列車通過12號無砟道岔及配套交叉渡線時的安全性和舒適性評價

王偉平,王　健,徐井芒,王　平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都　610031)

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列車通過12號無砟道岔及配套交叉渡線時的安全性和舒適性評價

王偉平,王健,徐井芒,王平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都610031)

摘要：對于12號無砟道岔及配套交叉渡線而言,需要研究列車與道岔間的動態(tài)相互作用問題。分別建立了車輛模型和道岔模型,其中車輛模型采用主要考慮車體、轉(zhuǎn)向架和輪對三部分結(jié)構(gòu)的單列全車模型,道岔模型包括轉(zhuǎn)轍器、連接部分、12號轍叉、6號銳角轍叉及6號鈍角轍叉等基本結(jié)構(gòu),充分考慮各細部結(jié)構(gòu)對其振動的影響,以盡可能與實際情況相符；然后用列車動力學和道岔動力學理論,建立可考慮交叉渡線道岔鋼軌型面變化的列車-道岔耦合動力學計算模型。研究結(jié)果表明：當CRp動車組以時速50 km側(cè)向通過客運專線用60 kg/m鋼軌12號交叉渡線道岔時,能滿足旅客的安全性和舒適性要求。

關(guān)鍵詞：12號無砟道岔；交叉渡線； 動力學；安全性

1概述

交叉渡線道岔因其結(jié)構(gòu)及功能特殊性，平面線型設(shè)計條件有限，不可避免地存在輪軌結(jié)構(gòu)不平順和橫向沖擊、軌道整體剛度沿線路方向分布的不均勻[1，2]、活動軌件易變形而形成離縫、無縫道岔伸縮及振動過大等問題，導致列車過岔時的輪軌動力作用和養(yǎng)護維修工作量遠大于區(qū)間線路。隨著列車運行速度、運載質(zhì)量和運輸密度的大幅度提高，使得列車與道岔系統(tǒng)的動力學問題更加突出，也更趨復雜。列車運行速度的提高，列車與道岔間的動態(tài)相互作用增強，使得行車安全性與乘坐舒適性降低，要求道岔具有更高的平順性；列車運載質(zhì)量的提高，輪軌之間的動力作用增強，使列車對道岔結(jié)構(gòu)的破壞作用加大，要求道岔具有更高的強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；列車運輸密度的提高，道岔所受荷載頻次增大，同時可供上道維修的時間縮短，要求道岔具有更高的可靠性?？傊?，客車高速化、貨運重載化大大加劇了列車與道岔間的動態(tài)相互作用。對于12號無砟道岔及配套交叉渡線而言，需要研究列車與道岔間的動態(tài)相互作用問題，以提升其技術(shù)性能。

2車輛模型[3]及其振動方程建立

2.1車輛模型

圖1　車輛模型縱向示意

圖2　車輛模型單側(cè)俯視

車輛模型是由7個剛體組成的多剛體全車模型。車輛模型自由度分布情況中除輪對考慮沉浮、橫移、側(cè)滾和搖頭4個自由度以外，轉(zhuǎn)向架和車體均考慮沉浮、橫移、側(cè)滾、搖頭和點頭5個自由度，共計31個自由度[4]。車輛模型具體組成如圖1～圖3所示。

圖3　車輛模型橫向示意

2.2車輛振動方程建立

根據(jù)質(zhì)量矩陣[Mv]、剛度矩陣[Kv]、阻尼矩陣[Cv]和荷載列陣{Pv}，可組建子系統(tǒng)振動方程為

(1)

3道岔模型及其振動方程建立[5]

3.1道岔模型

根據(jù)上述道岔結(jié)構(gòu)特點及建模原則，充分考慮其必要組成部分后，以目前使用較為廣泛的可動心軌轍叉型道岔為例，建立了單開道岔結(jié)構(gòu)整體模型，模型示意如圖4所示。

圖4　道岔結(jié)構(gòu)整體模型示意

3.2道岔振動方程

根據(jù)道岔子系統(tǒng)質(zhì)量矩陣[Mt]、剛度矩陣[Kt]和阻尼矩陣[Ct]，可組建子系統(tǒng)振動方程為

(2)

4輪軌接觸耦合關(guān)系求解

通過之前的推算已經(jīng)得到車輛子系統(tǒng)和道岔子系統(tǒng)振動方程，為了計算車輛運行于道岔區(qū)時，與道岔相互作用產(chǎn)生的動力響應(yīng)情況，根據(jù)輪軌動態(tài)接觸幾何關(guān)系，將兩子系統(tǒng)通過車輪與鋼軌間的動力耦合作用聯(lián)系在一起，形成車輛-道岔系統(tǒng)整體模型[7]，其中動力耦合關(guān)系可垂向和橫向分別計算，且橫向耦合作用需根據(jù)輪軌接觸情況的不同分為蠕滑力和接觸力的求解[8]。

5動車組側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔仿真計算結(jié)果

CRp動車組以時速50 km側(cè)向通過客運專線用60 kg/m鋼軌12號交叉渡線道岔時，列車道岔系統(tǒng)動力學響應(yīng)不同，下面以直向通過斜腿布置渡線道岔這種情況為例計算系統(tǒng)的動力學特性。列車側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔時，相當于列車通過12號道岔直股線路，6號銳角轍叉及6號鈍角轍叉，主要分析列車側(cè)向通過交叉渡線時的輪軌力分布、脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力、車體垂橫向加速度及輪軌磨耗功分布等。整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔斜腿方案線型如圖5所示。

圖5整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉
渡線道岔斜腿方案線型

5.1輪軌力分布

車輛側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔時，第一輪對兩側(cè)輪軌間垂向力和橫向力如圖6、圖7所示。由圖6可以看出，由于列車行駛于道岔直股，輪軌之間動態(tài)相互作用主要受交叉渡線道岔結(jié)構(gòu)不平順的影響，列車在側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔時，要先后通過2個12號固定轍叉、2個6號銳角轍叉、2個6號鈍角轍叉，均存在有害空間，導致兩側(cè)鋼軌上輪軌相互作用劇烈。當一側(cè)鋼軌上輪軌相互作用增加時，相應(yīng)另一側(cè)鋼軌上輪軌相互作用減小，兩側(cè)垂向荷載之和大致等于列車單軸軸重，因此左右車輪輪軌垂向力分布相對于輪對靜載大小呈近似對稱分布。列車在通過轉(zhuǎn)轍器部分時，由于道岔自身結(jié)構(gòu)不平順的影響較小，使輪軌間作用力有較小程度變化[9]，而在通過固定轍叉時，鋼軌上垂向力達到最大值98.15 kN，這是因為轍叉區(qū)有害空間的影響，導致車輪通過時沖擊鋼軌所致的。

圖6　第一輪對輪軌垂向力

圖7　第一輪對輪軌橫向力

由圖7可以看出，由于輪軌間作用力在兩側(cè)鋼軌上的偏載作用，使橫向力分配也有不同程度的改變，同樣在固定轍叉處達到峰值，轉(zhuǎn)轍器部分尖軌側(cè)輪軌橫向力有較小程度的變化。當列車通過固定轍叉有害空間時，將產(chǎn)生對心軌的撞擊作用，此處橫向力發(fā)生突變，同時疊加有道岔橫向不平順，使最大值達10.85 kN。

5.2安全性評價

列車運行安全性評價主要包括脫軌系數(shù)和減載率[10]，根據(jù)列車第一輪對輪軌間相互作用力所得列車脫軌系數(shù)和減載率如圖8、圖9所示。

圖8　第一輪對脫軌系數(shù)

圖9　第一輪對減載率

圖8中輪對脫軌系數(shù)與輪軌橫向力變化趨勢相似，在固定轍叉區(qū)達到最大值0.18，小于安全限值0.8，主要由輪對通過交叉渡線道岔沖擊心軌所致，脫軌系數(shù)較小，對行車安全性影響較?。粓D9中減載率與輪軌垂向力變化趨勢相似，從圖中可知，固定轍叉區(qū)輪軌相互作用較劇烈，減載率最大值為0.37，均未超出安全限值0.6。

5.3輪軸橫向力

列車側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔時，列車第一輪對輪軸橫向力如圖10所示。

圖10　第一輪對輪軸橫向力

列車通過道岔直股線路固定轍叉有害空間時，輪軌相互作用較為劇烈，輪軸橫向力絕對值最大值達9.02 kN。這是由于車輪撞擊心軌時產(chǎn)生較大橫向力而導致的，未超出由我國動車組通過道岔時的輪軸橫向力限值計算式0.85(10+P0/3)所得限值48.167 kN，其中P0為列車靜軸重。

5.4車體振動響應(yīng)

列車側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔時，車體垂向及橫向振動加速度隨輪對所在道岔位置的不同而產(chǎn)生的變化如圖11、圖12所示。

圖11　車體垂向加速度

圖12　車體橫向加速度

由圖11可見，當列車行駛于轉(zhuǎn)轍器和轍叉部位時，由于道岔結(jié)構(gòu)不平順和有害空間作用，將使車體產(chǎn)生明顯波動，且從輪軌間垂向力可知，轍叉處道岔不平順作用較轉(zhuǎn)轍器強烈[11]，使列車通過轍叉時垂向振動加速度幅值達到最大0.19 m/s2，遠大于轉(zhuǎn)轍器處，但兩者均遠小于車體舒適度指標1.5 m/s2。這是因為目前動車組車輛優(yōu)良的一系和二系減振使由輪對向上傳遞的振動得到了較大程度的衰減。圖12中車體橫向加速度在車輪通過轉(zhuǎn)轍器和轍叉位置附近達到峰值，是由于列車側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔時，車體橫向加速度較小，考慮到輪對在固定轍叉區(qū)將與心軌產(chǎn)生撞擊，此處車體橫向加速度達到最大值0.17 m/s2，小于舒適度控制標準1 m/s2[12]。

5.5磨耗功分布

列車第一輪對輪軌磨耗功率隨輪對所在交叉渡線位置的不同而產(chǎn)生的變化如圖13所示[13]。

由圖13可以看出，當列車通過交叉渡線時，兩側(cè)鋼軌的磨耗功變化趨勢相似，僅峰值的數(shù)值大小有差異，這是因為輪軌磨耗功與蠕滑力、蠕滑率相關(guān)，而內(nèi)外側(cè)鋼軌的蠕滑力及蠕滑率分布大致相似[14]。

6結(jié)論

(1)當CRp動車組以速度50 km/h側(cè)向通過斜腿布置渡線道岔時，輪軌垂向力最大值為98.15 kN，輪軌橫向力最大值為10.85 kN；第一輪對脫軌系數(shù)最大值為0.18，輪重減載率最大值為0.37，滿足安全性要求。

(2)第一輪對輪軸橫向力最大值為9.02 kN；車體垂向加速度最大值為0.19 m/s2，橫向加速度最大值為0.17 m/s2，遠小于舒適度控制指標，滿足舒適性要求。

(3)列車在通過轉(zhuǎn)轍器和轍叉部分時，由于固定轍叉有害空間影響，使輪對的運動劇烈變化，兩側(cè)鋼軌上兩處最大值達1 589.63 N·m/s和1 576.24 N·m/s，且固定轍叉處達到最大，同樣是由于車輛通過道岔時沖擊心軌導致的。

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Evaluation of Safety and Comfort When Train Passing Through No.12 Ballastless Turnout and Supporting Scissors Crossing WANG Wei-ping, WANG Jian, XU Jing-mang, WANG Ping

( MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering. Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：For No. 12 ballastless turnout and supporting scissors crossing, it is needed to study the dynamic interactions between the train and the turnout. This paper establishes vehicle model and turnout model, and the train model uses single whole vehicle model, focusing on car the body, the bogie and the wheel. While the turnout model includes switch, connecting parts, No.12 frog, No.6 acute frog, No. 6 obtuse frog and other basic structures, fully taking account of the influence of the individual structures on the vibration, being as far as possible consistent with actual situations. Train dynamics and turnout dynamics theories are then employed to establish calculation model for train-turnout coupling dynamics, addressing crossover turnout rail profile changes. The results show that CRp EMU running at 50km/h through side track with 60kg/m rail No. 12 scissors crossing turnout on passenger dedicated line can meet requirements for passenger safety and comfort.

Key words：No. 12 turnout; Scissors crossing; Dynamics; Safety

中圖分類號：U213.6

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.002

文章編號：1004-2954(2015)01-0006-05

作者簡介：王偉平(1991—)，男，碩士研究生，E-mail：707738317@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金(51078320)

收稿日期：2014-04-22； 修回日期：2014-05-08