高速道岔行車平穩(wěn)性影響因素研究及應(yīng)用

蔣俊， 王軍平， 崔容義

（1. 中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司南方事業(yè)部，四川成都 610000；2. 中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司技術(shù)研發(fā)部，北京 100081）

0 引言

道岔作為軌道線路中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，如何保持良好的狀態(tài)，對(duì)確保車輛通過(guò)安全性、平穩(wěn)性至關(guān)重要。長(zhǎng)久以來(lái)，道岔區(qū)軌道剛度合理取值、轉(zhuǎn)轍區(qū)運(yùn)動(dòng)學(xué)軌距優(yōu)化［1-2]及尖軌降低值合理設(shè)置［3]是確保車輛運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性的主要關(guān)注點(diǎn)。文獻(xiàn)［4-5]針對(duì)京滬線黃渡線路所2號(hào)道岔橫向加速度超限進(jìn)行了分析，指出尖軌降低值不良是引起道岔處晃車的主要原因。文獻(xiàn)［6]分析了尖軌降低值超限對(duì)轉(zhuǎn)轍器動(dòng)力學(xué)特性的影響，并提出現(xiàn)場(chǎng)降低值超限時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，避免轉(zhuǎn)轍器動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)一步惡化。

運(yùn)用Simpack 動(dòng)力學(xué)軟件建立車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型，從環(huán)境、軌道激勵(lì)、輪軌關(guān)系等方面，研究了不同因素對(duì)高速道岔行車平穩(wěn)性的影響。最后，運(yùn)用仿真結(jié)果成功解決了南廣線桂平站12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)橫向加速度超限的問(wèn)題。

1 岔區(qū)輪軌關(guān)系及動(dòng)力學(xué)建模

1.1 岔區(qū)輪軌關(guān)系

道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)、轍叉區(qū)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系的特殊性。研究岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系，有利于進(jìn)一步分析道岔行車平穩(wěn)性［7]。任尊松等［8]依據(jù)岔區(qū)空間布置關(guān)系，詳細(xì)研究了道岔區(qū)輪軌接觸特點(diǎn)，為進(jìn)一步優(yōu)化高速道岔各股軌線空間結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)輪軌幾何接觸特性分析，岔區(qū)輪軌接觸方式較為復(fù)雜，包含單點(diǎn)接觸、兩點(diǎn)接觸以及三點(diǎn)接觸。

車輛正向通過(guò)道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)由基本軌逐漸過(guò)渡到尖軌，車輪滾動(dòng)半徑也不斷發(fā)生變化。圖1 為車輛直向通過(guò)轉(zhuǎn)轍區(qū)示意圖，從圖中可以看出：左股鋼軌接觸位置從尖軌20 mm 斷面開(kāi)始逐漸遠(yuǎn)離軌道中心線，達(dá)到最大后突然向軌道中線靠攏，到尖軌50 mm斷面回到軌道中心線，然后接觸位置逐漸穩(wěn)定下來(lái)。左右輪滾動(dòng)圓半徑從尖軌20 mm 斷面開(kāi)始逐漸減小，其中左輪減小更快，車體向左側(cè)貼靠；達(dá)到臨界點(diǎn)后，左輪滾動(dòng)圓半徑突然增加，車體向右側(cè)貼靠，右輪滾動(dòng)圓半徑逐漸增加；達(dá)到尖軌50 mm 斷面后，左右輪滾動(dòng)圓半徑基本一致，車體逐漸平穩(wěn)靠近軌道中心運(yùn)行。

圖1 車輛直向過(guò)岔示意圖

王平等［9]提到車輪通過(guò)尖軌部分的重心軌跡可用正弦曲線來(lái)模擬，對(duì)60AT軌12號(hào)道岔尖軌，該運(yùn)行軌跡可表示為：

式中：h=2.8 mm，x為距尖軌尖端距離，m，最大不平順?lè)滴挥诩廛夗斆鎸挾?5 mm處，該結(jié)果與圖1中車輛直向過(guò)岔車輪滾動(dòng)半徑變化情況基本一致。

1.2 動(dòng)力學(xué)建模

為研究高速道岔行車平穩(wěn)性，這里從環(huán)境因素、軌道激勵(lì)、輪軌關(guān)系等方面進(jìn)行仿真分析。環(huán)境因素主要考慮橫風(fēng)風(fēng)速的影響，軌道激勵(lì)考慮軌道方向、高低復(fù)合不平順，輪軌關(guān)系考慮了不同車輪和鋼軌廓形。

采用CRH2A 型動(dòng)車組模型，車輛模型包括1 個(gè)車體、2 個(gè)構(gòu)架、4 個(gè)輪對(duì)共7 個(gè)剛體組成。車體和構(gòu)架具有縱向、橫移、沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾和搖頭6 個(gè)自由度，輪對(duì)具有縱向、橫移、沉浮、側(cè)滾和搖頭5個(gè)自由度，車輛模型共有38 個(gè)自由度。道岔模型選?。?7）004-18號(hào)高速道岔，道岔全長(zhǎng)69 m，直向容許通過(guò)速度為250 km/h。模型中軌道示意見(jiàn)圖2，包含岔前50 m線路及岔后線路，共計(jì)600 m。

圖2 軌道示意圖

2 仿真分析

2.1 橫風(fēng)

橫風(fēng)作用下高速列車可能會(huì)出現(xiàn)脫軌、傾覆的現(xiàn)象，此處基于列車空氣動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)靜態(tài)理論對(duì)高速道岔行車平穩(wěn)性來(lái)進(jìn)行分析?；跍?zhǔn)靜態(tài)理論，列車在橫風(fēng)作用下的氣動(dòng)力和力矩［10]可表示為下式（2）、（3），表1為列車時(shí)速250 km時(shí)氣動(dòng)載荷值。

式中：ρ為空氣密度，取1.226 kg/m3；A為迎風(fēng)側(cè)車體投影等效面積，m2；Ci(β)、Cj(β)為滑移角為β時(shí)的氣動(dòng)力、力矩系數(shù)；h為迎風(fēng)側(cè)車體等效高度，m；U為相對(duì)合成風(fēng)速，m/s。

表1 列車時(shí)速250 km時(shí)氣動(dòng)載荷

圖3 為橫風(fēng)作用下高速道岔行車平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出：橫風(fēng)速度達(dá)到10 m/s 時(shí)，車體橫向加速度約為0.8 m/s2，達(dá)到了線路保養(yǎng)維修標(biāo)準(zhǔn)；橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s 時(shí)，車體橫向加速度約為1.3 m/s2，達(dá)到了線路舒適度維修標(biāo)準(zhǔn)；橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s 時(shí)，車體橫向平穩(wěn)性約為2.6，低于合格標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 橫風(fēng)作用下列車平穩(wěn)性

2.2 軌道復(fù)合不平順

圖4（a）為實(shí)測(cè)軌道激勵(lì)，軌道激勵(lì)垂向最大偏差為3.6 mm，橫向最大偏差為1.74 mm；圖4（b）為車體橫向加速度頻譜圖，主頻為1.1 Hz（與車體上心滾擺頻率接近），峰值為0.01 m/s2。根據(jù)上述分析結(jié)果，CRH2A 型動(dòng)車組以250 km/h 速度直向通過(guò)18 號(hào)高速道岔時(shí)的敏感波長(zhǎng)約為63 m。

圖4 實(shí)測(cè)激勵(lì)下車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

根據(jù)車體橫向加速度響應(yīng)結(jié)果，以下將分析50～70 m 波長(zhǎng)范圍內(nèi)高低、軌向復(fù)合不平順對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響。此處分析了2 種50～70 m 波長(zhǎng)范圍內(nèi)復(fù)合不平順對(duì)高速道岔行車平穩(wěn)性的影響，2 種復(fù)合不平順軌向、高低見(jiàn)圖5。從圖中可以看出：給定的2 種形式的復(fù)合不平順高低完全一致，軌向方向相反、幅值一致；2種復(fù)合不平順?biāo)狡钜恢?，軌距偏差方向相反、幅值一致，?fù)合不平順1轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)為軌距加寬，復(fù)合不平順2轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)軌距變窄。

圖6 為2 種形式軌道復(fù)合不平順作用下車體橫向加速度計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出：2種復(fù)合不平順情況下，車體橫向加速度隨著軌向的增加而增加。以車體橫向加速度0.6 m/s2（線路維修保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)）為限值，2 種情況下軌向臨界值約為9 mm；復(fù)合不平順1 情況下，高低對(duì)車體橫向加速度影響比較明顯。隨著高低偏差值的增加，車體橫向加速度有增加趨勢(shì)；復(fù)合不平順2 情況下，當(dāng)軌向超過(guò)9 mm 時(shí)，車體橫向加速度急劇增加。

2.3 輪軌廓形

此處分析了輪軌廓形對(duì)高速道岔行車平穩(wěn)性的影響，其中車輪廓形采用了凹形磨耗車輪廓形以及標(biāo)準(zhǔn)車輪廓形，鋼軌廓形采用了實(shí)測(cè)廓形以及標(biāo)準(zhǔn)廓形。表2 為動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，從中可以看出：工況4 車體橫向加速度已超過(guò)0.600 m/s2，達(dá)到維修保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)線；凹形磨耗車輪廓形對(duì)車體橫向加速度影響很大，最大橫向加速度約為0.641 m/s2，較標(biāo)準(zhǔn)車輪廓形工況下最大車體橫向加速度0.265 m/s2增加141.9%；在標(biāo)準(zhǔn)車輪和凹形車輪廓形下，通過(guò)改變鋼軌廓形車輛橫向加速度分別減小了6%和18.7%； 橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在4種工況下均小于2.5，滿足平穩(wěn)性要求。

圖5 軌道復(fù)合不平順

圖6 車體橫向加速度

表2 輪軌廓形對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

2017年12 月南廣線南寧局管內(nèi)桂平站12號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超過(guò)1.0 m/s2（舒適度限值）的情況，橫向加速度最大達(dá)到了1.4 m/s2，72 h 內(nèi)重復(fù)次數(shù)達(dá)18次。桂平站12號(hào)道岔為客專（07）004-18號(hào)高速道岔，直向最大允許通過(guò)速度為250 km/h。為分析橫向加速度超限原因，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)道岔框架尺寸、降低值進(jìn)行了反復(fù)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果均符合要求，未發(fā)現(xiàn)橫向加速度超限原因。根據(jù)研究結(jié)果，橫風(fēng)、軌道復(fù)合不平順、輪軌廓形均可能影響高速道岔行車平穩(wěn)性，因此進(jìn)一步對(duì)橫向加速度超限原因進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

（1）桂平站僅12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限，且2017年底未出現(xiàn)持續(xù)大風(fēng)天氣，因此可排除橫風(fēng)影響；

（2）動(dòng)檢車波形圖顯示方向、高低偏差均小于5 mm，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可以排除軌道復(fù)合不平順?lè)矫娴挠绊懀?/p>

（3）鋼軌廓形對(duì)稱性、一致性以及輪軌關(guān)系。圖7為滾動(dòng)半徑差計(jì)算結(jié)果，從中可以看出：滾動(dòng)半徑差對(duì)稱性較差，橫移量正負(fù)值對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)半徑差差異太大；橫移量-3～7 mm 滾動(dòng)半徑差約等于0，滾動(dòng)半徑差太小不利于車輛的自動(dòng)對(duì)中；橫移量-10～-4 mm 滾動(dòng)半徑差由0 mm增加到6 mm，滾動(dòng)半徑差突變可能會(huì)影響車輛橫向平穩(wěn)性；

圖7 滾動(dòng)半徑差

根據(jù)以上分析，桂平站12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限的可能原因?yàn)殇撥壚尾?、輪軌關(guān)系不良。為了改善輪軌接觸關(guān)系，制定了個(gè)性的廓形打磨方案。首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的車輪、鋼軌廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；然后采用鋼軌廓形打磨軟件進(jìn)行打磨方案設(shè)計(jì)；最后運(yùn)用道岔打磨車對(duì)岔區(qū)鋼軌廓形進(jìn)行打磨。打磨后修正了鋼軌廓形、改善了輪軌接觸關(guān)系、減小了車體橫向振動(dòng)，解決了岔區(qū)頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限的問(wèn)題。

圖8為打磨前后鋼軌廓形與設(shè)計(jì)廓形對(duì)比，圖中綠色為設(shè)計(jì)廓形，紅色為測(cè)量廓形。從中可以看出，打磨后測(cè)量廓形與設(shè)計(jì)廓形匹配程度明顯提升，鋼軌廓形質(zhì)量得到顯著改善。

表3 為打磨前后鋼軌廓形GQI 指標(biāo)（GQI 指標(biāo)代表測(cè)量廓形與設(shè)計(jì)廓形的匹配程度，GQI指標(biāo)越高代表測(cè)量廓形與設(shè)計(jì)廓形越匹配），從數(shù)據(jù)中可以看出：鋼軌GQI均值由打磨前的60.3提高到了打磨后的92.1，提高了52.7%；岔前右股鋼軌GQI 提升最明顯，由打磨前的52.6 提高到了92.3，提高了75.5%；標(biāo)準(zhǔn)差由打磨前的7.04 降低到打磨后的2.25，降低了68.1%，廓形一致性、對(duì)稱性得到明顯改善。

表3 打磨前后鋼軌GQI指標(biāo)

圖9 為桂平12 號(hào)道岔打磨前后橫向加速度超限（舒適度限值）數(shù)量較多的區(qū)域每月變化趨勢(shì)，圖中2018年2月以后為打磨后數(shù)據(jù)。從圖中可以看出：桂平站12 號(hào)道岔打磨后總的超限數(shù)量大幅減少，并且保持比較穩(wěn)定；岔后60 m、連接部分、心軌前打磨前數(shù)量較多，打磨后也得到了明顯改善。

表4為打磨前后車體橫向加速度超限數(shù)量統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出：打磨前橫向加速度超限數(shù)量較多，2018年1月達(dá)到245次；打磨后橫向加速度超限數(shù)量急劇減小，2018年3月僅出現(xiàn)4 次，較打磨前減少了98.4%；2018年2月打磨后至2018年11月橫向加速度超限數(shù)量比較穩(wěn)定，最多為18次。

4 結(jié)論及建議

橫風(fēng)、軌道復(fù)合不平順以及輪軌廓形的角度分析了高速道岔的行車平穩(wěn)性，并運(yùn)用分析結(jié)果解決了桂平站12 號(hào)道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限問(wèn)題。主要結(jié)論如下：

（1）隨著風(fēng)速增加，橫風(fēng)對(duì)高速道岔行車平穩(wěn)性影響逐漸增加。風(fēng)速達(dá)到10 m/s 時(shí)，車體橫向加速度達(dá)到維修限值；風(fēng)速達(dá)到20 m/s 時(shí)，車體橫向加速度達(dá)到平穩(wěn)性限值；

圖8 打磨前后廓形對(duì)比

圖9 橫向加速度超限變化趨勢(shì)

表4 車體橫向加速度超限數(shù)量統(tǒng)計(jì) 次

（2）時(shí)速250 km 動(dòng)車線路應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注50～70 m 波長(zhǎng)軌道不平順，2種形式的50～70 m波長(zhǎng)軌道復(fù)合不平順限值約為9 mm。復(fù)合不平順1 高低對(duì)車體橫向加速度影響比較明顯；復(fù)合不平順2 軌向超過(guò)9 mm 時(shí)，車體橫向加速度急劇增加；

（3）輪軌廓形對(duì)車體橫向加速度影響很大。凹形磨耗車輪工況下車體橫向加速度較標(biāo)準(zhǔn)車輪工況下增大141.9%，通過(guò)改變鋼軌廓形可以將凹形磨耗車輪工況下車體橫向加速度最大降低18.7%；

（4）高速道岔維修保養(yǎng)過(guò)程中出現(xiàn)平穩(wěn)性超限時(shí)，應(yīng)首先檢查道岔框架尺寸，然后再?gòu)臋M風(fēng)、軌道復(fù)合不平順、輪軌廓形等方面進(jìn)行排查。