高速鐵路道岔區(qū)幾何不平順動(dòng)態(tài)管理限值研究

楊愛紅 楊飛 孫加林 刁洪寶 徐井芒 李紅艷 常文浩

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；4.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京 100844；5.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044

道岔結(jié)構(gòu)的幾何平順性一直是道岔設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)。由于道岔區(qū)存在尖軌及心軌斷面降低值、軌件密貼間隙等結(jié)構(gòu)不平順，相較于正線，車輛通過道岔時(shí)輪軌接觸關(guān)系更為復(fù)雜。道岔區(qū)結(jié)構(gòu)的固有不平順與軌道隨機(jī)不平順產(chǎn)生疊加作用，當(dāng)疊加效應(yīng)超出一定范圍時(shí)，輪對在道岔區(qū)的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)可能會(huì)直接影響行車舒適性及安全性。

國內(nèi)外學(xué)者在道岔區(qū)動(dòng)力學(xué)行為等方面進(jìn)行了大量研究，主要是通過仿真建模分析來反映道岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系的變化特征。Schupp等［1］研究了在多體動(dòng)力學(xué)仿真中道岔區(qū)輪軌多點(diǎn)接觸的實(shí)現(xiàn)方法。Kassa等［2］研究了關(guān)鍵參數(shù)隨機(jī)輸入條件下車輛-道岔系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。吳安偉［3］研究了動(dòng)車組過岔時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)、車輪踏面以及道岔相關(guān)參數(shù)對車輛振動(dòng)的影響。朱劍月等［4］分析了道岔尖軌的軌下剛度對輪軌動(dòng)力特性的影響。全順喜［5］研究了幾何不平順對道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系和車輛-軌道耦合振動(dòng)特性的影響。司道林等［6］對高速列車通過轍叉區(qū)時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)置合理的翼軌抬高值可降低輪軌動(dòng)力作用。楊東升［7］對高速道岔轍叉結(jié)構(gòu)和平順性進(jìn)行了優(yōu)化。蔡小培等［8］研究得出不同藏尖結(jié)構(gòu)和車輪踏面的輪軌接觸不平順規(guī)律。王樹國等［9］利用動(dòng)力學(xué)軟件建立了高速道岔模型，研究表明尖軌降低值會(huì)影響高速道岔轉(zhuǎn)轍器平順性。

上述研究成果大多集中在道岔區(qū)輪軌關(guān)系、道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，較少涉及運(yùn)營階段道岔區(qū)不平順的空間幾何特征和不平順管理限值。我國目前對道岔區(qū)動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與正線一致，但實(shí)際運(yùn)營過程中道岔區(qū)晃車、抖車等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，且其成因較為復(fù)雜，并非僅受軌道幾何狀態(tài)單因素的影響，尚未明確結(jié)構(gòu)固有不平順變化、輪軌匹配不良等因素的耦合作用對車輛運(yùn)行的影響程度。因此，有必要對道岔區(qū)軌道不平順及其管理標(biāo)準(zhǔn)開展研究，深入分析道岔區(qū)軌道幾何不平順對車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律，為減少道岔區(qū)車輛響應(yīng)超限提供技術(shù)支撐。本文基于動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)，對正線和道岔區(qū)的幾何不平順和輪軌力的差異進(jìn)行分析；基于有限元和多體動(dòng)力學(xué)方法，建立車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究道岔區(qū)幾何不平順對車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，進(jìn)而確定道岔區(qū)軌道幾何不平順高速控制限值標(biāo)準(zhǔn)。

1 正線與道岔區(qū)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對比

1.1 正線與道岔區(qū)的軌道幾何不平順差異

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)方法，選取京廣高速鐵路正線及18號(hào)道岔區(qū)軌檢數(shù)據(jù)，分析其幾何不平順差異。正態(tài)性檢驗(yàn)［10］結(jié)果表明：在0.05的顯著水平下，高低、軌向、軌距、水平和三角坑不平順均不服從正態(tài)分布。因此，采用均值及四分位數(shù)對其統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行描述，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。在統(tǒng)計(jì)數(shù)值上存在顯著差異的是軌距和軌向。道岔區(qū)軌距均值為0.570 mm，比正線的0.148 mm高了285%；道岔區(qū)的軌向最小值小于正線，而最大值大于正線，這說明相較于正線，道岔區(qū)的軌向分布范圍更大。

表1 正線區(qū)及道岔區(qū)幾何不平順統(tǒng)計(jì)數(shù)值 mm

軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）是7項(xiàng)軌道幾何不平順在200 m區(qū)段的標(biāo)準(zhǔn)差之和。正線及道岔區(qū)的TQI值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。可知：除高低外，道岔區(qū)其他單項(xiàng)幾何不平順的TQI值均顯著大于正線，其中軌距差異尤為突出，達(dá)0.37 mm；道岔區(qū)TQI總值比正線大1.00 mm。

表2 正線及道岔區(qū)TQI值 mm

綜上，相對于正線，道岔區(qū)的軌道幾何狀態(tài)更為惡劣，線路的平順性相對較差；道岔區(qū)采用和正線相同的不平順管理限值標(biāo)準(zhǔn)是不合理的，不能準(zhǔn)確指導(dǎo)道岔區(qū)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)工作，亟待開展道岔區(qū)不平順管理限值的研究。

1.2 正線與道岔區(qū)輪軌相互作用差異

選取京哈高速鐵路的輪軌力檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到正線與道岔區(qū)輪軌力累計(jì)分布上90.0%、95.0%、97.5%、99.5%百分位數(shù)處的輪軌垂向力和橫向力的統(tǒng)計(jì)值，見表3?？芍赫€與道岔區(qū)輪軌垂向力均在70～83 kN內(nèi)，道岔區(qū)的輪軌垂向力比正線大2～6 kN，輪軌橫向力比正線大2～4 kN。

表3 正線與道岔區(qū)輪軌垂向力與橫向力

2 車輛-道岔剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

針對我國常用的CRH2C型高速動(dòng)車組以及18號(hào)高速道岔，基于多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK以及有限元軟件ANSYS，建立車輛-道岔剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。

2.1 車輛模型

在CRH2C型高速動(dòng)車組多體動(dòng)力學(xué)模型中，車體通過空氣彈簧與2個(gè)構(gòu)架進(jìn)行連接，每個(gè)構(gòu)架通過鋼彈簧與4個(gè)輪對進(jìn)行連接；模型中充分考慮了車輛結(jié)構(gòu)的懸掛非線性特性。圖1為車輛模型拓?fù)鋱D。

圖1 CRH2C型高速動(dòng)車組建模拓補(bǔ)圖

2.2 道岔模型

針對客專07（009）-18號(hào)高速道岔，在ANSYS軟件中采用beam188單元來建立鋼軌模型，考慮道岔區(qū)鋼軌的柔性變形，且能反映梁模型的縱向變截面特性。選取多個(gè)道岔典型截面劃分平面單元，將道岔截面的形心作為梁單元的節(jié)點(diǎn)，插值形成變截面梁單元。同時(shí)，在轉(zhuǎn)轍器和轍叉部分每隔半跨岔枕選取一個(gè)鋼軌主節(jié)點(diǎn)，并在道岔連接部分每隔一跨岔枕選取一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，柔性體變形與車輛子系統(tǒng)通過鉸接、約束和力單元進(jìn)行連接，充分反映變截面梁的高階彎曲變形特點(diǎn)。道岔直股用鋼軌有限元模型見圖2。

圖2 道岔直股用鋼軌有限元模型

模型中扣件垂向剛度取25 kN∕mm；沿道岔縱向模擬了岔枕的變枕距。為減小模型邊界效應(yīng)，在尖軌尖端前和轍叉跟端后設(shè)置12跨岔枕長的直線段，模型總長度為73.8 m，自由度數(shù)為2 466。

2.3 輪軌接觸模型

基于STRIPES條帶理論，車輪和道岔鋼軌廓形被分割為寬1 mm的系列縱向條帶。在每個(gè)條帶中搜索可能發(fā)生接觸的橢圓縱軸范圍，通過HERTZ和FASTSIM兩種算法分別計(jì)算輪軌法向和切向接觸應(yīng)力。

2.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的可靠性，計(jì)算仿真模型中列車直向通過時(shí)安全性指標(biāo)最大值，并與京沈客運(yùn)專線（車速v=350 km∕h）18號(hào)無砟道岔動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，見表4?？芍?，各項(xiàng)安全性指標(biāo)仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果大致相當(dāng)，且隨行車速度、過岔方向變化規(guī)律相同；由于道岔制造組裝誤差、鋪設(shè)實(shí)際狀態(tài)不同等，二者未完全吻合。應(yīng)用本仿真模型評(píng)估道岔的安全性與動(dòng)力性能是可信的。

表4 直向過岔時(shí)安全性指標(biāo)的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

3 幾何不平順動(dòng)態(tài)管理限值

3.1 道岔區(qū)不平順工況模擬

基于MATLAB數(shù)值計(jì)算軟件與多體動(dòng)力學(xué)商用軟件SIMPACK，參考250 km∕h速度等級(jí)（200 km∕h≤v≤250 km∕h）、350 km∕h速度等級(jí)（250 km∕h＜v≤350 km∕h）線路軌道幾何狀態(tài)局部峰值動(dòng)態(tài)管理值標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)造高低、軌距、軌向、水平、三角坑5種類型的諧波不平順。國內(nèi)外高速鐵路對軌道不平順以一定弦長下或波長范圍內(nèi)的幅值進(jìn)行管理。本文參考中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司在指定既有線鐵路軌道不平順管理值時(shí)的方法［11］，采用10 m波長的單一簡諧波不平順，這也與靜態(tài)檢測中10 m弦測波長保持了一致。高低、軌距、軌向、水平諧波波長為10 m；三角坑基長為3 m，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)前端軌縫外延60 m、岔后軌縫后延60 m，共計(jì)189 m范圍內(nèi)。

為模擬車輛真實(shí)的過岔狀態(tài)，得到準(zhǔn)確的車輛響應(yīng)，還需考慮隨機(jī)不平順的影響。利用高速鐵路無砟軌道不平順譜生成50個(gè)隨機(jī)樣本，分別與上述各單項(xiàng)諧波不平順相疊加。

基于車輛-道岔系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究列車直逆向過岔時(shí)各單項(xiàng)不平順幅值變化對運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性的影響規(guī)律，統(tǒng)計(jì)50個(gè)某單項(xiàng)不平順樣本不同幅值作用下的安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)的平均值，進(jìn)而探究道岔區(qū)幾何不平順高速分級(jí)管理限值控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 350 km/h速度等級(jí)高速道岔動(dòng)態(tài)不平順管理限值

列車以350 km∕h直逆向過岔時(shí)，對高低、軌向、軌距、水平、三角坑5種單項(xiàng)不平順進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其幅值變化對運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性的影響規(guī)律。參照TG∕GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》以及GB∕T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中有關(guān)安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)分級(jí)管理限值的規(guī)定，對于單項(xiàng)不平順，當(dāng)有一項(xiàng)安全性或平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)到某級(jí)別限值時(shí)，提取所對應(yīng)的該項(xiàng)不平順幅值作為道岔區(qū)幾何分級(jí)管理限值標(biāo)準(zhǔn)。

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除水平不平順外，高低、軌向、軌距和三角坑不平順各偏差等級(jí)限值均可沿用動(dòng)態(tài)運(yùn)營管理值標(biāo)準(zhǔn)。

對于水平不平順，其動(dòng)力學(xué)指標(biāo)隨不平順幅值的變化曲線見圖3?？芍?，脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值均隨水平不平順幅值增大而增大；水平不平順對車體橫向振動(dòng)加速度的影響顯著大于垂向振動(dòng)加速度，其變化幅度達(dá)到1.10 m∕s2。水平不平順幅值為3 mm時(shí)，橫向加速度最大值達(dá)到0.65 m∕s2；幅值為5 mm時(shí)，橫向加速度最大值為0.92 m∕s2；幅值進(jìn)一步增大到6 mm，橫向加速度最大值為0.95 m∕s2，此時(shí)輪重減載率增至1.0。因此，在水平不平順下，建議偏差等級(jí)Ⅰ—Ⅲ級(jí)分別取3、5、6 mm，偏差等級(jí)Ⅳ級(jí)沿用動(dòng)態(tài)運(yùn)營管理值標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 動(dòng)力學(xué)指標(biāo)隨水平不平順幅值的變化曲線

綜上，得出350 km∕h速度等級(jí)道岔區(qū)軌道幾何狀態(tài)局部峰值動(dòng)態(tài)管理建議值，見表5。

表5 350 km·h-1速度等級(jí)道岔區(qū)軌道幾何狀態(tài)局部峰值動(dòng)態(tài)管理建議值

3.3 250 km/h速度等級(jí)高速道岔動(dòng)態(tài)不平順管理限值

采用與350 km∕h速度等級(jí)相同的方法，對高低、軌向、軌距、水平、三角坑5種單項(xiàng)不平順進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其幅值變化對運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性的影響規(guī)律。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，高低、軌距和三角坑不平順各偏差等級(jí)限值均可沿用動(dòng)態(tài)運(yùn)營管理值標(biāo)準(zhǔn)。對于軌向不平順，當(dāng)其幅值為6、7、9、10 mm時(shí)，車體橫向加速度最大值分別達(dá)到0.61、1.00、1.68、2.03 m∕s2。因此，在軌向不平順激勵(lì)下，建議偏差等級(jí)Ⅰ—Ⅳ級(jí)分別取5、6、8、9 mm。對于水平不平順，當(dāng)其幅值為4、6、10、14 mm時(shí)，車體橫向加速度最大值分別達(dá)到0.71、0.95、1.50、2.09 m∕s2。因此，在軌向不平順激勵(lì)下，建議偏差等級(jí)Ⅰ—Ⅳ級(jí)分別取3、5、9、13 mm。得出250 km∕h速度等級(jí)道岔區(qū)軌道幾何狀態(tài)局部峰值動(dòng)態(tài)管理建議值，見表6。

表6 250 km·h-1速度等級(jí)道岔區(qū)幾何狀態(tài)局部峰值動(dòng)態(tài)管理建議值

4 結(jié)論

1）道岔區(qū)與正線在軌距、軌向及TQI值方面存在顯著差異，道岔區(qū)幾何狀態(tài)比正線惡劣。道岔區(qū)軌距均值比正線高285%，軌向分布范圍比正線大；除高低外，道岔區(qū)各單項(xiàng)幾何不平順的TQI值均顯著大于正線，其中軌距差異尤為突出，達(dá)0.37 mm；道岔區(qū)TQI總值比正線大1.00 mm。道岔區(qū)與正線在軌道幾何管理控制標(biāo)準(zhǔn)方面理應(yīng)有所差異。

2）對于350 km∕h速度等級(jí)18號(hào)高速道岔，高低、軌距、軌向、三角坑不平順可沿用既有350 km∕h速度等級(jí)線路軌道幾何狀態(tài)局部峰值動(dòng)態(tài)運(yùn)營管理值標(biāo)準(zhǔn)；水平標(biāo)準(zhǔn)建議嚴(yán)于正線，偏差等級(jí)Ⅰ—Ⅳ級(jí)對應(yīng)限值建議調(diào)整為3、5、6、8 mm。

3）對于250 km∕h速度等級(jí)18號(hào)高速道岔，高低、軌距、扭曲不平順可沿用既有250 km∕h速度等級(jí)線路軌道幾何狀態(tài)局部峰值動(dòng)態(tài)運(yùn)營管理值標(biāo)準(zhǔn)；軌向標(biāo)準(zhǔn)建議嚴(yán)于正線，偏差等級(jí)Ⅰ—Ⅳ級(jí)對應(yīng)限值建議調(diào)整為5、6、8、9 mm；水平標(biāo)準(zhǔn)建議嚴(yán)于正線，偏差等級(jí)Ⅰ—Ⅳ級(jí)對應(yīng)限值建議調(diào)整為3、5、9、13 mm。