涂英輝

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?鐵道建筑研究所，北京???100081）

目前，我國(guó)350?km/h及以下速度等級(jí)高速鐵路固定設(shè)施設(shè)計(jì)施工技術(shù)日趨完善，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本齊備[1]，并對(duì)該速度等級(jí)的高速鐵路輪軌關(guān)系、輪軌周期性磨耗條件下的輪軌動(dòng)力作用進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)研究[2-6]。但對(duì)于更高速度等級(jí)的輪軌動(dòng)力作用研究尚處于探索階段，確定更高速度條件下的輪軌動(dòng)力作用規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)輪軌材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，提高我國(guó)高速鐵路相關(guān)工程設(shè)計(jì)施工水平具有重要意義，同時(shí)可為下一階段我國(guó)高速鐵路的建設(shè)規(guī)劃及推動(dòng)高速鐵路行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支撐和依據(jù)。

1 常規(guī)狀態(tài)下輪軌動(dòng)力作用

為分析380?km/h和400?km/h更高速度動(dòng)車組在輪軌常規(guī)狀態(tài)下的適應(yīng)性，分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)綜合試驗(yàn)和理論分析。其中現(xiàn)場(chǎng)綜合試驗(yàn)包括京滬高鐵先導(dǎo)段（棗莊西—蚌埠南）和鄭徐高鐵開(kāi)封北—蕭縣北段[7]。

1.1 試驗(yàn)分析

1.1.1 京滬高鐵先導(dǎo)段

京滬高鐵先導(dǎo)段（棗莊西—蚌埠南）為直線地段，采用CRTS?Ⅱ型板式無(wú)砟軌道，配套W300-1型扣件，下部基礎(chǔ)為路基。主要測(cè)試車型為中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司制造的CRH380AL和中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造的CRH380BL，分別測(cè)試300、330、350、380、400?km/h速度等級(jí)條件下的輪軌垂向力情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 京滬高鐵先導(dǎo)段輪軌垂向力測(cè)試結(jié)果

由表1可知，高速動(dòng)車組通過(guò)各輪軌力測(cè)點(diǎn)時(shí)輪軌垂向力最大值為87.5～98.6?kN，平均值為69.3～77.9?kN。相比350?km/h及以下速度等級(jí)，高速動(dòng)車組以380?km/h和400?km/h速度通過(guò)直線區(qū)段時(shí)的輪軌動(dòng)力作用變化不明顯。

1.1.2 鄭徐高鐵

鄭徐高鐵試驗(yàn)區(qū)段開(kāi)封北—蕭縣北為曲線地段，采用CRTS?Ⅲ型先張板式無(wú)砟軌道、WJ-8型扣件，橋上除連續(xù)梁及緊靠連續(xù)梁一跨的簡(jiǎn)支梁采用小阻力扣件外，其余簡(jiǎn)支梁采用常阻力扣件。主要測(cè)試車型為CRH0207和CRH0503型動(dòng)車組，分別進(jìn)行300、330、350、380和400?km/h不同速度等級(jí)條件下，動(dòng)車組通過(guò)半徑為9?000?m曲線緩圓點(diǎn)時(shí)的輪軌垂向力情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鄭徐高鐵試驗(yàn)段輪軌垂向力測(cè)試結(jié)果

由表2可知，隨著列車速度的增加，輪軌垂向力幅值略有增大。動(dòng)車組以380、400?km/h速度通過(guò)半徑為9?000?m曲線緩圓點(diǎn)時(shí)，實(shí)測(cè)輪軌垂向力最大值分別為 115.8?kN 和 125.1?kN，平均值分別為 93.6?kN 和97.1?kN，均未超出《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[8]中輪軌動(dòng)力作用的限值要求（170?kN）。

綜合京滬高鐵先導(dǎo)段和鄭徐高鐵試驗(yàn)分析可知，在輪軌常規(guī)狀態(tài)下，隨著列車速度的增加，輪軌動(dòng)力作用不斷增大，但增大幅度較小。400?km/h與300?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約40%，平均輪軌垂向力增大約29%；400?km/h與350?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約20%，平均輪軌垂向力增大約12%。最大輪軌垂向力均未超出《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中輪軌動(dòng)力作用的限值要求。

1.2 理論分析

利用NUCARS分析軟件，參照CRH380A型動(dòng)車組建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型（見(jiàn)圖1）[9]。該模型由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)構(gòu)成，其中每個(gè)剛體均考慮垂向、橫向、縱向、點(diǎn)頭、搖頭和側(cè)滾6個(gè)自由度。構(gòu)架和輪對(duì)之間通過(guò)一系彈簧、垂向減振器連接，構(gòu)成一系懸掛系統(tǒng)；構(gòu)架和車體之間通過(guò)空氣彈簧、二系垂向減振器、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等元件連接，構(gòu)成二系懸掛系統(tǒng)，懸掛系統(tǒng)由彈簧阻尼單元模擬。鋼軌采用離散點(diǎn)支承形式，由彈簧阻尼單元模擬扣件垂向和橫向的約束作用，同時(shí)考慮鋼軌表面原始不平順的影響。模型主要參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型

表3 車輛-軌道動(dòng)力學(xué)仿真模型主要參數(shù)

采用車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析在輪軌常規(guī)狀態(tài)下，列車分別以300、350、380和400?km/h速度通過(guò)時(shí)的輪軌動(dòng)力作用最大值（見(jiàn)表4）。

表4 常規(guī)狀態(tài)下輪軌動(dòng)力作用最大值

由表4理論分析結(jié)果可知，在輪軌常規(guī)狀態(tài)下，隨著列車速度的增加，輪軌動(dòng)力作用略有增大，但增大幅度較小。400?km/h與300?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約31%；400?km/h與350?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約19%。最大輪軌垂向力均未超出《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中輪軌動(dòng)力作用的限值要求。

2 鋼軌波磨條件下輪軌動(dòng)力作用

為分析鋼軌表面存在波磨的情況下，不同速度動(dòng)車組通過(guò)時(shí)的輪軌動(dòng)力作用，分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析。其中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為2011年京滬高鐵鋼軌波磨專項(xiàng)試驗(yàn)[10]。

2.1 試驗(yàn)分析

2011年對(duì)京滬高鐵不同波磨深度情況下的輪軌動(dòng)力作用進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)。京滬高鐵采用CRTS?Ⅱ型板式無(wú)砟軌道，配套W300-1型扣件，鋼軌表面存在明顯波磨，波長(zhǎng)為120～150?mm，分別在波磨谷深0.04、0.05和0.08?mm位置及無(wú)波磨區(qū)段測(cè)試輪軌動(dòng)力作用情況，測(cè)試結(jié)果表明：

（1）波磨谷深0.04?mm地段。在250?km/h速度等級(jí)下，有波磨地段輪軌垂向力平均值比無(wú)波磨地段增大約8.8%；在300?km/h速度等級(jí)下，輪軌垂向力平均值增大約20.8%。

（2）波磨谷深0.05?mm地段。在250?km/h速度等級(jí)下，有波磨地段輪軌垂向力平均值比無(wú)波磨地段增大約13.0%；在300?km/h速度等級(jí)下，輪軌垂向力平均值增大約52.5%。

（3）波磨谷深 0.08?mm 地段。在 250?km/h速度等級(jí)下，有波磨地段第一、二、三斷面輪軌垂向力平均值比無(wú)波磨地段分別增大27.1%、33.4%、36.2%；在300?km/h速度等級(jí)下，輪軌垂向力平均值分別增大61.9%、93.5%、82.8%。

綜合分析動(dòng)車組高速通過(guò)有波磨測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的輪軌垂向力測(cè)試數(shù)據(jù)可知，鋼軌波磨對(duì)輪軌垂向力有較大影響，相同速度條件下磨耗深度越大，輪軌動(dòng)力作用越大。與無(wú)波磨地段相比，在250?km/h速度等級(jí)下有波磨地段輪軌垂向力增大的幅度為8.8%～36.2%，在300?km/h速度等級(jí)下有波磨地段輪軌垂向力增大的幅度為20.8%～93.5%，實(shí)測(cè)輪軌垂向力最大值為168?kN（接近170?kN限值），出現(xiàn)在波磨谷深0.08?mm地段。

2.2 理論分析

利用車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析鋼軌表面存在波長(zhǎng)為120～150?mm，波磨谷深0.02、0.04、0.06和0.08?mm以及無(wú)波磨時(shí)，行車速度為300、350、380和400?km/h時(shí)的輪軌力情況，計(jì)算得到不同鋼軌磨耗程度和不同行車速度下的輪軌垂向力最大值變化規(guī)律，未考慮車輪多邊形條件的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同鋼軌波磨和不同行車速度時(shí)的輪軌垂向力

由圖2可知，相同速度等級(jí)條件下，波磨谷深越大，輪軌動(dòng)力作用越大，400?km/h速度時(shí)，波磨谷深0.08?mm與0.02?mm相比，輪軌垂向力增大約96%；相同波磨谷深條件下，速度越大，輪軌動(dòng)力作用越大，波 磨 谷 深 0.08?mm 時(shí)，400?km/h 與 300?km/h 速 度 相比，輪軌垂向力增大約63%。350?km/h速度情況下，波磨谷深0.08?mm時(shí)輪軌垂向力接近170?kN的限值要求；380?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時(shí)輪軌垂向力接近170?kN的限值要求；400?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時(shí)輪軌垂向力超過(guò)170?kN限值要求。

3 車輪多邊形條件下輪軌動(dòng)力作用

為分析車輪表面存在多邊形的情況下，動(dòng)車組以不同速度運(yùn)行時(shí)的輪軌動(dòng)力作用，分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析。其中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為2016年武廣高鐵車輪多邊形專項(xiàng)試驗(yàn)[11]。

3.1 試驗(yàn)分析

2016年對(duì)武廣高鐵車輪多邊形情況下的輪軌動(dòng)力作用進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)。武廣高鐵采用CRTS?Ⅰ型雙塊式無(wú)砟軌道，配套W300-1型扣件，在武廣高鐵牛嶺隧道K2096+211—K2103+799區(qū)段進(jìn)行了車輪多邊形專項(xiàng)試驗(yàn)。牛嶺隧道測(cè)點(diǎn)線路曲線半徑為11?005?m，超高為 115?mm，3.0‰上坡，鋼軌光帶寬度為 20～25?mm，鋼軌為近期打磨狀態(tài)，表面無(wú)明顯波磨。試驗(yàn)動(dòng)車組車輪中存在18階多邊形，平均徑跳值為0.06?mm。

分別測(cè)試試驗(yàn)動(dòng)車組以250、280和300?km/h速度通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)的輪軌垂向力情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)動(dòng)車組車輪有無(wú)多邊形、不同速度時(shí)的輪軌動(dòng)力作用

由表5可知，相同速度等級(jí)條件下，車輪有多邊形與無(wú)多邊形相比，輪軌動(dòng)力作用增大，但增大幅度較小，300?km/h速度下，徑跳值0.06?mm時(shí)的輪軌垂向力與無(wú)多邊形相比增大幅度為13%；相同多邊形條件下，隨著速度的增加，輪軌動(dòng)力作用增大，徑跳值0.06?mm時(shí)，?300?km/h與250?km/h速度相比，輪軌垂向力增大幅度為23.6%。

3.2 理論分析

利用車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型，分別分析車輪表面存在18階多邊形，徑跳值為0.02、0.04、0.06和0.08?mm 時(shí)，行車速度為 300、350、380和 400?km/h的輪軌垂向力情況，計(jì)算得到不同車輪多邊形程度和不同行車速度下的輪軌垂向力變化規(guī)律（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同車輪多邊形和不同行車速度時(shí)的輪軌垂向力

由圖3可知，相同速度等級(jí)條件下，車輪多邊形徑跳值增大，輪軌動(dòng)力作用略有增大，400?km/h速度下，徑跳值0.08?mm與0.02?mm相比，輪軌垂向力增大約7%；相同車輪多邊形徑跳值條件下，速度越大，輪軌動(dòng)力作用越大，徑跳值為 0.08?mm 時(shí)，400?km/h與 300?km/h速度相比，輪軌垂向力增大約20%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)輪軌常規(guī)狀態(tài)、鋼軌波磨和車輪多邊形等條件下，動(dòng)車組不同速度等級(jí)運(yùn)行時(shí)的輪軌動(dòng)力作用進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析研究，得出初步結(jié)論如下：

（1）在輪軌常規(guī)狀態(tài)下，隨著速度的增加，輪軌動(dòng)力作用略有增大，但增大幅度較小。400?km/h與300?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約40%；400?km/h與350?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約20%。最大輪軌垂向力均未超出《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中輪軌動(dòng)力作用的限值要求。

（2）鋼軌波磨條件下輪軌動(dòng)力作用明顯增加。相同速度等級(jí)條件下，波磨谷深越大，輪軌動(dòng)力作用越大，400?km/h 速度時(shí)，波磨谷深 0.08?mm 與 0.02?mm 相比，輪軌垂向力增大約96%；相同磨耗程度條件下，速度越大，輪軌動(dòng)力作用越大，波磨谷深0.08?mm時(shí)，400?km/h與 300?km/h速度相比，輪軌垂向力增大約63%。350?km/h速度情況下，波磨谷深0.08?mm時(shí)輪軌垂向力接近170?kN限值要求；380?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時(shí)輪軌垂向力接近170?kN限值要求；400?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時(shí)輪軌垂向力超過(guò)170?kN限值要求。

（3）車輪多邊形磨耗條件下輪軌動(dòng)力作用增大。相同速度等級(jí)條件下，車輪多邊形徑跳值增大，輪軌動(dòng)力作用略有增加，400?km/h速度時(shí)，徑跳值0.08?mm與0.02?mm相比，輪軌垂向力增大約7%；相同車輪多邊形徑跳值條件下，速度越大，輪軌動(dòng)力作用越大，徑跳值 0.08?mm 時(shí)，400?km/h 與 300?km/h 速度相比，輪軌垂向力增大約20%。