客運(yùn)專線道岔轉(zhuǎn)轍器部分輪載過渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

荊 果，王 平

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

輪軌關(guān)系設(shè)計(jì)是高速道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心工作內(nèi)容，直接關(guān)系到能否保證高速列車過岔時(shí)的安全性與平穩(wěn)性。我國高速道岔中采用了縮短轉(zhuǎn)轍器部分輪載過渡范圍等技術(shù)措施來提高動(dòng)車組直向過岔時(shí)的行車安全性與舒適性。如何通過對(duì)轉(zhuǎn)轍器部分輪載過渡段的優(yōu)化設(shè)置，降低轉(zhuǎn)轍器部分的橫向不平順以提高列車直向過岔時(shí)的平穩(wěn)性，以及降低轍叉部分的結(jié)構(gòu)不平順以降低列車與道岔間的豎向動(dòng)力相互作用，是本文的研究重點(diǎn)。

為了研究輪載過渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)列車過岔平穩(wěn)性的影響，本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立輪軌系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)仿真計(jì)算模型，以LMA型踏面動(dòng)車組直向通過350 km/h 18號(hào)道岔為例，計(jì)算分析列車過岔時(shí)的動(dòng)力特性。

1 輪軌系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)計(jì)算模型

由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，要正確描述道岔各部件的振動(dòng)特性，解決道岔設(shè)計(jì)中所關(guān)心的問題，道岔結(jié)構(gòu)模型不可能像段間線路一樣簡(jiǎn)化為單邊軌道結(jié)構(gòu)，而必須是一個(gè)空間的雙層疊合梁系結(jié)構(gòu)。這就決定了道岔區(qū)輪軌系統(tǒng)分析模型必須是空間耦合振動(dòng)模型。

1.1 車輛模型

道岔區(qū)內(nèi)車輛模型與區(qū)間線路上相比，沒有特殊的要求，可以采用現(xiàn)有的分析模型。為了更為理想地模擬列車經(jīng)過道岔時(shí)的動(dòng)力特性，采用整車模型。車輛模型如圖1所示。

圖1 車輛模型

1.2 可動(dòng)心軌單開道岔的整體模型

建立可動(dòng)心軌道岔的整體模型如圖2所示。

圖2 可動(dòng)心軌道岔

建立模型時(shí)所作假定及所考慮的道岔結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)為:

模型中考慮了每一根鋼軌的參振。以岔枕支承點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，將鋼軌結(jié)構(gòu)離散化，鋼軌視為在豎向和橫向平面內(nèi)雙向可彎的歐拉梁，尖軌、可動(dòng)心軌及翼軌視為變截面梁，其它鋼軌視為等截面梁。每一鋼軌節(jié)點(diǎn)有4個(gè)自由度，即豎向位移、豎向偏角、橫向位移和橫向偏角。

考慮整體道床的參振，以鋼軌作用點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，將岔枕結(jié)構(gòu)離散化，岔枕在豎向平面內(nèi)視為單向可彎的歐拉梁，在橫向平面內(nèi)視為剛體質(zhì)量塊。每一岔枕節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，即豎向位移、豎向偏角及橫向位移。考慮鋼岔枕的參振。

鋼軌與岔枕的聯(lián)結(jié)視為彈簧阻尼裝置，其彈性和阻尼視支承情況不同而變化。岔枕與道床的聯(lián)結(jié)也視為彈簧阻尼裝置，在岔枕縱向上道床的支承彈性和阻尼視為均勻分布。

2 輪載過渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保證尖軌具有承受車輪壓力的足夠強(qiáng)度，一般在頂寬20 mm時(shí)尖軌才可以開始承載(即開始承載斷面)，在頂寬50 mm時(shí)與基本軌平齊，完全承載(即完全承載斷面)，兩者之間降低值線性變化，為輪載過渡段。本文通過改變開始承載斷面降低值、位置、完全承載斷面位置等三個(gè)影響因素來研究輪載過渡段的不同設(shè)計(jì)對(duì)列車過岔安全性及平穩(wěn)性的影響。

2.1 開始承載斷面降低值的影響

考慮尖軌頂寬 20 mm處頂面降低3，4，5 mm，頂寬50 mm斷面為完全承載處，三種方案的等效錐度、輪對(duì)傾角、動(dòng)力附加力、蛇行運(yùn)動(dòng)振動(dòng)四項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的比較如圖3所示，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

圖3 尖軌頂面降低值對(duì)道岔動(dòng)力參數(shù)影響比較

表1 尖軌頂面降低值對(duì)道岔動(dòng)力參數(shù)的影響

從圖3和表1可見，隨著開始承載斷面降低值的增大，輪載轉(zhuǎn)移點(diǎn)斷面逐漸后移，等效錐度、輪對(duì)傾角、輪對(duì)橫向位移逐漸增大，輪對(duì)的橫向穩(wěn)定性逐漸降低，但是該降低值也不是越小越好，當(dāng)降低值為3 mm時(shí)，因輪載轉(zhuǎn)移點(diǎn)前移較多，輪載轉(zhuǎn)移至尖軌上后，因輪軌橫向接觸點(diǎn)從軌距側(cè)逐漸向尖軌頂面中心處移動(dòng)，導(dǎo)致此時(shí)出現(xiàn)向上的高低不平順，反而導(dǎo)致車輪的動(dòng)力附加力增大，當(dāng)尖軌頂面降低值從4 mm增加至5 mm時(shí)，動(dòng)力附加力又是隨尖軌頂面降低的增大而增大的。總之，降低開始承載斷面降低值對(duì)提高列車過岔穩(wěn)定性是有利的。

2.2 開始承載斷面位置

考慮尖軌頂寬15，20，25 mm處開始承載，頂面降低值為4 mm，頂寬50 mm斷面為完全承載處，三種方案的等效錐度、輪對(duì)傾角、動(dòng)力附加力、蛇行運(yùn)動(dòng)振動(dòng)四項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的比較如圖4所示，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

圖4 開始承載斷面對(duì)道岔動(dòng)力參數(shù)影響比較

表2 開始承載斷面對(duì)道岔動(dòng)力參數(shù)的影響

從圖4及表2中可見，與頂面降低值的影響規(guī)律一樣，隨著開始承載斷面后移，輪載轉(zhuǎn)移點(diǎn)斷面也逐漸后移，等效錐度、輪對(duì)傾角、輪對(duì)橫向位移均逐漸增大，車輪動(dòng)力附加力也是在輪載轉(zhuǎn)移斷面較小處較大，而隨后隨著輪載轉(zhuǎn)移斷面的增大而增大。前移尖軌開始承載斷面有利于提高列車過岔穩(wěn)定性。

2.3 完全承載斷面位置

考慮尖軌頂寬40，50，60 mm處完全承載，頂面降低值為4 mm，頂寬20 mm斷面為開始承載處，三種方案的等效錐度、輪對(duì)傾角、動(dòng)力附加力、蛇行運(yùn)動(dòng)振動(dòng)四項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的比較如圖5所示，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。

圖5 完全承載斷面對(duì)道岔動(dòng)力參數(shù)影響比較

表3 完全承載斷面對(duì)道岔動(dòng)力參數(shù)的影響

從圖5及表3可見，隨著完全承載斷面后移，輪載轉(zhuǎn)移點(diǎn)斷面也逐漸后移，等效錐度、輪對(duì)傾角、輪對(duì)橫向位移均逐漸增大，雖然等效錐度、輪對(duì)傾角未超過設(shè)計(jì)控制值，但增加幅度較明顯，完全承載斷面頂寬增加10 mm，較減少10 mm增加幅度大得多，說明輪載轉(zhuǎn)移點(diǎn)越靠后，道岔的橫向及豎向不平順均有明顯增加，雖然完全承載斷面頂寬增加10 mm后，尖軌頂面縱坡有所減小，但對(duì)列車過岔平穩(wěn)性極為不利。

2.4 尖軌頂面降低值方案評(píng)估

轉(zhuǎn)轍器部分的輪軌關(guān)系設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能提高行車的平穩(wěn)性，綜合上述三方面因素，設(shè)置尖軌頂面降低值方案如表4所示。各方案對(duì)道岔動(dòng)力參數(shù)的影響如表5所示，采用列車道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)各方案的仿真分析結(jié)果如表6所示。

表4 直尖軌頂面降低值方案

表5 直尖軌降低值方案動(dòng)力參數(shù)比較

3 結(jié)論及建議

1)降低開始承載斷面降低值對(duì)提高列車過岔穩(wěn)定性是有利的。

2)前移尖軌開始承載斷面位置有利于提高列車過岔穩(wěn)定性。

3)完全承載斷面越靠后，道岔的橫向及豎向不平順越明顯，對(duì)列車過岔平穩(wěn)性極為不利。

4)從提高行車舒適性角度考慮，將轉(zhuǎn)轍器部分輪載過渡段設(shè)置為在直尖軌頂寬15 mm處降低3 mm，在頂寬40 mm處完全承載是比較合理的方案。

表6 直尖軌降低值方案動(dòng)力響應(yīng)比較

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