李金城,丁軍君,李 芾,牛悅丞,楊 陽

(1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院,成都 610031)

引言

道岔作為鐵路軌道中的重要組成部件，起著連接兩股軌道、跨越交叉線路的作用， 擁有比區(qū)間線路更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，車輛于岔區(qū)實現(xiàn)不同鋼軌間的輪載過渡，輪軌間的沖擊振動遠大于一般正線[1-5]。且隨著車輛運行速度的提升，岔區(qū)輪軌間的沖擊和振動更為劇烈，因此高速線路中采用可動心軌轍叉代替固定轍叉結(jié)構(gòu)，以減小車輛過岔時的沖擊振動?？蓜有能夀H叉的密貼式設(shè)計有效減小了岔區(qū)的結(jié)構(gòu)不平順，但道岔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不平順不可能完全消除，車輛高速過岔時仍存在較大安全風(fēng)險。

為保證車輛過岔安全，國內(nèi)外學(xué)者針對車輛過岔性能進行了大量研究[6-12]，但在評價車輛過岔動力學(xué)性能時，一般以區(qū)間線路的評價指標(biāo)作為參考，且評價指標(biāo)中涉及的多種評價方法是基于車輛受到連續(xù)不平順的假設(shè)下進行的，但道岔結(jié)構(gòu)不平順存在不連續(xù)特性，在對道岔設(shè)計及車輛過岔動力學(xué)驗證、特別在研究道岔結(jié)構(gòu)不平順對車輛動力學(xué)的影響時，一般不考慮軌道隨機不平順[13-16]。因此，針對道岔結(jié)構(gòu)不平順進行道岔設(shè)計驗證時，需選用合理的評價指標(biāo)對車輛過岔性能進行評價。

國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC518：2009、UIC-515:1984和歐標(biāo)EN14363尚未對高速車輛過岔性能做出具體說明。我國GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》給出了運行速度不超過140 km/h的客車動力學(xué)指標(biāo)，但未對更高速度級的車輛動力學(xué)性能做出規(guī)定。在我國進行高速動車組研制及試驗的過程中，制定了一系列的高速動車組試驗規(guī)范及評定標(biāo)準(zhǔn)。其中，95J01-L《高速試驗列車動力車強度及動力學(xué)性能規(guī)范》、95J01-M《高速試驗列車客車強度及動力學(xué)性能規(guī)范》、TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)中對車輛過岔性能作了部分介紹，但所涉及評價指標(biāo)尚不全面。因此，在進行高速車輛過岔性能的研究時，應(yīng)結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對岔區(qū)及區(qū)間線路的規(guī)定進行分析。

綜合各國標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中給出的評價方法，一般從車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和安全性3個方面對車輛動力學(xué)性能進行評價，道岔為線路中的連接部分，車輛過岔時需滿足相關(guān)車輛動力學(xué)性能要求。

1 穩(wěn)定性

車輛運行穩(wěn)定性一般以車輛臨界速度、構(gòu)架振動加速度和導(dǎo)向力之和評判。

1.1 車輛臨界速度

車輛臨界速度一般以輪對橫移量是否收斂作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，若輪對橫移逐漸減小并趨于0，則認(rèn)為系統(tǒng)收斂，車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之則認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)散，車輛失穩(wěn)，圖1給出了車輛輪對的收斂與發(fā)散狀態(tài)。

圖1 收斂和發(fā)散狀態(tài)下的輪對橫移量

過岔穩(wěn)定性指車輛在規(guī)定速度范圍內(nèi)過岔時不出現(xiàn)失穩(wěn)的能力，同樣以輪對橫移是否收斂作為車輛過岔穩(wěn)定性的評判方法。

1.2 構(gòu)架振動加速度

為便于在線路實驗中評價車輛運行穩(wěn)定性，UIC-515:1984中首次對構(gòu)架振動加速度做出規(guī)定，認(rèn)為車輛受連續(xù)不平順激擾時，在4～8 Hz區(qū)間構(gòu)架振動加速度峰值連續(xù)6個在8 m/s2以上時為不合格。美國聯(lián)邦鐵路管理局(FRA，F(xiàn)ederal Railroad Administration)認(rèn)為構(gòu)架橫向振動加速度經(jīng)帶通濾波后，若2 s內(nèi)滑動均方根值(RMS: Root Mean Square)超過0.4g，則車輛應(yīng)減速慢行。我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》中認(rèn)為在對加速度進行10 Hz的低通濾波后，若構(gòu)架橫向振動加速度峰值連續(xù)6個達到或超過8～10 m/s2極限值時，車輛判定為失穩(wěn)。

(1)

式中，Mb為轉(zhuǎn)向架總質(zhì)量，t。

1.3 輪對導(dǎo)向力之和

UIC518：2009中提出以輪對導(dǎo)向力之和的滑動均方根值評判車輛運行于直線或大半徑曲線時的穩(wěn)定性，滑動均方根的處理方法與上述構(gòu)架振動加速度的處理方法相同，即對結(jié)果進行帶通濾波后，對結(jié)果區(qū)間取100 m范圍以10 m為窗口進行滑動均方根進行計算，其限值如下

(2)

式中，(s∑Y)lim為導(dǎo)向力之和滑動均方根值限值，kN；α為系數(shù)，客車取1，貨車取0.85。

無論構(gòu)架振動加速度峰值判別方法、構(gòu)架振動加速度滑動均方根值評判方法，還是輪對導(dǎo)向力之和的滑動均方根值評判方法，均是車輛受到連續(xù)激擾狀態(tài)時的判別方法。為保證車輛順利過岔，岔區(qū)存在尖軌、心軌頂面加寬、軌頂降低等設(shè)計，不可避免地產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不平順，但車輛直/側(cè)向過岔時，由道岔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不平順并不連續(xù)，且只存在于尖軌/基本軌、翼軌/心軌等過渡區(qū)域，在研究道岔結(jié)構(gòu)不平順對車輛過岔性能的影響時，構(gòu)架振動加速度和輪對導(dǎo)向力之和限值一般不予考慮。根據(jù)車輛過岔時的激勵特點，以車輛過岔時輪對橫移量收斂特性作為車輛過岔穩(wěn)定性的評判標(biāo)準(zhǔn)更為合理。

2 平穩(wěn)性

車輛運行平穩(wěn)性一般以車輛平穩(wěn)性指標(biāo)與車體橫向、垂向振動加速度評價。

2.1 平穩(wěn)性指標(biāo)

平穩(wěn)性指標(biāo)是衡量車輛振動性能的重要技術(shù)指標(biāo)，直接反映車輛振動對旅客乘坐舒適度的影響，一般以Sperling指數(shù)進行評價，經(jīng)驗公式如下

(3)

式中W——平穩(wěn)性指標(biāo)；

z0——振幅，cm；

f——振動頻率，Hz；

a——振動加速度，cm/s2，a=z0(2πf)2；

F(f)——加權(quán)系數(shù)。

以上公式只針對單一振幅和單一頻率下的振動，為評價車輛在隨機振動下的平穩(wěn)性，一般記錄車輛在一段運行時間內(nèi)的振動加速度，將加速度在時域內(nèi)的響應(yīng)進行FFT(Fast Fourier Transformation)變換，得到加速度頻率響應(yīng)函數(shù)，按頻率分類計算得到各頻段平穩(wěn)性Wi，最終求出全頻段總的平穩(wěn)性W。

對于長時間內(nèi)的平穩(wěn)性，需考慮振動加速度幅值、頻率和持續(xù)時間等指標(biāo)，采用Sperling指數(shù)作為評價指標(biāo)可以綜合考慮上述因素。我國GB/T 5599-1985及《200 km/h及以上速度級電動車組動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)中一直采用Sperling指數(shù)作為評價車輛運行平穩(wěn)性的指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)中指出，在車輛直線運行受到連續(xù)激擾狀態(tài)下，以車輛運行18～20 s為時長，對期間采樣數(shù)值進行分析以用于平穩(wěn)性指標(biāo)的計算，Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)滿足W≤2.5時認(rèn)定為優(yōu)秀。由于車輛過岔振動的不連續(xù)性，Sperling指數(shù)不能真實有效反映出車輛過岔平穩(wěn)狀態(tài)，在研究道岔結(jié)構(gòu)不平順對車輛過岔性能的影響時，一般不以Sperling指數(shù)作為評判車輛過岔平穩(wěn)性的指標(biāo)。

2.2 車體振動加速度

Sperling指數(shù)處理方法相對繁瑣，且對于評價瞬時振動存在一定局限性，國內(nèi)外同樣以車體振動加速度作為平穩(wěn)性的評判方法。UIC518與EN14363中規(guī)定轉(zhuǎn)向架正上方的車體地板面橫向振動加速度acy的峰值與垂向振動加速度acz的峰值不得大于2.5 m/s2，且規(guī)定acy與acz的滑動均方根限值分別為0.5 m/s2和0.75 m/s2。我國95J01-L中以車體底架縱中心線前后牽引梁的端部作為加速度測量點，規(guī)定車體橫向、垂向振動加速度峰值分別不得超過1.47，2.45 m/s2。

對高速車輛，我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》、《200 km/h及以上速度級電動車組動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》中給出的車體振動加速度限值與UIC518和EN14363中相同，但加速度的測量位置采用GB/T 5599—1985中的規(guī)定，即以距離轉(zhuǎn)向架中心橫向1 000 mm處的車體地板面作為加速度測量點。TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術(shù)條件》中延續(xù)了GB/T 5599—1985中的測量辦法，給出了車輛直向和側(cè)向通過速度250～350 km/h的高速道岔時的橫向、垂向振動加速度限值。車輛直/側(cè)向過岔時，車體橫向振動加速度需滿足

acy≤1.5 m/s2

(4)

車輛直/側(cè)向過岔時，車體垂向振動加速度需滿足

acz≤2.0 m/s2

(5)

3 安全性

車輛直向和側(cè)向過岔時均存在較大結(jié)構(gòu)不平順，因此車輛直向和側(cè)向過岔時均采用輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標(biāo)進行評價。

3.1 輪軌垂向力

UIC518：2009中根據(jù)速度等級將輪軌垂向力的限值劃分為5等，規(guī)定其中運行速度在200～250 km/h的車輛最大輪軌垂向力不得超過180 kN，運行速度在250～300 km/h的車輛，其最大輪軌垂向力不得超過170 kN，運行速度大于300 km/h的車輛，其最大輪軌垂向力不得超過160 kN。對非沖擊性的垂向載荷，德國聯(lián)邦鐵路(DB)采用170 kN作為限值。

我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》、《200 km/h及以上速度級電動車組動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》及95J01-L、95J01-M中規(guī)定動力車通過直線、曲線、道岔和橋梁時，垂向力最大值Pmax應(yīng)滿足

Pmax≤170 kN

(6)

3.2 輪軌橫向力

道岔結(jié)構(gòu)不平順使車輛經(jīng)過岔區(qū)時存在更大的輪軌力，為保證岔區(qū)鋼軌幾何位置的正確性，必須對輪軌橫向力加以監(jiān)測。GB/T 5599-1985中以道釘拔起為依據(jù)給出了輪軌橫向力限值，但由于該標(biāo)準(zhǔn)制定較早且一直未進行相關(guān)更新，其給出的輪軌橫向力限值只適用于鋪設(shè)木軌枕的線路[17-18]，該標(biāo)準(zhǔn)未對高速線路做出相關(guān)規(guī)定。日本在新干線中以線路所采用扣件的橫向設(shè)計載荷為輪軌橫向力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，該線路中扣件橫向設(shè)計載荷為軸重的0.4倍。歐美一般以車輛靜軸重的0.4倍作為輪軌橫向力的限值，如式(7)所示。

Y≤0.4(Pst1+Pst2)

(7)

式中Y——輪軌橫向力，kN；

Pst1、Pst2——分別為左、右側(cè)車輪靜載荷，kN。

3.3 輪軸橫向力

Prud’homme通過試驗研究首次給出了如式(8)所示的輪軸橫向力限值計算公式[19]，并被歐美國家廣泛采用，其中UIC518：2009中給出的用于評價安全性的輪軌導(dǎo)向力之和限值見式(9)，其對結(jié)果的處理方法與上述穩(wěn)定性導(dǎo)向力之和的處理方法相同，但限值為穩(wěn)定性導(dǎo)向力之和限值的2倍。

(8)

式中P0——車輛靜軸重，kN。

(9)

規(guī)范95J01-L中以式(10)所示的推薦值作為動車通過直線、曲線、道岔時的導(dǎo)向輪對橫向力峰值的限值。對時速200 km以上的電動車組，我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》、TB10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》及TB/T 3301—2013中均以式(10)所示數(shù)值作為輪軸橫向力限值。

(10)

3.4 脫軌系數(shù)

UIC-518：2009規(guī)定，當(dāng)曲線半徑R≥250 m時脫軌系數(shù)在2 m軌道上的滑動平均值限值如式(11)所示。

[(Q/P)2m]lim=0.8

(11)

針對列車脫軌問題，日本在進行車輛脫軌試驗研究時以0.05 s為時長，給出了脫軌系數(shù)限值與時間t的關(guān)系[20]，如式(12)，日本JNR標(biāo)準(zhǔn)中以脫軌系數(shù)和輪軌作用時間評判車輛脫軌風(fēng)險。

(12)

我國《高速動車組整車試驗規(guī)范》中以式(13)作為脫軌系數(shù)限值，TB10621—2009中將該限值的適用范圍擴展至運行速度350 km/h的車輛，TB10761—2013及TB/T 3301—2013中均使用式(13)作為脫軌系數(shù)限值。

Q/P≤0.8

(13)

3.5 輪重減載率

當(dāng)車輛直向/側(cè)向過岔時，車輛運行速度較低時，認(rèn)為輪軸橫向力Q=0，此時得到的減載率為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)輪重減載率[21]，當(dāng)車輛以高速經(jīng)過鋼軌接頭、道岔等區(qū)域時產(chǎn)生的沖擊振動可能會引起車輪的瞬時減載，此時靜態(tài)減載率不能真實反映輪對的減載狀態(tài)。根據(jù)車輛運行狀態(tài)，日本在進行輪重減載率的研究時將其分為準(zhǔn)靜態(tài)輪重減載率和動態(tài)輪重減載率，以動態(tài)輪重減載率評價車輛存在沖擊振動時的車輪減載情況，并給出如式(14)所示的限值，對于超限的動態(tài)減載率時間小于0.01 s時，認(rèn)為車輛不存在脫軌危險。對于高速車輛，德國、美國在高速試驗中取0.9作為動態(tài)輪重減載率。

(14)

式中b1——準(zhǔn)靜態(tài)減載率；

b2——動態(tài)減載率。

對于速度低于160 km/h的車輛，我國《200 km/h及以上速度級電動車組動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》中以0.65作為輪重減載率的限值，而對運行速度高于160 km/h的車輛，標(biāo)準(zhǔn)中將輪重減載率分為準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)兩部分，采用式(15)作為輪重減載率的限值。TB/T3301—2013及TB10761—2013中同樣采用式(15)作為輪重減載率限值。

(15)

4 高速道岔動力學(xué)評價指標(biāo)選擇

在了解道岔型號、結(jié)構(gòu)、允許過岔速度及車輛運行速度的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對岔區(qū)及區(qū)間線路的規(guī)定，在研究道岔結(jié)構(gòu)不平順對車輛過岔的影響時，選取以下動力學(xué)指標(biāo)對高速車輛過岔性能進行評價。

(1)穩(wěn)定性

道岔結(jié)構(gòu)不平順存在不連續(xù)性，在對車輛過岔穩(wěn)定性進行評價時，采用車輛過岔時輪對橫移量收斂特性作為車輛過岔穩(wěn)定性的評判標(biāo)準(zhǔn)。

(2)平穩(wěn)性

車輛平穩(wěn)性的評判方法中，Sperling指標(biāo)為車輛受到連續(xù)振動時全頻段的綜合平穩(wěn)性W，不能真實反映車輛過岔振動。車輛過岔平穩(wěn)性進行評價時，以車輛直向和側(cè)向通過道岔時車體橫向、垂向振動加速度作為車輛過岔平穩(wěn)性評判標(biāo)準(zhǔn)。

車體橫向振動加速度滿足acy≤1.5 m/s2；

車體垂向振動加速度滿足acz≤2.0 m/s2。

(3)安全性

車輛直向和側(cè)向過岔時均存在較大結(jié)構(gòu)不平順，因此車輛直向和側(cè)向過岔時均采用輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標(biāo)進行評價。

輪軌垂向力滿足Pmax≤170 kN；

輪軌橫向力滿足Y≤0.4(Pst1+Pst2)；

脫軌系數(shù)滿足Q/P≤0.8,(t≥0.05 s)；

5 車輛過岔動力學(xué)性能計算

根據(jù)TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術(shù)條件》，在進行道岔動力學(xué)性能驗證時，車輛直向過岔速度應(yīng)取道岔直向設(shè)計速度的1.1倍，側(cè)向動力學(xué)性能在道岔側(cè)向設(shè)計速度的基礎(chǔ)上增加10 km/h進行驗證，以CRH380A高速動車組通過18號無砟道岔為例進行計算分析，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，仿真時直向過岔速度取385 km/h、側(cè)向過岔速度為90 km/h。

5.1 穩(wěn)定性

圖2 車輛過岔輪對橫移量

圖2為車輛以驗證速度直向/側(cè)向過岔時車輛第一位輪對的橫移情況。由圖2可知，車輛在經(jīng)過道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)與轍叉區(qū)時輪對存在較大橫移，在車輛通過道岔后橫移迅速衰減并快速趨于0，車輛直向/側(cè)向過岔時不存在失穩(wěn)風(fēng)險。

5.2 平穩(wěn)性

由圖3、圖4知，車輛直向/側(cè)向過岔時車體橫向振動加速度小于1.5 m/s2，車體垂向振動加速度滿足acz≤2.0 m/s2的要求，車輛過岔平穩(wěn)性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 車輛過岔車體橫向振動加速度

圖4 車輛過岔車體垂向振動加速度

5.3 安全性

圖5～圖9為車輛直向/側(cè)向過岔時的安全性指標(biāo)，以車輛第一位輪對為例進行分析。

圖5 車輛過岔輪軌橫向力

圖6 車輛過岔輪軌垂向力

圖7 車輛過岔輪軸橫向力

圖8 車輛過岔脫軌系數(shù)

圖9 車輛過岔輪重減載率

由于道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)存在較大的橫向不平順，與車輛橫向振動特性相關(guān)的評價指標(biāo)如輪軌橫向力、輪軸橫向力和脫軌系數(shù)在轉(zhuǎn)轍區(qū)存在較大波動，但其最大值均在安全性評價指標(biāo)范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)均存在較大的垂向不平順，由于轍叉區(qū)垂向不平順波長更短，因此與車輛垂向振動特性相關(guān)的評價指標(biāo)在轍叉區(qū)波動更大，但最大值均未超過安全性評價指標(biāo)限值。

6 結(jié)論

為研究道岔結(jié)構(gòu)不平順對車輛動力學(xué)的影響，分析國內(nèi)外道岔動力學(xué)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)用于評價道岔結(jié)構(gòu)不平順的車輛動力學(xué)指標(biāo)，并以高速動車組直向和側(cè)向通過18號道岔為例進行計算分析。計算結(jié)果表明：車輛過岔時各動力學(xué)指標(biāo)在道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)與轍叉區(qū)均存在明顯波動，且車輛側(cè)向過岔時受曲線部分的影響，側(cè)向過岔動力學(xué)性能與直向過岔存在較大差異，但各指標(biāo)最大值均在選取的動力學(xué)評價指標(biāo)允許范圍內(nèi)，車輛直向/側(cè)向過岔動力學(xué)性能滿足運行需求。在現(xiàn)階段的道岔研究分析中，一般根據(jù)部分標(biāo)準(zhǔn)中給出的道岔動力學(xué)性能指標(biāo)結(jié)合區(qū)間線路的規(guī)定進行分析，在道岔動力學(xué)指標(biāo)的進一步研究中，應(yīng)采用理論與試驗相結(jié)合的方式制定更適合道岔的、更為完善的岔區(qū)動力學(xué)評價指標(biāo)。