陳 浩 蘆道林

(中國鐵路西安局集團有限公司，西安 710000)

高速鐵路道岔具有設計標準高、列車通過速度快、養(yǎng)護維修時間短等特點，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，目前已投入運營的高速鐵路道岔分為客專線、CN和CZ三種系列，形成了我國獨有的高速鐵路道岔技術體系[1-4]。

本文以客運專線18號道岔為研究對象，對該道岔進行動力學仿真分析，研究高速列車通過道岔時的動力學規(guī)律，探討高速道岔設計關鍵技術，旨在為高速道岔的后續(xù)優(yōu)化設計和養(yǎng)護維修提供參考。

1 仿真參數(shù)與動力學評價指標

1.1 道岔結構參數(shù)

本文采用60 kg/m鋼軌18號可動心軌道岔(客專(07)009)，道岔全長69 m，導曲線半徑 1 100 m，道岔線形如圖1所示。道岔直向容許通過速度350 km/h，側(cè)向容許通過速度80 km/h，道岔軌距均為 1 435 mm。道岔主要結構特點如下：

圖1 18號道岔平面線形圖(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構。

(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)可動心軌轍叉曲股設置護軌，護軌采用33 kg/m槽型鋼，高出基本軌頂面12 mm，采用彈性夾扣壓基本軌的方式。

(5)道岔區(qū)鋼軌設置1∶40的軌底坡或軌頂坡。

1.2 動力學評價指標

根據(jù)高速鐵路道岔的試驗和運營經(jīng)驗，本文選取的車輛-道岔動力學性能評價指標如表1所示。

表1 車輛-道岔動力學性能評價指標

2 車輛-道岔耦合動力學模型

2.1 車輛模型

本文利用多體動力學軟件UM，建立了CRH2型高速動車組模型，建模過程中考慮如下假定：(1)將車體、轉(zhuǎn)向架、輪對等視為剛體，忽略其彈性變形；(2)不考慮車輛部件縱向動力響應對車輛運動的影響；輪軌之間采用赫茲非線性接觸理論。該動車組模型為兩系懸掛，其中一系懸掛采用了彈性定位，且不存在間隙，通過調(diào)整參數(shù)設置各方向的剛度；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運行的平穩(wěn)性和舒適性，且懸掛裝置配置有液壓減震器，可較快地衰減列車振動。車輛模型建立的車體、轉(zhuǎn)向架、輪對及軸箱等剛體共包含50個自由度，自由度數(shù)目如表2所示，模型如圖2所示。

圖2 CRH2動車組模型圖

表2 車輛模型自由度數(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)包括道岔的導曲線半徑、前長、后長和全長等。由于道岔區(qū)鋼軌是變截面鋼軌，需要建立出關鍵斷面，然后對各個關鍵截面之間進行線性插值處理，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參與振動。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輪下的剛體，剛體有相對于橫向和垂向的自由度以及相對于縱向的轉(zhuǎn)動自由度，軌下基礎采用特殊力元來模擬。

最后依據(jù)車輛-道岔耦合動力學振動方程，將建立的道岔模型與車輛模型進行耦合求解[5]，生成車輛-道岔系統(tǒng)耦合動力學模型。利用該模型分析列車高速通過道岔時的輪軌動力響應，并與文獻[6]進行對比，因建模時采用的車輛和軌道參數(shù)不同，故僅針對結果的規(guī)律性進行比較。仿真結果表明：輪軌力、車輛振動加速度等指標數(shù)值相差不大，變化趨勢類似，建立的模型可用于車輛-道岔耦合動力學分析。

3 車輛通過道岔時的動力學響應

本節(jié)對250 km/h高速動車組以80 km/h側(cè)逆向通過道岔和以250 km/h直逆向通過道岔進行動力學分析。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：當車輛側(cè)向通過道岔時，車輪的輪緣在轉(zhuǎn)轍器區(qū)會貼靠尖軌，產(chǎn)生了較大的輪軌橫向力，最大橫向力達到34.3 kN。車輪輪載的轉(zhuǎn)移過渡引起輪軌垂向力發(fā)生變化，最大垂向力達61.6 kN。車輛進入導曲線后，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。在可動心軌部分，車輪輪載由翼軌轉(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。

車輛直逆向通過道岔時，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)時，右側(cè)車輪與尖軌撞擊產(chǎn)生較大的輪軌橫向力，最大橫向力為17 kN，車輪輪載的轉(zhuǎn)移過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。與車輛側(cè)逆向通過道岔比較，車輛直逆向通過道岔時，輪軌力都較小。

3.2 車輛系統(tǒng)振動特性

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

圖4 車體振動加速度變化曲線圖

表4 車體振動加速度最大值表

由圖4和表4可知：輪對受到振動沖擊后，振動向上傳遞至車體。車輛側(cè)逆向通過道岔時，轉(zhuǎn)轍器區(qū)車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。車體橫向加速度整體大于車體垂向加速度，這說明高速列車通過可動心軌高速道岔時，影響車體平穩(wěn)性的因素主要是車體橫向振動，且車體橫向最大振動位于導曲線部分，主要原因是導曲線未設超高與緩和曲線?？傮w來看，車體垂向加速度未超出限值，車體橫向加速度在連接部分和轍叉區(qū)超出經(jīng)常保養(yǎng)標準值，但在舒適度指標范圍以內(nèi)。

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

高速動車組車輛系統(tǒng)由車體、轉(zhuǎn)向架和輪對等構成，當車輛通過道岔區(qū)時，車體、轉(zhuǎn)向架和輪對都會產(chǎn)生不同程度的振動，為直觀表現(xiàn)車輛不同構件的振動情況，對車體、轉(zhuǎn)向架和輪對的振動加速度進行對比分析，如圖5所示。

由圖5可知：當列車通過道岔時，車輛系統(tǒng)各部分的振動加速度情況不同，由于道岔區(qū)固有的軌道不平順作用，車輪與鋼軌產(chǎn)生多點接觸，接觸狀態(tài)復雜，輪軌系統(tǒng)振動劇烈，反映在輪對上會產(chǎn)生較大的橫向加速度和垂向加速度；由于車輪與轉(zhuǎn)向架之間采用軸箱懸掛裝置，可有效衰減下部傳來的振動，因此轉(zhuǎn)向架振動加速度較輪對振動加速度??；轉(zhuǎn)向架與車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構傳來的振動，滿足旅客舒適度的要求。

圖5 車輛系統(tǒng)振動加速度圖

3.3 安全性指標

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 安全性指標圖

表5 行車安全性比較表

由圖6可知：當車輛側(cè)逆向通過轉(zhuǎn)轍器區(qū)時，車輪的脫軌系數(shù)最大為0.59，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)多點接觸，故輪重減載率在轉(zhuǎn)轍器區(qū)產(chǎn)生峰值，為0.21；當車輛通過導曲線時，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)移過渡引起安全性指標增大，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內(nèi)。車輛直逆向通過道岔時，在尖軌處和心軌處，安全性指標較大，最大脫軌系數(shù)為0.33，最大輪重減載率為0.16，遠小于安全限值。說明正常情況下，高速動車組通過18號道岔是安全的。

4 高速鐵路道岔關鍵技術分析

高速鐵路實行天窗維修制度，夜間天窗僅有240 min，維修時間較普速鐵路短，需要高速道岔保持良好的性能，減少養(yǎng)護維修工作量。因此亟需開展高速道岔養(yǎng)護維修技術的研究，并結合動力學仿真技術對道岔設計中的關鍵技術進行分析，指導養(yǎng)護維修作業(yè)。高速道岔設計結合動力學考慮的問題主要有三個方面：(1)高速道岔不平順控制；(2)高速道岔輪軌關系維護；(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構不平順和線路隨機不平順，動車組車體的自振頻率在1～1.5 Hz范圍內(nèi)，列車高速運行可能會引起車體的諧振，降低運行平穩(wěn)性，運營實踐表明：波長80～100 m的長波不平順對列車運行的平穩(wěn)性影響較大，是道岔產(chǎn)生晃車的主要原因；而短波不平順(如焊縫凹凸、軌面擦傷、掉塊、波形磨耗等)會加劇輪軌沖擊，甚至導致脫軌。在日常養(yǎng)護維修中，可對各種道岔區(qū)軌道不平順條件下車輛動力響應的計算結果進行分析和對比，得出不利于行車平穩(wěn)性的不平順類型和波長幅值等，為控制道岔區(qū)軌道不平順，制定養(yǎng)護維修標準提供理論依據(jù)。

4.2 高速道岔輪軌關系維護

道岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài)復雜，可能產(chǎn)生一點接觸、兩點接觸、三點接觸等多種接觸類型，尖軌與基本軌的相對高差會影響車輪輪載過渡的范圍。當尖軌受力較晚時，左右車輪的輪徑差會使車輛向一側(cè)偏移，鋼軌受到較大的橫向力，產(chǎn)生晃車現(xiàn)象，而尖軌受力較早，可能會壓傷尖軌頂面。通過動力學理論，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)，有效控制晃車現(xiàn)象，提升乘坐舒適性[12]。

道岔區(qū)的鋼軌廓形也會影響輪軌相互作用，列車的長期碾壓和道岔區(qū)復雜的輪軌接觸狀態(tài)可能會使鋼軌產(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)魚鱗紋和肥邊，并伴有光帶不良，導曲部分還可能會產(chǎn)生不均勻磨耗。這些病害都會改變鋼軌原有的廓形，導致輪軌關系發(fā)生變化，發(fā)生晃車，可利用動力學仿真技術，分析道岔區(qū)鋼軌廓形改變對行車產(chǎn)生的影響，優(yōu)化鋼軌廓形，指導鋼軌廓形的打磨，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，運營實踐和動力學分析表明：軌道剛度越大，輪軌作用越劇烈，晃車現(xiàn)象和道岔部件的傷損越嚴重。因此以車輛-道岔耦合動力學為基礎，分析軌道剛度變化對軌道結構的動力響應，得出道岔區(qū)的合理剛度范圍[14-15]，對道岔設計和養(yǎng)護維修將具有指導意義。

5 結論與建議

本文以18號道岔(客專(07)009)為研究對象，利用動力學仿真軟件建立高速動車組模型和18號道岔模型，通過動力學分析，研究列車通過道岔時的輪軌力、舒適性和安全性指標，分析表明各項指標均在舒適度限值以內(nèi)，滿足安全性要求。最后對高速道岔設計和養(yǎng)護維修中需要結合動力學仿真考慮的不平順問題、輪軌關系問題、軌道剛度問題進行分析，提出以下建議：(1)在日常養(yǎng)護維修中，可對各種道岔區(qū)軌道不平順條件下車輛動力響應的計算結果進行分析和對比，得到不利于行車平穩(wěn)性的不平順類型和波長幅值并進行控制；(2)利用動力學理論，分析優(yōu)化降低值和鋼軌廓形等，改善輪軌接觸狀態(tài)，有效控制晃車現(xiàn)象，提升旅客乘坐舒適性；(3)利用動力學理論，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。