城市有軌電車輪緣承載式轍叉動力學(xué)特性研究

司道林 張立軍 王樹國 楊東升 王璞

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 102202）

城市有軌電車起源于19 世紀(jì)80 年代，在歐洲有著上百年的運(yùn)營歷史［1］。有軌電車不僅建設(shè)成本低、周期短，且具有節(jié)能環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活度高等特點(diǎn)。發(fā)展有軌電車是大、中型城市緩解交通壓力的重要舉措［2］。

有軌電車運(yùn)營環(huán)境不同于地鐵，有其自身特點(diǎn)，不斷有學(xué)者開展相關(guān)研究。文獻(xiàn)［3］根據(jù)城市規(guī)模、交通需求和土地利用規(guī)劃將有軌電車劃分為三種運(yùn)營模式，闡述了不同模式下有軌電車在城市公共交通中的地位、角色及其適用環(huán)境。但有軌電車主要修建在地上，并非所有區(qū)段均有專用路權(quán)，在特殊區(qū)段通常與地面交通工具享有同等的路權(quán)，且線路走向受到已有城市格局的限制。因此，其建設(shè)場地空間極為有限，為增加線路的靈活性，設(shè)計時不得不采用小號碼單開道岔、線型特殊的梳子型組合道岔［4］，以及兩股軌道直接相交的交叉。正線、站場分別采用6 號、3 號道岔，號碼均遠(yuǎn)小于普通鐵路道岔［5］。軌道交叉可分為菱形交叉和垂直交叉兩種［6］。道岔轍叉與軌道交叉具有類似的結(jié)構(gòu)特征和功能，均為兩股鋼軌以一定的角度交叉，因此本文將道岔轍叉與軌道交叉統(tǒng)稱為轍叉。

轍叉多由槽形鋼軌制造［7］，典型結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。為實(shí)現(xiàn)轍叉區(qū)的特定功能，需設(shè)置一定寬度的輪緣槽，以便車輪輪緣順利通過，但這樣會導(dǎo)致鋼軌頂面中斷，荷載需在翼軌與心軌間轉(zhuǎn)換。轍叉角較小時翼軌與心軌共同承載（如圖1（b）所示），輪載可由翼軌逐漸過渡至心軌；轍叉角較大時翼軌和心軌無法共同承載（如圖1（c）所示），車輪支承被中斷，由翼軌直接跳至心軌。這樣不僅產(chǎn)生較大輪軌沖擊荷載，而且會給行車帶來較大安全隱患。

圖1 轍叉區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系

為使車輪連續(xù)支承設(shè)計了輪緣承載式轍叉，與傳統(tǒng)轍叉明顯不同的是車輪以輪緣承載的方式跨越輪緣槽。本文分析輪緣承載式轍叉的工作原理，繼而建立有軌電車-輪緣承載式轍叉的動力學(xué)模型，分析轍叉結(jié)構(gòu)參數(shù)對有軌電車輪軌動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，為確定轍叉區(qū)合理通過速度提供理論依據(jù)。

1 輪緣承載式轍叉的工作原理

輪緣承載式轍叉與文獻(xiàn)［8］提出的固定型立交式轍叉有相通之處。固定型立交式轍叉通過輪緣承載的方式將車輪托起，使輪緣高于軌頂，跨過不間斷的主線鋼軌。其主要適用于直、側(cè)向運(yùn)量懸殊的運(yùn)輸環(huán)境，達(dá)到主線鋼軌與區(qū)間鋼軌同壽命、兼顧側(cè)向行車的目的。

本文介紹的輪緣承載式轍叉與固定型立交式轍叉的功能定位及工作原理有所不同，主要用于轍叉角較大時解決輪載無法平順過渡的問題。此類轍叉具有深度變化的輪緣槽。通過調(diào)整輪緣槽深度，實(shí)現(xiàn)輪載在踏面和輪緣間轉(zhuǎn)換，使得車輪順利通過轍叉。

車輪通過轍叉區(qū)時輪軌接觸特征如圖2所示。車輪駛?cè)朕H叉前，輪緣槽深度大于輪緣高度，輪緣頂部不會接觸輪緣槽底。臨近轍叉時輪緣槽底設(shè)置一定坡度，輪緣槽深度不斷減小，當(dāng)輪緣槽深度與輪緣高度相同時輪緣頂部與輪緣槽底接觸，輪載由踏面和輪緣頂部共同承擔(dān)（圖2中A 點(diǎn)），輪緣槽深度繼續(xù)減小，直至將車輪抬起一定高度（圖2 中B 點(diǎn)），使車輪踏面脫離鋼軌頂面，輪載完全由輪緣承擔(dān)。待車輪駛過轍叉區(qū)后，輪緣槽深度開始增加（圖2中C 點(diǎn)），車輪高度下降，使輪載再由輪緣頂部逐漸恢復(fù)至踏面（圖2中D 點(diǎn)），輪緣頂部與輪緣槽底脫離，輪軌接觸幾何關(guān)系回歸常態(tài)，至此車輪通過了大角度轍叉。由于輪緣承載區(qū)的輪緣槽深度小于常規(guī)值，故此類轍叉通常稱為淺槽轍叉。

圖2 車輪通過轍叉區(qū)時輪軌接觸特征

車輪以輪緣連續(xù)承載的方式通過轍叉，避免了輪載在翼軌與心軌間不連續(xù)過渡導(dǎo)致的劇烈輪軌沖擊。但此過程中不僅需要輪載在鋼軌頂面與輪緣槽底間相互轉(zhuǎn)換，而且需將車輪抬升至一定高度，不可避免地產(chǎn)生輪軌沖擊荷載，影響車輛垂向平穩(wěn)性。因此有必要建立有軌電車-轍叉動力學(xué)模型，分析輪緣承載式轍叉的動力學(xué)性能。

2 有軌電車輪軌動力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1 模型的建立和工況的設(shè)置

基于多體動力學(xué)理論［9］，采用NUCARS 軟件建立有軌電車-輪緣承載式轍叉的動力學(xué)模型。有軌電車由5節(jié)車體、3個構(gòu)架和6條輪對組成，車體、構(gòu)架和輪對為主要運(yùn)動部件。第1 節(jié)和第5 節(jié)為動車，配備有動力轉(zhuǎn)向架；第3 節(jié)為拖車，配備無動力轉(zhuǎn)向架；第2節(jié)和第4 節(jié)為無轉(zhuǎn)向架的浮車，以鉸接的方式與前后車體連接，如圖3所示。

圖3 有軌電車示意

車體與構(gòu)架、構(gòu)架與輪對間分別采用二系、一系懸掛連接，車體間通過靈活度較高的鉸接裝置連接，以實(shí)現(xiàn)車體間較大的相對位移和轉(zhuǎn)動。車體質(zhì)量經(jīng)二系懸掛傳遞至構(gòu)架，再經(jīng)一系懸掛傳遞至輪對，浮車荷載通過鉸接裝置傳遞至兩端相鄰車體。各部件間均可獨(dú)立運(yùn)動。因此，建立動力學(xué)模型時將車體、構(gòu)架和輪對均視為多自由度剛體，一系、二系懸掛和車間鉸接裝置的力學(xué)特性通過改變彈簧剛度、阻尼參數(shù)表征。有軌電車的每節(jié)車體和每個構(gòu)架均有橫向位移、垂向位移、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭5 個自由度，每條輪對有橫向位移、垂向位移、側(cè)滾、搖頭4個自由度。

采用NUCARS 軟件中的雙軌方法建立道岔模型，雙軌由主軌和輔軌構(gòu)成。主軌用于模擬基本軌，輔軌用于模擬輪緣槽。輔軌可相對主軌橫向位移、垂向位移和轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)輪緣槽深度的變化。圖4 展示了車輪由圖2 中A 點(diǎn)向D 點(diǎn)行駛過程中輪軌間3 種典型接觸狀態(tài)：車輪通過D點(diǎn)后到達(dá)A點(diǎn)前由主軌承載；車輪到達(dá)A 點(diǎn)和D 點(diǎn)時由主軌與輔軌同時承載；車輪到達(dá)B點(diǎn)和C點(diǎn)時由輔軌承載。

圖4 輪緣槽深度變化時出現(xiàn)的3種典型接觸狀態(tài)

2.2 模擬結(jié)果與分析

為使輪緣槽底、輪緣頂部磨損情況下輪緣承載時車輪踏面仍能完全脫離軌頂，輪緣槽深度須比輪緣高度小7 mm，輪緣槽深度變化率取10‰。以此轍叉參數(shù)為基準(zhǔn)，計算有軌電車以不同速度通過轍叉時輪軌垂向力、輪軌橫向力、減載率、脫軌系數(shù)和車體加速度，通過分析各項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)隨速度的變化規(guī)律，得到有軌電車通過轍叉區(qū)時的動態(tài)響應(yīng)。

有軌電車以時速25 km 通過轍叉時各項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)變化情況見圖5。

圖5 有軌電車以時速25 km通過轍叉時動力學(xué)指標(biāo)變化情況

由圖5 可知：①輪軌垂向力出現(xiàn)4 次明顯波動。第1 次（A 點(diǎn)）波動反映輪緣頂部開始接觸輪緣槽，由輪載從踏面轉(zhuǎn)移至輪緣頂部所致；第2 次（B 點(diǎn)）和第3 次（C 點(diǎn)）波動出現(xiàn)在輪緣槽底的變坡點(diǎn)處，由車輪質(zhì)心高度變化所致；第4 次（D 點(diǎn)）波動反映車輪踏面重新接觸軌頂，由輪載從輪緣頂部恢復(fù)至踏面所致。輪載在踏面和輪緣間轉(zhuǎn)換過程中輪軌垂向力最大值達(dá)到38.5 kN，為靜輪載（35.3 kN）的1.1 倍。在輪緣槽底變坡點(diǎn)處輪軌垂向力明顯減少，最小值為27.1 kN。減載率達(dá)到最大值0.22，小于安全限值。②輪軌垂向力產(chǎn)生波動的同時，還導(dǎo)致輪軌橫向力隨之波動，輪軌橫向力最大值為2.6 kN。脫軌系數(shù)最大值為0.07，小于安全限值。③通過轍叉時需將輪對抬升7 mm，因此車體產(chǎn)生大幅度振動。車體出現(xiàn)3 次明顯振動，車體垂向加速度最大值達(dá)到1.4 m/s2。車體橫向加速度未受到明顯影響，最大值僅為0.1 m/s2。

由上述分析可見，有軌電車通過輪緣承載式轍叉時主要影響垂向動力學(xué)指標(biāo)，對橫向動力學(xué)指標(biāo)影響較小。因此，分析有軌電車行車速度對輪軌動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律時主要分析垂向動力學(xué)指標(biāo)。

有軌電車行車速度在5～45 km/h 變化時輪軌垂向力、減載率和車體垂向加速度的變化規(guī)律見圖6?？梢姡弘S著行車速度提高，3 項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。輪軌垂向力、減載率均呈線性增加，輪軌垂向力由36.2 kN 增至41.7 kN，減載率變化幅度較大，由0.02 增至0.41。減載率最大值小于安全限值。車體垂向加速度明顯呈非線性增長。速度超過15 km/h后車體垂向加速度快速增加，當(dāng)行車速度達(dá)到25，35，45 km/h 時車體垂向加速度分別達(dá)到1.4，1.6 和2.2 m/s2。可見，提高行車速度不僅顯著惡化有軌電車在轍叉區(qū)的平穩(wěn)性，而且在一定程度上增加了安全風(fēng)險。

圖6 動力學(xué)指標(biāo)隨有軌電車行車速度的變化規(guī)律

參考文獻(xiàn)［10］中車體加速度評價準(zhǔn)則，正常運(yùn)營時車體垂向加速度應(yīng)控制在1.5 m/s2以內(nèi)。因此，有軌電車通過輪緣承載式轍叉的速度不宜超過15 km/h，站場內(nèi)對平穩(wěn)性要求不高時行車速度可適當(dāng)提高，但不應(yīng)超過25 km/h。

3 結(jié)論

1）有軌電車通過輪緣承載式轍叉時輪載需在踏面和輪緣之間相互轉(zhuǎn)換，此過程中產(chǎn)生的明顯輪軌沖擊荷載經(jīng)懸掛傳至車體，引發(fā)車體大幅度垂向振動。因此有軌電車通過輪緣承載式轍叉時主要影響有軌電車垂向動力學(xué)指標(biāo)，對橫向動力指標(biāo)影響較小。

2）隨著行車速度提高，各項(xiàng)垂向動力學(xué)指標(biāo)均明顯呈增加趨勢，車體垂向加速度的增幅最明顯，車體平穩(wěn)性急劇惡化。日常運(yùn)營時有軌電車通過輪緣承載式轍叉的速度不宜超過15 km/h，站場內(nèi)對平穩(wěn)性要求不高時行車速度可適當(dāng)提高，但不應(yīng)超過25 km/h。