王樹國(guó)，葛 晶，孫家林，王 猛

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

高速鐵路道岔平面設(shè)計(jì)參數(shù)與側(cè)線線型的研究

王樹國(guó)，葛 晶，孫家林，王 猛

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

根據(jù)我國(guó)道岔設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出高速鐵路道岔平面設(shè)計(jì)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)選定的平面設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)了18號(hào)和42號(hào)道岔側(cè)線線型。使用NUCARS建立了車輛—道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型，利用該模型計(jì)算了動(dòng)車組側(cè)向通過道岔的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：高速鐵路平面設(shè)計(jì)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及18號(hào)道岔和42號(hào)道岔的線型是合理的。

高速鐵路道岔 平面設(shè)計(jì)參數(shù) 側(cè)線線型 動(dòng)力學(xué)模型

1996年我國(guó)設(shè)計(jì)研發(fā)了18號(hào)和30號(hào)道岔，但均采用單圓曲線線型。秦沈客運(yùn)專線38號(hào)道岔側(cè)線采用圓曲線+緩和曲線線型，導(dǎo)曲線半徑為3 300 m，是我國(guó)首次設(shè)計(jì)、制造和批量使用側(cè)線采用緩和曲線的道岔［1-2］。18號(hào)和42號(hào)道岔直向通過速度為300 km/h，其中18號(hào)道岔采用單圓線線型，42號(hào)道岔采用圓曲線+緩和曲線線型［3-5］。為保證道岔高平順性和旅客乘坐舒適性，確定了我國(guó)高速鐵路道岔的平面設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)了側(cè)線線型，并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行了理論驗(yàn)證。

1 平面設(shè)計(jì)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 平面設(shè)計(jì)參數(shù)［6］

根據(jù)我國(guó)道岔設(shè)計(jì)、實(shí)車試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，選定高速鐵路道岔的平面設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1)未被平衡的離心加速度α≤0.5 m/s2(欠超高75 mm)。

2)未被平衡的離心加速度時(shí)變率ψ≤0.4 m/s3(欠超高時(shí)變率60 mm/s)，圓曲線尖軌尖端除外。

3)18號(hào)道岔與岔后附帶曲線間的夾直線長(zhǎng)度及用于渡線的2組18號(hào)道岔間的夾直線長(zhǎng)度不應(yīng)小于20 m。渡線道岔的兩支反向緩和曲線起點(diǎn)間可直接連接或插入任意長(zhǎng)度的直線段。

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

根據(jù)道岔實(shí)車試驗(yàn)與運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選定車輛—道岔動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。其中，輪重減載率是指采用間斷式測(cè)力輪對(duì)測(cè)試并計(jì)算出的試驗(yàn)參數(shù)，采用連續(xù)式測(cè)力輪對(duì)測(cè)試的輪重減載率一般要求不大于0.65［7］。車體橫向和垂向加速度一般受列車側(cè)向過岔控制，要求分別不大于1.5 m/s2和2.0 m/s2，列車直向過岔量值較小，上述指標(biāo)一般不會(huì)超過1.0 m/s2和1.5 m/s2。另外，道岔本身的動(dòng)力響應(yīng)還應(yīng)包括道岔磨耗指數(shù)、輪軌接觸動(dòng)應(yīng)力等。

表1 車輛—道岔動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 車輛—道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型

2.1 車輛模型

采用多體動(dòng)力學(xué)的思想，使用NUCARS軟件對(duì)我國(guó)高速動(dòng)車組CRH2-300建模，把車輛離散成15個(gè)剛性體，最終建立了具有86個(gè)自由度的動(dòng)車組CRH2-300客車—軌道非線性耦合動(dòng)力學(xué)模型。這86個(gè)自由度分別為車體和前、后構(gòu)架以及8個(gè)軸箱的縱移、橫移、沉浮、側(cè)滾、點(diǎn)頭與搖頭共66個(gè)自由度;4個(gè)輪對(duì)的縱移、橫移、沉浮、側(cè)滾與搖頭共20個(gè)自由度。各個(gè)剛體之間使用NUCARS提供的連接單元進(jìn)行建模，共建立輪對(duì)與軸箱、構(gòu)架與軸箱、車體與構(gòu)架以及輪軌連接56對(duì)，并定義了這些連接的特性。

2.2 道岔模型

為了精確描述轉(zhuǎn)轍器和轍叉區(qū)鋼軌件的不同頂面輪廓形狀，將轉(zhuǎn)轍器離散為8～12個(gè)斷面，轍叉離散為4～8斷面，列出道岔各個(gè)斷面的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過NUCARS提供的CFIT/WRCON程序擬合，可以得到這些離散點(diǎn)上的道岔頂面輪廓形狀，離散點(diǎn)間的頂面輪廓形狀通過線性內(nèi)插法得到，從而保證了道岔區(qū)模型模擬的真實(shí)性。

道岔模型中采用的基本假定如下：

1)尖軌與基本軌密貼段，兩鋼軌共同承受著列車荷載，假定兩者位移相同，將該處兩鋼軌視為1股。該鋼軌視為彈性地基支承基礎(chǔ)上的變截面歐拉梁，道岔區(qū)內(nèi)其它部分鋼軌視為彈性地基支承基礎(chǔ)上的等截面歐拉梁。

2)列車直向過岔時(shí)，不考慮曲尖軌的參振;列車側(cè)向過岔時(shí)，不考慮直尖軌的參振。

2.3 輪軌接觸模型

由于道岔區(qū)鋼軌斷面變化復(fù)雜，可能發(fā)生多種輪軌接觸方式。充分考慮輪軌接觸的變化特點(diǎn)是仿真模擬的關(guān)鍵。仿真計(jì)算采用NUCARS提供的輪軌滲入接觸模型，只需要輸入輪軌廓型，接觸關(guān)系實(shí)時(shí)計(jì)算，可以準(zhǔn)確地模擬岔區(qū)復(fù)雜的輪軌多點(diǎn)接觸。

3 18號(hào)道岔側(cè)線線型與夾直線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)及其仿真計(jì)算

3.1 18號(hào)道岔側(cè)線線型設(shè)計(jì)及其仿真計(jì)算

18號(hào)道岔主要平面參數(shù)見表2。

表2 18號(hào)道岔主要平面尺寸

利用建立的動(dòng)車組—道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)高速鐵路18號(hào)道岔的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)動(dòng)車組CRH2-300以80 km/h側(cè)逆向通過18號(hào)道岔時(shí)，車體橫向加速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線如圖1～圖4所示。

從車輛運(yùn)行舒適性來看，車體垂、橫向振動(dòng)加速度最大值分別為0.38 m/s2和0.62 m/s2，＜1.0 m/s2的限值要求;從車輛運(yùn)行安全性來看，脫軌系數(shù)、輪重減載率最大值分別為0.18和0.22，均＜0.8的限值要求。

3.2 18號(hào)道岔夾直線長(zhǎng)度及其仿真計(jì)算

圖1 車體橫向加速度時(shí)程曲線

圖2 脫軌系數(shù)時(shí)程曲線

圖3 輪重減載率時(shí)程曲線

圖4 輪軸橫向力時(shí)程曲線

18號(hào)道岔用于線間距分別為4.6，4.8和5.0 m的單渡線時(shí)，對(duì)應(yīng)夾直線長(zhǎng)度分別為 21.9，25.5，29.1 m，當(dāng)CRH2以80 km/h側(cè)向通過不同線間距的單渡線時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)比較如圖5～圖7所示。

圖5 車體橫向加速度時(shí)程曲線

圖6 脫軌系數(shù)時(shí)程曲線

圖7 減載率時(shí)程曲線

由計(jì)算結(jié)果可見，動(dòng)車組側(cè)向通過線間距分別為4.6 m和4.8 m的渡線時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)幾乎無差異。線間距為5.0 m時(shí)，夾直線區(qū)段動(dòng)力學(xué)指標(biāo)明顯優(yōu)于線間距為4.6 m和4.8 m的渡線，但三種線間距時(shí)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)量值仍小于相關(guān)評(píng)判指標(biāo)。說明18號(hào)道岔可用于三種線間距的單渡線，且規(guī)定夾直線長(zhǎng)度＞20 m是合理的。

4 42號(hào)道岔側(cè)線線型與夾直線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)及其仿真計(jì)算

4.1 42號(hào)道岔側(cè)線線型設(shè)計(jì)及其仿真計(jì)算

42號(hào)道岔主要平面參數(shù)見表3。

表3 42號(hào)道岔主要平面尺寸

利用建立的動(dòng)車組—道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)高速鐵路42號(hào)道岔的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)動(dòng)車組CRH2-300以160 km/h側(cè)逆向通過42號(hào)道岔時(shí)，車體橫向加速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線如圖8～圖11所示。

從車輛運(yùn)行舒適性來看，車體垂向、橫向振動(dòng)加速度最大值分別為0.25，0.57 m/s2，＜1.0 m/s2的限值要求;從車輛運(yùn)行安全性來看，脫軌系數(shù)、輪重減載率最大值分別為0.10，0.23，均＜0.8的限值要求。

圖8 車體橫向加速度時(shí)程曲線

圖9 脫軌系數(shù)時(shí)程曲線

圖10 輪重減載率時(shí)程曲線

圖11 輪軸橫向力時(shí)程曲線

4.2 42號(hào)道岔夾直線長(zhǎng)度及其仿真計(jì)算

42號(hào)道岔用于線間距分別為4.6，4.8，5.0 m的單渡線時(shí)，對(duì)應(yīng)夾直線長(zhǎng)度分別為0，8.8，17.6 m，當(dāng)CRH2以160 km/h側(cè)向通過不同線間距的渡線時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)比較如圖12～圖14所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)線間距改變時(shí)，不同長(zhǎng)度的夾直線對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)幾乎沒有影響，說明42號(hào)道岔用于單渡線時(shí)，兩支反向緩和曲線起點(diǎn)間可直接連接或插入任意長(zhǎng)度直線段。

圖12 車體橫向加速度時(shí)程曲線

圖13 脫軌系數(shù)時(shí)程曲線

圖14 減載率時(shí)程曲線

5 結(jié)論與建議

1)當(dāng)動(dòng)車組以80 km/h和160 km/h側(cè)逆向分別通過18號(hào)和42號(hào)道岔，道岔動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的理論計(jì)算值小于相應(yīng)限值，表明高速鐵路平面設(shè)計(jì)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及18號(hào)和42號(hào)道岔的線型設(shè)計(jì)是正確、合理的。

2)動(dòng)車組側(cè)向通過線間距分別為4.6，4.8和5.0 m的18號(hào)道岔組成的單渡線時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)小于相應(yīng)限值。說明18號(hào)道岔可用于三種線間距的單渡線，且要求夾直線長(zhǎng)度＞20 m是合理的。

3)42號(hào)道岔用于線間距分別為4.6，4.8和5.0 m的單渡線時(shí)，不同長(zhǎng)度的夾直線對(duì)其各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)幾乎沒有影響，說明42號(hào)道岔用于單渡線時(shí)，兩支反向緩和曲線起點(diǎn)間可以直接連接或插入任意長(zhǎng)度的直線段。

［1］史玉杰.秦沈客運(yùn)專線道岔平面設(shè)計(jì)參數(shù)的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2001，23(4)：94-97.

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［6］王樹國(guó)，肖俊恒，顧培雄.客運(yùn)專線道岔平面線型的研究［R］.北京：鐵道科學(xué)研究院，2006.

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U213.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.01.26

1003-1995(2014)01-0091-04

2013-10-05;

2013-11-25

王樹國(guó)(1974— )，男，山東冠縣人，副研究員，博士。

(責(zé)任審編 王 紅)