動車組側(cè)向通過9號道岔動力特性仿真研究

李　浩，趙國堂，孫加林

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京　100044；2.廣州鐵路(集團)公司，廣東 廣州　510088；3.中國鐵路總公司，北京　100844；4.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081)

自2008年我國首條高速鐵路京津城際鐵路開通運營以來，我國高速鐵路快速發(fā)展，截至2016年底，我國開通運營的高速鐵路營業(yè)線長度已經(jīng)超過2.2萬公里。為了保證和維護高速動車組安全運營，需要修建動車運用所、動車組存車場等進行動車組的運用整備、日常養(yǎng)護維修等工作。隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展，土地資源變得緊缺，由于動車所的規(guī)模較大，且其建設(shè)也受諸多地形條件因素的限制，因此動車所一般多采用小半徑曲線和小號碼道岔。

根據(jù)TB 10621—2004《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于動車段(所)的相關(guān)規(guī)定：除動車段(所、存車場)內(nèi)到發(fā)停車場到達(出發(fā))端的道岔宜采用12號道岔以外，其他區(qū)域道岔均采用9號道岔。通過對全國51個動車所調(diào)研表明，在我國高速鐵路動車所內(nèi)鋪設(shè)有大量的9號道岔。由于9號道岔的導(dǎo)曲線半徑為180 m，相比最小曲線線路的半徑250 m還要小，且岔區(qū)側(cè)向均不設(shè)置超高，因此動車組通過9號道岔的安全風(fēng)險更大。另外，導(dǎo)致動車組需要鏇輪的主要因素是輪軌側(cè)面磨耗，且主要集中在小半徑曲線以及道岔側(cè)向地段。結(jié)合CRH5型動車組曾經(jīng)在太原南動車所9號道岔后接R250 m的小半徑曲線上出現(xiàn)過脫軌現(xiàn)象，且該類型動車組的車輪磨耗問題也較其他車型嚴重。本文選取CRH5型動車組作為研究對象，利用NUCARS軟件建立車輛—道岔耦合動力學(xué)模型，分析動車組側(cè)向通過9號道岔的行車安全性、磨耗情況，并研究降低側(cè)向通過9號道岔的安全風(fēng)險、減少輪軌側(cè)磨、延長鋼軌及車輪使用壽命的影響因素。

1　車輛—道岔耦合動力學(xué)模型

1.1　車輛模型

利用NUCARS軟件建立CRH5型動車組動力學(xué)模型。車輛子系統(tǒng)模型中考慮整車，將車體、構(gòu)架、輪對、軸箱均離散成剛體，由1個車體、前后2個構(gòu)架、8個軸箱、4個輪對等15個剛性體組成。一系懸掛、二系懸掛均模擬為線性或非線性力元，模型如圖1和圖2所示[1]。

車體、前后構(gòu)架均考慮縱移、橫移、沉浮、側(cè)滾、點頭以及搖頭6個自由度，8個軸箱、4個輪對均考慮縱移、橫移、沉浮、側(cè)滾與搖頭5個自由度，整車模型共計78個自由度。各剛體之間用力元進行聯(lián)結(jié)，CRH5型動車組模型共建立輪對—軸箱、構(gòu)架—軸箱、車體—構(gòu)架以及輪軌之間的力元102個，并定義這些力元的特性參數(shù)。

圖1　CRH5型動車組動力學(xué)模型

1.2　道岔模型

動車所9號道岔采用固定轍叉心軌結(jié)構(gòu)，側(cè)向?qū)€半徑為180 m，且均不設(shè)置超高。由于當(dāng)車輛側(cè)向通過道岔時，車輛將經(jīng)過曲尖軌、導(dǎo)曲部位、有害空間和固定心軌，因此為了精確描述道岔區(qū)鋼軌變化的廓面型式，將道岔區(qū)離散為14個點(其中轉(zhuǎn)轍器7個點，固定轍叉7個點)。然后利用MATLAB軟件編程計算得出道岔區(qū)尖軌、固定心軌各關(guān)鍵斷面的鋼軌廓形離散點坐標(biāo)數(shù)據(jù),通過NUCARS軟件提供的CFIT/WRCON程序擬合得到這些關(guān)鍵斷面的廓面形狀,關(guān)鍵斷面間的廓形通過線性內(nèi)插法得到,從而保證道岔區(qū)結(jié)構(gòu)模型模擬的真實性，擬合得到的道岔區(qū)各關(guān)鍵斷面廓形如圖3—圖16所示[2]。

圖2　CRH5型動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)造

圖3尖軌5 mm寬斷面擬合廓形圖4尖軌15 mm寬斷面擬合廓形圖5尖軌20 mm寬斷面擬合廓形

圖6尖軌30 mm寬斷面擬合廓形圖7尖軌35 mm寬斷面擬合廓形圖8尖軌40 mm寬斷面擬合廓形

圖9尖軌50 mm寬斷面擬合廓形 圖10轍叉有害空間斷面擬合廓形圖11固定心軌10 mm寬斷面擬合廓形

1.3　輪軌接觸模型

由于道岔區(qū)鋼軌斷面的變化復(fù)雜，可能會發(fā)生多種輪軌接觸方式，因此充分考慮輪軌多點接觸特征是道岔動力學(xué)仿真模擬的關(guān)鍵。本文采用基于虛擬穿透法的輪軌多點非赫茲接觸理論，計算輪軌法向力和切向力等參數(shù)。該算法基于彈性半空間假設(shè)，采用Kik-Piotrowski模型，考慮車輪和鋼軌虛擬穿透，通過彈性體間的相對位移及相互滲透量，引入接觸剛度、接觸斑形狀和尺寸修正系數(shù)，采用迭代平衡計算輪軌多點非赫茲接觸問題。法向壓力分布沿前進方向呈橢圓形狀，切向接觸斑形狀為非橢圓，利用Boussinesq方程求解半空間法向力作用下各點的位移和應(yīng)力[3-9]。接觸點的計算考慮輪軌接觸區(qū)的彈性彎曲變形，同時也考慮鋼軌的各種運動形態(tài)，只需要輸入鋼軌和車輪的踏面形狀；接觸關(guān)系均由實時計算求得，且接觸點個數(shù)不受限制。

圖12 固定心軌20 mm寬斷面擬合廓形圖13 固定心軌30 mm寬斷面擬合廓形圖14 固定心軌40 mm寬斷面擬合廓形

圖15　固定心軌50 mm寬斷面擬合廓形

圖16　固定心軌70 mm寬斷面擬合廓形

1.4　軌道不平順

道岔區(qū)不平順主要包括：道岔區(qū)結(jié)構(gòu)不平順和隨機不平順。為了研究方便，暫不考慮隨機不平順的影響，僅考慮結(jié)構(gòu)固有不平順的影響。

2　9號道岔動力特性分析

由于9號道岔側(cè)向通過的設(shè)計限速為30 km·h-1，分別仿真計算了CRH5型動車組以15，18，20，25和30 km·h-1的速度側(cè)向通過50 kg·m-1鋼軌9號道岔的5種工況，不同速度下安全性指標(biāo)和磨耗功等動力時程曲線如圖17—圖21所示。

圖17　不同速度條件下的脫軌系數(shù)

圖18　不同速度條件下的輪重減載率

圖19　不同速度條件下的輪軸橫向力

圖20　不同速度條件下的輪軌垂直磨耗功

圖21　不同速度條件下的輪軌側(cè)面磨耗功

由圖17—圖21可以看出：CRH5型動車組側(cè)向通過9號道岔時，各項動力學(xué)指標(biāo)均隨著速度增大而增大，且在轍叉位置均出現(xiàn)較大的振動，這主要是由于固定心軌轍叉結(jié)構(gòu)存在有害空間造成的；除輪重減載率峰值較小外，脫軌系數(shù)、輪軸橫向力均較大，前者峰值為0.52，后者峰值為28 kN，但均滿足安全性限值的要求；輪軌側(cè)面磨耗功較大，整體上已經(jīng)超過了輪軌垂直磨耗功，表明曲線地段通過時輪軌側(cè)磨是磨耗的主因。由于仿真計算只考慮了道岔結(jié)構(gòu)不平順的激勵影響，未考慮現(xiàn)場隨機不平順的情況，因此脫軌系數(shù)、輪軸橫向力2項安全性指標(biāo)大，表明應(yīng)加強9號道岔的日常養(yǎng)護維修工作，嚴格控制軌道幾何狀態(tài)的惡化。

3　車輛橫向剛度的影響

客車通過曲線、道岔時，車輛橫向剛度對其動力特性具有一定的影響。橫向剛度主要由一系轉(zhuǎn)臂和二系橫向止檔提供，由于二系橫向止檔的主要作用是用來約束晃車、提高平穩(wěn)性，對構(gòu)架和輪對的影響較??；一系構(gòu)架橫向定位剛度則用來約束輪對橫向偏移，因此本文重點分析一系構(gòu)架橫向定位剛度對車輛側(cè)向通過道岔時安全性、輪軌磨耗的影響規(guī)律。表1給出了目前我國高速鐵路主型動車組及普速旅客列車一系構(gòu)架橫向定位的剛度。

表1　我國主型動車組及普速旅客列車一系橫向定位剛度

從表2可以看出，CRH5型動車組的一系橫向定位剛度最小、普速旅客列車的一系橫向定位剛度最大。通過改變CRH5型動車組的一系橫向定位剛度，分析一系橫向定位剛度對車輛側(cè)向通過道岔時的動力特性影響規(guī)律。仿真計算按照目前現(xiàn)有剛度值，選取5，12.5和14.5 MN·m-1共3種剛度工況，計算結(jié)果如圖22—圖26所示。

圖22　不同一系橫向定位剛度的脫軌系數(shù)對比

圖23　不同一系橫向定位剛度的輪重減載率對比

圖24　不同一系橫向定位剛度的輪軸橫向力對比

圖25　不同一系橫向定位剛度的垂直磨耗功對比

由圖22—圖26可以看出：調(diào)整動車組一系橫向定位剛度對車輛運行安全性指標(biāo)幾乎未造成任何影響；但在輪軌磨耗功方面，隨著一系橫向定位剛度的增大，垂直磨耗和側(cè)面磨耗均產(chǎn)生了下降趨勢；垂直磨耗功從140 N·m·m-1降低到了130 N·m·m-1，減幅約8%，側(cè)面磨耗功從190 N·m·m-1降低到了185 N·m·m-1，減幅約3%。說明適當(dāng)加大車輛一系橫向定位剛度可以一定程度地降低輪軌磨耗量[10]。

圖26　不同一系橫向定位剛度的側(cè)面磨耗功對比

4　2種鋼軌類型9號道岔動力響應(yīng)分析

目前，國內(nèi)9號道岔采用的鋼軌主要有50和60 kg·m-1鋼軌2種類型，導(dǎo)曲線半徑分別為180和190 m，道岔全長分別為28.8和29.5 m。本文分別對50和60 kg·m-1這2種鋼軌9號道岔的側(cè)向動力特性進行仿真分析，CRH5型動車組運行速度取20 km·h-1，計算結(jié)果如圖27—圖29所示。

圖27　2種鋼軌道岔的脫軌系數(shù)

圖28　2種鋼軌道岔的輪重減載率

從圖27—圖29可以看出：動車組側(cè)向通過50和60 kg·m-1這2種鋼軌9號道岔時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力均存在一定程度的差異。二者的安全性指標(biāo)最大值比較見表2。結(jié)果表明，鋪設(shè)60 kg·m-1鋼軌道岔在提高車輛安全性方面具有較大的優(yōu)勢。

圖29　2種鋼軌道岔的輪軸橫向力

道岔類型脫軌系數(shù)輪重減載率輪軸橫向力/kN60kg·m-1鋼軌道岔0.470.1415.6750kg·m-1鋼軌道岔0.480.1515.83減少幅度/%272

圖30和圖31為CRH5型動車組以20 km·h-1的速度側(cè)向通過50和60 kg·m-1鋼軌9號道岔時的輪軌磨耗功時程曲線。

圖30　2種鋼軌道岔的垂直磨耗功

圖31　2種鋼軌道岔的側(cè)面磨耗功

由圖30和圖31可以看出：鋪設(shè)60 kg·m-1鋼軌9號道岔在輪軌垂直磨耗方面與鋪設(shè)50 kg·m-1鋼軌道岔幾乎相當(dāng)，但在側(cè)磨方面具有較大的優(yōu)勢，側(cè)面磨耗功從190 N·m·m-1降到了170 Nˉm·m-1，減少幅度約11%?？紤]到2種鋼軌道岔在導(dǎo)曲線半徑和鋪設(shè)長度方面幾乎一樣，基本不存在調(diào)整線間距等問題，基于提高車輛側(cè)向通過安全性和減少磨耗兩方面考慮，用60 kg·m-1鋼軌9號道岔替代50 kg·m-1鋼軌9號道岔較為適宜。

5　結(jié)論及建議

(1)CRH5型動車組側(cè)向通過50 kg·m-1鋼軌9號道岔時，脫軌系數(shù)、輪軸橫向力均較大，脫軌系數(shù)峰值達到0.52、輪軸橫向力峰值達到28 kN。建議加強9號道岔區(qū)的養(yǎng)護維修工作，及時消除軌道幾何超限現(xiàn)象。

(2)CRH5型動車組側(cè)向通過50 kg·m-1鋼軌9號道岔時，輪軌側(cè)面磨耗功較大，已經(jīng)超過了垂直磨耗功，表明曲線地段通過時側(cè)磨是磨耗的主因。

(3)調(diào)整動車組一系橫向定位剛度，對車輛側(cè)向通過9號道岔的安全性指標(biāo)幾乎沒有影響；但在輪軌磨耗方面，隨著橫向定位剛度增大，垂直磨耗、側(cè)面磨耗均有下降趨勢；垂直磨耗功減幅約8%；側(cè)面磨耗功減幅約3%，表明適當(dāng)加大車輛一系橫向定位剛度可以在一定程度上降低輪軌磨耗量。

(4)對2種不同鋼軌9號道岔動力特性的對比分析結(jié)果表明：鋪設(shè)60 kg·m-1鋼軌9號道岔可以有效地降低脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力以及側(cè)面磨耗?？紤]到2種鋼軌道岔在導(dǎo)曲線半徑和道岔全長等方面幾乎一樣，不存在調(diào)整線間距等問題，基于提高車輛通過安全性和減少磨耗兩方面考慮，用60 kg·m-1鋼軌9號道岔替代50 kg·m-1鋼軌9號道岔較為適宜。

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