鋼軌件磨耗狀態(tài)下高速道岔達速運行適應(yīng)性研究

王 璞， 王樹國， 楊東升， 司道林

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路客運需求的不斷增加，增大運量已成為迫切需求。2017年9月，復(fù)興號動車組率先在京滬高速鐵路實現(xiàn)350 km/h商業(yè)運營，而后逐漸增開350 km/h復(fù)興號動車組數(shù)量。2018年8月，京津城際鐵路實現(xiàn)了復(fù)興號動車組350 km/h運營。復(fù)興號列車在京滬高鐵、京津城際鐵路以350 km/h運營以來，滿足了沿線旅客高品質(zhì)出行的需要，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。目前，我國京滬高鐵部分列車以及其他高速線路仍以300 km/h運行，實現(xiàn)京滬高速鐵路全面達速并在全國高速鐵路范圍內(nèi)進一步擴大350 km/h運行范圍對于提高運量和效率、提升高速鐵路的競爭優(yōu)勢具有重大意義。然而，我國高速鐵路經(jīng)過了近10年的300 km/h運營，進一步擴大達速規(guī)模亟需對移動裝備和基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性進行全面的評估，確保列車安全、舒適運行。

高速道岔是高速鐵路的重要設(shè)備和薄弱環(huán)節(jié)之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多，是高速鐵路可能的限速點之一[1-2]，如實現(xiàn)大范圍達速必須首先保證高速道岔能夠滿足長期350 km/h直向通過的要求。然而我國高速道岔隨著運營時間的不斷增長，服役狀態(tài)呈現(xiàn)不斷劣化的趨勢，逐漸暴露出一系列問題，其中道岔區(qū)鋼軌磨耗是普遍存在的主要問題之一[3-4]，鋼軌磨耗的存在會改變岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系，對列車通過道岔時的動力性能產(chǎn)生干擾，進而可能對高速道岔達速運行產(chǎn)生影響。

目前，運行速度對道岔力學特性影響的研究較多，但多出于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的。針對無傷損條件下的道岔，對磨耗狀態(tài)下運行速度對高速道岔的影響研究尚較少[5-14]?；谘芯啃枨蠛图扔胁蛔?，本文通過實測獲取高速道岔磨耗廓形，在此基礎(chǔ)上建立車輛-道岔耦合動力學仿真計算模型，對現(xiàn)行300 km/h速度條件下岔區(qū)鋼軌件磨耗對列車過岔動力學性能的影響進行分析，進而對鋼軌磨耗狀態(tài)下高速道岔對達速運行的適應(yīng)性進行探究，以期為我國高速鐵路進一步擴大達速范圍提供理論依據(jù)和支撐。

1 高速車輛-道岔耦合動力學模型

基于多體動力學理論建立高速車輛動力學模型，對車體、構(gòu)架、輪對、軸箱等均采用6自由度剛體進行模擬，充分考慮二系空氣彈簧及橫向減振器、一系彈簧及垂向減振器、抗蛇形減振器、牽引拉桿、橫向止擋等結(jié)構(gòu)部件間的非線性連接耦合作用，通過精細化建模確保模型盡可能與實際相符，高速車輛動力學模型，如圖1所示。

圖1 高速車輛動力學模型

輪軌接觸計算基于Hertz[15]接觸理論及Kalker等[16-17]的FASTSIM算法進行，主要分為接觸點位置探測、整體接觸力學量計算(接觸力、蠕滑率等)以及接觸斑局部接觸力學量計算(接觸應(yīng)力、蠕滑應(yīng)力、滑動速度分布等)，如圖2所示。

圖2 輪軌接觸計算模型

道岔動力學模型充分考慮轉(zhuǎn)轍器區(qū)基本軌與尖軌、轍叉區(qū)心軌與翼軌的組合位置關(guān)系以及鋼軌的變截面特性，通過插值的方法實現(xiàn)道岔區(qū)異形鋼軌截面的空間過渡，如圖3所示。轉(zhuǎn)轍器區(qū)及轍叉區(qū)主要特征斷面位置鋼軌初始設(shè)計廓形，如圖4所示。

圖3 岔區(qū)變截面鋼軌的模擬

圖4 道岔區(qū)特征位置鋼軌初始設(shè)計廓形

充分考慮道岔區(qū)軌道的剛度與阻尼特性，剛度阻尼參數(shù)取值基于實測結(jié)果，軌道垂、橫向剛度分別取40 kN/mm，95 kN/mm，垂、橫向阻尼分別取400 kN·s/m，100 kN·s/m。高速道岔動力學模型，如圖5所示。

圖5 高速道岔動力學模型

2 高速道岔鋼軌磨耗廓形測試

隨著高速道岔服役時間的增長，岔區(qū)鋼軌磨耗情況會越來越嚴重，如圖6所示。課題組對某線路高速鐵路道岔不同特征位置的鋼軌磨耗廓形進行了測試，如圖7所示。所測廓形為此線路高速鐵路道岔在鋪設(shè)運營7年后的鋼軌廓形，通過總質(zhì)量約120 MGT。針對該道岔試驗段進行了多次測試，結(jié)果表明直向過岔條件下，道岔區(qū)鋼軌件磨耗狀態(tài)已趨于穩(wěn)定，磨耗發(fā)展已較為緩慢，因此，所測鋼軌廓形基本能夠表征此線路高速鐵路道岔的磨耗狀態(tài)及特征。

(a) 尖軌磨耗

(a) 轉(zhuǎn)轍器區(qū)

從圖7可知，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)及轍叉區(qū)，尖軌、基本軌、翼軌、心軌均出現(xiàn)了不同程度的磨耗，導(dǎo)致軌頭廓形及鋼軌件之間的相對位置關(guān)系較初始狀態(tài)發(fā)生了較為明顯的變化，這會直接影響列車通過道岔時的輪軌接觸狀態(tài)和輪載過渡情況，進而會對列車運行的安全、穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

分別基于高速道岔初始設(shè)計廓形和實測的磨耗鋼軌廓形，建立道岔動力學模型，高速車輛和輪軌接觸模型及參數(shù)保持不變，分別計算車-岔動力學特性，將初始狀態(tài)和磨耗狀態(tài)下的仿真計算結(jié)果進行對比分析。

3 鋼軌件磨耗對動力性能的影響

現(xiàn)行300 km/h速度條件下鋼軌件磨耗前后車-岔系統(tǒng)動力學特性對比，如圖8所示。圖8中橫坐標“位置”含義為距仿真起點(岔前20 m位置)的距離，為便于分析，用箭頭標出了列車進岔及出岔的橫坐標位置。

由圖8可知，在鋼軌磨耗狀態(tài)下，列車通過道岔時的動力學特性發(fā)生了明顯的變化。

圖8 道岔區(qū)鋼軌磨耗對動力學性能的影響

在鋼軌磨耗狀態(tài)下列車進岔時所產(chǎn)生的輪軌沖擊作用提前了，轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪載過渡規(guī)律發(fā)生了明顯的改變。輪軌作用力峰值仍出現(xiàn)在轍叉區(qū)，但較非磨耗狀態(tài)均大幅增加，輪軌垂向力峰值由99.29 kN增至113.35 kN，輪軌橫向力峰值由4.23 kN增至6.34 kN。列車通過轍叉區(qū)時安全性指標顯著惡化，脫軌系數(shù)峰值由0.047增至0.107，輪重減載率峰值由0.228增至0.600，因此，在高速道岔鋼軌磨耗狀態(tài)下，列車過岔安全性需要進一步關(guān)注。另外，在磨耗狀態(tài)下，輪軌橫向力和脫軌系數(shù)在列車出岔后均出現(xiàn)一個峰值，表明有輪緣接觸的情形發(fā)生，列車在通過道岔時產(chǎn)生了一定的晃動。

輪對橫移曲線可進一步證明，列車進岔后由于道岔固有結(jié)構(gòu)不平順的激擾，輪對出現(xiàn)了蛇形運動，而在磨耗狀態(tài)下，列車進岔后輪對的蛇形運動趨勢則顯著增大，輪對橫移量由1.83 mm增至6.42 mm。另外，在磨耗狀態(tài)下輪對橫向加速度也明顯增加，分別在轉(zhuǎn)轍器區(qū)、轍叉區(qū)及出岔后出現(xiàn)峰值;在磨耗狀態(tài)下輪對橫向加速度峰值由3.72 m/s2增至6.25 m/s2。車輛振動情況也呈加劇的趨勢，車體垂向加速度峰值出現(xiàn)位置由轉(zhuǎn)轍器區(qū)變?yōu)檗H叉區(qū)，由0.008 m/s2增至0.011 m/s2，車體橫向加速度峰值由0.095 m/s2增至0.174 m/s2。

高速道岔在磨耗狀態(tài)下，列車通過道岔時的輪軌磨耗情況有所減弱，磨耗功率峰值由655.97 W降至628.84 W，說明道岔鋼軌磨耗發(fā)展呈逐漸收斂的趨勢，隨著磨耗程度的加深，磨耗發(fā)展速率逐漸減緩。

總體來看，高速道岔鋼軌磨耗對列車過岔時的安全性、輪軌相互作用以及車輛運行狀態(tài)及振動情況均會產(chǎn)生不利影響。

4 鋼軌磨耗狀態(tài)下道岔達速運行適應(yīng)性分析

在道岔區(qū)鋼軌磨耗狀態(tài)下，當列車速度由300 km/h提升至350 km/h時，車-岔動力性能的變化，如圖9所示。

(a) 脫軌系數(shù)

從圖9可知，在高速道岔磨耗狀態(tài)下，速度由300 km/h提升至350 km/h時，列車過岔的安全性參數(shù)均增大，脫軌系數(shù)的增大更為明顯，脫軌系數(shù)和輪重減載率的峰值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，速度提升后脫軌系數(shù)峰值由0.11增至0.14，輪重減載率峰值由0.60增至0.61。

速度提升后，列車過岔時輪軌的相互作用也呈增大趨勢，輪軌垂向力增加尤為顯著，輪軌垂橫向力峰值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，速度提升后輪軌垂向力峰值由113.35 kN增至123.47 kN，輪軌橫向力峰值由6.34 kN增至8.86 kN。值得注意的是，速度提升后，出岔后輪緣接觸發(fā)生位置后移。

速度提升后，列車過岔時的輪對橫移量略有減小，但輪對橫向加速度呈增大趨勢，通過轍叉區(qū)時輪對橫向加速度峰值由6.25 m/s2增至6.59 m/s2。速度提升前后，列車過岔時車體的振動加速度時程曲線特征基本一致，但幅值均有所增加，車體垂向振動加速度峰值由0.011 m/s2增至0.012 m/s2，車體橫向振動加速度峰值由0.174 m/s2增至0.204 m/s2。

另外，在磨耗狀態(tài)下，列車達速通過道岔時輪軌磨耗將相應(yīng)加劇，尤其在通過轍叉區(qū)時輪軌磨耗功率明顯增加，磨耗功率峰值由628.84 W增至1 097.98 W。說明雖然在特定運營條件下道岔鋼軌磨耗發(fā)展呈收斂的趨勢，但是運營速度的增加會使磨耗發(fā)展加速。

總體來看，運營速度提升前道岔區(qū)鋼軌件磨耗已導(dǎo)致列車過岔安全性、輪軌相互作用、車輛振動出現(xiàn)明顯的變化，列車過岔速度的提升會進一步壓縮安全和疲勞性能裕量，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、以及車體和輪對的橫向加速度等均有提升，其中輪軌橫向力增幅約40%。另外，速度提升會改變道岔鋼軌件磨耗發(fā)展的收斂趨勢，重新致使鋼軌磨耗加速發(fā)展。因此，鋼軌件磨耗會使高速道岔對于達速運行的適應(yīng)性有所下降，但是各項動力學指標均仍在安全限值范圍內(nèi)，鋼軌件磨耗狀態(tài)下高速道岔雖能適應(yīng)350 km/h達速運行條件，但需重點關(guān)注鋼軌件的進一步磨耗和部件傷損加速的情況。

5 結(jié) 論

對長期運營狀態(tài)下高速道岔特征位置鋼軌磨耗廓形進行了測試，建立了高速車輛-道岔耦合動力學模型，對現(xiàn)行速度條件下岔區(qū)鋼軌件磨耗對列車過岔動力性能的影響以及磨耗狀態(tài)下高速道岔對達速運行的適應(yīng)性進行了仿真分析。主要結(jié)論如下：

(1) 長期運營條件下，高速道岔尖軌、基本軌、翼軌、心軌均出現(xiàn)了不同程度的磨耗，軌頭廓形及鋼軌件之間相對位置關(guān)系較初始狀態(tài)發(fā)生了較為明顯的變化。

(2) 鋼軌磨耗條件下列車進岔時產(chǎn)生的輪軌沖擊作用提前了，轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪載過渡規(guī)律發(fā)生了明顯的改變；列車通過轍叉時輪軌動力作用及安全性指標均增加；列車進岔后輪對蛇行運動趨勢增大，導(dǎo)致出岔后發(fā)生輪緣接觸；車輛及輪對振動也呈加劇的趨勢；隨著磨耗程度的加深，列車過岔時輪軌磨耗速率逐漸減緩，道岔鋼軌磨耗發(fā)展呈逐漸收斂的趨勢。

(3) 道岔磨耗狀態(tài)下，列車速度的提升會進一步壓縮安全和疲勞性能裕量，并且會改變道岔鋼軌件磨耗發(fā)展的收斂趨勢。鋼軌件磨耗狀態(tài)下高速道岔雖能適應(yīng)350 km/h達速運行條件，但需重點關(guān)注鋼軌件的進一步磨耗和部件傷損加速的情況。

本文主要對某線路高鐵18號道岔的磨耗特征及對達速運行適應(yīng)性進行了研究，進一步工作中，將在不同高鐵線路上對不同號碼高速道岔進行進一步的測試，分別研究其磨耗特征以及對動力學特性及提速的影響，在此基礎(chǔ)上總結(jié)更普遍的規(guī)律和結(jié)論。