曲線上軌道缺陷對高速列車安全性的影響

趙 鑫，孫麗霞，姚建偉，孫加林

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

保證高速列車的安全性至關(guān)重要。以往對列車脫軌的原因進行的大量分析表明[1-2]：排除自然災(zāi)害、人為或意外事故所造成的列車脫軌，引起列車脫軌的因素大致可以分為車輛、軌道和運輸裝載3個方面。其中軌道方面的原因主要包括嚴重的水平方向的線路不平順或水平、三角坑、高低等不平順組合，軌道存在大的扭曲以及地震波激勵等。

針對軌道方面原因引起的列車脫軌問題所開展的研究，以地震波作用下高速列車的安全性研究[3-6]居多。此外，文獻[7]分析了軌道鼓脹對高速列車安全性的影響；文獻[8]應(yīng)用列車-軌道空間耦合時變系統(tǒng)振動分析理論，分析了軌道三角坑對列車安全性的影響，并就鐵路線路維修規(guī)則中軌道三角坑的限值進行了評估。文獻[9-10]針對動車組通過小半徑曲線的安全性進行了研究。目前關(guān)于高速列車通過有軌道缺陷存在的曲線區(qū)段的脫軌安全性研究較少。

本文以8輛編組的CRH380B型高速列車為例，建立了列車-軌道耦合動力學模型。利用該模型研究高速列車通過有軌道缺陷存在的S形曲線時的安全性。分析了在緩和曲線區(qū)段、圓曲線區(qū)段、夾直線區(qū)段存在軌距突變、三角坑以及兩者組合缺陷時，高速列車安全性的變化情況。

1 模型的建立

1.1 列車-軌道耦合模型

應(yīng)用多體動力學軟件SIMPACK建立了CRH380B型高速列車的列車-軌道耦合動力學分析模型。模型中采用兩系懸掛，考慮抗蛇行減振器、橫向止擋的非線性特性。該列車-軌道耦合動力學分析模型具有50個自由度，如表1所示。

表1 動力學分析模型的自由度

模型考慮輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性，輪軌接觸計算采用Kalker的非線性蠕滑力模型。

1.2 列車-軌道耦合模型建立

在單節(jié)車輛模型的基礎(chǔ)上，建立具有8節(jié)編組的CRH380B型車的列車模型。列車的編組方式如圖1所示。車鉤緩沖器的參數(shù)見表2。車鉤緩沖器特性曲線見圖2。

圖1 列車模型編組方式

參數(shù)數(shù)值/m車鉤及緩沖器距軌面高1.00前鉤尾銷與前車體連接點距前車體中心的縱向距離11.58后鉤尾銷與后車體連接點距后車體中心的縱向距離13.42前車體中心與后車體中心的縱向距離25.00

圖2 車鉤緩沖器特性曲線

2 線路條件及分析工況

線路的幾何形位參數(shù)按照表3所示的蘭新高鐵哈密聯(lián)絡(luò)線的實際曲線軌道參數(shù)進行設(shè)置。該線路是由半徑分別為 1 400,996,1 200 m 的3段曲線組成的S形曲線，曲線如圖3所示。該S形曲線段限速100 km/h，線路的軌道不平順采用圖4所示的京滬線實測軌道不平順。

表3 曲線軌道幾何形位參數(shù)

圖4 京滬線實測軌道不平順

按照表4所示的分析工況，給線路設(shè)置軌距突變、三角坑以及兩者組合缺陷。工況0為參考工況，不設(shè)置任何軌道缺陷。在工況1和2中，軌道缺陷位于進R1 400 m 緩和曲線區(qū)段，工況3—工況5中，軌道缺陷位于R996 m圓曲線區(qū)段，工況6中，軌道缺陷位于出R996 m緩和曲線區(qū)段，工況7中，軌道缺陷位于R996 m和R1 200 m的夾直線區(qū)段。

在分析計算過程中，車輪采用S1002CN車輪型面，鋼軌采用60D實測廓形。

表4 軌道缺陷分析工況

3 高速列車曲線脫軌安全性分析

表5給出了各種工況高速列車安全性計算結(jié)果。表5中，脫軌車輛指的是該節(jié)車的車輪懸浮量超過了輪緣高度，車輪脫離了鋼軌的約束而脫軌。危險車輛指的是該節(jié)車的脫軌系數(shù)及輪重減載率超過了規(guī)范規(guī)定的安全限值。車輪的抬升量指的是車輪名義滾動圓最低點距離鋼軌頂面最高點的垂向距離。

表5 各工況高速列車安全性計算結(jié)果

由表5可知：工況1為最危險工況，此時高速列車以150 km/h的速度超速通過有軌道缺陷的曲線段，1車 和2車在通過R1 400 m 緩和曲線的軌距突變區(qū)段處發(fā)生脫軌。相比于工況0，工況1—工況6中，脫軌系數(shù)最大值均超過0.8的安全限值，輪重減載率最大值均超過0.8?？梢姡疚脑O(shè)置的幅值為5 mm的軌道缺陷明顯增加了高速列車脫軌的危險。

圖5為工況1下高速列車通過曲線時1車—工況8車1位輪對的橫移量計算結(jié)果。由圖可知：高速列車在到達軌距突變位置處時，輪對橫移量超過10 mm，輪軌游間為0，輪緣與鋼軌發(fā)生碰撞并脫軌。

圖5 工況1下輪對橫移量

圖7 工況5的計算結(jié)果

圖6 工況1下輪對橫移量和車輪抬升量對比

圖6為工況1下1車前轉(zhuǎn)向架前導輪對的橫移量和左右側(cè)車輪抬升量對比結(jié)果?？芍?車前轉(zhuǎn)向架前導輪對在到達軌距突變處時位于曲線外軌的左輪的抬升量增大至37.04 mm，左輪率先爬上鋼軌頂部脫軌，此時右輪最大抬升量為18.78 mm。

對比表5中工況3和工況4的結(jié)果可知：圓曲線區(qū)段存在三角坑缺陷時的輪重減載率比圓曲線區(qū)段存在軌距突變?nèi)毕輹r要大，而脫軌系數(shù)比圓曲線區(qū)段存在軌距突變?nèi)毕輹r要小。

圖7(a)為工況5下2車后轉(zhuǎn)向架前導輪對左右側(cè)車輪的抬升量計算結(jié)果。可知：2車后轉(zhuǎn)向架通過圓曲線區(qū)段時，在離心力的作用下，右側(cè)車輪向曲線外軌上爬，在約53 s時，左輪在三角坑激勵下抬升量增大到2.73 mm，之后左右側(cè)輪軌很快恢復正常接觸，瞬時的輪重減載率最大值達到1.0。

圖7(b)為工況5下1車前轉(zhuǎn)向架前導輪對左右側(cè)車輪的脫軌系數(shù)計算結(jié)果?？芍?車1軸右輪在通過軌道缺陷區(qū)段時，脫軌系數(shù)迅速增大至1.21，比無軌道缺陷存在時增大約83.3%。

圖7(c)為工況5下1車4個軸的外軌側(cè)車輪的輪軌橫向力?？芍毫熊囋谕ㄟ^軌道缺陷區(qū)段時輪軌橫向力明顯增大，比無軌道缺陷存在時增大約22.5%。

對比表5中工況5、工況6和工況7的計算結(jié)果可知：軌道缺陷所在的位置對高速列車的曲線通過性能有影響，軌距突變和三角坑的組合缺陷存在于圓曲線區(qū)段時，最大脫軌系數(shù)以及最大車輪抬升量比軌道缺陷存在于緩和曲線段和夾直線段時要大。

圖8為對應(yīng)工況6和工況7條件下，即軌距突變和三角坑的組合缺陷分別存在于緩和曲線段和直線段時，車輪抬升量的對比。由圖8(a)可知：軌道缺陷存在于緩和曲線區(qū)段時，1車前轉(zhuǎn)向架通過軌道缺陷區(qū)段時的車輪抬升量最大值為2.34 mm，而無軌道缺陷時為0.76 mm，相比于無軌道缺陷的情況，工況6的車輪抬升量增大了207.9%。由圖8(b)可知：軌道缺陷存在于夾直線段時，2車前轉(zhuǎn)向架通過軌道缺陷區(qū)段時的車輪抬升量最大值為0.80 mm，而無軌道缺陷時為0.39 mm，相比于無軌道缺陷的情況，工況7的車輪抬升量增大了105.1%。由此可見，軌道缺陷存在于緩和曲線段時比同樣的軌道缺陷存在于夾直線段時，車輪抬升量的增長率放大了2倍。

圖8 車輪抬升量對比

圖9 脫軌系數(shù)對比

圖9為工況6和工況7條件下脫軌系數(shù)的對比結(jié)果。由圖9(a)可知：軌道缺陷存在于緩和曲線段時，2車后轉(zhuǎn)向架通過軌道缺陷區(qū)段時的脫軌系數(shù)最大值為0.85，而無軌道缺陷時，1車前轉(zhuǎn)向架通過該區(qū)段時的脫軌系數(shù)最大值為0.22，相比于無軌道缺陷時，工況6的脫軌系數(shù)約為原來的4倍。由圖9(b)可知：軌道缺陷存在于夾直線段時，1車后轉(zhuǎn)向架通過軌道缺陷區(qū)段時的脫軌系數(shù)最大值為0.41，而無軌道缺陷時，2車前轉(zhuǎn)向架通過該區(qū)段時的脫軌系數(shù)最大值為0.03，相比于無軌道缺陷時，工況7的脫軌系數(shù)增大約13倍。

4 結(jié)論

本文以8輛編組的CRH380B型高速列車為例，研究其通過有軌道缺陷存在的S形曲線時高速列車的安全性。主要研究結(jié)論如下：

1)在本文所分析的各種軌道缺陷工況中，高速列車超速通過有軌距突變存在的緩和曲線區(qū)段時，1車和2車的外軌側(cè)車輪的抬升量超過輪緣高度，列車的脫軌危險性最大。

2)在S形曲線的進緩和曲線區(qū)段、圓曲線區(qū)段以及出緩和曲線區(qū)段設(shè)置幅值為5 mm的軌距突變、三角坑以及兩者的組合缺陷，高速列車以最高限速通過軌道缺陷位置時，脫軌系數(shù)和輪重減載率均超限。在夾直線區(qū)段設(shè)置幅值為5 mm的軌距突變和三角坑的組合缺陷時，脫軌系數(shù)未超限。

3)軌道缺陷的類型對高速列車通過曲線時的安全性有影響。在本文所分析的工況中，列車通過有三角坑缺陷存在的圓曲線區(qū)段時，輪重減載率最大值比通過有軌距突變存在的圓曲線區(qū)段時大，而脫軌系數(shù)最大值比通過有軌距突變存在的圓曲線區(qū)段時小。

4)軌道缺陷所在的位置對高速列車通過曲線時的安全性有影響。在本文所分析的工況中，軌距突變和三角坑的組合缺陷存在于圓曲線區(qū)段時，脫軌系數(shù)最大值以及車輪抬升量最大值要比軌道缺陷存在于緩和曲線段和夾直線段時要大。

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