高速鐵路道岔與區(qū)間過渡段動力響應(yīng)的影響因素分析

陳小平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

我國客運專線要求動車組過岔安全性與舒適性與區(qū)間線路相同，由于道岔結(jié)構(gòu)型式和輪軌關(guān)系的特殊性，為了保證動車組過岔時與區(qū)間線路相同的安全性與舒適性，需進(jìn)行岔區(qū)軌道剛度的特別設(shè)計，從而形成道岔與區(qū)間剛度過渡段。道岔與其相鄰區(qū)間軌道一般鋪設(shè)在同一類型的線下基礎(chǔ)(橋梁或路基)上，二者線下基礎(chǔ)的沉降差異很小，道岔與區(qū)間過渡段的主要問題是剛度設(shè)置。道岔與區(qū)間過渡段剛度設(shè)置本質(zhì)上是一個動力學(xué)問題，需要根據(jù)線路的具體運營條件，通過車輛—過渡段耦合動力分析確定，各國不盡相同。法國高速道岔與區(qū)間軌道在5 m范圍內(nèi)實現(xiàn)剛度過渡，德國高速道岔與區(qū)間軌道通過分級實現(xiàn)剛度過渡，過渡段長一般以列車通過時間為0.5 s確定[1]。道岔與區(qū)間軌道設(shè)置過渡段的目的，是為了提高動車組的運行平穩(wěn)性和舒適性，同時減緩輪軌相互作用，延長設(shè)備使用壽命［2-3］。為了給過渡段剛度合理設(shè)置提供參考，本文擬運用車輛—過渡段耦合動力學(xué)，對過渡段的動力影響因素進(jìn)行分析。

1 道岔與區(qū)間過渡段的結(jié)構(gòu)特性

高速鐵路的路橋、路涵、路隧、有砟軌道與無砟軌道的過渡段在結(jié)構(gòu)上的差異只體現(xiàn)在縱向上，線路結(jié)構(gòu)在橫向是一致的，因此過渡段軌道剛度只在線路縱向有差異，在線路橫向一致，另外線路存在不均勻沉降，導(dǎo)致軌道豎向出現(xiàn)折角，形成軌道高低不平順，加劇了輪軌相互作用，降低了行車舒適性。

而道岔與區(qū)間過渡段軌道結(jié)構(gòu)不僅在縱向存在差異，在橫向也存在差異。圖1為岔前過渡段，道岔范圍內(nèi)的鋼軌件、扣件系統(tǒng)與區(qū)間不同，線路縱向存在差異，圖2為岔后過渡段，里軌在線路縱向的軌道結(jié)構(gòu)有差異，在同一橫斷面上，里軌與基本軌的結(jié)構(gòu)上也有差異。道岔與區(qū)間軌道的線下基礎(chǔ)類型一般相同?？紤]到道岔過渡段結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，我國客運專線道岔與相鄰區(qū)間軌道的線下基礎(chǔ)一般相同，以避免線下基礎(chǔ)剛度差、特別是沉降差對行車舒適性的影響，這樣，客運專線道岔與區(qū)間過渡段動力響應(yīng)主要受剛度差、行車方向和行車速度等因素的影響。

圖1 岔前過渡段

圖2 岔后過渡段

2 道岔與區(qū)間過渡段的動力分析方法

考慮道岔與區(qū)間過渡段的結(jié)構(gòu)特殊性，建立如圖3所示的車輛—過渡段耦合動力分析模型，該模型由車輛模型、過渡段模型和輪軌耦合關(guān)系3部分組成。圖中車輛模型考慮了車體、構(gòu)架和輪對參振，其中車體和每個構(gòu)架有點頭、搖頭、側(cè)滾、沉浮和橫移5個自由度，每個輪對有搖頭、側(cè)滾、沉浮和橫移4個自由度，整個車輛系統(tǒng)共有31個自由度。道岔過渡段模型只考慮了鋼軌參振，每個鋼軌有4個自由度，即沿y、z方向的平動和繞y、z軸的轉(zhuǎn)動，扣件和線下基礎(chǔ)剛度等效成鋼軌支點剛度，在線路的縱向和橫向鋼軌支點剛度是可變的。圖3所示的車輛—道岔過渡段耦合動力模型可適用于有砟和無砟道岔前后過渡段分析。

采用有限單元法對車輛—過渡段耦合動力模型進(jìn)行求解，其中輪軌垂向力采用 Hertz非線性接觸理論求解，輪軌橫向蠕滑力采用 Kalker線性蠕滑理論求解，并用沈氏理論作非線性修正［4-5］。

圖3 車輛—過渡段耦合動力分析模型

進(jìn)行過渡段動力性能影響因素分析時，道岔參數(shù)參考我國客運專線18號道岔取值，車輛參數(shù)參考CRH2型動車組取值。

3 剛度差的影響

通過對表1所列工況計算，分析剛度差對車輛—過渡段動力響應(yīng)的影響，表中“工況 G-20-30”表示該工況的區(qū)間鋼軌支點剛度為20 kN/mm，道岔鋼軌支點剛度為30 kN/mm，其余工況意義類同。表1中共5種工況，區(qū)間鋼軌支點剛度保持為20 kN/mm不變，道岔鋼軌支點剛度逐漸增大，從而過渡段的剛度差也逐漸增大。表1中的各動力響應(yīng)參數(shù)均為該工況的計算結(jié)果最大值，其中最大枕上壓力差是指剛度分級界面，剛度較高側(cè)枕上壓力與剛度較低側(cè)枕上壓力的最大差值。圖4為工況G-20-30的車體加速度變化，圖5為該工況的枕上壓力變化，圖中橫坐標(biāo)表示距線路起點的距離。

表1 剛度差對道岔與區(qū)間過渡段動力響應(yīng)的影響

圖4 車體加速度

圖5 過渡段枕上壓力變化

從表1可看出，從工況 G-20-30至工況 G-20-50，動車組和軌道的動力響應(yīng)大幅增大，之后工況的動力響應(yīng)則有所減緩，這表明:當(dāng)過渡段剛度差在30 kN/mm范圍內(nèi)，隨著過渡段兩端的剛度差增大，車輛和軌道的動力響應(yīng)將大幅增加，但剛度差超過30 kN/mm時，車輛和軌道動力響應(yīng)隨剛度差增大而增大的速率將減緩。圖4反映了每一個輪對在過渡段剛度分級界面的沖擊都能通過車體加速度反映出來，但總體上，軌下剛度變化對車體加速度的影響較小。圖5可看出在軌道剛度分級界面，剛度較低側(cè)的枕上壓力會突然減小，剛度較高側(cè)的枕上壓力會突然增大，剛度差變化越大，剛度較高側(cè)的枕上壓力增大幅度越大，這表明，在軌道剛度分級界面，剛度較高側(cè)的軌下基礎(chǔ)受力較為不利。

4 行車方向的影響

假定過渡段低剛度側(cè)(區(qū)間)的鋼軌支點剛度為10 kN/mm，高剛度側(cè)(道岔)的鋼軌支點剛度為60 kN/mm，對過渡段剛度實行分級過渡，每級長6 m，每級剛度差為10 kN/mm，即過渡段鋼軌支點剛度為:10kN/mm、20kN/mm、30kN/mm、40kN/mm、50 kN/mm和60 kN/mm。為了分析行車方向?qū)囕v—過渡段動力響應(yīng)的影響，分別對車輛逆向(從低剛度側(cè)向高剛度側(cè)運行)和順向(從高剛度側(cè)向低剛度側(cè)運行)通過過渡段時的動力響應(yīng)進(jìn)行計算，表2為計算結(jié)果最大值。圖6為車體通過過渡段時輪下鋼軌彎矩對比，圖7為輪下鋼軌撓度對比。圖6和圖7的橫坐標(biāo)距離以線路起點為0，過渡段第一個剛度分級處距線路起點的距離為42 m。

表2 行車方向?qū)Φ啦砼c區(qū)間過渡段動力響應(yīng)的影響

圖6 輪下鋼軌彎矩

圖6、圖7及表2均可表明:車輛逆向運行時，車體加速度、輪軌力、枕上壓力、鋼軌彎矩、鋼軌撓度及其變化率均大于車輛以相同速度順向運行時，這表明車輛從過渡段低剛度側(cè)向高剛度側(cè)運行時，車輛—過渡段的動力相互作用較車輛反向運行時更為劇烈。

圖7 輪下鋼軌撓度

5 行車速度的影響

過渡段剛度設(shè)置方式與行車方向影響分析相同，計算車輛以不同速度從低剛度側(cè)(10 kN/mm)向高剛度側(cè)(60 kN/mm)運行時的動力響應(yīng)，以分析行車速度對車輛—過渡段動力響應(yīng)的影響，表3為各動力參數(shù)計算結(jié)果最大值。

圖8和圖9分別為不同行車速度下，輪下鋼軌彎矩和鋼軌撓度的對比，考慮到行車速度為200 km/h、250 km/h和300 km/h時各動力響應(yīng)參數(shù)變化規(guī)律與行車速度為160 km/h和350 km/h時相似，并且數(shù)值大小位于兩者之間，因此圖8和圖9只給出了行車速度為160 km/h和350 km/h的計算結(jié)果。

由表3可看出，隨著行車速度增加，輪軌垂向力、減載率、枕上壓力、鋼軌撓度變化率均增大，表明車輛通過速度越高，車輛運行安全性越低，過渡段受到的動力作用越劇烈;剛度分級界面的最大枕上壓力差隨著行車速度增加而大幅增大，這表明在過渡段剛度分級界面，較高剛度側(cè)的軌下基礎(chǔ)承受了更大的壓力，容易出現(xiàn)破壞、失效等現(xiàn)象;車體加速度隨著行車速度的增加反而有下降的趨勢，其原因是車體的自振頻率較低，而過渡段剛度分級界面對輪軌系統(tǒng)的激振類似于一個脈沖激勵，車輛運行速度越高，激振頻率越高，激振頻率和車體自振頻率的比值也越大，車輛懸掛系統(tǒng)的隔振作用越明顯，最終導(dǎo)致車體的加速度沒有隨著行車速度的增加而增大。圖8和圖9表明，輪下鋼軌彎矩和撓度在剛度分級界面出現(xiàn)劇烈變化，運營過程中該處是病害容易出現(xiàn)的位置。

表3 行車速度對道岔與區(qū)間過渡段動力響應(yīng)的影響

圖8 輪下鋼軌彎矩

圖9 輪下鋼軌撓度

6 結(jié)論

運用車輛—過渡段耦合動力學(xué)理論，分析剛度差、行車方向和速度對道岔與區(qū)間過渡段動力響應(yīng)的影響，可以得到如下結(jié)論:

1)動車組和軌道動力響應(yīng)隨著過渡段剛度差的增加而非線性增大，當(dāng)過渡段剛度差在30 kN/mm范圍內(nèi)，隨著剛度差的增加，動車組和軌道的動力響應(yīng)將大幅增大，但剛度差超過30 kN/mm時，動車組和軌道動力響應(yīng)隨剛度差增加而增大的速率將減緩。

2)動車組從區(qū)間向道岔運行時的輪軌動力響應(yīng)較反向運行更為劇烈，隨著動車組運行速度的提高，車輛運行安全性降低，剛度分級界面的枕上壓力差加大，過渡段受到的動力作用加劇。

[1] 陳小平.高速道岔軌道剛度理論及應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文，2008.

[2] 蔡成標(biāo)，劉建新，翟婉明.客專道岔前后軌道剛度過渡段動力學(xué)研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28(3)18-22.

[3] 孔祥仲，劉偉，蔡成標(biāo)，等.板式軌道過渡段剛度設(shè)計計算方法［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2000(9):7-9.

[4] 王平.道岔區(qū)輪軌系統(tǒng)動力學(xué)的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，1997.

[5] 翟婉明.車輛軌道耦合動力學(xué)(第三版)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.