 車(chē)體橫向加速度超限數(shù)量統(tǒng)計(jì) 次
(2)時(shí)速250 km 動(dòng)車(chē)線(xiàn)路應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注50~70 m 波長(zhǎng)軌道不平順,2種形式的50~70 m波長(zhǎng)軌道復(fù)合不平順限值約為9 mm。復(fù)合不平順1 高低對(duì)車(chē)體橫向加速度影響比較明顯;復(fù)合不平順2 軌向超過(guò)9 mm 時(shí),車(chē)體橫向加速度急劇增加;
(3)輪軌廓形對(duì)車(chē)體橫向加速度影響很大。凹形磨耗車(chē)輪工況下車(chē)體橫向加速度較標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪工況下增大141.9%,通過(guò)改變鋼軌廓形可以將凹形磨耗車(chē)輪工況下車(chē)體橫向加速度最大降低18.7%;
(4)高速道岔維修保養(yǎng)過(guò)程中出現(xiàn)平穩(wěn)性超限時(shí),應(yīng)首先檢查道岔框架尺寸,然后再?gòu)臋M風(fēng)、軌道復(fù)合不平順、輪軌廓形等方面進(jìn)行排查。