列車(chē)過(guò)18號(hào)道岔時(shí)輪對(duì)橫移仿真及試驗(yàn)研究*

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海; 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,100055,北京∥第一作者,碩士研究生）

列車(chē)過(guò)18號(hào)道岔時(shí)輪對(duì)橫移仿真及試驗(yàn)研究*

毛曉君1許玉德1陳文2

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海; 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,100055,北京∥第一作者,碩士研究生）

列車(chē)過(guò)岔時(shí)輪對(duì)橫移量的大小是道岔通過(guò)性能的重要參數(shù),也是影響道岔通過(guò)速度的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集道岔型面數(shù)據(jù),根據(jù)輪軌動(dòng)力學(xué)理論利用仿真軟件建立列車(chē)-道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型,對(duì)高速列車(chē)通過(guò)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)18號(hào)道岔時(shí)產(chǎn)生的輪軌橫移量進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明列車(chē)過(guò)岔時(shí)在轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)的橫移量較大,且轉(zhuǎn)轍區(qū)橫移量大于轍叉區(qū)。輪對(duì)橫移量隨列車(chē)過(guò)岔速度的提高增大,實(shí)測(cè)橫移量比仿真偏移量大些,最大實(shí)測(cè)橫移量發(fā)生在10號(hào)岔枕處,平均值為8.40 mm。

道岔;輪對(duì)橫移;仿真分析;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

First-author’saddress Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,201804,Shanghai,China

道岔是線(xiàn)路上的薄弱環(huán)節(jié),高速道岔的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)維修是確保列車(chē)運(yùn)行速度和安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。列車(chē)過(guò)岔時(shí)輪對(duì)橫移量的大小是道岔通過(guò)性能的重要參數(shù),也是影響道岔允許通過(guò)速度的關(guān)鍵因素之一［1-2］。道岔區(qū)列車(chē)橫移運(yùn)動(dòng)從產(chǎn)生機(jī)理上來(lái)說(shuō)共包括列車(chē)的蛇行運(yùn)動(dòng)和橫向振動(dòng)兩個(gè)部分,而道岔區(qū)列車(chē)的橫移是這兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)［3-4］。

由于道岔結(jié)構(gòu)及岔區(qū)輪軌作用的復(fù)雜性,列車(chē)過(guò)岔時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)比垂向運(yùn)動(dòng)復(fù)雜得多,如輪對(duì)沖擊尖軌和護(hù)軌、道岔橫向穩(wěn)定性問(wèn)題、側(cè)向過(guò)岔問(wèn)題等,都是迫切需要研究和分析解決的問(wèn)題。因此利用動(dòng)力學(xué)手段研究列車(chē)過(guò)岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。本文以合寧客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)某18號(hào)道岔為例,在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上利用Simpack動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立列車(chē)道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型,仿真分析高速列車(chē)過(guò)岔時(shí)的橫移量大小,其結(jié)果與同一道岔處現(xiàn)場(chǎng)橫移量測(cè)試結(jié)果對(duì)比,分析了仿真結(jié)果的可靠性和誤差的原因。

在輪軌動(dòng)力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Simpack建立單節(jié)CRH2型高速列車(chē)模型［5］。該模型由車(chē)體、搖枕、構(gòu)架以及輪對(duì)組成,輪對(duì)通過(guò)一系懸掛與轉(zhuǎn)向架的側(cè)架連接,側(cè)架通過(guò)二系懸掛與搖枕連接,搖枕與車(chē)體間的連接采用心盤(pán)及旁承。此外車(chē)體和每個(gè)構(gòu)架之間配有垂向、橫向和抗蛇行減震器。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于道岔區(qū)的軌道截面不同于一般區(qū)段,為了實(shí)現(xiàn)列車(chē)從一股軌道平穩(wěn)地轉(zhuǎn)入另一股軌道,要求道岔區(qū)的鋼軌截面寬度沿鋼軌縱向逐漸變化。為此,對(duì)合寧客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)某18號(hào)道岔按照?qǐng)D2所示位置進(jìn)行了道岔區(qū)不同截面數(shù)據(jù)的采集,而建模的基本思想是在模型中對(duì)應(yīng)軌道長(zhǎng)度處分別調(diào)用這些由實(shí)測(cè)得到的變截面數(shù)據(jù),并在兩個(gè)相鄰截面之間利用線(xiàn)性插值方法實(shí)現(xiàn)離散截面的連續(xù)和緩慢過(guò)渡［6］,其插值原理如圖3所示。

圖1 軌道列車(chē)拓?fù)潢P(guān)系示意圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)采集道岔截面形狀位置示意圖

圖3 變截面軌道插值原理示意圖

建好的變截面道岔模型,與CRH2型高速列車(chē)模型一起構(gòu)成完整的列車(chē)-道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型,并由此進(jìn)行輪對(duì)橫移量仿真分析。

2 道岔區(qū)輪對(duì)橫移量仿真分析

2.1 輪軌接觸點(diǎn)的理論分析

為了分析高速列車(chē)通過(guò)道岔區(qū)各岔枕時(shí)的輪軌接觸狀態(tài),包括接觸位置及接觸應(yīng)力分布等,仿真過(guò)程中等間隔地選取4號(hào)、8號(hào)、12號(hào)、16號(hào)和20號(hào)岔枕作為典型岔枕,觀測(cè)其輪軌接觸狀態(tài)如圖4所示。

從圖4中可以看出,列車(chē)由4號(hào)岔枕向20號(hào)岔枕逆向過(guò)岔時(shí),隨著尖軌截面的變寬,輪軌接觸點(diǎn)逐漸由基本軌轉(zhuǎn)移到尖軌,且其過(guò)渡在12～16號(hào)岔枕間完成。

2.2 高速列車(chē)過(guò)岔時(shí)輪對(duì)橫移量仿真分析

為研究不同速度下,列車(chē)過(guò)岔時(shí)輪對(duì)橫移量的差異,結(jié)合18號(hào)道岔的設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)研究［7-8］,采用210 km/h、250 km/h、270 km/h 3個(gè)速度級(jí),對(duì)直順向出岔的工況進(jìn)行仿真計(jì)算。由于同一列車(chē)各輪對(duì)橫移變化趨勢(shì)基本相同,因此在仿真計(jì)算過(guò)程中只對(duì)每一速度級(jí)列車(chē)的第一輪對(duì)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

不同速度下列車(chē)過(guò)岔時(shí)第一輪對(duì)橫移量仿真結(jié)果如圖5所示。圖中橫坐標(biāo)表示為岔枕編號(hào),正方向指向心軌方向;縱坐標(biāo)表示輪對(duì)在該計(jì)算點(diǎn)處的橫移量大小,正向表示偏向道岔直尖軌一側(cè),負(fù)向表示偏向道岔直基本軌一側(cè)。且圖中4～39號(hào)岔枕為轉(zhuǎn)轍器范圍,92～113號(hào)岔枕為轍叉范圍。

由圖5可知,列車(chē)直順向過(guò)岔時(shí)橫移運(yùn)動(dòng)受道岔橫向不平順的影響較大,且速度越高,橫移量越大。此外,列車(chē)輪對(duì)橫移量突變發(fā)生在5～42號(hào)岔枕及82～99號(hào)岔枕處,該范圍分別對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)轍區(qū)及轍叉區(qū)。造成輪軌橫移量在轉(zhuǎn)轍區(qū)及轍叉區(qū)較大范圍變化的原因是在該部位列車(chē)分別由基本軌向尖軌、翼軌向心軌運(yùn)動(dòng)或反向運(yùn)動(dòng),因而輪軌接觸狀態(tài)產(chǎn)生變化。

此外,以250 km/h順向出岔的工況為例,計(jì)算列車(chē)過(guò)岔時(shí)的橫移量大小,結(jié)果在轉(zhuǎn)轍區(qū)的兩處橫移量峰值為5.5 mm （偏向尖軌側(cè)）和-5.3 mm （偏向基本軌側(cè)）;而轍叉區(qū)的橫移量峰值為2.7 mm （偏向基本軌側(cè)）。由此可見(jiàn),列車(chē)過(guò)岔時(shí)在轉(zhuǎn)轍區(qū)處的橫移量遠(yuǎn)大于轍叉區(qū)。

綜上所述,受結(jié)構(gòu)不平順、鋪設(shè)精度、道岔幾何不平順等綜合影響,列車(chē)高速通過(guò)道岔時(shí),在轉(zhuǎn)轍區(qū)及轍叉區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大橫移量,且速度越高,橫移量越大,最大可達(dá)5～6 mm。此外,列車(chē)通過(guò)轉(zhuǎn)轍區(qū)的橫移量明顯大于轍叉區(qū)。

圖4 典型岔枕處輪軌接觸狀態(tài)

圖5 列車(chē)直順向過(guò)岔時(shí)第一輪對(duì)計(jì)算橫移量

3 輪對(duì)橫移測(cè)試分析

3.1 測(cè)試簡(jiǎn)介

為了比較橫移量仿真結(jié)果與輪對(duì)實(shí)際橫移量的差異,在道岔直向基本軌外側(cè),選擇6個(gè)測(cè)點(diǎn),采用激光非接觸位移傳感器對(duì)道岔關(guān)鍵位置處輪對(duì)橫移量進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試原理如圖6所示。

圖6 輪對(duì)橫移測(cè)試原理示意圖

測(cè)點(diǎn)位置包括尖軌尖端處、尖軌頂寬20 mm附近、尖軌頂寬40 mm附近、尖軌跟端、心軌尖端和心軌中部等,具體布置如表1所示。

測(cè)試過(guò)程中在線(xiàn)路外側(cè)安設(shè)傳感器,測(cè)出輪對(duì)與傳感器之間的距離,根據(jù)輪對(duì)、鋼軌和傳感器之間的幾何關(guān)系,可推出輪對(duì)相對(duì)線(xiàn)路中心線(xiàn)橫移量Δt,計(jì)算表達(dá)式如式（1）所示。

表1 輪對(duì)橫移量測(cè)點(diǎn)布置表m

式中：

S——測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處軌距;

Wr——鋼軌軌頭寬度;

T——輪背距為1 353 mm;

Tw——車(chē)輪厚度;

Dw——被測(cè)輪對(duì)端面距離傳感器的水平距離;

Dr——鋼軌外側(cè)距離傳感器的距離。

伏能士DeltaSpot電阻點(diǎn)焊工藝是針對(duì)鋁焊而開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。它的創(chuàng)新在于配備了獨(dú)特的電極帶。電極帶的發(fā)明帶來(lái)了前所未有的優(yōu)勢(shì)：

當(dāng)Δt為正值時(shí),表示輪對(duì)向遠(yuǎn)離傳感器的一側(cè)橫移;當(dāng)Δt為為負(fù)值時(shí),表示輪對(duì)向靠近傳感器的一側(cè)橫移。

當(dāng)測(cè)量一列動(dòng)車(chē)組時(shí),可根據(jù)一個(gè)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算得到該列車(chē)每個(gè)輪對(duì)在同一位置的輪對(duì)橫移量;因而可由所有傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算整列車(chē)在整個(gè)道岔的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試的對(duì)象包括通過(guò)該組道岔的 CRH1和CRH2動(dòng)車(chē)組。測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。圖中橫坐標(biāo)為岔枕編號(hào),正方向指向心軌方向;縱坐標(biāo)為輪對(duì)橫移量,正值表示輪對(duì)向遠(yuǎn)離傳感器的一側(cè)橫移;負(fù)值表示輪對(duì)向靠近傳感器的一側(cè)橫移。

圖7 道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)輪對(duì)橫移量平均值

圖7為不同編組的CRH1、CRH2型動(dòng)車(chē)組順向通過(guò)6～26號(hào)岔枕時(shí),動(dòng)車(chē)組在轉(zhuǎn)轍區(qū)相對(duì)線(xiàn)路中心的輪對(duì)橫移量。由圖可知,動(dòng)車(chē)、拖車(chē)相對(duì)線(xiàn)路中心的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致,其中16節(jié)編組的動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)與拖車(chē)輪對(duì)橫移量相近,8節(jié)編組的CRH2型動(dòng)車(chē)組拖車(chē)和動(dòng)車(chē)輪對(duì)橫移量最大相差為0.93 mm。因而動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)、拖車(chē)在轉(zhuǎn)轍區(qū)過(guò)岔輪對(duì)橫移量區(qū)別不大。此外,最大橫移量平均值為8.40 mm,發(fā)生在10號(hào)岔枕位置附近。

圖8為不同編組的CRH1、CRH2型動(dòng)車(chē)組順向通過(guò)88～110號(hào)岔枕時(shí),動(dòng)車(chē)組在轍叉區(qū)相對(duì)線(xiàn)路中心的輪對(duì)橫移量。由圖8可知,動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)、拖車(chē)在轍叉區(qū)過(guò)岔輪對(duì)橫移量仍然區(qū)別不大。最大橫移量平均值為4.71 mm,發(fā)生在 88號(hào)岔枕位置附近。

因此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也表明,動(dòng)車(chē)組直順向過(guò)岔時(shí),轉(zhuǎn)轍區(qū)的橫移量大于轍叉區(qū)。

圖8 道岔轍叉區(qū)輪對(duì)橫移量平均值

3.3 與仿真分析的對(duì)比

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與列車(chē) 道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型得到仿真結(jié)果對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn),實(shí)測(cè)輪對(duì)橫移量平均值大于仿真結(jié)果。這是由于在列車(chē)-道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型中由于沒(méi)有實(shí)測(cè)道岔區(qū)的軌道幾何不平順數(shù)據(jù),因此未考慮水平和高低等幾何不平順。因而在仿真計(jì)算時(shí)實(shí)際上忽略了邊界影響,列車(chē)輪對(duì)基本以零橫移量進(jìn)入道岔,而實(shí)測(cè)列車(chē)進(jìn)入道岔前有一定初始橫移量。這種初始橫移量不僅造成理論計(jì)算與實(shí)測(cè)橫移量的差異,同時(shí)使得二者發(fā)生最大橫移量的位置也有所偏移：仿真分析中最大橫移量發(fā)生在17號(hào)岔枕位置附近,而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)則發(fā)生在10號(hào)岔枕附近。因而為了提高動(dòng)力學(xué)仿真模型計(jì)算結(jié)果的正確性,應(yīng)在列車(chē)進(jìn)入道岔前輸入一定初始橫移量,而初始橫移量可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或在仿真模型中加入實(shí)測(cè)軌道幾何不平順等方式得到。但仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明,列車(chē)直順向過(guò)岔時(shí),轉(zhuǎn)轍區(qū)的橫移量大于轍叉區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)18號(hào)道岔的仿真分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),結(jié)果表明：

（1）列車(chē)直順向過(guò)岔時(shí),受道岔結(jié)構(gòu)的影響,在轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)的橫移量較大,且轉(zhuǎn)轍區(qū)橫移量大于轍叉區(qū)。用建立的列車(chē)-道岔動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算得到結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

（2）通過(guò)對(duì)過(guò)210 km/h、250 km/h、270 km/h 3個(gè)速度級(jí)列車(chē)直順向出岔的工況進(jìn)行仿真,結(jié)果表明列車(chē)過(guò)岔速度越高,橫移量越大。

（3）通過(guò)對(duì)輪軌橫移量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組過(guò)岔時(shí),動(dòng)車(chē)和拖車(chē)橫移趨勢(shì)一致,且最大橫移量平均值為8.40 mm,發(fā)生在10號(hào)岔枕位置附近。

（4）仿真模型中由于忽略了邊界影響,列車(chē)輪對(duì)基本以零橫移量進(jìn)入道岔,而實(shí)測(cè)列車(chē)進(jìn)入道岔前有一定初始橫移量,因而造成二者發(fā)生最大橫移量的位置也有所偏移。因此為了提高動(dòng)力學(xué)仿真模型計(jì)算結(jié)果的正確性,應(yīng)在列車(chē)進(jìn)入道岔前考慮一定初始橫移量。

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Simulation and Test of Wheelset Lateral Displacement for No. 18 Turnout on Passenger Dedicated Line

Mao Xiaojun,Xu Yude,Chen Wen

Lateral displacement of wheelset is an important factor of turnout passing performance,which affects the passing speed to a great degree.In this paper,the data of turnout profile is collected from field test,according to wheel/rail dynamic theory,a vehicle-turnout dynamics simulation model is established by using the multi-body dynamics simulation,which simulates the lateral displacement of wheelset when a high-speed train passes through the No.18 turnout on this passenger dedicated line.The analytic results show that the lateral displacement in switch area is larger than that in frog area,and is smallest in connecting area,meanwhile the lateral displacement will become larger when the speed of vehicle increases.The largest lateral displacement from field test occurs near the No.10 switch sleeper,and the average lateral displacement is 8.40 mm.

turnout;lateral displacement of wheelset;simulation calculation;field measurement

U 213.6

2013-01-25）