王 璞， 王樹國， 王 猛， 楊東升

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路客運(yùn)需求的不斷增加，如何增大運(yùn)量已成為迫切需求。自2017年9月以來，京滬高速鐵路部分復(fù)興號列車已提升至?xí)r速350 km，然而目前大部分高速列車仍以時速300 km運(yùn)行，進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)興號列車時速350 km運(yùn)行范圍，實現(xiàn)京滬、京廣等高速鐵路全面提速將能有效提升運(yùn)量和效率，進(jìn)一步滿足旅客高品質(zhì)出行需求。然而，高速鐵路經(jīng)過近10年的時速300 km運(yùn)營，進(jìn)一步擴(kuò)大提速范圍需要對移動裝備和基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性進(jìn)行全面評估，確保安全、舒適運(yùn)行。

高速道岔是高速鐵路的重要設(shè)備和薄弱環(huán)節(jié)之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多，是高速鐵路可能的限速點(diǎn)之一[1-2]，如實現(xiàn)大范圍提速必須首先保證高速道岔能夠滿足長期350 km/h直向通過的要求。然而我國高速道岔隨著運(yùn)營時間的不斷增長，服役狀態(tài)呈現(xiàn)不斷劣化的趨勢，逐漸暴露出一系列問題，其中道岔區(qū)膠結(jié)絕緣接頭傷損是主要問題之一，絕緣接頭傷損的存在會對列車通過道岔時的動力性能產(chǎn)生干擾，進(jìn)而可能對高速道岔進(jìn)一步提速產(chǎn)生影響。

目前，對于運(yùn)行速度對道岔力學(xué)特性影響的研究較多，但多出于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的，針對無傷損條件下的道岔，對于傷損劣化條件下運(yùn)行速度對高速道岔的影響研究尚較少[3-7]。另外，針對膠結(jié)絕緣接頭傷損的研究多基于現(xiàn)場調(diào)研和工程實踐。彭長貴等[8]對現(xiàn)場鋼軌膠結(jié)絕緣施工工藝及常見質(zhì)量缺陷預(yù)防措施進(jìn)行了研究；趙偉英等[9]基于線路上絕緣失效的實例，對絕緣失效判定方法及處理措施進(jìn)行了研究；霍曉佳等[10]對膠結(jié)絕緣接頭常見病害的原因及整治措施進(jìn)行了探討。目前，針對膠結(jié)絕緣接頭傷損的理論模擬及動力學(xué)影響研究較少，對道岔區(qū)絕緣接頭傷損動力學(xué)研究更少。田春香[11]對鋼軌接頭減振方案及減振效果進(jìn)行了研究。李存榮等[12]建立了基于自回歸移動平均模型的Grubbs-ARMA預(yù)測模型，對鋼軌膠結(jié)絕緣接頭變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測研究。

基于研究需求和既有不足，本文對現(xiàn)場膠結(jié)絕緣接頭傷損特征進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研和測試，基于實測傷損接頭位置不平順波形構(gòu)建復(fù)合余弦函數(shù)對接頭傷損進(jìn)行模擬并確定函數(shù)參量取值。建立車輛-道岔耦合動力學(xué)仿真計算模型，對現(xiàn)行300 km/h速度條件下岔區(qū)膠結(jié)絕緣接頭傷損對列車過岔的動力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，進(jìn)而對接頭傷損狀態(tài)下高速道岔對進(jìn)一步提速的適應(yīng)性進(jìn)行探究，為我國高速鐵路進(jìn)一步擴(kuò)大提速范圍提供理論依據(jù)和支撐。

1 高速車輛-道岔耦合動力學(xué)計算模型

基于多體動力學(xué)理論，利用Universal Mechanism軟件建立高速車輛動力學(xué)模型，車體、構(gòu)架、輪對、軸箱等結(jié)構(gòu)部件均簡化為剛體模擬，車體、構(gòu)架、輪對考慮縱向、橫向、垂向、點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾6個自由度，軸箱僅考慮點(diǎn)頭自由度，車輛模型共計15個剛體、50個自由度。充分考慮二系空氣彈簧及橫向減振器、一系彈簧及垂向減振器、抗蛇形減振器、牽引拉桿、橫向止擋等結(jié)構(gòu)部件間的非線性連接耦合作用，通過精細(xì)化建模確保模型盡可能與實際相符，高速車輛模型如圖1所示。

圖1 高速車輛動力學(xué)模型

輪軌接觸計算基于Hertz接觸理論及Kalker的FASTSIM算法[13-14]進(jìn)行，主要分為接觸點(diǎn)位置探測、整體接觸力學(xué)量計算(接觸力、蠕滑率等)以及接觸斑局部接觸力學(xué)量計算(接觸應(yīng)力、滑動速度分布等)。

道岔動力學(xué)模型充分考慮轉(zhuǎn)轍器區(qū)基本軌與尖軌、轍叉區(qū)心軌與翼軌的組合位置關(guān)系以及鋼軌的變截面特性，通過插值的方法實現(xiàn)道岔區(qū)異形鋼軌截面的空間過渡，如圖2所示?；拒壟c尖軌、心軌與翼軌作為整體進(jìn)行考慮，通過組合廓形來反映兩者相對位置關(guān)系。充分考慮道岔區(qū)軌道的剛度與阻尼特性，剛度阻尼參數(shù)取值基于實測結(jié)果。高速道岔動力學(xué)模型如圖3所示。

圖2 岔區(qū)變截面鋼軌的模擬

圖3 高速道岔動力學(xué)模型

2 膠結(jié)絕緣接頭傷損及不平順研究

課題組對高速鐵路道岔區(qū)膠結(jié)絕緣接頭傷損情況進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)研和測試。高速道岔在岔前、岔后以及導(dǎo)曲線區(qū)均存在膠結(jié)絕緣接頭，導(dǎo)曲線區(qū)絕緣接頭多為工廠內(nèi)預(yù)制，道岔前后膠結(jié)絕緣接頭均為現(xiàn)場制作，通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絕緣接頭傷損主要集中出現(xiàn)在道岔前后現(xiàn)場制作的接頭上。

實際運(yùn)營條件下，膠結(jié)絕緣接頭往往直至喪失絕緣功能才進(jìn)行維修，而在喪失絕緣功能之前，絕緣接頭位置其實已存在明顯的拉開現(xiàn)象，如圖4所示，列車高速通過時會出現(xiàn)顯著的沖擊效應(yīng)，長期作用下會在絕緣接頭兩側(cè)鋼軌產(chǎn)生肥邊，影響承載強(qiáng)度，工務(wù)部門在對鋼軌肥邊進(jìn)行切除整治后，會使絕緣接頭上部的縫隙更大，另外，接頭附近鋼軌存在較為顯著的摩擦磨損，這些因素組合會使接頭位置產(chǎn)生較為明顯的不平順，將進(jìn)一步加劇列車通過時的振動與沖擊?；陔娮悠街倍葍x對高速鐵路現(xiàn)場幾處典型的道岔膠結(jié)絕緣接頭傷損進(jìn)行測量，得到不平順波形曲線，如圖5所示。

圖4 道岔區(qū)膠結(jié)絕緣接頭傷損

圖5 傷損膠結(jié)絕緣接頭位置實測不平順波形

可以看出，膠結(jié)絕緣接頭傷損位置所產(chǎn)生的不平順具有顯著的共同特征，不平順均主要分布在接頭前后大概1 m長的范圍內(nèi)，從接頭兩側(cè)往接頭中心方向凹陷深度不斷增加，至接頭中心附近深度可達(dá)0.5 mm左右，在接頭中心位置均出現(xiàn)一個顯著的短波不平順突變，深度可達(dá)1.4 mm左右。

動力學(xué)仿真過程中，基于傷損膠結(jié)絕緣接頭位置不平順實測波形，構(gòu)建復(fù)合余弦函數(shù)對接頭傷損進(jìn)行模擬來反映其一般性特征，函數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中：a1、a2分別為傷損接頭區(qū)域長波和接頭中心短波的幅值；λ1、λ2分別為長波和短波的波長。基于圖5實測波形，a1、a2分別取0.5 mm和1 mm，λ1、λ2分別取1 m和0.1 m。得到接頭傷損不平順簡化模擬波形如圖6所示，可較好地反映接頭傷損不平順的主要特征。

圖6 膠結(jié)絕緣接頭傷損不平順模擬

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，岔前接頭傷損所引起的振動沖擊將會影響列車進(jìn)入道岔后的動力學(xué)性能。因此，在岔前軌縫位置設(shè)置絕緣接頭傷損不平順，高速車輛、道岔和輪軌接觸模型及參數(shù)均保持不變，計算車-岔系統(tǒng)動力特性，并與無接頭傷損條件下的仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比研究。

3 膠結(jié)絕緣接頭傷損對動力性能的影響

對現(xiàn)行300 km/h速度條件下膠結(jié)絕緣接頭傷損前后車-岔系統(tǒng)動力學(xué)特性進(jìn)行對比分析如圖7所示。

圖7 接頭傷損對動力學(xué)性能的影響

可以看出，膠結(jié)絕緣接頭傷損的存在使高速列車在進(jìn)岔時產(chǎn)生一個顯著的沖擊，但是對列車進(jìn)岔后的動力性能影響較小。絕緣接頭傷損的影響主要是造成瞬態(tài)高頻沖擊，對輪軌垂向力及輪重減載率的影響較為顯著，絕緣接頭傷損位置輪軌垂向力沖擊幅值可達(dá)105.732 kN，輪重減載率沖擊幅值達(dá)0.574，均超過了列車通過道岔過程中輪軌垂向力和輪重減載率的最大值。

絕緣接頭傷損對輪軌橫向力、脫軌系數(shù)及輪對橫向加速度的影響也較明顯，接頭位置產(chǎn)生的沖擊幅值分別達(dá)到2.331 kN、0.033、1.791 m/s2，但相對而言均未超過在道岔轉(zhuǎn)轍器或者轍叉輪載過渡區(qū)段出現(xiàn)的峰值。

絕緣接頭傷損對于輪對橫移、車體垂、橫向振動加速度的影響則較小，這些指標(biāo)主要受長波不平順的影響，時程曲線較無接頭傷損條件基本無變化。

4 接頭傷損條件下道岔提速適應(yīng)性分析

對道岔區(qū)膠結(jié)絕緣接頭傷損狀態(tài)下列車速度由300 km/h提升至350 km/h時的動力性能變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖8所示。研究接頭傷損對高速道岔提速的影響。

圖8 接頭傷損條件下速度提升對動力學(xué)性能的影響

由圖8可知，高速道岔膠結(jié)絕緣接頭傷損存在的條件下，速度由300 km/h提升至350 km/h時，列車過岔的安全性參數(shù)均增大，輪重減載率的增大尤其明顯。脫軌系數(shù)峰值出現(xiàn)在轍叉區(qū)，輪重減載率峰值則出現(xiàn)在岔前接頭位置。速度提升后脫軌系數(shù)峰值由0.047增至0.051，均較小，而輪重減載率峰值由0.574增至0.895，超過了安全限值，因此需要進(jìn)一步關(guān)注。

速度提升后，列車過岔時輪軌相互作用也呈增大趨勢，輪軌垂向力增加尤為顯著。輪軌垂向力峰值出現(xiàn)在岔前傷損接頭位置，輪軌橫向力峰值出現(xiàn)在轍叉區(qū)，輪軌垂向力峰值由105.73 kN增至127.26 kN，輪軌橫向力峰值由4.23 kN增至4.43 kN。

提速條件下列車過岔時輪對橫移量略有減小，但輪對橫向加速度呈增大趨勢，通過轍叉區(qū)時輪對橫向加速度峰值由3.72 m/s2增至3.96 m/s2。速度提升前后，列車過岔時車體振動加速度時程曲線特征基本一致，但幅值均有所增加，車體橫向加速度峰值由0.094 m/s2增至0.122 m/s2。

另外，接頭傷損條件下，列車提速通過道岔過程中輪軌磨耗也將相應(yīng)加劇，尤其在通過轍叉區(qū)時輪軌磨耗速率大幅增加。

總體來看，在膠結(jié)絕緣接頭傷損條件下，列車過岔速度提升后車-岔動力學(xué)性能呈現(xiàn)劣化趨勢，在傷損接頭位置多項動力學(xué)指標(biāo)顯著增大，尤其輪重減載率達(dá)到0.895，超過了0.800的安全限值，輪軌垂向力峰值則增大了20.37%。傷損絕緣接頭位置所產(chǎn)生的輪軌沖擊對于列車速度的敏感性較高。

5 結(jié) 論

對現(xiàn)場道岔區(qū)膠結(jié)絕緣接頭傷損規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)研和測試，提出了接頭傷損的簡化模擬方法。對現(xiàn)行速度條件下膠結(jié)絕緣接頭傷損對列車過岔動力性能的影響進(jìn)行了仿真分析，進(jìn)而對接頭傷損狀態(tài)下高速道岔進(jìn)一步提速的適應(yīng)性進(jìn)行了探究。

(1) 絕緣接頭傷損主要出現(xiàn)在現(xiàn)場制作的接頭中，接頭傷損不平順具有顯著的共同特征，主要分布在接頭前后1 m長范圍內(nèi)，從接頭兩側(cè)往中心方向凹陷深度不斷增加，在中心位置出現(xiàn)顯著的短波不平順突變，深度可達(dá)1.4 mm。構(gòu)建復(fù)合余弦函數(shù)對接頭傷損進(jìn)行簡化模擬，可較好地反映接頭傷損不平順的主要特征。

(2) 絕緣接頭傷損使高速列車進(jìn)岔時產(chǎn)生顯著的瞬態(tài)高頻沖擊，但對列車進(jìn)岔后的動力性能影響較小。接頭傷損所造成的輪軌垂向力及輪重減載率沖擊幅值甚至超過了列車通過道岔過程中相應(yīng)指標(biāo)的最大值。但接頭傷損對于輪對運(yùn)動軌跡以及車體振動的影響較小。

(3) 接頭傷損條件下，列車過岔速度提升后車-岔動力學(xué)性能呈現(xiàn)劣化趨勢，傷損接頭位置多項動力學(xué)指標(biāo)顯著增大，尤其減載率達(dá)到0.895，超過了安全限值。傷損接頭位置輪軌沖擊對列車速度敏感性較高。