高速道岔轍叉結(jié)構(gòu)不平順動力學(xué)特性分析

司道林，楊東升，王樹國，王 猛，葛 晶

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081)

1 概述

列車通過道岔時存在復(fù)雜多變的輪軌關(guān)系，輪軌接觸點需在基本軌和尖軌之間、翼軌和心軌之間轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)輪載過渡。尖軌、心軌的尖端軌頭寬度較小，強度低，無法承擔(dān)列車荷載，為此需設(shè)置一定的降低值，避免與車輪接觸。對高速道岔而言，在尖軌、心軌的尖端降低值最大，通常分別取為23，16 mm。隨著尖軌、心軌軌頭寬度增加，降低值減小，逐漸與基本軌、翼軌共同承擔(dān)輪載，最終獨立承載。輪載過渡過程中將產(chǎn)生多點接觸、滾動圓半徑變化等復(fù)雜的輪軌接觸環(huán)境，導(dǎo)致道岔區(qū)輪軌間的動荷載明顯大于區(qū)間線路，并可能使輪對偏離軌道中心運行，嚴(yán)重時將明顯降低列車運行品質(zhì)[1-3]。道岔區(qū)輪軌動力作用是由道岔自身結(jié)構(gòu)特點所致，因此，通常認(rèn)為道岔區(qū)存在固有不平順。

如上所述，輪對通過道岔區(qū)時將產(chǎn)生兩次輪載過渡，一次位于轉(zhuǎn)轍區(qū)內(nèi)的尖軌和基本軌之間，另一次位于轍叉區(qū)內(nèi)的心軌和翼軌之間。轉(zhuǎn)轍區(qū)內(nèi)的輪載過渡范圍長，屬長波不平順。而轍叉區(qū)內(nèi)輪載過渡范圍短，屬短波不平順。眾所周知，長波不平順主要影響車體平穩(wěn)性指標(biāo)，歷次車體異?；蝿蝇F(xiàn)象均發(fā)生在轉(zhuǎn)轍區(qū)[4]。而短波不平順易導(dǎo)致劇烈的輪軌沖擊動力作用，分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，裝有間斷測力輪對的試驗列車通過部分區(qū)段轍叉時，減載率瞬時單峰峰值超過0.8，已逼近安全限值，且隨著列車速度的提高，減載率呈明顯增加趨勢，見圖1。因此，轍叉區(qū)的輪軌動力作用應(yīng)引起足夠重視?；诖?，本文將建立列車-道岔動力學(xué)模型，研究轍叉區(qū)輪軌沖擊動力作用的形成機理及影響因素，最終提出針對性措施，改善轍叉區(qū)結(jié)構(gòu)不平順的動力性能，確保行車安全。

圖1 轍叉區(qū)減載率測試幅值

2 轍叉結(jié)構(gòu)及模型

高速鐵路道岔轍叉常采用可動心軌結(jié)構(gòu)。心軌可在轉(zhuǎn)換設(shè)備的牽引下改變輪緣槽位置，根據(jù)行車需要貼靠相應(yīng)側(cè)的翼軌，從而實現(xiàn)道岔的不同開向。

NUCARS是專門的輪軌動力學(xué)仿真軟件。近年來，不僅實現(xiàn)了多層彈性軌道建模，而且開發(fā)了適用于道岔區(qū)多股鋼軌組合的雙軌理論，用于建立道岔動力學(xué)模型。雙軌理論分主軌和輔助軌，主軌模擬翼軌，輔助軌模擬心軌。主軌采用梁單元建立，實現(xiàn)離散點支撐，每個支承點處有4個彈簧-阻尼單元，軌底上側(cè)的2個單元模擬彈條，軌底下方的2個單元模擬墊板支承，如圖2所示。輔助軌通過彈簧-阻尼單元與主軌連接，如圖3所示，并可相對主軌進行橫移、垂移和轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)心軌與翼軌相對空間位置的變化，以此模擬道岔型面的空間結(jié)構(gòu)變化[5]。列車模型仍基于傳統(tǒng)多體動力學(xué)理論建立[6]，不再贅述。

圖2 鋼軌模型圖3 翼軌與心軌組合

3 結(jié)果分析

基于上述輪軌動力學(xué)模型，分析列車直向通過轍叉時的動力學(xué)響應(yīng)。圖4為時速300 km的列車通過轍叉時輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)4項動力學(xué)指標(biāo)的時程曲線。圖中50 m處為尖軌尖端，102.8 m處為心軌尖端?？梢姡咚倭熊囃ㄟ^道岔時進行2次輪載過渡，形成2次輪軌沖擊，分別位于轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)，且轍叉區(qū)的輪軌動荷載明顯大于轉(zhuǎn)轍區(qū)。轍叉區(qū)輪軌垂向力、輪軌橫向力峰值分別為148，5.5 kN，減載率、脫軌系數(shù)峰值分別為0.85，0.11。輪軌垂向力峰值約為靜輪載的2.1倍，減載率峰值與現(xiàn)場試驗值極為吻合?？梢姡熊嚫咚偻ㄟ^轍叉時，結(jié)構(gòu)不平順將導(dǎo)致明顯的輪軌垂向動力作用。

細(xì)化轍叉區(qū)輪軌垂向力時程曲線發(fā)現(xiàn)，輪載先由名義輪載減小至45 kN，繼而增至最大值148 kN，隨后逐漸衰減，恢復(fù)至名義輪載，此過程的持續(xù)范圍約為0.6 m。輪載波動規(guī)律與輪軌接觸環(huán)境變化密切相關(guān)。心軌未承載前，隨著心軌軌頭寬度增加，翼軌向軌道外側(cè)彎折，輪軌接觸點由踏面名義滾動圓處向踏面外側(cè)轉(zhuǎn)移，在車輪踏面錐度作用下滾動圓半徑必然不斷減小，導(dǎo)致左右側(cè)車輪滾動圓半徑出現(xiàn)差異，在輪徑差作用下輪對偏離軌道中心；與此同時，由于滾動圓半徑的減小，輪對質(zhì)心垂向位置勢必以一定加速度降低，導(dǎo)致輪載減小，繼而以一定速度撞擊心軌，形成大幅值的沖擊荷載。因此，輪對質(zhì)心垂向位置變化是導(dǎo)致輪載大幅變化的主要原因，抑制輪對質(zhì)心垂向位置大幅波動應(yīng)是避免輪軌沖擊荷載的有效方法。

圖4 道岔區(qū)輪軌動力學(xué)響應(yīng)時程曲線

圖6 翼軌抬高前后輪軌動力響應(yīng)時程曲線

圖5 車輪型面(單位：mm)

為進一步驗證上述分析，采取設(shè)置一定翼軌抬高值的方法，減小輪對質(zhì)心垂向位置的變化幅值，達(dá)到降低輪軌沖擊的目的。翼軌抬高值應(yīng)由車輪踏面錐度而定。圖5展示了我國高鐵列車常用的車輪型面，將距輪緣背部70 mm處定義為名義滾動圓，為主要接觸區(qū)域，此區(qū)域的滾動圓半徑為430 mm。心軌頂寬40 mm時與翼軌等高，此時翼軌向軌道外側(cè)彎折40 mm，輪軌接觸區(qū)域相應(yīng)地向踏面外側(cè)移動40 mm，由此導(dǎo)致滾動圓半徑由430 mm減至428.6 mm，從而致使輪對質(zhì)心垂向位置降低1.4 mm。為避免輪對質(zhì)心垂向位置降低，將翼軌抬高值取為1.4 mm。

圖6對比描述了翼軌抬高前、后高速列車以時速300 km通過轍叉區(qū)時輪軌動力響應(yīng)時程曲線。抬高前、后輪軌垂向力最大值分別為148，94 kN，輪軌橫向力最大值分別為5.5，4.7 kN，減載率最大值分別為0.85，0.35，脫軌系數(shù)最大值分別為0.11，0.06。由此可見，適當(dāng)抬高翼軌可有效抑制輪對質(zhì)心垂向位置的波動，大幅改善轍叉區(qū)結(jié)構(gòu)不平順，且橫向動力學(xué)性能也有明顯改善。

4 結(jié)論

通過分析高速列車通過道岔區(qū)時輪軌相互作用特點，得出道岔區(qū)多點接觸、滾動圓半徑改變等復(fù)雜的輪軌接觸關(guān)系?；趯崪y數(shù)據(jù)，得出轍叉區(qū)輪軌沖擊作用的典型特征。通過建立動力學(xué)模型，分析高速車輛通過道岔時的動力學(xué)響應(yīng)，研究輪軌動力作用的形成機理，提出應(yīng)對措施。得出以下結(jié)論：

1)高速列車通過轍叉區(qū)時將會產(chǎn)生明顯的輪軌垂向沖擊作用，輪軌垂向力峰值約為靜輪載的2.1倍，減載率接近安全限值。脫軌系數(shù)和輪對橫向力均小于安全限值。

2)轍叉區(qū)輪軌接觸點轉(zhuǎn)移過程中，在車輪踏面錐度作用下滾動圓半徑減小，車輪質(zhì)心垂向位置降低，動輪載小幅減小后，車輪撞擊心軌，導(dǎo)致大幅值的動荷載。通過設(shè)置一定的翼軌抬高值，可有效抑制車輪質(zhì)心垂向位置波動，從而明顯減小輪軌動力作用，改善轍叉區(qū)結(jié)構(gòu)不平順。

以上結(jié)論可為更高速度道岔設(shè)計提供借鑒。下一步將結(jié)合服役高速列車車輪型面變化規(guī)律，進一步深入研究轍叉區(qū)翼軌抬高值的設(shè)置參數(shù)，為轍叉區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)改進提供依據(jù)。

[1]王樹國,司道林,王猛,等.高速鐵路道岔尖軌降低值對行車平穩(wěn)性的影響機理研究[J].中國鐵道科學(xué),2014，35(3):28-33.

[2]錢坤,王樹國,王猛,等.重載鐵路12號道岔軌道剛度均勻化研究[J].鐵道建筑,2016,56(1):67-71

[3]王樹國,葛晶,孫家林,等.高速鐵路道岔平面設(shè)計參數(shù)與側(cè)線線型的研究[J].鐵道建筑，2014,54(1):91-94.

[4]王樹國,葛晶,王猛,等.高速道岔關(guān)鍵技術(shù)試驗研究[J].鐵道學(xué)報,2015，37(1):77-82.

[5]司道林,王猛,王樹國,等.一種新型轍叉的動力學(xué)特性分析[J].鐵道建筑,2017，57(1):40-43.

[6]翟婉明.車輛-軌道耦合動力學(xué)[M].3版.北京：科學(xué)出版社,2007.