達(dá)速條件下高速鐵路道岔適應(yīng)性研究

王 璞，王樹國，楊東升，司道林

(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)

隨著我國高速鐵路客運(yùn)需求不斷增加，如何增大運(yùn)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(yùn)營[1]，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(yùn)營。復(fù)興號列車在京滬高鐵、京津城際鐵路以350 km/h運(yùn)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(jì)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(yùn)行，實現(xiàn)京滬高速鐵路全面達(dá)速并在全國高速鐵路范圍內(nèi)進(jìn)一步擴(kuò)大350 km/h運(yùn)行范圍對于提高運(yùn)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年的時速300 km運(yùn)營，進(jìn)一步擴(kuò)大達(dá)速規(guī)模亟需對移動裝備和基礎(chǔ)設(shè)施適應(yīng)性進(jìn)行全面評估，確保安全、舒適運(yùn)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，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多，是高速鐵路可能的限速點之一[2-3]，如實現(xiàn)大范圍達(dá)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。目前，針對運(yùn)行速度對道岔力學(xué)特性影響的研究較多，但多基于理論仿真進(jìn)行一般意義上的參數(shù)敏感性分析，缺乏針對性[4-12]。既有的高速道岔提速試驗研究也多為針對新建線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，往往只關(guān)注動力學(xué)響應(yīng)是否超過安全限值，缺乏運(yùn)行速度對道岔動力學(xué)性能影響規(guī)律的深入分析[13-14]。另外，針對我國高速道岔長期服役狀態(tài)與運(yùn)營速度的相關(guān)性研究也較少。

基于研究需求和既有不足，本文對達(dá)速條件下高速道岔適應(yīng)性進(jìn)行理論與試驗研究。首先，建立動力學(xué)模型對車輛達(dá)速通過道岔時的動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析；然后，選取試驗段，對動車組分別以300、350 km/h直向通過時高速道岔的動力學(xué)性能變化規(guī)律進(jìn)行測試分析；最后，對目前高速道岔在長期運(yùn)營過程中出現(xiàn)的傷損病害進(jìn)行調(diào)研，分析病害形成的主要原因及與直向通過速度的相關(guān)性，研究道岔達(dá)速運(yùn)行的限制因素及達(dá)速后道岔服役狀態(tài)的變化趨勢。本研究擬進(jìn)一步為我國高速鐵路擴(kuò)大達(dá)速范圍提供依據(jù)和支撐。

1 車輛-道岔動力學(xué)仿真分析

1.1 車輛-道岔耦合動力學(xué)計算模型

基于多體動力學(xué)理論建立高速車輛動力學(xué)模型，對車體、構(gòu)架、輪對、軸箱等均采用6自由度剛體進(jìn)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(xì)化建模確保模型盡可能與實際相符，高速車輛模型如圖1所示。

圖1 高速車輛動力學(xué)模型

輪軌接觸計算基于Hertz接觸理論及Kalker的FASTSIM算法[15]進(jìn)行，主要分為接觸點位置探測、整體接觸力學(xué)量計算(接觸力、蠕滑率等)以及接觸斑局部接觸力學(xué)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(xué)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。充分考慮岔區(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，軌道垂向和橫向剛度分別取40、95 kN/mm，垂向和橫向阻尼分別取400、100 kN·s/m。高速道岔動力學(xué)模型如圖4所示。

圖3 岔區(qū)變截面鋼軌的模擬

1.2 模型驗證

為驗證本文動力學(xué)分析方法的合理性，基于文獻(xiàn)[2]中典型計算工況建立車輛-道岔耦合動力學(xué)分析模型。車輛模型采用CRH2型動車組參數(shù)，道岔為速度350 km/h 18號無砟軌道道岔，直向過岔速度為385 km/h。前軸動輪載及脫軌系數(shù)仿真計算結(jié)果如圖5所示，文獻(xiàn)[2]中模型計算結(jié)果如圖6所示。

可以看出，本文方法計算得到的動輪載及脫軌系數(shù)時程曲線特征與文獻(xiàn)[2]中計算結(jié)果較為一致，在轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)出現(xiàn)沖擊峰值，最大動輪載及脫軌系數(shù)均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，動輪載峰值與文獻(xiàn)[2]結(jié)果相差5.3%，脫軌系數(shù)峰值相差15.9%。對比計算結(jié)果可驗證本文動力學(xué)分析方法的合理性，可用于后續(xù)車輛過岔動力性能變化的仿真計算分析。

1.3 達(dá)速條件下車輛過岔的動力性能變化規(guī)律

基于建立的動力學(xué)計算模型，對列車速度由300 km/h提升至350 km/h逆向通過道岔時的動力學(xué)性能變化特征進(jìn)行仿真分析，計算結(jié)果如圖7所示。其中，橫坐標(biāo)“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(biāo)出了列車進(jìn)岔及出岔的橫坐標(biāo)位置。

圖7 不同速度條件下列車過岔動力性能

列車速度由300 km/h提升至350 km/h時，通過道岔過程中安全性參數(shù)均有所增大。左右側(cè)車輪脫軌系數(shù)相差不大，均在轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)輪載過渡時出現(xiàn)沖擊峰值，但均較小。左右側(cè)車輪輪重減載率也均在輪載過渡區(qū)段出現(xiàn)沖擊峰值，尖軌-心軌側(cè)輪重減載率顯著大于基本軌側(cè)。達(dá)速運(yùn)行會引起輪重減載率的大幅增加，尖軌-心軌側(cè)輪重減載率峰值由0.48增至0.58。

列車達(dá)速通過道岔過程中輪軌相互作用有所加劇。左右側(cè)輪軌力均在轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)輪載過渡時出現(xiàn)沖擊峰值。尖軌-心軌側(cè)輪軌垂向力顯著大于基本軌側(cè)，速度由300 km/h提升至350 km/h時，尖軌-心軌側(cè)輪軌垂向力大幅增加，峰值由99.29 kN增至105.99 kN，基本軌側(cè)輪軌垂向力略有增大。兩側(cè)輪軌橫向力相差不大，達(dá)速運(yùn)行后，輪軌橫向力峰值小幅增加。

列車在進(jìn)入道岔后由于道岔固有結(jié)構(gòu)不平順的激擾，輪對出現(xiàn)輕微的蛇形運(yùn)動。達(dá)速條件下列車過岔時輪對蛇形橫移量有所減小，但輪對橫向加速度呈增大趨勢，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)輪載過渡區(qū)段出現(xiàn)沖擊峰值。速度由300 km/h增至350 km/h時，輪對橫向加速度峰值由3.72 m/s2增至3.96 m/s2，車體振動加速度也呈現(xiàn)出增大的趨勢，由于懸掛緩沖減振作用，車體振動并未在轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)出現(xiàn)沖擊峰值，更多的是受運(yùn)動趨勢的影響，車體橫向加速度峰值出現(xiàn)在出岔以后。

達(dá)速條件下列車通過道岔過程中輪軌磨耗加劇，尖軌-心軌側(cè)的輪軌磨耗速率增加尤為明顯，磨耗功率峰值由655.97 W增至950.04 W。基本軌側(cè)輪軌磨耗功率遠(yuǎn)小于尖軌-心軌側(cè)，達(dá)速運(yùn)行后磨耗功率也呈增大的趨勢，但增幅也比尖軌-心軌側(cè)小。

總體來看，列車過岔速度由300 km/h提升至350 km/h時，安全性參數(shù)增大，但均在限值以內(nèi)(脫軌系數(shù)限值為0.8，輪重減載率限值為0.9)，可以保證列車過岔安全，達(dá)速運(yùn)行對于尖軌-心軌側(cè)輪重減載率的影響較為明顯，對于脫軌系數(shù)的影響較有限。列車過岔時輪軌相互作用也會加劇，尖軌-心軌側(cè)輪軌垂向力顯著增大，基本軌側(cè)輪軌垂向力以及輪軌橫向力略有增加。列車過岔時車輛動力學(xué)性能呈現(xiàn)出劣化的趨勢，輪對橫向加速度以及車體垂向、橫向加速度均增大。達(dá)速運(yùn)行后輪軌磨耗情況也有加劇。

2 高速道岔動力學(xué)試驗分析

2.1 試驗設(shè)計

基于地面測試，對列車達(dá)速通過時高速道岔動力學(xué)特性變化規(guī)律進(jìn)行分析。選取18號高速道岔作為試驗段，該組道岔試驗前經(jīng)過養(yǎng)護(hù)維修，岔區(qū)幾何形位、扣件緊固狀態(tài)、轉(zhuǎn)換設(shè)備工作狀態(tài)均較好；另外，經(jīng)過岔區(qū)鋼軌件探傷，鋼軌件無明顯疲勞傷損，曲尖軌存在輕微磨耗，總體來看，道岔服役狀態(tài)處于較好的水平。具體測試內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌尖端位置輪軌垂、橫向力及基本軌垂、橫向動態(tài)位移，尖軌尖端開口量，密貼檢查器位置尖軌相對基本軌動態(tài)位移，輪載過渡區(qū)域鋼軌和岔枕振動加速度，導(dǎo)曲線區(qū)段絕緣接頭附近鋼軌垂、橫向力及橫向動態(tài)位移，測點具體布置如圖8所示。尖軌尖端位置輪軌力及位移測點主要為了研究列車進(jìn)岔時輪軌相互作用及列車荷載作用下鋼軌動態(tài)變形情況；尖端開口量及密檢器位移測點主要為了分析列車高速通過時直尖軌與基本軌的密貼狀態(tài)；加速度測點主要為了研究轉(zhuǎn)轍器輪載過渡區(qū)段鋼軌及岔枕的振動強(qiáng)度及振動特性。

圖8 測點布置

現(xiàn)場測試中，基于“剪應(yīng)力法”采用應(yīng)變花組成全橋，測試高速列車通過時輪軌垂直力P和水平力Q[16]，由測得的輪軌力計算出脫軌系數(shù)Q/P，輪重減載率ΔP/P以及輪軸橫向力(Q1-Q2)為高速列車運(yùn)行安全性參數(shù)。道岔區(qū)鋼軌垂、橫向動態(tài)位移，尖軌尖端開口量以及密檢器位置尖軌相對位移采用彈片式位移計安裝于自制位移架上進(jìn)行測試。鋼軌和岔枕振動加速度采用壓電式加速度傳感器采集振動信號。各動力學(xué)指標(biāo)的現(xiàn)場測試方法和設(shè)備如圖9所示。值得注意的是，在轉(zhuǎn)轍器及轍叉輪載過渡區(qū)，由于鋼軌件斷面非對稱、不滿足“剪應(yīng)力法”的基本要求，以及空間限制、傳感器安裝存在困難，無法進(jìn)行輪軌力測試。本次試驗僅在轍叉器尖軌尖端位置通過在基本軌上貼片進(jìn)行輪軌力測試。轉(zhuǎn)轍器和轍叉輪載過渡區(qū)擬考慮建立不同斷面條件下動彎應(yīng)力與輪軌荷載的對應(yīng)關(guān)系，通過測試動彎應(yīng)力間接計算輪軌力，未來工作中將進(jìn)一步對此測試方法進(jìn)行探索。

圖9 現(xiàn)場試驗

測試過程中，采集實際運(yùn)營條件下CR400AF-B和CR400BF-B兩種高速列車分別以300 km/h和350 km/h速度通過道岔試驗段時各動力學(xué)指標(biāo)的測試數(shù)據(jù)，為消除偶然因素影響、獲取統(tǒng)計規(guī)律，每種車型每種速度等級各采集約50趟車的測試數(shù)據(jù)。

2.2 達(dá)速條件下道岔動力性能變化規(guī)律

對于每種車型、每種速度等級分別選取20趟車的典型測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究達(dá)速條件下高速道岔動力學(xué)性能的變化規(guī)律，如圖10、圖11所示。圖中直方圖高度表示所選取20趟車樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計均值，直方圖頂端上下限表示樣本數(shù)據(jù)的離散程度。

圖10 CR400AF-B不同速度通過條件下高速道岔動力性能對比

圖11 CR400BF-B不同速度通過條件下高速道岔動力性能對比

通過試驗數(shù)據(jù)分析可以看出，CR400AF-B和CR400BF-B列車達(dá)速通過高速道岔條件下高速道岔動力學(xué)性能的變化規(guī)律基本一致。

(1)測點位置列車高速通過安全性均能得到保證。過岔速度由300 km/h提升至350 km/h后，轉(zhuǎn)轍器區(qū)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力指標(biāo)略有減小，導(dǎo)曲線區(qū)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力指標(biāo)略有增大，但是300 km/h和350 km/h速度條件下，安全性指標(biāo)測試結(jié)果均較好，脫軌系數(shù)和減載率均在0.1以下，輪軸橫向力不超過5 kN。

(2)列車過岔速度提升至350 km/h后，轉(zhuǎn)轍器區(qū)和導(dǎo)曲線區(qū)輪軌垂向力均明顯增大，增幅可達(dá)28.74%。直尖軌側(cè)輪軌橫向力增大，直基本軌側(cè)輪軌橫向力有所減小。

(3)列車通過轉(zhuǎn)轍器區(qū)時，鋼軌垂向變形增大、橫向變形減小；通過導(dǎo)曲線區(qū)時，鋼軌橫向變形呈現(xiàn)增大的趨勢。此外，過岔速度提升后，直尖軌密貼狀態(tài)變差，尖軌尖端開口量和密貼檢查器位置尖軌相對基本軌的位移均增大。

(4)列車通過速度的提升會導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)振動情況加劇，鋼軌加速度顯著增大，增幅可達(dá)14.29%，岔枕加速度也呈增大的趨勢。

綜上可知，高速列車通過道岔的速度由300 km/h提升至350 km/h后，高速道岔所承受的輪軌沖擊荷載呈增大趨勢，只有直基本軌所受橫向力有所減??；轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌垂向變形增大、橫向變形減小，導(dǎo)曲線區(qū)鋼軌橫向變形增大；列車荷載作用下直尖軌與基本軌密貼狀態(tài)變差，岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)振動加劇?？傮w來看，達(dá)速條件下高速道岔動力學(xué)性能有劣化的趨勢，測點位置高速列車通過的安全性能夠得到保障。

3 高速道岔傷損發(fā)展分析

我國高速鐵路道岔經(jīng)過多年的運(yùn)營考核，總體服役狀態(tài)較好，但也逐漸暴露出一系列傷損和病害問題?；诩扔匈Y料統(tǒng)計、現(xiàn)場調(diào)研，對高速道岔在既有運(yùn)營條件下出現(xiàn)的傷損病害進(jìn)行梳理總結(jié)，見表1。

表1 長期運(yùn)營條件下高速道岔主要傷損病害分析

可以看出，我國客專系列高速道岔出現(xiàn)的主要問題中，尖軌不足位移、心軌翼軌離縫、嚴(yán)寒地區(qū)凍脹引起的岔區(qū)高低不平順，直尖軌非工作邊縱向裂紋等均與列車直向過岔速度相關(guān)。CN系列高速道岔的主要問題中，曲導(dǎo)軌軌肩塑性變形、轍叉結(jié)構(gòu)部件頻繁傷損、尖軌跟端低塌等均與列車直向速度相關(guān)。另外，岔區(qū)鋼軌件及焊接接頭傷損作為我國高速道岔的共性問題也與列車速度直接相關(guān)。上述部分病害的存在會造成岔區(qū)結(jié)構(gòu)不平順，影響列車通過的安全性和平穩(wěn)性，可能成為達(dá)速運(yùn)行的限制因素。此外，列車過岔速度的提高也將加快上述部分病害的發(fā)生頻率和發(fā)展速度，明顯降低高速道岔的服役壽命。

因此，雖然基于動力學(xué)仿真和測試，既有高速道岔在良好狀態(tài)下可確保列車以350 km/h速度安全通過，但如果長期以350 km/h速度運(yùn)營，為確保高速道岔的安全服役及高速列車過岔的平順性，建議進(jìn)一步采取可行性措施，見表1。

在高速鐵路實現(xiàn)350 km/h達(dá)速運(yùn)行之前，必須對該線路高速道岔接頭傷損、跟端低塌以及凍脹引起的岔區(qū)高低不平順等問題進(jìn)行集中整治，恢復(fù)或提升高速道岔的平順性。此外，應(yīng)對該線路高速道岔鋼軌件進(jìn)行系統(tǒng)探傷檢查，排除鋼軌疲勞損傷及斷軌的安全隱患。

4 結(jié)論

本文針對我國高速鐵路進(jìn)一步回升運(yùn)營速度的需求，對達(dá)速條件下高速道岔的適應(yīng)性進(jìn)行了理論和試驗研究。主要結(jié)論如下：

(1)列車達(dá)速通過道岔時，脫軌系數(shù)和輪重減載率均增大，但均在限值以內(nèi)，安全性可以得到保證。達(dá)速運(yùn)行對于尖軌-心軌側(cè)輪重減載率影響較為明顯，對于脫軌系數(shù)的影響較為有限。輪軌相互作用加劇，尖軌-心軌側(cè)輪軌垂向力顯著增大，輪軌橫向力略有增加。車輛動力學(xué)性能呈現(xiàn)劣化的趨勢，輪對橫向加速度以及車體垂、橫向加速度均增大。輪軌磨耗情況也有明顯加劇。

(2)達(dá)速條件下，道岔承受的輪軌沖擊荷載呈增大的趨勢，只有直基本軌所受橫向力有所減小；轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌垂向變形增大、橫向變形減小，導(dǎo)曲線區(qū)鋼軌橫向變形增大；列車荷載作用下直尖軌與基本軌密貼狀態(tài)變差，岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)振動加劇。

(3)既有運(yùn)營條件下我國高速道岔主要出現(xiàn)了尖軌不足位移、心軌翼軌離縫、嚴(yán)寒地區(qū)岔區(qū)高低不平順、直尖軌非工作邊縱向裂紋、曲導(dǎo)軌軌肩塑性變形、轍叉結(jié)構(gòu)部件頻繁傷損、尖軌跟端低塌、直基本軌和曲尖軌嚴(yán)重磨耗等問題。部分病害的存在會影響列車通過的安全性和平穩(wěn)性，可能成為達(dá)速的限制因素；達(dá)速運(yùn)行也將加快部分病害的發(fā)生頻率和發(fā)展速度，降低道岔服役壽命。為確保350 km/h長期運(yùn)營條件下道岔安全服役及列車過岔的平順性，建議采取一系列加強(qiáng)措施。實現(xiàn)達(dá)速運(yùn)行前必須對道岔接頭傷損、跟端低塌以及凍脹引起的岔區(qū)高低不平順問題進(jìn)行集中整治，并對道岔鋼軌件進(jìn)行系統(tǒng)探傷檢查。

本文研究不足及進(jìn)一步擬開展工作：

(1)本文工作主要針對無明顯病害條件下高速道岔對于達(dá)速運(yùn)行的適應(yīng)性進(jìn)行了理論與試驗研究，并對可能影響達(dá)速運(yùn)行的傷損病害及對應(yīng)加強(qiáng)措施進(jìn)行了分析，未來工作中，擬在本文研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對典型傷損病害對高速道岔動力學(xué)性能的影響以及病害條件下高速道岔對達(dá)速運(yùn)行適應(yīng)性開展理論仿真與現(xiàn)場試驗研究，以為我國高速鐵路擴(kuò)大350 km/h達(dá)速運(yùn)行范圍和規(guī)模提供更充分依據(jù)和支撐。

(2)本文仿真分析中采用了Hertz理論及FASTSIM算法進(jìn)行輪軌接觸計算，但由于道岔尖軌及心軌刨切區(qū)段存在曲率突變的情形，接下來擬對道岔區(qū)不同輪軌接觸理論的適用性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(3)另外，本文仿真計算中對道岔模型進(jìn)行了一定的簡化處理，進(jìn)一步研究中將對道岔進(jìn)行精細(xì)化建模，對岔區(qū)細(xì)部結(jié)構(gòu)及部件間的作用關(guān)系進(jìn)行充分考慮，探討道岔建模方法及模型精細(xì)化程度對本文仿真分析結(jié)果及規(guī)律的影響。