動(dòng)車組與貨車側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔動(dòng)力學(xué)特性分析

孫宏友,王　平,張東風(fēng),曾曉輝,徐井芒

(1.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；

2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京　100055)

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動(dòng)車組與貨車側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔動(dòng)力學(xué)特性分析

孫宏友1,王平1,張東風(fēng)2,曾曉輝1,徐井芒1

(1.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；

2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京100055)

摘要：基于列車動(dòng)力學(xué)和道岔動(dòng)力學(xué)理論,建立可考慮整體道床12號(hào)交叉渡線道岔鋼軌型面變化的列車-道岔耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。用數(shù)值模擬方法分析動(dòng)車組和貨車以50 km/h側(cè)向通過(guò)該交叉渡線道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)果表明：動(dòng)車組和貨車通過(guò)時(shí)輪軌力、脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力、車體振動(dòng)響應(yīng)有所不同,但均滿足安全舒適要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；貨車；交叉渡線道岔；動(dòng)力學(xué)

道岔是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，是使列車從一股軌道轉(zhuǎn)入另一股軌道所必須的線路設(shè)備[1]，需要采用寬度及高度漸變的尖軌及心軌這種特殊斷面的鋼軌[2]。交叉渡線道岔因其結(jié)構(gòu)及功能特殊性[3]，平面線型設(shè)計(jì)條件有限，存在不可避免的輪軌結(jié)構(gòu)不平順和橫向沖擊、軌道整體剛度沿線路方向的分布不均勻[4]、活動(dòng)軌件易變形而形成離縫、無(wú)縫道岔伸縮及振動(dòng)過(guò)大等原因?qū)е铝熊囘^(guò)岔時(shí)的輪軌動(dòng)力作用和養(yǎng)護(hù)維修工作量遠(yuǎn)大于區(qū)間線路。對(duì)于整體道床12號(hào)交叉渡線道岔而言，需要研究列車與道岔間的動(dòng)態(tài)相互作用問(wèn)題，以提升其技術(shù)性能。

交叉渡線道岔自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，岔區(qū)的輪軌關(guān)系也較區(qū)間軌道[5]和普通單開(kāi)道岔復(fù)雜，基于列車動(dòng)力學(xué)和道岔動(dòng)力學(xué)理論，與將道岔軌道視為等截面處理[6-8]不同，建立了可考慮交叉渡線道岔鋼軌型面變化的列車-道岔耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。為了將列車模型與道岔模型統(tǒng)一為整體振動(dòng)系統(tǒng)，以輪軌動(dòng)態(tài)接觸幾何關(guān)系[9-11]為基礎(chǔ)，利用赫茲法向接觸理論和蠕滑理論分析了二者的相互作用。依據(jù)上述模型，采用哈密爾頓原理組建整體模型振動(dòng)方程組，用于求解列車過(guò)岔時(shí)列車及道岔系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，分析評(píng)價(jià)列車側(cè)向通過(guò)[12]整體道床12號(hào)交叉渡線道岔的安全性及平穩(wěn)性。

1計(jì)算模型和參數(shù)

1.1車輛模型

車輛模型建立過(guò)程中，主要參考快速或高速客車或貨車結(jié)構(gòu)形式，以4個(gè)輪對(duì)、2個(gè)轉(zhuǎn)向架和1個(gè)車體構(gòu)成，轉(zhuǎn)向架考慮成沒(méi)有搖枕、搖動(dòng)臺(tái)和旁承的三無(wú)結(jié)構(gòu)，同時(shí)將各部件視為剛體，即車輛模型是由7個(gè)剛體組成的多剛體全車模型。其中輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架之間的一系懸掛由彈簧和阻尼原件組成，懸掛點(diǎn)位于各輪軸端部共8個(gè)，轉(zhuǎn)向架與車體之間的二系懸掛同樣由彈簧和阻尼原件組成，車體與前后轉(zhuǎn)向架中心兩側(cè)各2個(gè)懸掛點(diǎn)共4個(gè)，每個(gè)懸掛點(diǎn)又分為縱向、橫向和垂向3個(gè)方向。此時(shí)，車輛模型自由度分布情況中除輪對(duì)考慮沉浮、橫移、側(cè)滾和搖頭4個(gè)自由度以外，轉(zhuǎn)向架和車體均考慮沉浮、橫移、側(cè)滾、搖頭和點(diǎn)頭5個(gè)自由度，共計(jì)31個(gè)自由度[13]。

1.2道岔模型

道岔模型在包括轉(zhuǎn)轍器、連接部分、12號(hào)銳角轍叉、6號(hào)銳角轍叉及6號(hào)鈍角轍叉等基本結(jié)構(gòu)的前提下，充分考慮了各細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)交叉渡線道岔振動(dòng)的影響，盡可能使道岔模型與實(shí)際情況相符，基本的建模原則和方法與文獻(xiàn)[14]相同。圖1所示為本文研究的交叉渡線道岔線型示意，圖2所示為本文研究的交叉渡線道岔模型示意，由于交叉渡線道岔具有對(duì)稱性，所以模型示意只畫(huà)出了左半部分。

圖1　交叉渡線道岔線型示意

1.3計(jì)算參數(shù)

本文研究的12號(hào)交叉渡線道岔直向容許通過(guò)速度160 km/h，采用固定型轍叉，分12號(hào)銳角轍叉、6號(hào)銳角轍叉、6號(hào)鈍角轍叉3種，軌下基礎(chǔ)為整體道床型式布置。道岔扣件系統(tǒng)豎向剛度為35 kN/mm，橫向剛度為30 kN/mm。道岔采用調(diào)高墊板，適應(yīng)無(wú)砟軌道調(diào)高需求。轉(zhuǎn)轍器尖軌采用60D40尖軌，為曲線尖軌形式，尖軌尖端為藏尖式，跟端為防跳限位器。尖軌設(shè)置兩個(gè)牽引點(diǎn)，尖軌長(zhǎng)13.64 m，其中彈性可彎段長(zhǎng)度3.85 m，彈性可彎中心距尖軌尖端距離11.198 m，導(dǎo)曲線半徑為350 m，相離型曲線尖軌。尖軌尖端理論厚度3.0 mm，距實(shí)際尖端200 mm處開(kāi)始補(bǔ)充刨切。道岔軌距均為1435 mm，岔枕均按垂直于直股方向布置，岔枕間距一般按600 mm布置(牽引點(diǎn)和轍叉部分等除外)。

圖2　交叉渡線道岔模型示意

2計(jì)算結(jié)果

利用本文建立的車輛模型和交叉渡線道岔模型，分別計(jì)算了CRH2動(dòng)車組和C80型貨車以50 km/h速度側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，由于列車在運(yùn)行的過(guò)程中第一輪對(duì)最先受到?jīng)_擊并且沖擊劇烈，主要以第一輪對(duì)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。

2.1輪軌力分布

CRH2動(dòng)車組和C80型貨車第一輪對(duì)兩側(cè)輪軌間垂向力和橫向力如表1所示。

表1　CRH2動(dòng)車組和C80型貨車第一輪對(duì)輪軌垂向力　kN

由表1可以看出，列車在側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)，基本軌要先后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)轍器部分、12號(hào)轍叉護(hù)軌、6號(hào)銳角轍叉和6號(hào)鈍角轍叉，尖軌要先后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)轍器部分、12號(hào)轍叉、6號(hào)銳角轍叉護(hù)軌和6號(hào)鈍角轍叉，在這些部位輪軌相互作用劇烈，使輪軌間作用力有較大程度變化，其中CRH2動(dòng)車組的輪軌垂向力最大值為108.03 kN，輪軌橫向力最大值為37.95 kN；C80型貨車的輪軌垂向力最大值為179.69 kN，輪軌橫向力最大值為70.05 kN。

2.2安全性評(píng)價(jià)

列車運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)主要包括脫軌系數(shù)和減載率，根據(jù)列車第一輪對(duì)輪軌間相互作用力所得的CRH2動(dòng)車組和C80型貨車脫軌系數(shù)和減載率分別如圖3～圖6所示。

圖3　CRH2動(dòng)車組第一輪對(duì)脫軌系數(shù)

圖4　C80型貨車第一輪對(duì)脫軌系數(shù)

從圖3可以看出，CRH2動(dòng)車組側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)輪對(duì)脫軌系數(shù)最大值為0.51，小于安全限值0.8。從圖4可以看出，C80型貨車側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)輪對(duì)脫軌系數(shù)最大值為0.54，小于安全限值0.8。輪對(duì)脫軌系數(shù)最大值發(fā)生在固定轍叉區(qū)，主要由輪對(duì)通過(guò)交叉渡線道岔沖擊心軌所致，脫軌系數(shù)的幅值較小，對(duì)行車安全性影響較小。

圖5　CRH2動(dòng)車組第一輪對(duì)減載率

圖6　C80型貨車第一輪對(duì)減載率

從圖5可以看出，CRH2動(dòng)車組側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)，減載率最大值為0.56，未超出安全限值0.6。從圖6可以看出，C80型貨車側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)，減載率最大值為0.48，未超出安全限值0.6。

2.3輪軸橫向力

輪軸橫向力大小將影響線路穩(wěn)定性，是產(chǎn)生軌排橫移量增加，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低的重要原因之一，對(duì)于道岔結(jié)構(gòu)而言，需嚴(yán)格控制其側(cè)股各部位軌距，可從輪軸橫向力角度進(jìn)行評(píng)判。CRH2動(dòng)車組和C80型貨車第一輪對(duì)輪軸橫向力分別如圖7、圖8所示。

圖7　CRH2動(dòng)車組第一輪對(duì)輪軸橫向力

圖8　C80型貨車第一輪對(duì)輪軸橫向力

由圖7、圖8可知，列車側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)，CRH2動(dòng)車組和C80型貨車第一輪對(duì)輪軸橫向力最大值分別為43.83 kN和61.12 kN，這是由于車輪通過(guò)固定轍叉有害空間時(shí)產(chǎn)生較大橫向力而導(dǎo)致的。根據(jù)列車通過(guò)道岔時(shí)的輪軸橫向力限值計(jì)算式0.85(10+P0/3)計(jì)算，可以得到CRH2動(dòng)車組和C80型貨車第一輪對(duì)輪軸橫向力的限值分別為48.17 kN和77.85 kN，其中P0為列車靜軸重。上述輪軸橫向力最大值未超出限值范圍。

2.4車體振動(dòng)響應(yīng)

CRH2動(dòng)車組和C80型貨車車體垂向及橫向振動(dòng)加速度隨輪對(duì)所在道岔位置的不同而產(chǎn)生的變化分別如圖9、圖10所示。

圖9　CRH2動(dòng)車組車體振動(dòng)響應(yīng)

圖10　C80型貨車車體振動(dòng)響應(yīng)

由圖9(a)可以看出，當(dāng)CRH2動(dòng)車組側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)，由于道岔存在結(jié)構(gòu)不平順和有害空間，將使車體產(chǎn)生明顯波動(dòng)，列車側(cè)向通過(guò)交叉渡線道岔時(shí)垂向振動(dòng)加速度最大值為0.59 m/s2，遠(yuǎn)小于車體舒適度指標(biāo)1.3 m/s2，這是因?yàn)槟壳皠?dòng)車組車輛優(yōu)良的一系和二系減振使由輪對(duì)向上傳遞的振動(dòng)得到了較大程度的衰減。由圖10(a)可以看出，C80型貨車側(cè)向通過(guò)同一存在結(jié)構(gòu)不平順和有害空間的交叉渡線道岔時(shí)，由于貨車性能不如動(dòng)車組好，使貨車側(cè)向通過(guò)交叉渡線道岔時(shí)垂向振動(dòng)加速度最大值為0.64 m/s2。

由圖9(b)可以看出，當(dāng)CRH2動(dòng)車組側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔時(shí)，車體橫向加速度在車輪通過(guò)轉(zhuǎn)轍器和轍叉位置附近達(dá)到峰值，且在導(dǎo)曲線上維持較大值。由于列車側(cè)向過(guò)岔時(shí)，未被平衡加速度是導(dǎo)致車體具有較大橫向加速度的主要原因，因此舒適度指標(biāo)相對(duì)于車體垂向加速度也有更為嚴(yán)格的要求?？紤]到輪對(duì)在固定轍叉處將與心軌產(chǎn)生撞擊，此處車體橫向加速度達(dá)到最大值0.42 m/s2，小于舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)1 m/s2。由圖10(b)可以看出，C80型貨車側(cè)向通過(guò)此交叉渡線道岔時(shí)，車體橫向加速度在車輪通過(guò)轉(zhuǎn)轍器和轍叉位置附近達(dá)到峰值，考慮到輪對(duì)在固定轍叉區(qū)將與心軌產(chǎn)生撞擊，此處車體橫向加速度達(dá)到最大值0.89 m/s2。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)CRH2動(dòng)車組和C80型貨車以50 km/h速度側(cè)向通過(guò)整體道床12號(hào)交叉渡線道岔動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)CRH2動(dòng)車組的輪軌垂向力最大值為108.03 kN，輪軌橫向力最大值為37.95 kN；C80型貨車的輪軌垂向力最大值為179.69 kN，輪軌橫向力最大值為70.05 kN。

(2)CRH2動(dòng)車組和C80型貨車脫軌系數(shù)最大值分別為0.51和0.54，均小于安全限值0.8；CRH2動(dòng)車組和C80型貨車減載率最大值分別為0.56和0.48，均未超出安全限值0.6。

(3)CRH2動(dòng)車組輪軸橫向力最大值為43.83 kN，未超出限值48.17 kN。C80型貨車輪軸橫向力最大值為61.12 kN，未超出限值77.85 kN。

(4)CRH2動(dòng)車組垂向和橫向振動(dòng)加速度最大值分別為0.59 m/s2和0.42 m/s2，小于車體舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)1.3 m/s2和1 m/s2；C80型貨車垂向和橫向振動(dòng)加速度最大值分別為0.64 m/s2和0.89 m/s2。

綜上所述，整體道床12號(hào)無(wú)砟交叉渡線道岔可以滿足CRH2動(dòng)車組和C80型貨車安全舒適通過(guò)的要求。

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Dynamics Analysis of EMUS and Freight Car Passing through No.12 Crossover Turnout with Solid BedSUN Hong-you1, WANG Ping1, ZHANG Dong-feng2, ZENG Xiao-hui1, XU Jing-mang1

(1.MOE Key Laboratory of High speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：Based on the theories of train dynamics and turnout dynamics, a dynamic model for a vehicle-turnout coupling system is established to address rail profile changes of No.12 crossover turnout with solid bed. The dynamic characteristics of EMUS and freight car are analyzed with numerical simulation method when they pass through crossover turnout at the speed of 50 km/h. The results show that EMUS and freight car may differ in wheel-rail force, derailment coefficient, load reduction rate, axle lateral force, car body vibration response when passing through the turnout, but both meet the requirements for safety and comfort.

Key words：EMUS; Wagon; Crossover turnout; Dynamics

中圖分類號(hào)：U213.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.015

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0070-04

作者簡(jiǎn)介：孫宏友(1988—)男，碩士研究生，E-mail：563471355@qq.com。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目 (2682013CX043)

收稿日期：2014-07-19； 修回日期：2014-08-25