張鵬飛 楊?yuàn)W闖 張慶歡

1.華東交通大學(xué) 軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013；

2.蘇州軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司， 江蘇 蘇州 215004

道岔是鐵路線路的關(guān)鍵設(shè)備，也是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。為滿足高速鐵路運(yùn)行高安全性和高平穩(wěn)性的需求，對(duì)道岔構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造要求更加嚴(yán)格［1］。高速道岔轉(zhuǎn)轍器由尖軌、基本軌、各種聯(lián)結(jié)零件及轉(zhuǎn)轍機(jī)械組成，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。尖軌和基本軌結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，當(dāng)列車通過(guò)時(shí)車輪要經(jīng)歷基本軌與尖軌間的過(guò)渡，期間輪軌接觸關(guān)系復(fù)雜，伴隨著應(yīng)力的集中與突變；同時(shí)，轉(zhuǎn)轍器存在尖軌表面易損傷、損傷尖軌難更換等問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在道岔軌件廓形優(yōu)化、高速道岔動(dòng)力學(xué)方面開展了大量研究。朱旭東［2］建立了18號(hào)道岔變截面動(dòng)力學(xué)的模型，根據(jù)列車直逆向通過(guò)不同岔區(qū)軌件廓形時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)岔區(qū)鋼軌打磨和翼軌加高值的優(yōu)化進(jìn)行了研究。Dro?dziel 等［3］通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比，研究了道岔幾何參數(shù)及其偏差對(duì)輪軌振動(dòng)特性的影響。Pletz等［4］建立了單車輪滾動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)轍器的有限元模型，分析了速度、軸重及車輪通過(guò)方向?qū)嗆夐g動(dòng)力特性的影響。Bjorn 等［5］用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的動(dòng)態(tài)軌道剛度和輪軌接觸力數(shù)據(jù)與模型仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了車輛-道岔動(dòng)力分析模型的正確性，研究了鋼軌襯墊剛度對(duì)軌道剛度和輪軌接觸力的影響。Sadeghi 等［6］建立了車輛和道岔的數(shù)學(xué)模型，研究了曲線半徑、道岔初始角度、軌距等道岔幾何參數(shù)對(duì)不同列車速度下行車安全的影響。王平［7］運(yùn)用自編軟件仿真分析了列車過(guò)岔時(shí)的動(dòng)力特性，并探討了速度、軸重、轍叉結(jié)構(gòu)形式等因素對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力性能的影響。楊逸航等［8］通過(guò)建立車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比分析了鋼軌打磨前后列車過(guò)岔的動(dòng)力特性。馬曉川等［9］研究了道岔尖軌降低值對(duì)轉(zhuǎn)轍器動(dòng)力特性的影響，并分析了岔區(qū)鋼軌軋制不平順對(duì)車岔垂向動(dòng)力響應(yīng)的影響。司道林等［10］通過(guò)NUCARS 軟件建立模型，分析了翼軌抬高值對(duì)車輛高速過(guò)岔時(shí)動(dòng)力特性的影響。Xu等［11］建立了彈性定位輪對(duì)模型，分析比較了輪對(duì)直向和逆向過(guò)岔時(shí)的脫軌過(guò)程，研究了輪軌沖角和摩擦因數(shù)對(duì)脫軌行為的影響。王松濤［12］建立車輛-道岔耦合振動(dòng)模型，研究了在標(biāo)準(zhǔn)打磨廓形下，列車側(cè)逆向過(guò)岔時(shí)的動(dòng)力特性。

國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者在研究列車過(guò)岔時(shí)動(dòng)力特性方面取得了豐碩的成果，但主要側(cè)重于道岔區(qū)鋼軌廓形、結(jié)構(gòu)尺寸等方面對(duì)列車過(guò)岔時(shí)動(dòng)力特性的影響。對(duì)道岔結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅改進(jìn)，研究改進(jìn)道岔列車過(guò)岔安全性方面的文獻(xiàn)還較少。

本文以標(biāo)準(zhǔn)18號(hào)高速道岔轉(zhuǎn)轍器為例，利用鋼軌的可彎性，研發(fā)出一種不含尖軌的新型高速道岔轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)來(lái)減輕尖軌對(duì)列車高速運(yùn)行的危害。通過(guò)建立道岔模型和高速列車模型，研究列車通過(guò)該結(jié)構(gòu)時(shí)的安全特性，成果可為高速鐵路道岔結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 新型道岔關(guān)鍵參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)新型道岔進(jìn)行研發(fā)時(shí)，主要考慮對(duì)轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提升。新型轉(zhuǎn)轍器的主要特征是去掉了既有結(jié)構(gòu)中的尖軌，所有軌頭斷面都是標(biāo)準(zhǔn)60軌的軌頭斷面，避免了由尖軌的特殊斷面形式和尖-基本軌的位置關(guān)系引發(fā)的構(gòu)造復(fù)雜及應(yīng)力集中問(wèn)題。轉(zhuǎn)轍軌一端固定，另一端通過(guò)轉(zhuǎn)轍機(jī)械的操縱，使其左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

新型轉(zhuǎn)轍器工作原理：車輛即將直向通過(guò)道岔時(shí)，轉(zhuǎn)轍軌可動(dòng)段便在直限位撐、限位器以及轉(zhuǎn)轍機(jī)械傳動(dòng)桿牽引部的共同作用下實(shí)現(xiàn)鎖閉操作，保證列車直向通過(guò)道岔。車輛即將側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，轉(zhuǎn)轍軌可動(dòng)段便在曲限位撐、限位器以及轉(zhuǎn)轍機(jī)械傳動(dòng)桿牽引部的共同作用下實(shí)現(xiàn)鎖閉操作，從而保證列車側(cè)向通過(guò)道岔。

為不改變轉(zhuǎn)轍器長(zhǎng)度，保持與導(dǎo)曲線相同曲線半徑，新型道岔的平面線型尺寸參照標(biāo)準(zhǔn)18 號(hào)道岔，列車側(cè)向通過(guò)時(shí)轉(zhuǎn)轍器部分圓曲線半徑為1100 m，導(dǎo)曲線實(shí)際起點(diǎn)為原18 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)道岔尖軌后5.168 m，此時(shí)鋼軌轉(zhuǎn)動(dòng)距離為26.8 mm。新型道岔轉(zhuǎn)轍器平面尺寸見圖1。

圖1 新型道岔轉(zhuǎn)轍器部分平面尺寸（單位：mm）

新型道岔轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)見圖2。轉(zhuǎn)轍軌俯視圖及B?B 斷面圖見圖3。轉(zhuǎn)轍軌固定端過(guò)渡段長(zhǎng)為0.2 m，連接基本軌和轉(zhuǎn)轍軌，見圖4。新型高速道岔轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)的整體三維外觀見圖5。

圖2 新型道岔轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)

圖3 轉(zhuǎn)轍軌俯視圖及B?B斷面

圖4 轉(zhuǎn)轍軌固定端過(guò)渡段

圖5 轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)三維外觀

1.2 新型道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）轉(zhuǎn)轍軌可動(dòng)段兩端采用混凝土寬枕結(jié)構(gòu)，以增大結(jié)構(gòu)的承載能力。

2）轉(zhuǎn)轍軌可動(dòng)段的兩側(cè)分別設(shè)置直限位撐和曲限位撐，用于界定其左右轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。

3）轉(zhuǎn)轍區(qū)范圍內(nèi)的軌枕表面設(shè)置滑床板，確保股道順暢轉(zhuǎn)換。

4）轉(zhuǎn)轍軌可動(dòng)段的左右翼緣位置處分別設(shè)置一個(gè)限位器，以限制其豎向位移。

5）轉(zhuǎn)轍機(jī)械的傳動(dòng)桿牽引部與轉(zhuǎn)轍軌可動(dòng)段固定連接，用于切換股道，實(shí)現(xiàn)列車轉(zhuǎn)線運(yùn)行。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 道岔子模型

在多體動(dòng)力學(xué)軟件UM中建立柔性軌道基礎(chǔ)的18號(hào)道岔模型，標(biāo)準(zhǔn)道岔轉(zhuǎn)轍器部分力學(xué)模型如圖6 所示，主要參數(shù)含義及取值見表1。該模型鋼軌采用鐵木辛柯梁模擬，岔枕與基礎(chǔ)通過(guò)等效剛度和阻尼來(lái)連接，采用非線性的Bushing 力元模擬扣件。建模時(shí)考慮岔區(qū)鋼軌的變截面特征。分別建立18 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)道岔模型和新型道岔模型。轉(zhuǎn)轍軌B?B斷面尺寸及特性參數(shù)見表2。

表1 道岔力學(xué)模型主要參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)轍軌B?B斷面尺寸及特性參數(shù)

圖6 標(biāo)準(zhǔn)道岔轉(zhuǎn)轍器部分力學(xué)模型

2.2 車輛子模型

本文車輛模型為CRH2 型車，由1 個(gè)車體、2 個(gè)構(gòu)架、4 個(gè)輪對(duì)共7 個(gè)剛體組成。各剛體間通過(guò)彈簧、抗側(cè)滾扭桿、減振器等力元連接。CRH2 型車輛模型主要參數(shù)取值見文獻(xiàn)［13］。

2.3 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)［14］采用SIMPACK 軟件，計(jì)算得到列車以200 km/h直逆向通過(guò)18號(hào)單開道岔時(shí)第1輪對(duì)輪軌橫向力曲線，見圖7（a）。將其參數(shù)帶入本文模型，計(jì)算結(jié)果見圖7（b）?？芍罕疚挠?jì)算得到的輪軌橫向力為6.4 kN，比文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果（8.8 kN）略小，但兩者輪軌力曲線總體變化趨勢(shì)基本一致。因此，本文分析方法及模型合理可靠。

圖7 文獻(xiàn)［14］與本文模型計(jì)算得到的輪軌橫向力結(jié)果對(duì)比

3 列車過(guò)岔安全性

3.1 不平順模擬

采用高速鐵路無(wú)砟軌道不平順譜來(lái)模擬岔區(qū)不平順。圖8為模型中疊加的軌道不平順樣本。

圖8 無(wú)砟軌道不平順樣本

3.2 分析指標(biāo)

3.2.1 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)用于評(píng)價(jià)列車輪緣在橫向力的作用下是否會(huì)爬上軌頭而脫軌［15］。脫軌系數(shù)不大于0.9、0.8、0.6，分別評(píng)價(jià)為及格、良好、優(yōu)良。脫軌系數(shù)（β）的計(jì)算式為

式中：Q為輪軌橫向力；P為輪軌垂向力；α為輪緣角；μ為輪緣與鋼軌側(cè)面的摩擦因數(shù)。

3.2.2 輪軌力限值標(biāo)準(zhǔn)

輪軌橫向力容許限值用于評(píng)價(jià)列車在運(yùn)行中是否會(huì)導(dǎo)致軌距擴(kuò)寬或線路產(chǎn)生嚴(yán)重變形［15］。輪軌垂向力也可為判別輪軌系統(tǒng)安全性提供參考依據(jù)。我國(guó)高速鐵路輪軌力容許限值見表3。其中，Pst為車輪靜荷載。

表3 輪軌力容許限值

3.2.3 輪重減載率

輪重減載率用于評(píng)價(jià)列車是否因一側(cè)車輪減載過(guò)大而脫軌［15］。其第一、第二限度分別為不大于0.65、不大于0.60。輪重減載率（η）的計(jì)算式為

式中：ΔPˉ為減載側(cè)車輪的輪重減載量；Pˉ為輪對(duì)的平均靜輪重。

3.3 安全性分析

利用所建的車輛-道岔動(dòng)力學(xué)分析模型，在添加隨機(jī)不平順條件下，對(duì)比分析CRH2型列車以80 km/h側(cè)逆向通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)和新型道岔時(shí)的安全性。

新型道岔和標(biāo)準(zhǔn)道岔脫軌系數(shù)對(duì)比見圖9?？芍好撥壪禂?shù)的峰值發(fā)生在轉(zhuǎn)轍器和轍叉區(qū)；當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)道岔轉(zhuǎn)轍器和轍叉部位的脫軌系數(shù)最大值分別為0.49和0.37，新型道岔分別為0.32和0.37，轉(zhuǎn)轍器部分脫軌系數(shù)降低了34.69%；兩種道岔的脫軌系數(shù)都小于限值0.6，能保證行車安全性。

圖9 脫軌系數(shù)

新型道岔和標(biāo)準(zhǔn)道岔輪軌橫向力對(duì)比見圖10?？芍鹤髠?cè)鋼軌振動(dòng)較右側(cè)鋼軌更為劇烈。列車通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)道岔時(shí)，在轉(zhuǎn)轍器和轍叉部位振動(dòng)較為激烈，輪軌橫向力最大值分別為40.24、31.86 kN；相比于標(biāo)準(zhǔn)道岔，新型道岔在轉(zhuǎn)轍器部位軌道截面單一，不存在輪載過(guò)渡情況，故輪軌橫向力曲線比較穩(wěn)定，但由于列車曲線行駛，輪軌產(chǎn)生較大沖擊，轉(zhuǎn)轍器部位輪軌橫向力達(dá)到26.51 kN，相比標(biāo)準(zhǔn)道岔降低了34.12%，而轍叉部位為31.86 kN，與標(biāo)準(zhǔn)道岔相差不大。同時(shí)由于自身結(jié)構(gòu)軌縫的存在，輪軌橫向力在左側(cè)鋼軌軌縫處產(chǎn)生突變，峰值為17.69 kN。兩種道岔結(jié)構(gòu)的輪軌橫向力均未超過(guò)規(guī)范限值，滿足行車安全要求。

圖10 輪軌橫向力

新型道岔和標(biāo)準(zhǔn)道岔輪軌垂向力對(duì)比見圖11?？芍毫熊噦?cè)逆向通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)道岔時(shí)，由于道岔自身的結(jié)構(gòu)不平順，輪軌垂向力在道岔的轉(zhuǎn)轍器以及轍叉部分都有較大的波動(dòng)，峰值分別為90.71、99.86 kN。相比于標(biāo)準(zhǔn)道岔，新型道岔在轉(zhuǎn)轍器部位（跟端軌縫處除外）的輪軌垂向力曲線趨勢(shì)平緩，峰值在84.66 kN，降低了6.67%。由于跟端軌縫的存在，輪軌垂向力產(chǎn)生117.63 kN 的突變；新型道岔的輪軌垂向力雖在軌縫處產(chǎn)生突變，但未超過(guò)規(guī)范限值，滿足行車安全要求。

圖11 輪軌垂向力

新型道岔和標(biāo)準(zhǔn)道岔輪重減載率對(duì)比見圖12?？芍瑯?biāo)準(zhǔn)道岔的輪重減載率在轍叉部分出現(xiàn)最大值，為0.25。相比于標(biāo)準(zhǔn)道岔，新型道岔的輪重減載率在軌縫處出現(xiàn)最大值，為0.28，這是因?yàn)榱熊噦?cè)逆向通過(guò)右單開道岔時(shí)，在未被平衡的離心加速度和軌縫的作用下，使軌縫處輪重減載率產(chǎn)生突變，但在轉(zhuǎn)轍器處仍優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)道岔，并滿足行車安全要求。

圖12 輪重減載率

4 結(jié)論

本文在標(biāo)準(zhǔn)18號(hào)道岔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種新型高速道岔結(jié)構(gòu)。新型道岔主要是針對(duì)轉(zhuǎn)轍器進(jìn)行改進(jìn)，去掉了既有結(jié)構(gòu)中的尖軌，所有軌頭斷面都是標(biāo)準(zhǔn)60軌的軌頭斷面，避免了由尖軌的特殊斷面形式和尖軌-基本軌的位置關(guān)系引發(fā)的構(gòu)造復(fù)雜及應(yīng)力集中問(wèn)題?；谲囕v-道岔耦合動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)CRH2型列車側(cè)逆向通過(guò)添加隨機(jī)不平順的新型道岔時(shí)的安全性進(jìn)行分析，并與18號(hào)標(biāo)準(zhǔn)道岔進(jìn)行對(duì)比。主要結(jié)論如下：

1）與標(biāo)準(zhǔn)道岔相比，列車通過(guò)新型道岔在轉(zhuǎn)轍器區(qū)域脫軌系數(shù)由0.49降為0.32，降低34.69%，轍叉區(qū)域脫軌系數(shù)不變，符合限值要求且運(yùn)行更加安全。

2）列車通過(guò)新型道岔轉(zhuǎn)轍器部分時(shí)，不存在輪載過(guò)渡情況，輪軌力曲線趨勢(shì)穩(wěn)定，輪軌橫向力達(dá)到26.51 kN，相比標(biāo)準(zhǔn)道岔降低了34.12%；輪軌垂向力由90.71 kN 降至84.66 kN，相比標(biāo)準(zhǔn)道岔降低了6.67%。兩種道岔結(jié)構(gòu)的輪軌力均未超過(guò)規(guī)范限值，滿足行車安全要求。

3）新型道岔的輪重減載率在連接區(qū)域因?yàn)檐壙p的存在出現(xiàn)突變，但在轉(zhuǎn)轍器區(qū)域優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)道岔。