陳 浩 蘆道林

(中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司，西安 710000)

高速鐵路道岔具有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、列車(chē)通過(guò)速度快、養(yǎng)護(hù)維修時(shí)間短等特點(diǎn)，是保證高速鐵路安全性、舒適性和可靠性的必要條件。在高速鐵路道岔研究方面，我國(guó)先后研制出了250 km/h和350 km/h系列高速道岔，目前已投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路道岔分為客專(zhuān)線、CN和CZ三種系列，形成了我國(guó)獨(dú)有的高速鐵路道岔技術(shù)體系[1-4]。

本文以客運(yùn)專(zhuān)線18號(hào)道岔為研究對(duì)象，對(duì)該道岔進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究高速列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，探討高速道岔設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，旨在為高速道岔的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

1 仿真參數(shù)與動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文采用60 kg/m鋼軌18號(hào)可動(dòng)心軌道岔(客專(zhuān)(07)009)，道岔全長(zhǎng)69 m，導(dǎo)曲線半徑 1 100 m，道岔線形如圖1所示。道岔直向容許通過(guò)速度350 km/h，側(cè)向容許通過(guò)速度80 km/h，道岔軌距均為 1 435 mm。道岔主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

圖1 18號(hào)道岔平面線形圖(mm)

(1)尖軌型式為相離半切線型，采用21.45 m長(zhǎng)的60D40鋼軌，尖軌尖端為藏尖式。

(2)轉(zhuǎn)轍器部分尖軌跟端為限位器結(jié)構(gòu)。

(3)轍叉部分采用鋼軌組合型，心軌采用60D40鋼軌，翼軌采用軋制特種斷面鋼軌。

(4)可動(dòng)心軌轍叉曲股設(shè)置護(hù)軌，護(hù)軌采用33 kg/m槽型鋼，高出基本軌頂面12 mm，采用彈性?shī)A扣壓基本軌的方式。

(5)道岔區(qū)鋼軌設(shè)置1∶40的軌底坡或軌頂坡。

1.2 動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)高速鐵路道岔的試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，本文選取的車(chē)輛-道岔動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 車(chē)輛-道岔動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型

2.1 車(chē)輛模型

本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM，建立了CRH2型高速動(dòng)車(chē)組模型，建模過(guò)程中考慮如下假定：(1)將車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等視為剛體，忽略其彈性變形；(2)不考慮車(chē)輛部件縱向動(dòng)力響應(yīng)對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的影響；輪軌之間采用赫茲非線性接觸理論。該動(dòng)車(chē)組模型為兩系懸掛，其中一系懸掛采用了彈性定位，且不存在間隙，通過(guò)調(diào)整參數(shù)設(shè)置各方向的剛度；采用空氣懸掛系統(tǒng)作為二系懸掛，空氣懸掛能很好地保證列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性，且懸掛裝置配置有液壓減震器，可較快地衰減列車(chē)振動(dòng)。車(chē)輛模型建立的車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)及軸箱等剛體共包含50個(gè)自由度，自由度數(shù)目如表2所示，模型如圖2所示。

圖2 CRH2動(dòng)車(chē)組模型圖

表2 車(chē)輛模型自由度數(shù)目

2.2 道岔模型

道岔仿真模型主要是建立道岔線形和變截面軌道。道岔線形參數(shù)包括道岔的導(dǎo)曲線半徑、前長(zhǎng)、后長(zhǎng)和全長(zhǎng)等。由于道岔區(qū)鋼軌是變截面鋼軌，需要建立出關(guān)鍵斷面，然后對(duì)各個(gè)關(guān)鍵截面之間進(jìn)行線性插值處理，從而得到道岔全部的變截面特征。

道岔模型中采用了兩條基本假定，一是將密貼段鋼軌看作為一根鋼軌，并視為彈性基礎(chǔ)上的變截面歐拉梁，將非密貼段看作為等截面梁；二是直曲尖軌不同時(shí)參與振動(dòng)。軌道模型采用UM軟件自帶的inertial rail模型，該模型將鋼軌視為車(chē)輪下的剛體，剛體有相對(duì)于橫向和垂向的自由度以及相對(duì)于縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，軌下基礎(chǔ)采用特殊力元來(lái)模擬。

最后依據(jù)車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)振動(dòng)方程，將建立的道岔模型與車(chē)輛模型進(jìn)行耦合求解[5]，生成車(chē)輛-道岔系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型。利用該模型分析列車(chē)高速通過(guò)道岔時(shí)的輪軌動(dòng)力響應(yīng)，并與文獻(xiàn)[6]進(jìn)行對(duì)比，因建模時(shí)采用的車(chē)輛和軌道參數(shù)不同，故僅針對(duì)結(jié)果的規(guī)律性進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明：輪軌力、車(chē)輛振動(dòng)加速度等指標(biāo)數(shù)值相差不大，變化趨勢(shì)類(lèi)似，建立的模型可用于車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)分析。

3 車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

本節(jié)對(duì)250 km/h高速動(dòng)車(chē)組以80 km/h側(cè)逆向通過(guò)道岔和以250 km/h直逆向通過(guò)道岔進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。其中95～118 m為轉(zhuǎn)轍器區(qū)，118～145 m為連接部分，145～164 m為轍叉區(qū)。

3.1 輪軌作用力

輪軌作用力變化曲線如圖3所示，輪軌作用力最大值如表3所示。

圖3 輪軌作用力變化曲線圖

表3 輪軌作用力最大值表

由圖3和表3可知：當(dāng)車(chē)輛側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，車(chē)輪的輪緣在轉(zhuǎn)轍器區(qū)會(huì)貼靠尖軌，產(chǎn)生了較大的輪軌橫向力，最大橫向力達(dá)到34.3 kN。車(chē)輪輪載的轉(zhuǎn)移過(guò)渡引起輪軌垂向力發(fā)生變化，最大垂向力達(dá)61.6 kN。車(chē)輛進(jìn)入導(dǎo)曲線后，由于道岔連接部分不存在緩和曲線與超高，因此輪軌橫向力產(chǎn)生變化，最大輪軌橫向力為6.6 kN，輪軌垂向力最大值為60.1 kN。在可動(dòng)心軌部分，車(chē)輪輪載由翼軌轉(zhuǎn)移至心軌，輪軌接觸狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生橫向和垂向沖擊，最大橫向力為13 kN，最大垂向力為64.3 kN。輪軌力未超出限值。

車(chē)輛直逆向通過(guò)道岔時(shí)，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)時(shí)，右側(cè)車(chē)輪與尖軌撞擊產(chǎn)生較大的輪軌橫向力，最大橫向力為17 kN，車(chē)輪輪載的轉(zhuǎn)移過(guò)渡引起輪軌垂向力產(chǎn)生變化，最大輪軌垂向力為58.7 kN；因連接部分是直線，故輪軌力較小，最大橫向力為8.8 kN，最大垂向力為55.9 kN；轍叉區(qū)最大輪軌橫向力為9.4 kN，最大輪軌垂向力為57.8 kN。與車(chē)輛側(cè)逆向通過(guò)道岔比較，車(chē)輛直逆向通過(guò)道岔時(shí)，輪軌力都較小。

3.2 車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)特性

車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)加速度變化曲線如圖4所示，振動(dòng)加速度最大值如表4所示。

圖4 車(chē)體振動(dòng)加速度變化曲線圖

表4 車(chē)體振動(dòng)加速度最大值表

由圖4和表4可知：輪對(duì)受到振動(dòng)沖擊后，振動(dòng)向上傳遞至車(chē)體。車(chē)輛側(cè)逆向通過(guò)道岔時(shí)，轉(zhuǎn)轍器區(qū)車(chē)體最大橫向加速度為0.44 m/s2，最大垂向加速度為0.06 m/s2；連接部分車(chē)體最大橫向加速度為0.76 m/s2，最大垂向加速度為0.04 m/s2；轍叉區(qū)車(chē)體最大橫向加速度為0.62 m/s2，最大垂向加速度為0.06 m/s2。車(chē)體橫向加速度整體大于車(chē)體垂向加速度，這說(shuō)明高速列車(chē)通過(guò)可動(dòng)心軌高速道岔時(shí)，影響車(chē)體平穩(wěn)性的因素主要是車(chē)體橫向振動(dòng)，且車(chē)體橫向最大振動(dòng)位于導(dǎo)曲線部分，主要原因是導(dǎo)曲線未設(shè)超高與緩和曲線?？傮w來(lái)看，車(chē)體垂向加速度未超出限值，車(chē)體橫向加速度在連接部分和轍叉區(qū)超出經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)值，但在舒適度指標(biāo)范圍以?xún)?nèi)。

車(chē)輛直逆向通過(guò)道岔時(shí)，車(chē)體橫向加速度在心軌處較大，車(chē)體最大橫向加速度為0.58 m/s2。車(chē)體垂向加速度在心軌處波動(dòng)劇烈，最大垂向加速度為0.1 m/s2。綜合來(lái)看，車(chē)輛直向高速通過(guò)可動(dòng)心軌式道岔時(shí)，軌道固有不平順會(huì)引起車(chē)輛產(chǎn)生振動(dòng)，但車(chē)體加速度值可很好地滿足舒適性要求。

高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輛系統(tǒng)由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)等構(gòu)成，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)道岔區(qū)時(shí)，車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)，為直觀表現(xiàn)車(chē)輛不同構(gòu)件的振動(dòng)情況，對(duì)車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的振動(dòng)加速度進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

由圖5可知：當(dāng)列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)，車(chē)輛系統(tǒng)各部分的振動(dòng)加速度情況不同，由于道岔區(qū)固有的軌道不平順作用，車(chē)輪與鋼軌產(chǎn)生多點(diǎn)接觸，接觸狀態(tài)復(fù)雜，輪軌系統(tǒng)振動(dòng)劇烈，反映在輪對(duì)上會(huì)產(chǎn)生較大的橫向加速度和垂向加速度；由于車(chē)輪與轉(zhuǎn)向架之間采用軸箱懸掛裝置，可有效衰減下部傳來(lái)的振動(dòng)，因此轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加速度較輪對(duì)振動(dòng)加速度?。晦D(zhuǎn)向架與車(chē)體之間存在中央懸掛裝置，中央懸掛裝置采用了空氣彈簧，并安裝了二系橫向、二系垂向和抗蛇行減振器，可很大程度衰減下部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的振動(dòng)，滿足旅客舒適度的要求。

圖5 車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)加速度圖

3.3 安全性指標(biāo)

脫軌系數(shù)和輪重減載率變化曲線如圖6所示，最大值如表5所示。

圖6 安全性指標(biāo)圖

表5 行車(chē)安全性比較表

由圖6可知：當(dāng)車(chē)輛側(cè)逆向通過(guò)轉(zhuǎn)轍器區(qū)時(shí)，車(chē)輪的脫軌系數(shù)最大為0.59，這是由輪對(duì)與尖軌之間的接觸沖擊引起的；車(chē)輪輪載由基本軌過(guò)渡到尖軌時(shí)，輪軌系統(tǒng)多點(diǎn)接觸，故輪重減載率在轉(zhuǎn)轍器區(qū)產(chǎn)生峰值，為0.21；當(dāng)車(chē)輛通過(guò)導(dǎo)曲線時(shí)，橫向力較大，脫軌系數(shù)也較大，最大脫軌系數(shù)為0.13，最大輪重減載率為0.17；在轍叉區(qū)，輪軌接觸沖擊和輪載的轉(zhuǎn)移過(guò)渡引起安全性指標(biāo)增大，最大脫軌系數(shù)為0.23，最大輪重減載率為0.18，脫軌系數(shù)和輪重減載率均處于安全范圍以?xún)?nèi)。車(chē)輛直逆向通過(guò)道岔時(shí)，在尖軌處和心軌處，安全性指標(biāo)較大，最大脫軌系數(shù)為0.33，最大輪重減載率為0.16，遠(yuǎn)小于安全限值。說(shuō)明正常情況下，高速動(dòng)車(chē)組通過(guò)18號(hào)道岔是安全的。

4 高速鐵路道岔關(guān)鍵技術(shù)分析

高速鐵路實(shí)行天窗維修制度，夜間天窗僅有240 min，維修時(shí)間較普速鐵路短，需要高速道岔保持良好的性能，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。因此亟需開(kāi)展高速道岔養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)的研究，并結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)道岔設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)。高速道岔設(shè)計(jì)結(jié)合動(dòng)力學(xué)考慮的問(wèn)題主要有三個(gè)方面：(1)高速道岔不平順控制；(2)高速道岔輪軌關(guān)系維護(hù)；(3)高速道岔軌道剛度狀態(tài)[7-11]。

4.1 高速道岔不平順控制

高速鐵路道岔不平順包括固有結(jié)構(gòu)不平順和線路隨機(jī)不平順，動(dòng)車(chē)組車(chē)體的自振頻率在1～1.5 Hz范圍內(nèi)，列車(chē)高速運(yùn)行可能會(huì)引起車(chē)體的諧振，降低運(yùn)行平穩(wěn)性，運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明：波長(zhǎng)80～100 m的長(zhǎng)波不平順對(duì)列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性影響較大，是道岔產(chǎn)生晃車(chē)的主要原因；而短波不平順(如焊縫凹凸、軌面擦傷、掉塊、波形磨耗等)會(huì)加劇輪軌沖擊，甚至導(dǎo)致脫軌。在日常養(yǎng)護(hù)維修中，可對(duì)各種道岔區(qū)軌道不平順條件下車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比，得出不利于行車(chē)平穩(wěn)性的不平順類(lèi)型和波長(zhǎng)幅值等，為控制道岔區(qū)軌道不平順，制定養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

4.2 高速道岔輪軌關(guān)系維護(hù)

道岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài)復(fù)雜，可能產(chǎn)生一點(diǎn)接觸、兩點(diǎn)接觸、三點(diǎn)接觸等多種接觸類(lèi)型，尖軌與基本軌的相對(duì)高差會(huì)影響車(chē)輪輪載過(guò)渡的范圍。當(dāng)尖軌受力較晚時(shí)，左右車(chē)輪的輪徑差會(huì)使車(chē)輛向一側(cè)偏移，鋼軌受到較大的橫向力，產(chǎn)生晃車(chē)現(xiàn)象，而尖軌受力較早，可能會(huì)壓傷尖軌頂面。通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論，優(yōu)化尖軌與基本軌之間、心軌與翼軌之間的降低值，改善輪軌接觸狀態(tài)，有效控制晃車(chē)現(xiàn)象，提升乘坐舒適性[12]。

道岔區(qū)的鋼軌廓形也會(huì)影響輪軌相互作用，列車(chē)的長(zhǎng)期碾壓和道岔區(qū)復(fù)雜的輪軌接觸狀態(tài)可能會(huì)使鋼軌產(chǎn)生疲勞裂紋和塑性變形，最終在道岔尖軌、曲上股、心軌部位出現(xiàn)魚(yú)鱗紋和肥邊，并伴有光帶不良，導(dǎo)曲部分還可能會(huì)產(chǎn)生不均勻磨耗。這些病害都會(huì)改變鋼軌原有的廓形，導(dǎo)致輪軌關(guān)系發(fā)生變化，發(fā)生晃車(chē)，可利用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，分析道岔區(qū)鋼軌廓形改變對(duì)行車(chē)產(chǎn)生的影響，優(yōu)化鋼軌廓形，指導(dǎo)鋼軌廓形的打磨，改善輪軌接觸狀態(tài)[13]。

4.3 高速道岔軌道剛度狀態(tài)

道岔區(qū)無(wú)砟軌道的垂向剛度主要由扣件提供，有砟軌道的垂向剛度主要由碎石道床提供，運(yùn)營(yíng)實(shí)踐和動(dòng)力學(xué)分析表明：軌道剛度越大，輪軌作用越劇烈，晃車(chē)現(xiàn)象和道岔部件的傷損越嚴(yán)重。因此以車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，分析軌道剛度變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，得出道岔區(qū)的合理剛度范圍[14-15]，對(duì)道岔設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)維修將具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論與建議

本文以18號(hào)道岔(客專(zhuān)(07)009)為研究對(duì)象，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立高速動(dòng)車(chē)組模型和18號(hào)道岔模型，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，研究列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的輪軌力、舒適性和安全性指標(biāo)，分析表明各項(xiàng)指標(biāo)均在舒適度限值以?xún)?nèi)，滿足安全性要求。最后對(duì)高速道岔設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)維修中需要結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真考慮的不平順問(wèn)題、輪軌關(guān)系問(wèn)題、軌道剛度問(wèn)題進(jìn)行分析，提出以下建議：(1)在日常養(yǎng)護(hù)維修中，可對(duì)各種道岔區(qū)軌道不平順條件下車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比，得到不利于行車(chē)平穩(wěn)性的不平順類(lèi)型和波長(zhǎng)幅值并進(jìn)行控制；(2)利用動(dòng)力學(xué)理論，分析優(yōu)化降低值和鋼軌廓形等，改善輪軌接觸狀態(tài)，有效控制晃車(chē)現(xiàn)象，提升旅客乘坐舒適性；(3)利用動(dòng)力學(xué)理論，分析得到道岔區(qū)的合理剛度，控制道岔區(qū)病害的產(chǎn)生。