高速道岔發(fā)展及研究現(xiàn)狀分析

李金城，丁軍君，楊九河，李 芾

(1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，成都 610031； 2.中國鐵路成都局集團有限公司，成都 610031)

引言

道岔作為鐵路軌道中的重要組成部分起著連接兩股軌道、跨越交叉線路的作用，但與區(qū)間線路相比岔區(qū)存在尖軌、心軌、翼軌和護軌等部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輪軌間存在兩點、三點接觸，輪軌關(guān)系多變，為病害多發(fā)區(qū)域，岔區(qū)線路不僅包含區(qū)間線路的技術(shù)難點而且更具有特殊性，岔區(qū)的研究涉及機械工程、軌道工程、控制工程、設(shè)備檢測及材料工程等學(xué)科，是公認的反映鐵道工程行業(yè)技術(shù)水平的重要標志[1]。最初的道岔僅僅是為了實現(xiàn)交叉線路的跨越與兩股軌道的連接功能，結(jié)構(gòu)形式簡單，因此車輛過岔速度低。而伴隨車輛運行速度的提升，低速道岔已不能滿足高速列車的過岔需求，為使高速列車安全、平穩(wěn)的過岔，高速道岔應(yīng)運而生。

1 高速道岔發(fā)展概況

目前世界上擁有自主研制高速道岔的國家有日本、法國、德國和中國。日本于20世紀60年代便開始了18號高速道岔的研制，90年代研制了直向過岔速度240 km/h的38號道岔，且在后續(xù)的發(fā)展中逐漸完善了兩種道岔。法國和德國已分別于20世紀70年代、80年代展開對高速道岔的研究，迄今為止，法國已擁有了4代高速道岔，德國高速道岔也已發(fā)展至第3代。相比上述3個國家，我國高速道岔的研發(fā)起步較晚，21世紀初我國才正式開始高速道岔的研制，至今已研制了直向過岔速度350 km/h的18號、42號高速道岔，并在哈大高鐵長春西站試鋪了國內(nèi)唯一的1組62號特大號融冰除雪道岔[2]。

1.1 日本高速道岔

自1964年10月，日本在建設(shè)第一條高速鐵路的同時已開始18號高速道岔的研制工作，之后相繼開發(fā)制造了30號、38號道岔，經(jīng)過不斷的完善，日本18、30、38號高速道岔已得到了較大的提升。

日本高速道岔基本軌型采用60 kg/m鋼軌，尖軌為90S藏尖式彈性可彎尖軌，尖軌頂面設(shè)置1∶40軌頂坡，采用多機多點牽引轉(zhuǎn)換方式，采用滾珠滑床板以降低轉(zhuǎn)換阻力。轍叉長短心軌為高錳鋼整鑄結(jié)構(gòu)，翼軌采用高錳鋼整鑄框架式，如圖1所示?？蓜有能壍啦韨?cè)股設(shè)置防磨護軌，采用剛性扣壓實現(xiàn)鋼軌與岔枕的連接。雖然日本高速道岔發(fā)展較早，但由于沒有在道岔中采用焊接式跨區(qū)間無縫線路技術(shù)且未進行相關(guān)的高速過岔實驗，因此其高速道岔只在日本使用，未能在全球范圍內(nèi)得到推廣。

圖1 高錳鋼整鑄框架式轍叉

1.2 法國高速道岔

自20世紀70年代初法國政府批準TGV高速鐵路建設(shè)，Cogifer公司與法國國家鐵路公司于1975年展開了高速道岔的研制工作，1981年成功研制了第一代高速道岔，在之后的幾十年的時間內(nèi)經(jīng)歷了4次較大的更新，法國形成了18號道岔、21號道岔、26號道岔、46號道岔和65號道岔等一系列高速道岔，其中65號高速道岔仍保持直向過岔501 km/h、側(cè)向過岔230 km/h的世界紀錄，法國有砟高速道岔如圖2所示。

法國高速道岔基本軌型采用UIC60軌，尖軌為UIC60A藏尖式可彎尖軌，尖軌設(shè)置1∶20軌頂坡，使用多機多點牽引轉(zhuǎn)換方式，采用減磨滑床板減小轉(zhuǎn)換阻力，轍叉長短心軌采用嵌入拼接式，翼軌為整鑄高錳鋼搖籃式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。法國高速道岔研制較早，且具有成熟的實際運用經(jīng)驗，除中國、日本以外的大多數(shù)國家和地區(qū)的高速鐵路均采用德、法兩國的高速道岔，我國鄭西、合寧、合武客運專線使用了200余組法國高速道岔。

圖2 法國有砟高速道岔

圖3 整鑄“搖籃式”轍叉

1.3 德國高速道岔

1971年，德國開工建設(shè)第一條高速鐵路漢諾威—維爾茨堡鐵路，德國BWG公司自20世紀80年代研制德國第一代高速道岔，在運用過程中發(fā)現(xiàn)“大半徑曲線+小半徑曲線”的復(fù)合曲線方式存在嚴重磨耗，于90年代展開道岔平面布置方案的研究，并在此次的道岔研制中首次采用了動態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)FAKOP，成功減緩了車輛過岔時的蛇行運動并提高了尖軌的耐磨性，形成了德國第二代高速道岔，目前我國京津、武廣客專線仍在使用BWG高速道岔。

德國高速道岔基本軌型采用UIC60軌，尖軌為Zul-60藏尖式可彎尖軌，基本軌設(shè)置1:40軌底坡，尖軌頂面通過加工形成1∶40軌頂坡，采用多機多點牽引轉(zhuǎn)換方式和輥輪減磨滑床板，轍叉心軌前端是由鋼坯機加工而成的整體結(jié)構(gòu)而后端與長短心軌焊接，翼軌由標準鋼軌刨切而成，可動心軌道岔直側(cè)股均不設(shè)置護軌，扣壓件主要采用Vossloh彈條扣件。德國的高速道岔型號主要有18.5號、26.5號、32.5號、42號和50號等，德國無砟高速道岔如圖4所示。

圖4 德國無砟高速道岔

1.4 中國高速道岔

20世紀 80年代前我國道岔發(fā)展較慢，80年代矮型特種斷面的引入加速了道岔的研制進程，特別是90年代92型道岔和提速道岔的研制使我國道岔技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。2005年我國正式開始高速道岔的研制，2005年至2006年完成了250 km/h的18號道岔的研制，之后兩年的時間內(nèi)完成了350 km/h的18號道岔的開發(fā)并于2011年完成設(shè)計了側(cè)向通過速度220 km/h的62號高速道岔。

我國高速道岔基本軌采用CHN60軌，尖軌為藏尖式60D40可彎尖軌，設(shè)置1∶40軌頂坡，并通過優(yōu)化尖軌頂面降低值改善了車輛過岔平穩(wěn)性與安全性，轉(zhuǎn)轍器區(qū)牽引方式采用多機多點方式并采用輥輪滑床板減緩轉(zhuǎn)換阻力和磨耗。由于固定型轍叉不能滿足高速道岔的性能要求，因此轍叉結(jié)構(gòu)采用特種斷面翼軌與60D40鋼軌組合式可動心結(jié)構(gòu)，如圖5所示，中國高速道岔如圖6所示。

圖5 可動心軌道岔轍叉結(jié)構(gòu)

圖6 中國高速道岔

20世紀我國道岔的研制發(fā)展較慢，特別是高速道岔與世界水平有較大差距，但進入21世紀后，我國高速道岔得到快速發(fā)展，中國道岔速度與世界道岔速度的對比如圖7所示。隨著我國高速道岔簡化統(tǒng)型，德國50號及法國所有高速道岔僅在已鋪設(shè)岔位限制使用，今后新建線路已不再采用。

圖7 中國道岔速度與世界道岔速度

2 國外岔區(qū)動力學(xué)發(fā)展

道岔動力學(xué)由區(qū)間動力學(xué)發(fā)展而來，其研究過程與區(qū)間動力學(xué)的發(fā)展過程相似，在車輛、軌道的簡化方式及輪軌關(guān)系的處理方面實現(xiàn)了由簡到繁的過程，在引入、消化及驗證經(jīng)典輪軌接觸理論的同時提出了適用于岔區(qū)的輪軌及車輛動力學(xué)模型，仿真質(zhì)量得到了大幅提升，為車輛、軌道的制造加工提供了依據(jù)。

最初岔區(qū)動力學(xué)主要針對車輛過岔時的橫向與垂向受力進行分析。20世紀80年代， 日本學(xué)者Yasuo為了解車輛經(jīng)過道岔心軌區(qū)域時橫向沖擊力產(chǎn)生的原因及特點，對運行速度160 km/h客車經(jīng)過轍叉時的振動進行監(jiān)控，研究了車輛運行速度、輪對橫移量、輪軌間隙和護軌橫向剛度對車輛過岔時橫向力的影響[3]。為研究車輛過岔時的垂向動力行為，Andersson C采用Rayleigh-Timoshenko梁單元模擬岔區(qū)鋼軌和枕木，利用擴展空間向量求解輪軌接觸力，提出轍叉區(qū)軌道不連續(xù)是造成輪軌沖擊的主要原因，輪軌沖擊隨車輛運行速度的提升顯著增大[4]。隨后Drozdziel借助區(qū)間線路的仿真思路，對岔區(qū)軌道參數(shù)及參數(shù)偏差對輪軌動力學(xué)性能的影響進行分析，通過MATLAB-SIMULINK聯(lián)合仿真對輪軌間橫向力、垂向力等進行計算，并將仿真結(jié)果與車輛過岔時的測量結(jié)果進行對比，提出岔區(qū)軌道參數(shù)的偏差是造成仿真結(jié)果與實際測量值存在差異的重要原因[5]。

21世紀初，德國學(xué)者Gunter Schupp利用動力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立了采用S1002踏面的鐵路客車模型，在考慮了道岔尖軌和心軌處的變截面情況及可能存在的護軌和輪背接觸的情況下，對車輛通過EW 60-300-1:9道岔時的動力學(xué)性能進行計算，對車輪在不同截面時的輪軌接觸位置、接觸狀態(tài)、接觸應(yīng)力和脫軌系數(shù)等指標進行了對比分析[6]。

在道岔的仿真計算中，區(qū)間線路的經(jīng)典輪軌接觸理論也不斷被引入岔區(qū)計算中，AYASSE根據(jù)半空間赫茲理論對輪軌接觸斑進行修正離散，應(yīng)用Kalker方程計算輪軌區(qū)接觸壓力分布并與多點赫茲接觸計算結(jié)果進行對比分析，證明該方法能夠產(chǎn)生與半赫茲接觸理論相似的動態(tài)結(jié)果，并可更快、更加準確地得到想要的接觸狀態(tài)，在后續(xù)的輪軌磨耗和滾動接觸疲勞的計算中具有廣泛的應(yīng)用前景[7]。Sebes計算分析了赫茲及半赫茲接觸理論，認為半赫茲接觸理論更適用于道岔區(qū)域的輪軌接觸分析，建立了三維變截面軌道，對比分析了軌道在理想狀態(tài)下和存在實測不平順時車輛通過可動心轍叉的輪軌作用力及接觸應(yīng)力，提出應(yīng)用磨耗后輪軌型面進行分析更具有實際研究意義，如圖8所示[8]。

圖8 輪軌垂向力與接觸應(yīng)力[8]

在吸收經(jīng)典輪軌接觸理論的同時國外學(xué)者也在不斷提出新的岔區(qū)計算模型， Afli建立了適用于振動頻率在500 Hz以下的岔區(qū)輪軌接觸數(shù)學(xué)模型，模型考慮了單個車輪在岔區(qū)變截面軌道過渡時的狀態(tài)，同時模型考慮了軌道彈性及輪軌廓形對于輪軌磨耗的影響，并以城軌車輛過岔為例，計算了車輛過岔時的輪軌作用力，如圖9[9]所示將模型計算結(jié)果與線路實測數(shù)據(jù)進行對比，證實了該模型的正確性。Hiensch以荷蘭9號道岔側(cè)向過岔時的磨耗情況為例對各種影響因素進行分析，認為車輛的過岔方向和輪軌間摩擦系數(shù)對尖軌和心軌磨耗影響較大，而對車輛運行速度、牽引力大小、軌距加寬和道岔布局的影響較小，認為適當(dāng)?shù)妮喚墲櫥梢杂行p小岔區(qū)側(cè)磨[10]。

圖9 城軌車輛過岔時的輪軌作用力[9]

3 國內(nèi)岔區(qū)動力學(xué)研究

由于道岔軌頭型面存在很大變化，輪軌接觸關(guān)系復(fù)雜，20世紀80年代之前，我國關(guān)于道岔的研究大都停留在道岔使用狀態(tài)的調(diào)研及道岔型面設(shè)計等方面[11]，直到80年代后，針對岔區(qū)動力學(xué)的研究逐漸展開。

20世紀80年代初顧經(jīng)文采用集中參數(shù)法對車輛通過固定轍叉時的振動特性進行計算[12]，但由于岔區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而集中參數(shù)計算模型相對簡單、考慮參數(shù)較少，不能真實的反映岔區(qū)該有的結(jié)構(gòu)特點和質(zhì)量分布，仿真結(jié)果不甚理想。張遠榮采用點支承變截面梁對道岔轍叉部分的垂向振動進行分析[13]，但模型只考慮了心軌處單一的垂向特征，未考慮道岔其他組成部分及道岔的橫向振動特性，尚未形成岔區(qū)輪軌耦合系統(tǒng)。

20世紀90年代，任尊松分析了車輛-道岔相互作用力學(xué)模型，建立了12號道岔模型，將尖軌、心軌、基本軌和護軌簡化為兩端自由的等截面Eluer梁，對車輛過岔時的振動性能、輪軌響應(yīng)、轍叉響應(yīng)和岔枕振動及車輛側(cè)逆向過岔時的護軌沖擊進行計算[14-16]，但文中道岔不能真實考慮軌道變截面的影響，存在一定的局限性。為研究提速道岔的適用性，王平對客貨車過岔性能進行研究，分析時對岔區(qū)結(jié)構(gòu)做出自由度減縮假設(shè)，將尖軌與基本軌視為一股，采用橫向及垂向不平順激勵模擬道岔存在的固有不平順，對可動心軌道岔和固定轍叉道岔進行對比分析，研究了車輛運行速度和軸重等因素對車輛過岔性能的影響[17]。

受計算機及仿真軟件發(fā)展的限制，上述的分析計算中未考慮道岔實際的變截面情況，而是以簡單的軌道不平順激勵模擬，進入21世紀以來仿真設(shè)備及商業(yè)軟件發(fā)展迅速，使道岔仿真得到進一步發(fā)展。2000年任尊松建立了考慮尖軌和基本軌、翼軌和心軌等部分空間變截面的道岔模型，針對岔區(qū)輪軌力分布和尖軌與心軌處的輪軌接觸狀態(tài)及護軌沖擊進行計算[18]。孫加林分析了國外大號碼道岔的研制與使用現(xiàn)狀，利用動力學(xué)軟件NUCARS建立了秦沈客運專線18號及38號道岔模型及先鋒號列車模型，針對單圓曲線和三次拋物線線型進行計算分析，認為大號碼道岔采用三次拋物線線型能有效降低轍叉區(qū)輪軌間作用力[19]。

岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系復(fù)雜，區(qū)間線路中的單點接觸和兩點接觸不足以表達輪軌間可能存在的接觸狀態(tài)，岔區(qū)輪軌間可能存在單點、兩點和三點接觸，如圖10所示。復(fù)雜的輪軌接觸關(guān)系增加了岔區(qū)計算分析的困難，但同時岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài)的明確也為岔區(qū)動力學(xué)的進一步研究提供了基礎(chǔ)。

圖10 岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài)

相比區(qū)間線路，岔區(qū)固有不平順使輪軌接觸更加惡劣，為了解岔區(qū)不平順組成和其對車輛過岔時的影響，國內(nèi)學(xué)者對岔區(qū)不平順進行了研究。管震舜、全順喜等針對岔區(qū)結(jié)構(gòu)不平順和幾何不平順進行分析，計算了典型幾何不平順對岔區(qū)輪軌接觸位置的影響，建立車-岔耦合動力學(xué)模型，對車輛通過道岔時的振動性能進行分析[20-21]。岔區(qū)尖軌、心軌存在頂面加寬、軌頂降低等設(shè)計以保證順利引導(dǎo)車輪實現(xiàn)過渡，但該設(shè)計引起的結(jié)構(gòu)不平順同樣不可避免，在后續(xù)的研究中眾多學(xué)者針對高速道岔尖軌與心軌部位的不平順與輪軌接觸進行了進一步分析，LM、LMA踏面在18號道岔尖軌、心軌處的垂向固有不平順如圖11所示。

圖11 18號道岔固有不平順

針對道岔尖軌線型，曹洋以18號道岔及42號道岔為例，從動力學(xué)性能及輪軌磨耗方面對各種線型的適用性進行分析，計算結(jié)果表明：切線及半切線型尖軌用于18號道岔時，車輛具有較好的動力學(xué)性能且降低了輪軌磨耗[22]。王樹國針對CRH380AL、 CRH380BL和CRH2型動車組經(jīng)過京滬高速鐵路42號道岔時出現(xiàn)的晃車現(xiàn)象，利用NUCARS軟件對這一現(xiàn)狀進行了分析，認為轉(zhuǎn)轍區(qū)尖軌降低值與設(shè)計值偏差過大造成了晃車現(xiàn)象，并通過更換軌下橡膠墊板或尖軌下滑床臺調(diào)整尖軌降低值解決了實際問題[23]。

王平應(yīng)用跡線法和有限元法對磨耗后的LM踏面與12號道岔的靜態(tài)輪軌接觸進行分析，對比了標準型面和磨耗型面在特定斷面的接觸位置、接觸斑大小和接觸應(yīng)力，對疲勞裂紋產(chǎn)生位置進行預(yù)測，對岔區(qū)鋼軌型面的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)[24]。張文仁針對250 km/h客運專線18號道岔的曲尖軌側(cè)磨情況進行調(diào)研，根據(jù)尖軌側(cè)磨深度不同建立了4種道岔模型，對車輛通過不同道岔模型時的輪軌作用力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等進行分析，為18號客運專線道岔的磨耗限值提供了依據(jù)[25]。

車輛過岔時，輪軌接觸點存在較大跳躍，輪軌垂向載荷在基本軌與尖軌、翼軌與心軌之間轉(zhuǎn)移。為分析岔區(qū)輪軌接觸點和輪載在岔區(qū)鋼軌的分布情況，王平分析了LM、LMA踏面在18號單開道岔運行時輪軌接觸點的變化，如圖12所示，岔區(qū)輪軌接觸點的位置變化與不平順變化規(guī)律一致，在輪載發(fā)生轉(zhuǎn)移之前隨尖軌、心軌頂寬加寬而外移，輪載發(fā)生轉(zhuǎn)移時接觸點存在突變，而后又隨尖軌、心軌頂寬加寬而外移[26]。

圖12 不同踏面運行于18號道岔時輪軌接觸點變化

針對車輛過岔時輪載在基本軌與尖軌間的過渡問題，任尊松以Hertz非線性彈性接觸理論，分析了車輪與兩股鋼軌同時接觸的2點接觸問題，在后續(xù)的研究中提出多點接觸的計算方法并驗證其在實際運用中的可行性[27-28]。馬曉川在上述的基礎(chǔ)上以LMA踏面為例，分析了道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)尖軌與基本軌的垂向相對位移對輪軌間垂向載荷轉(zhuǎn)移的影響，指出考慮了尖軌與基本軌的垂向相對位移之后輪軌間作用力在轉(zhuǎn)轍區(qū)的分布基本呈現(xiàn)非線性變化[29]。

4 岔區(qū)輪軌關(guān)系分析

岔區(qū)鋼軌廓形在轉(zhuǎn)轍區(qū)與轍叉區(qū)連續(xù)變化，同一車輪運行于不同位置時的輪軌接觸狀態(tài)存在較大差異，過于集中的輪軌接觸關(guān)系容易造成輪軌間的跳躍現(xiàn)象和過度磨耗，而較為均勻的接觸更有利于車輛平穩(wěn)地通過岔區(qū)，延長輪軌使用壽命。

直尖軌/基本軌、翼軌/心軌間的輪軌廓形及降低值均存在一定的差異，以350 km/h客運專線18號道岔和LMA車輪踏面的匹配為例，采用跡線法對車輪在各典型斷面的輪軌匹配關(guān)系進行分析，如圖13所示。

當(dāng)尖軌、長心軌頂寬較窄時，輪軌接觸點主要集中在與之相鄰的基本軌、翼軌區(qū)域，車輪與基本軌的接觸點主要集中在基本軌的軌頂區(qū)域，而與翼軌的接觸點集中在軌距角圓弧的末端，只有在橫移量較大時，如橫移量達到10～12 mm，車輪輪緣與尖軌、心軌側(cè)面有部分接觸。隨著頂寬的不斷加大，輪軌接觸點逐漸向尖軌、心軌區(qū)域轉(zhuǎn)移，當(dāng)直尖軌頂寬達到40 mm、長心軌頂寬為50 mm時，輪軌接觸線已經(jīng)全部集中在相應(yīng)的尖軌、心軌區(qū)域而不再和基本軌、翼軌接觸，此現(xiàn)象和岔區(qū)降低值完全吻合。車輪與直尖軌頂寬40 mm斷面和翼軌頂寬50 mm斷面接觸時輪軌接觸相對均勻，而在其他斷面接觸位置相對集中，因此當(dāng)車輪完成輪重轉(zhuǎn)移，完全運行于尖軌、心軌區(qū)域時，輪軌接觸狀態(tài)較好，而在之前的過渡區(qū)域輪軌接觸過于集中，容易造成輪軌的集中磨耗。

圖13 岔區(qū)不同斷面輪軌匹配關(guān)系

5 結(jié)論與展望

道岔的發(fā)展歷程是岔區(qū)線型和鋼軌型面不斷優(yōu)化的過程，岔區(qū)動力學(xué)分析為道岔的設(shè)計與研究提供了理論基礎(chǔ)。動力學(xué)研究與輪軌廓形的研究證實了復(fù)雜的岔區(qū)鋼軌廓形增加了輪軌間的相互作用力，同時輪軌間過于集中的匹配關(guān)系更加劇了岔區(qū)磨耗，過大的磨耗會惡化輪軌關(guān)系，導(dǎo)致岔區(qū)鋼軌損壞。進一步的研究中應(yīng)構(gòu)建有效的岔區(qū)輪軌磨耗預(yù)測模型，分析岔區(qū)磨耗因素，通過調(diào)控相關(guān)因素減小岔區(qū)磨耗，保持良好的岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系。

在后續(xù)的輪軌關(guān)系研究中考慮岔區(qū)兩股軌道間橫向及垂向的相對運動，考慮不同磨耗車輪在岔區(qū)的輪軌匹配情況，通過更加準確的動力學(xué)仿真，優(yōu)化岔區(qū)軌面廓形，使車輪在岔區(qū)輪重轉(zhuǎn)移區(qū)域擁有更為良好的分布，減小車輛過岔振動和道岔磨耗。

建設(shè)高效快速的高速道岔檢測技術(shù)，對岔區(qū)結(jié)構(gòu)不平順進行監(jiān)測，同時研發(fā)道岔專用養(yǎng)修機具實現(xiàn)對岔區(qū)廓形的定期維護打磨，維持良好的岔區(qū)廓形，形成高速道岔全壽命周期能效保持技術(shù)體系是仍需繼續(xù)研究的方向。