車輛過岔時輪對橫移運動的仿真分析

張海洋

(遼寧省交通規(guī)劃設計院，遼寧沈陽 110166)

鐵道車輛的輪對具有自行導向、低運行阻力、成列運行和嚴格的外形尺寸限制等特點。本文以國產動車組車輛及國產18號右開道岔構建模型，計算分析車輛直向過岔時的橫移運動動力響應。

1 計算軟件的選擇

本文計算分析采用多系統(tǒng)動力學計算分析軟件ADAMS/Rail，該軟件運用了輪軌接觸幾何關系，能夠充分考慮到輪軌多點接觸問題。利用ADAMS/Rail可以快速地建立鐵路車輛系統(tǒng)動力學模型，完成動力仿真分析。

2 計算建模

在ADAMS/Rail中的主要建模流程如圖1所示。

圖1 計算建模流程

2.1 輪軌接觸單元模型

ADAMS/Rail的輪軌單元按其采用的運動學處理方式不同分為線性輪軌單元、預算表格形式的非線性輪軌單元和根據輪軌幾何輪廓文件進行動態(tài)計算的通用非線性輪軌單元三種類型。本文采用通用非線性輪軌接觸單元。

2.2 車輛模型

本文以單節(jié)車輛在岔區(qū)間運行為主要研究對象，故在建立車體模型時只需建立車體及走行部(轉向架)模型即可。車輪選擇了RD33輪對中的KKD車輪［1-4］，車輪材料的彈性模量取為 2.1 ×105MPa，泊松比取為0.27。車輪踏面選擇目前國內機車中大量使用的JM3型踏面。

據此即可建立走行部(轉向架)及車體模型如圖2和圖3所示(本文所建車輛計算模型的前后轉向架性能、參數一致)。建立好轉向架及車體子系統(tǒng)模型后就可以利用ADAMS/Rail軟件把分散的前、后轉向架和車體子系統(tǒng)模型組裝為一個車輛系統(tǒng)集成模型。

圖2 車輛走行部(轉向架)模型

圖3 車輛車體模型

2.3 道岔模型

本文以客運專線18號單開(右開)道岔為研究對象，其直向允許通過速度為250 km/h，側向允許通過速度為80 km/h，道岔設計軌距均為1 435 mm，道岔前長31.729 m，后長37.271 m，全長69.000 m。平面線型采用相離型的平面線型，相離值12.0 mm，從尖軌軌頭寬26.8 mm開始做半切線。

2.3.1 ADAMS/Rail軟件道岔建模原理

ADAMS/Rail采用的系統(tǒng)坐標系如圖4所示，縱向坐標x以輪對前進方向為正，垂向坐標z以向下為正，橫向坐標y以指向右側鋼軌為正。

圖4 ADAMS/Rail系統(tǒng)坐標系

ADAMS/Rail通過5種屬性文件來描述完整的軌道模型，即線路文件、彈性軌道文件、鋼軌斷面文件、不平順文件和彈性護軌文件。

由于道岔結構形式復雜，其動力建模時應考慮以下原則:動力建模時應考慮主要影響因素，使道岔模型具有系統(tǒng)性、完整性;道岔的轉轍器、連接部分和轍叉結構形式差異較大，動力模型應能將這三處的結構特征反應出來;模型在具有足夠精度的基礎上盡可能簡化，根據道岔軌道截面形狀的不同分別建立相應截面，兩截面之間軌道采用插值法處理，分別得到道岔直向的左右鋼軌模型來實現對道岔的模擬。由于本文不研究車輛輪對的垂向振動特性，所以整個道岔模型不考慮彈性軌道，以求大幅降低模型的求解難度，提高模型的適用性。

2.3.2 道岔模型的建立

根據以上的建模原理可知，在建立直向道岔模型的過程中，需要兩種屬性文件:線路文件和鋼軌斷面文件。直順向、直逆向過岔分別根據轉轍器區(qū)和轍叉區(qū)的特殊截面(主要包括基本軌、尖軌、翼軌、心軌、護軌以及它們相互密貼的那些截面)建立相應的線路文件。本文計算車輛直向通過道岔共建立了21個鋼軌斷面文件。

在建立道岔模型時為了消除邊界條件對計算分析的影響，在線路文件中定義線路總長的時候需要將道岔的兩端延長一段距離，本文在兩端各延長150 m。線路鋼軌的材料屬性也是在線路文件中定義，本文取鋼軌的彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.27。線路文件的內容比較多，這里不再詳述，其內容和建立方法參見文獻［5］相關內容。線路文件做好之后，利用ADAMS/Rail的輪軌前處理程序建立道岔模型。至此，可以得到計算車輛直向通過道岔橫移運動的完整模型，如圖5所示。

2.4 仿真計算的基本假定

1)在計算過程中假設轉向架為剛性轉向架，即前后輪軸對于轉向架縱軸不能做相對轉動。

2)尖軌與基本軌密貼區(qū)，心軌與翼軌密貼區(qū)兩鋼軌共同承受著列車荷載，假定兩者位移相同，將該處兩鋼軌視為一股。共同承受列車運行時傳遞的荷載，除截面變化外等效于區(qū)間線路。該鋼軌視為彈性點支承基礎上的變截面歐拉梁，道岔區(qū)內其它部分鋼軌視為彈性點支承基礎上的等截面歐拉梁。岔枕在豎向上視為連續(xù)彈性基礎上的有限長歐拉梁，橫向上視為剛性質量塊參與系統(tǒng)振動。

圖5 車輛直向通過道岔橫移運動完整模型

3)鋼軌與岔枕間的扣件聯(lián)結簡化為彈簧—阻尼裝置。岔枕與道床之間的垂向聯(lián)結處理成均布彈簧—阻尼形式，它們的剛度值和阻尼值在振動過程中保持定值;在橫向上，道砟對岔枕的影響處理成等效彈簧—阻尼元件形式。其力學計算模型如圖6所示(左股鋼軌)。

圖6 仿真計算的軌道力學模型

4)列車直向過岔時，不考慮曲尖軌、短心軌的參振，也不考慮雙尖軌所形成的框架對尖軌橫向振動的影響。

5)假設各車輪的輪重均相等，與軌頂面的摩擦系數亦相同。

3 車輛過岔的橫移量計算結果及分析

通過以上道岔、車輛橫型的建立，在如前所述假設條件下，具備了用多剛體系統(tǒng)動力學軟件ADAMS/Rail計算的基礎條件。根據道岔的設計情況初步采用200 km/h，250 km/h，275 km/h 3 個速度級，逆向進岔和順向出岔兩種過岔方式共計6種工況進行計算。

3.1 車輛過岔的整體性橫移量計算結果分析

車輛通過道岔時在計算里程范圍內的橫移量如圖7和圖8所示，圖中橫坐標為計算點距尖軌尖端距離，正方向指向心軌一側;縱坐標為輪對在線路上運行時的計算橫移量，正值表示偏向直尖軌一側，負值表示偏向直基本軌一側。道岔起點距零點1.955 m(即圖中的－1.955 m處)，道岔全長69.0 m，道岔所在線路范圍為－1.955～67.045 m。

由計算結果可以看出，車輛通過道岔時受道岔平面幾何不平順影響，橫移量明顯增大。由于鐵路特殊的輪軌作用關系，引起車輛的蛇行運動，在道岔區(qū)內，由于道岔尖軌與心軌處的藏尖結構造成道岔平面尺寸上的不平順，這種平面尺寸不平順對車輛運行造成一定的激勵作用，引起車輛的蛇行運動，在尖軌、心軌截面變化處，車輛輪對受力劇烈轉換，引起車輛輪對的橫向振動。故車輛在道岔區(qū)是蛇行運動與橫向振動兩種運動形式的復合(在有橫向振動的區(qū)域，即尖軌與心軌段呈現不規(guī)則的蛇行運動波形)。通過道岔區(qū)后由于不再受橫向激勵的影響，車輛為單一的蛇行運動，受車輛輪軌蠕滑力影響，車輛的橫向運動振幅迅速收斂。速度越高，收斂距離越長。

3.2 車輛通過道岔時四輪對的橫移量計算分析

同一車輛四輪對橫移量計算結果如圖9所示。圖中橫坐標表示計算點到尖軌尖端距離，正方向為指向心軌方向，道岔所在里程范圍為－1.955～67.045 m。縱坐標為輪對在線路上運行時的計算橫移量，正值表示偏向直尖軌一側，負值表示偏向直基本軌一側。

圖7 車輛逆向進岔時輪對計算橫移量

圖8 車輛順向出岔時輪對計算橫移量

圖9 車輛200 km/h逆向進岔時各輪對橫移量

由計算結果可以看出，同一車輛過岔時各輪對橫移量相差不大，前后轉向架前軸、后軸橫移量及變化規(guī)律基本相同。這是因為鐵路車輛轉向架軸距、輪對相對固定，在車輛行駛過程中，總是轉向架前軸先接觸道岔區(qū)內不平順，而前軸受道岔不平順激勵引起橫向振動時又對后輪有一個同向的影響，所以各個轉向架的前軸對道岔區(qū)平面幾何不平順的影響較后軸更為敏感。所以在轉向架前后軸具有同向的橫移趨勢時前軸的橫移量略小于后軸。而前后軸具有反向的橫移運動趨勢時，前軸的橫移量略大于后軸。不過總體來說相差并不明顯，各輪對橫移變化趨勢基本相同，故以下分析只對每一速度級車輛的第一輪對的計算結果進行分析。

3.3 車輛過岔的橫移量計算結果及分析

當車輛以不同速度(200 km/h，250 km/h，275 km/h)通過道岔時，車輛輪對的橫移量如圖10和圖11所示。圖中橫坐標表示為計算點距尖軌尖端距離，正方向指向心軌方向;縱坐標分別表示輪對在該計算點處的橫移量及所受外力，正方向指向道岔的直尖軌一側，負向反之。圖中 0～21.45 m為直尖軌范圍;53.020～67.045 m為心軌范圍。

從計算結果可以看出，車輛通過道岔時橫移運動受道岔平面幾何不平順的影響較大，速度越高，橫移量越大，其滯后效應也就越明顯;道岔平面幾何不平順對車輛順向進岔和逆向出岔時的影響有明顯的不同，車輛順向進岔時的橫移運動振幅要比車輛逆向進岔時大。這是因為車輛順向進岔時先經過心軌部分，心軌部分的截面變化過渡長度較尖軌部分要短，即心軌不平順波長較短。相對而言對車輛的影響也就較大，造成輪對橫移量增大。

圖10 車輛逆向進岔進輪對計算橫移量

圖11 車輛順向進岔進輪對計算橫移量

對速度為250 km/h逆向進岔和順向出岔兩種工況計算橫移量進行分析。在尖軌范圍內，車輛逆向過岔時在尖軌0～15.0 m范圍內偏向基本軌一側，最大橫移量為1.74 mm。在尖軌15.00～21.45 m范圍內偏向尖軌側運行，最大橫移量為2.13 mm。而此范圍已過尖軌斷面過渡范圍，完全由尖軌承受列車荷載作用。順向出岔時在0～7.8 m范圍內偏向尖軌方向運行，最大橫移量4.1 mm。在7.80～21.45 m范圍內偏向基本軌側運行，最大橫移量為2.9 mm。由此可見，車輛順向出岔比逆向進岔時更容易造成尖軌的磨損。在心軌范圍內，車輛逆向進岔時基本均偏向基本軌運行，最大橫移量為2.9 mm。車輛順向出岔時車輛也基本偏向基本軌運行，最大橫移量為1.7 mm。較逆向進岔時橫移量要小41.4%。即在不受區(qū)間不平順的影響下，順向出岔較逆向進岔更趨向于偏向心軌方向運行。

由以上計算結果可以看出，無論是尖軌部分還是心軌部分，車輛順向出岔時輪對所受的橫向輪軌力均要比以相同速度逆向進岔時輪對所受的橫向輪軌力大得多，這也就是造成圖7和圖8車輛輪對橫移量存在差異的根本原因。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1010—2005 鐵道車輛用輪對型式與基本尺寸［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 449—2003 機車車輛車輪輪緣踏面外形［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［3］郭俊，劉啟躍，王文健.鋼軌打磨對輪軌滾動接觸斑行為影響研究［J］.鐵道建筑，2009(12):92-94.

［4］王惠銀，步啟軍.輪軌關系與磨耗［J］.鐵道建筑，2007(1):92-93.

［5］王成國.MSC.ADAMS/Rail基礎教程［M］.北京:科學出版社，2005.