曹慶川 王建西，3 郭慶 王曉曼

1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室， 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室， 石家莊 050043；3.河北省鐵路扣件系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新中心， 石家莊 050043

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，我國同周邊國家的交流與商貿(mào)互通越來越密切。由于不同國家使用的鐵路軌道軌距不盡相同，給鐵路運輸帶來了很多不便。為滿足兩種不同軌距的車輛通過道岔，可將兩組不同軌距的同向單開道岔套合在一起，構(gòu)成套軌鐵路道岔，解決軌距不同的問題。使用套軌鐵路道岔能夠解決不同國家不同軌距列車的開行問題，使得列車在口岸站以遠的線路上能正常行駛，對貨物列車不再進行換裝作業(yè)和換輪作業(yè)，減少貨車在口岸站的停留時間。

與普通鐵路道岔相比，套軌鐵路道岔兼具兩種不同軌距的軌道。由于套軌鐵路道岔為非對稱結(jié)構(gòu)，會造成軌道剛度不均勻，使車輛過岔的影響因素更加復(fù)雜；套軌鐵路道岔尖軌尖端處的結(jié)構(gòu)不平順及跟端結(jié)構(gòu)會影響列車的振動加速度；固定轍叉尖端處的結(jié)構(gòu)不平順及其跟端結(jié)構(gòu)會影響橫向及豎向穩(wěn)定性；道岔部件強度、鋼軌接頭等均會對運行安全性與舒適性有嚴(yán)重影響。因此，研究套軌鐵路道岔的動力學(xué)特性具有重要意義。

相關(guān)學(xué)者對車輛-道岔系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行了研究。任尊松等［1］通過自編程序研究了岔心區(qū)心軌關(guān)鍵截面軌頂高度降低值對高速道岔系統(tǒng)動力特性的影響。司道林等［2］分析了高速列車通過道岔區(qū)時輪軌相互作用特點，得出道岔區(qū)多點接觸、滾動圓半徑改變等復(fù)雜的輪軌接觸關(guān)系。陳浩等［3］以18號可動心軌道岔為研究對象，運用多體動力學(xué)軟件UM分析了列車通過道岔時的輪軌力、舒適性指標(biāo)和安全性指標(biāo)。李偉等［4］建立了12號道岔的模型，仿真分析車輛過岔時的動力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)鋼軌廓形打磨能夠有效改善道岔區(qū)的動力學(xué)性能。Xin等［5］建立車輛-道岔耦合動力學(xué)模型，仿真分析車輛過岔時的動態(tài)響應(yīng)。張利等［6］以貨車過岔為例，建立車輛-道岔-有砟道床剛?cè)狁詈夏Ｐ停l(fā)現(xiàn)貨車引起的環(huán)境振動大于客車，道岔區(qū)道床的環(huán)境振動大于正線區(qū)道床；環(huán)境振動隨傳播距離增加呈衰減趨勢；在振動傳播過程中不同衰減斷面的環(huán)境振動主頻率為31.5或40.0 Hz。周俊召等［7］基于多體動力學(xué)研究了不同曲線線形與超高條件下列車過岔動力學(xué)響應(yīng)。楊逸航等［8］研究了高速鐵路道岔受限區(qū)鋼軌打磨對列車動力學(xué)性能的影響。

關(guān)于套軌鐵路道岔動力學(xué)特性的研究較少，且鮮有學(xué)者對列車不同速度下套軌鐵路道岔的動力學(xué)響應(yīng)進行研究。因此，本文以標(biāo)準(zhǔn)軌普通單開道岔為參考，結(jié)合石太鐵路現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，設(shè)計一種1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔。由于側(cè)向行駛時寬軌距鐵路擁有更好的穩(wěn)定性，因此采用標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路轉(zhuǎn)向、米軌鐵路直行的套軌鐵路道岔方案。通過建立道岔區(qū)輪軌系統(tǒng)空間耦合振動模型，采用道岔動力學(xué)理論分析標(biāo)準(zhǔn)軌距貨車側(cè)向過岔及米軌貨車直向過岔時的各項動力學(xué)響應(yīng)，分析貨車以不同速度通過道岔時的動力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律，確定貨車能夠安全通過套軌鐵路道岔的安全限值。

1 車輛-道岔耦合動力學(xué)模型

1.1 車輛模型

建模時，米軌貨車按照中國出口馬來西亞的類型考慮，標(biāo)準(zhǔn)軌距貨車參照我國鐵路目前正在使用的主型貨車，車輛參數(shù)參見文獻［9］。建立整車模型，車體、轉(zhuǎn)向架及輪對主要考慮橫擺、浮沉、側(cè)滾、點頭和搖頭振動，共50個自由度。

中國出口馬來西亞的米軌貨車為SDD12型內(nèi)燃車，最大運營速度100 km/h，考慮到車輛運行安全，取持續(xù)運營速度90 km/h。標(biāo)準(zhǔn)軌距貨車采用C80型貨車，設(shè)計要求側(cè)向過岔速度達到50 km/h。直向過岔速度主要受轍叉有害空間的制約。如60 km/h鋼軌、AT彈性可彎尖軌和高錳鋼整鑄轍叉的12號道岔，因存在有害空間，允許直向過岔速度為120 km/h。側(cè)向過岔速度主要受側(cè)向?qū)€半徑大小的制約，半徑愈大，允許通過速度愈大。如12號提速道岔的導(dǎo)曲線半徑為350 m，允許側(cè)向過岔速度為50 km/h。道岔號碼越大，過岔速度越大。因此，直向過岔速度取90 km/h，側(cè)向過岔速度取50 km/h。根據(jù)所選車輛，貨車通過軌距1 000 mm道岔時，車輛軸重取10 t；通過軌距1 435 mm道岔時，車輛軸重取25 t。

1.2 套軌鐵路道岔模型

建立套軌鐵路道岔仿真模型，主要是建立道岔的線形和變截面軌道模型。道岔線形參數(shù)主要包括道岔的導(dǎo)曲線半徑、前長、后長、全長等。由于道岔區(qū)鋼軌是變截面鋼軌，建立套軌鐵路道岔三維模型，并生成關(guān)鍵截面進行線性插值處理，得到道岔全部變截面特征。1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔平面見圖1。區(qū)間軌道的橫截面沒有變化，而道岔區(qū)軌道需要考慮單側(cè)鋼軌的變截面特性，將軌道看作變截面梁［10］。道岔全長為29.49 m。轍叉選用60 kg/m固定式轍叉，采用半切線型導(dǎo)曲線，半徑為350 m。尖軌為半切線曲線尖軌，尖軌尖端為藏尖式，曲線尖軌長7.402 m，曲線尖軌最小輪緣槽寬度為62.33 mm。道岔區(qū)存在幾何不平順，采用美國五級軌道譜。

圖1 1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔平面（單位：mm）

與普通鐵路道岔相比，本文設(shè)計的套軌鐵路道岔主要結(jié)構(gòu)特點如下：①道岔結(jié)構(gòu)構(gòu)造上不再使用直線尖軌、整鑄式直線轍叉的組合形式；②僅在側(cè)股的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路線路的右股上存在一根尖軌，在左股上沒有直線尖軌；③尖軌長7.402 m，大于標(biāo)準(zhǔn)軌12號普通單開道岔尖軌長度；④轍叉角為4°49'45″，與12號道岔相同。

1.3 動力學(xué)評價指標(biāo)

根據(jù)重載鐵路道岔的試驗和運營經(jīng)驗，選取的車輛-道岔動力學(xué)性能評價指標(biāo)見表1。

表1 動力學(xué)性能評價指標(biāo)

2 動力學(xué)仿真分析

對貨車以50 km/h側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔和90 km/h直向通過米軌鐵路道岔的動力學(xué)響應(yīng)進行分析。其中，100 ~ 105 m為轉(zhuǎn)轍器區(qū)，105 ~ 124 m為連接部分，124 ~ 128 m為轍叉區(qū)。為使套軌鐵路道岔分離，減小過岔難度，分析貨車側(cè)向過岔工況時只考慮通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔模型，分析貨車直向過岔工況時只考慮通過米軌鐵路道岔模型。貨車側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔和直向通過米軌鐵路道岔時的脫軌系數(shù)、輪重減載率分別見圖2、圖3。

圖2 貨車側(cè)向過岔時的安全性指標(biāo)

圖3 貨車直向過岔時的安全性指標(biāo)

由圖2可知：貨車側(cè)向通過轉(zhuǎn)轍器區(qū)時，車輪的脫軌系數(shù)最大為0.13，這是由輪對與尖軌之間的接觸沖擊引起的；車輪輪載由基本軌過渡到尖軌時，輪軌系統(tǒng)存在多點接觸，故輪重減載率在轉(zhuǎn)轍器區(qū)產(chǎn)生峰值，為0.11；貨車通過導(dǎo)曲線時，最大脫軌系數(shù)為0.15，最大輪重減載率為0.18；在轍叉區(qū)，輪軌接觸沖擊和輪載的轉(zhuǎn)移過渡引起安全性指標(biāo)增大，最大脫軌系數(shù)為0.36，最大輪重減載率為1.00，脫軌系數(shù)處于安全范圍以內(nèi)，輪重減載率超過安全限值，這是因為在經(jīng)過轍叉時，車輪在有害空間出現(xiàn)了短暫懸空狀態(tài)［2］。貨車側(cè)向過岔時，脫軌系數(shù)在0.08 ~ 0.32，輪重減載率在0.06 ~ 0.62（不考慮瞬間懸空狀態(tài)），與相同轉(zhuǎn)轍角實測客貨共線12號道岔數(shù)據(jù)相比［4］，貨車在側(cè)向通過套軌鐵路道岔的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路區(qū)段時安全性更高。

由圖3可知：貨車直向過岔時，在轍叉處安全性指標(biāo)較大，最大脫軌系數(shù)為0.25，最大輪重減載率為1.0，輪重減載率在瞬間超過了安全限值，這是因為在經(jīng)過轍叉時車輪在有害空間出現(xiàn)了短暫懸空狀態(tài)。貨車直向過岔時，脫軌系數(shù)在0.04 ~ 0.25，輪重減載率在0.06 ~ 0.46（不考慮瞬間懸空狀態(tài)），與相同轉(zhuǎn)轍角實測12號道岔數(shù)據(jù)相比［4］，貨車在直向通過套軌鐵路道岔的米軌鐵路區(qū)段時安全性更高。

對于1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔，貨車側(cè)向過岔與直向過岔時動力學(xué)響應(yīng)最大值見表2。

表2 貨車側(cè)向過岔與直向過岔時動力學(xué)響應(yīng)最大值

由表2可知：①貨車以50 km/h側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔時，其輪軌橫向力與輪軌垂向力最大值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，輪軌橫向力最大值為75.42 kN，輪軌垂向力最大值為386.74 kN；車體橫向加速度最大值出現(xiàn)在連接部分，車體垂向加速度最大值出現(xiàn)在轍叉區(qū)，車體橫向加速度最大值為0.76 m/s2，車體垂向加速度最大值為0.43 m/s2。②貨車以90 km/h直向通過米軌鐵路道岔時，車體橫向加速度最大值出現(xiàn)在連接部分，其輪軌橫向力、輪軌垂向力、車體垂向加速度最大值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)。輪軌橫向、垂向力最大值分別為71.25、102.32 kN，車體橫向、垂向加速度最大值分別為0.73、0.71 m/s2。

與文獻［10］進行對比發(fā)現(xiàn)，本文仿真結(jié)果在波形和峰值上都較為接近，驗證了所建立模型的準(zhǔn)確性。

3 過岔速度

對貨車以不同速度通過1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔的動力學(xué)特性進行分析。貨車側(cè)向過岔工況下，分別提取速度30 ~ 70 km/h時道岔的轉(zhuǎn)轍器區(qū)、連接部分、轍叉區(qū)動力學(xué)指標(biāo)的最大值；貨車直向過岔工況下，分別提取速度70 ~ 100 km/h時道岔的轉(zhuǎn)轍器區(qū)、連接部分、轍叉區(qū)動力學(xué)指標(biāo)最大值。由于在以50 km/h側(cè)向過岔和以90 km/h直向過岔時輪軌力與脫軌系數(shù)的最大值均出現(xiàn)在右輪，因此研究時取不同速度下第一輪對右側(cè)車輪動力學(xué)響應(yīng)進行分析。

3.1 過岔速度對輪軌作用力的影響

貨車以不同速度過岔時，轉(zhuǎn)轍器區(qū)、連接部分、轍叉區(qū)輪軌力變化曲線見圖4、圖5。

圖4 不同速度下貨車側(cè)向過岔時的輪軌力變化曲線

圖5 不同速度下貨車直向過岔時的輪軌力變化曲線

由圖4可知：

1）貨車側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔時，輪軌橫向力和垂向力的最大值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)；隨著運行速度提高，輪軌橫向力有降低趨勢。這是因為速度較低時，其振動頻率也相對較低，可能會與懸掛固有頻率耦合，貨車和輪對發(fā)生耦合振動，進而導(dǎo)致輪軌橫向力偏大。隨著速度增大，輪對的運動頻率會逐漸高于貨車懸掛系統(tǒng)的固有頻率，耦合程度降低，導(dǎo)致輪對穩(wěn)定性增強［11］。

2）貨車速度小于50 km/h時，轍叉區(qū)輪軌垂向力隨著速度增加而增大，速度超過50 km/h后呈波動狀態(tài)。這是因為在側(cè)向通過套軌鐵路道岔轍叉區(qū)時，右輪輪背與護軌產(chǎn)生沖擊，誘發(fā)了輪對的振蕩。當(dāng)車體垂向一階彎曲頻率與車體點頭振動空響應(yīng)點頻率接近時，會發(fā)生車體的垂向彈性共振。隨著運行速度的提高，彈性車體垂向會出現(xiàn)波動［12］。同時，由于貨車載重較大，在經(jīng)過轍叉咽喉時，貨車前后輪對依次出現(xiàn)瞬間懸空狀態(tài)，隨著速度增大，輪對點頭運動出現(xiàn)波動變化，導(dǎo)致輪軌垂向力波動。速度為50 km/h時，輪軌橫向、垂向力均最大，分別為75.42、386.74 kN，但均在安全限值以內(nèi)。

由圖5可知：貨車以不同速度通過米軌鐵路道岔，速度小于90 km/h時，輪軌橫向力和輪軌垂向力的最大值出現(xiàn)在連接部分；當(dāng)過岔速度超過90 km/h后，輪軌橫向力和輪軌垂向力的最大值出現(xiàn)在轍叉區(qū)。這是因為在轍叉區(qū)鋼軌截面廓形發(fā)生變化，存在固有不平順，且由于固定式轍叉存在有害空間與叉心，貨車在以較高速度通過時會產(chǎn)生較大的輪軌沖擊。輪軌橫向力和輪軌垂向力均在安全限值以內(nèi)。因此，在貨車直向通過米軌鐵路道岔時，可以適當(dāng)增大過岔速度，但不能超過105 km/h。

3.2 過岔速度對貨車系統(tǒng)振動特性的影響

貨車以不同速度過岔時，轉(zhuǎn)轍器區(qū)、連接部分、轍叉區(qū)車體振動加速度變化曲線見圖6、圖7。

圖6 不同速度下貨車側(cè)向過岔時車體振動加速度變化曲線

圖7 不同速度下貨車直向過岔時車體振動加速度變化曲線

由圖6可知：貨車以不同速度側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔時，車體橫向、垂向加速度在道岔的轉(zhuǎn)轍器區(qū)、連接部分、轍叉區(qū)均呈逐漸增大的趨勢，最大值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)。速度達到65 km/h時，車體橫向加速度為1.69 m/s2，超過了安全限值。

由圖7可知：貨車以不同速度直向通過米軌鐵路道岔時，車體橫向、垂向加速度的最大值均出現(xiàn)在連接部分，且隨著貨車速度增加而呈現(xiàn)波動增大。這是由于貨車在經(jīng)過曲線區(qū)段時，輪軌接觸狀態(tài)為多點接觸，輪軌接觸復(fù)雜多變。直向通過速度達到105 km/h時，車體橫向、垂向加速度分別為1.62、2.14 m/s2，超過了安全限值。

3.3 過岔速度對安全性指標(biāo)的影響

貨車以不同速度過岔時，轉(zhuǎn)轍器區(qū)、連接部分、轍叉區(qū)脫軌系數(shù)和輪重減載率變化曲線見圖8、圖9。

圖8 不同速度下貨車側(cè)向過岔時安全性指標(biāo)變化曲線

圖9 不同速度下貨車直向過岔時安全性指標(biāo)變化曲線

由圖8可知：貨車側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔時，脫軌系數(shù)與輪重減載率均呈現(xiàn)波動狀態(tài)，但波動幅度不大。脫軌系數(shù)受過岔速度的影響相對較小。安全性指標(biāo)的最大值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，其中，脫軌系數(shù)最大值為0.37，未超過安全限值；輪重減載率最大值均為1.00。這是由于轍叉區(qū)存在有害空間，車輪在經(jīng)過有害空間時處于瞬間懸空狀態(tài)，導(dǎo)致輪重減載率偏大。

由圖9可知：貨車直向通過米軌鐵路道岔時，脫軌系數(shù)最大值出現(xiàn)在軌道連接部分，且隨著速度增大而增大；輪重減載率在轉(zhuǎn)轍器區(qū)、連接部分、轍叉區(qū)均呈增大趨勢，且最大值出現(xiàn)在轍叉區(qū)。速度為110 km/h時，脫軌系數(shù)為1.12，超過了安全限值。因此，貨車直向通過速度應(yīng)小于110 km/h。

綜上，貨車側(cè)向過岔時，速度不應(yīng)超過65 km/h；貨車直向過岔時，可以適當(dāng)提高過岔速度，但不應(yīng)超過105 km/h。

4 結(jié)論

1）貨車側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔時，輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體垂向加速度最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)轍區(qū)，車體橫向加速度最大值出現(xiàn)在連接部分；貨車直向通過米軌鐵路道岔時，各項安全評價指標(biāo)的最大值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)。

2）過岔速度會對貨車通過套軌鐵路道岔的動力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生影響。貨車在以不同速度側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔和直向通過米軌鐵路道岔時，其輪軌力、振動加速度、脫軌系數(shù)及輪重減載率并非隨著速度增大而單調(diào)遞增，而是呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

3）貨車側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔，行車速度在45 ~ 70 km/h時，輪軌力、脫軌系數(shù)會存在較大波動；貨車直向通過米軌鐵路道岔時，速度超過95 km/h后動力學(xué)響應(yīng)明顯增大。

4）為使貨車能夠在滿足安全限值的條件下側(cè)向通過標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔、直向通過米軌鐵路道岔，側(cè)向過岔速度不應(yīng)高于65 km/h，直向過岔速度不應(yīng)高于105 km/h。

5）在轍叉區(qū)存在有害空間，貨車經(jīng)過轍叉區(qū)的變截面軌道時會出現(xiàn)瞬間懸空狀態(tài)。