動車組側向通過9號道岔動力特性仿真研究

李　浩，趙國堂，孫加林

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京　100044；2.廣州鐵路(集團)公司，廣東 廣州　510088；3.中國鐵路總公司，北京　100844；4.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京　100081)

自2008年我國首條高速鐵路京津城際鐵路開通運營以來，我國高速鐵路快速發展，截至2016年底，我國開通運營的高速鐵路營業線長度已經超過2.2萬公里。為了保證和維護高速動車組安全運營，需要修建動車運用所、動車組存車場等進行動車組的運用整備、日常養護維修等工作。隨著城市規模的快速發展，土地資源變得緊缺，由于動車所的規模較大，且其建設也受諸多地形條件因素的限制，因此動車所一般多采用小半徑曲線和小號碼道岔。

根據TB 10621—2004《高速鐵路設計規范》中關于動車段(所)的相關規定：除動車段(所、存車場)內到發停車場到達(出發)端的道岔宜采用12號道岔以外，其他區域道岔均采用9號道岔。通過對全國51個動車所調研表明，在我國高速鐵路動車所內鋪設有大量的9號道岔。由于9號道岔的導曲線半徑為180 m，相比最小曲線線路的半徑250 m還要小，且岔區側向均不設置超高，因此動車組通過9號道岔的安全風險更大。另外，導致動車組需要鏇輪的主要因素是輪軌側面磨耗，且主要集中在小半徑曲線以及道岔側向地段。結合CRH5型動車組曾經在太原南動車所9號道岔后接R250 m的小半徑曲線上出現過脫軌現象，且該類型動車組的車輪磨耗問題也較其他車型嚴重。本文選取CRH5型動車組作為研究對象，利用NUCARS軟件建立車輛—道岔耦合動力學模型，分析動車組側向通過9號道岔的行車安全性、磨耗情況，并研究降低側向通過9號道岔的安全風險、減少輪軌側磨、延長鋼軌及車輪使用壽命的影響因素。

1　車輛—道岔耦合動力學模型

1.1　車輛模型

利用NUCARS軟件建立CRH5型動車組動力學模型。車輛子系統模型中考慮整車，將車體、構架、輪對、軸箱均離散成剛體，由1個車體、前后2個構架、8個軸箱、4個輪對等15個剛性體組成。一系懸掛、二系懸掛均模擬為線性或非線性力元，模型如圖1和圖2所示[1]。

車體、前后構架均考慮縱移、橫移、沉浮、側滾、點頭以及搖頭6個自由度，8個軸箱、4個輪對均考慮縱移、橫移、沉浮、側滾與搖頭5個自由度，整車模型共計78個自由度。各剛體之間用力元進行聯結，CRH5型動車組模型共建立輪對—軸箱、構架—軸箱、車體—構架以及輪軌之間的力元102個，并定義這些力元的特性參數。

圖1　CRH5型動車組動力學模型

1.2　道岔模型

動車所9號道岔采用固定轍叉心軌結構，側向導曲線半徑為180 m，且均不設置超高。由于當車輛側向通過道岔時，車輛將經過曲尖軌、導曲部位、有害空間和固定心軌，因此為了精確描述道岔區鋼軌變化的廓面型式，將道岔區離散為14個點(其中轉轍器7個點，固定轍叉7個點)。然后利用MATLAB軟件編程計算得出道岔區尖軌、固定心軌各關鍵斷面的鋼軌廓形離散點坐標數據,通過NUCARS軟件提供的CFIT/WRCON程序擬合得到這些關鍵斷面的廓面形狀,關鍵斷面間的廓形通過線性內插法得到,從而保證道岔區結構模型模擬的真實性，擬合得到的道岔區各關鍵斷面廓形如圖3—圖16所示[2]。

圖2　CRH5型動車組轉向架構造

圖3尖軌5 mm寬斷面擬合廓形圖4尖軌15 mm寬斷面擬合廓形圖5尖軌20 mm寬斷面擬合廓形

圖6尖軌30 mm寬斷面擬合廓形圖7尖軌35 mm寬斷面擬合廓形圖8尖軌40 mm寬斷面擬合廓形

圖9尖軌50 mm寬斷面擬合廓形 圖10轍叉有害空間斷面擬合廓形圖11固定心軌10 mm寬斷面擬合廓形

1.3　輪軌接觸模型

由于道岔區鋼軌斷面的變化復雜，可能會發生多種輪軌接觸方式，因此充分考慮輪軌多點接觸特征是道岔動力學仿真模擬的關鍵。本文采用基于虛擬穿透法的輪軌多點非赫茲接觸理論，計算輪軌法向力和切向力等參數。該算法基于彈性半空間假設，采用Kik-Piotrowski模型，考慮車輪和鋼軌虛擬穿透，通過彈性體間的相對位移及相互滲透量，引入接觸剛度、接觸斑形狀和尺寸修正系數，采用迭代平衡計算輪軌多點非赫茲接觸問題。法向壓力分布沿前進方向呈橢圓形狀，切向接觸斑形狀為非橢圓，利用Boussinesq方程求解半空間法向力作用下各點的位移和應力[3-9]。接觸點的計算考慮輪軌接觸區的彈性彎曲變形，同時也考慮鋼軌的各種運動形態，只需要輸入鋼軌和車輪的踏面形狀；接觸關系均由實時計算求得，且接觸點個數不受限制。

圖12 固定心軌20 mm寬斷面擬合廓形圖13 固定心軌30 mm寬斷面擬合廓形圖14 固定心軌40 mm寬斷面擬合廓形

圖15　固定心軌50 mm寬斷面擬合廓形

圖16　固定心軌70 mm寬斷面擬合廓形

1.4　軌道不平順

道岔區不平順主要包括：道岔區結構不平順和隨機不平順。為了研究方便，暫不考慮隨機不平順的影響，僅考慮結構固有不平順的影響。

2　9號道岔動力特性分析

由于9號道岔側向通過的設計限速為30 km·h-1，分別仿真計算了CRH5型動車組以15，18，20，25和30 km·h-1的速度側向通過50 kg·m-1鋼軌9號道岔的5種工況，不同速度下安全性指標和磨耗功等動力時程曲線如圖17—圖21所示。

圖17　不同速度條件下的脫軌系數

圖18　不同速度條件下的輪重減載率

圖19　不同速度條件下的輪軸橫向力

圖20　不同速度條件下的輪軌垂直磨耗功

圖21　不同速度條件下的輪軌側面磨耗功

由圖17—圖21可以看出：CRH5型動車組側向通過9號道岔時，各項動力學指標均隨著速度增大而增大，且在轍叉位置均出現較大的振動，這主要是由于固定心軌轍叉結構存在有害空間造成的；除輪重減載率峰值較小外，脫軌系數、輪軸橫向力均較大，前者峰值為0.52，后者峰值為28 kN，但均滿足安全性限值的要求；輪軌側面磨耗功較大，整體上已經超過了輪軌垂直磨耗功，表明曲線地段通過時輪軌側磨是磨耗的主因。由于仿真計算只考慮了道岔結構不平順的激勵影響，未考慮現場隨機不平順的情況，因此脫軌系數、輪軸橫向力2項安全性指標大，表明應加強9號道岔的日常養護維修工作，嚴格控制軌道幾何狀態的惡化。

3　車輛橫向剛度的影響

客車通過曲線、道岔時，車輛橫向剛度對其動力特性具有一定的影響。橫向剛度主要由一系轉臂和二系橫向止檔提供，由于二系橫向止檔的主要作用是用來約束晃車、提高平穩性，對構架和輪對的影響較??；一系構架橫向定位剛度則用來約束輪對橫向偏移，因此本文重點分析一系構架橫向定位剛度對車輛側向通過道岔時安全性、輪軌磨耗的影響規律。表1給出了目前我國高速鐵路主型動車組及普速旅客列車一系構架橫向定位的剛度。

表1　我國主型動車組及普速旅客列車一系橫向定位剛度

從表2可以看出，CRH5型動車組的一系橫向定位剛度最小、普速旅客列車的一系橫向定位剛度最大。通過改變CRH5型動車組的一系橫向定位剛度，分析一系橫向定位剛度對車輛側向通過道岔時的動力特性影響規律。仿真計算按照目前現有剛度值，選取5，12.5和14.5 MN·m-1共3種剛度工況，計算結果如圖22—圖26所示。

圖22　不同一系橫向定位剛度的脫軌系數對比

圖23　不同一系橫向定位剛度的輪重減載率對比

圖24　不同一系橫向定位剛度的輪軸橫向力對比

圖25　不同一系橫向定位剛度的垂直磨耗功對比

由圖22—圖26可以看出：調整動車組一系橫向定位剛度對車輛運行安全性指標幾乎未造成任何影響；但在輪軌磨耗功方面，隨著一系橫向定位剛度的增大，垂直磨耗和側面磨耗均產生了下降趨勢；垂直磨耗功從140 N·m·m-1降低到了130 N·m·m-1，減幅約8%，側面磨耗功從190 N·m·m-1降低到了185 N·m·m-1，減幅約3%。說明適當加大車輛一系橫向定位剛度可以一定程度地降低輪軌磨耗量[10]。

圖26　不同一系橫向定位剛度的側面磨耗功對比

4　2種鋼軌類型9號道岔動力響應分析

目前，國內9號道岔采用的鋼軌主要有50和60 kg·m-1鋼軌2種類型，導曲線半徑分別為180和190 m，道岔全長分別為28.8和29.5 m。本文分別對50和60 kg·m-1這2種鋼軌9號道岔的側向動力特性進行仿真分析，CRH5型動車組運行速度取20 km·h-1，計算結果如圖27—圖29所示。

圖27　2種鋼軌道岔的脫軌系數

圖28　2種鋼軌道岔的輪重減載率

從圖27—圖29可以看出：動車組側向通過50和60 kg·m-1這2種鋼軌9號道岔時，脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力均存在一定程度的差異。二者的安全性指標最大值比較見表2。結果表明，鋪設60 kg·m-1鋼軌道岔在提高車輛安全性方面具有較大的優勢。

圖29　2種鋼軌道岔的輪軸橫向力

道岔類型脫軌系數輪重減載率輪軸橫向力/kN60kg·m-1鋼軌道岔0.470.1415.6750kg·m-1鋼軌道岔0.480.1515.83減少幅度/%272

圖30和圖31為CRH5型動車組以20 km·h-1的速度側向通過50和60 kg·m-1鋼軌9號道岔時的輪軌磨耗功時程曲線。

圖30　2種鋼軌道岔的垂直磨耗功

圖31　2種鋼軌道岔的側面磨耗功

由圖30和圖31可以看出：鋪設60 kg·m-1鋼軌9號道岔在輪軌垂直磨耗方面與鋪設50 kg·m-1鋼軌道岔幾乎相當，但在側磨方面具有較大的優勢，側面磨耗功從190 N·m·m-1降到了170 Nˉm·m-1，減少幅度約11%?？紤]到2種鋼軌道岔在導曲線半徑和鋪設長度方面幾乎一樣，基本不存在調整線間距等問題，基于提高車輛側向通過安全性和減少磨耗兩方面考慮，用60 kg·m-1鋼軌9號道岔替代50 kg·m-1鋼軌9號道岔較為適宜。

5　結論及建議

(1)CRH5型動車組側向通過50 kg·m-1鋼軌9號道岔時，脫軌系數、輪軸橫向力均較大，脫軌系數峰值達到0.52、輪軸橫向力峰值達到28 kN。建議加強9號道岔區的養護維修工作，及時消除軌道幾何超限現象。

(2)CRH5型動車組側向通過50 kg·m-1鋼軌9號道岔時，輪軌側面磨耗功較大，已經超過了垂直磨耗功，表明曲線地段通過時側磨是磨耗的主因。

(3)調整動車組一系橫向定位剛度，對車輛側向通過9號道岔的安全性指標幾乎沒有影響；但在輪軌磨耗方面，隨著橫向定位剛度增大，垂直磨耗、側面磨耗均有下降趨勢；垂直磨耗功減幅約8%；側面磨耗功減幅約3%，表明適當加大車輛一系橫向定位剛度可以在一定程度上降低輪軌磨耗量。

(4)對2種不同鋼軌9號道岔動力特性的對比分析結果表明：鋪設60 kg·m-1鋼軌9號道岔可以有效地降低脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力以及側面磨耗?？紤]到2種鋼軌道岔在導曲線半徑和道岔全長等方面幾乎一樣，不存在調整線間距等問題，基于提高車輛通過安全性和減少磨耗兩方面考慮，用60 kg·m-1鋼軌9號道岔替代50 kg·m-1鋼軌9號道岔較為適宜。

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