高速鐵路道岔平面設計參數與側線線型的研究

2014-02-02 06:54:34王樹國孫家林

鐵道建筑 2014年1期

王樹國，葛晶，孫家林，王猛

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

王樹國，葛晶，孫家林，王猛

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

根據我國道岔設計、試驗和運營實踐經驗提出高速鐵路道岔平面設計參數與動力學評價指標，依據選定的平面設計參數，設計了18號和42號道岔側線線型。使用NUCARS建立了車輛—道岔耦合動力學模型，利用該模型計算了動車組側向通過道岔的動力學響應。計算結果表明：高速鐵路平面設計參數與動力學評價指標的選取及18號道岔和42號道岔的線型是合理的。

高速鐵路道岔平面設計參數側線線型動力學模型

1996年我國設計研發了18號和30號道岔，但均采用單圓曲線線型。秦沈客運專線38號道岔側線采用圓曲線+緩和曲線線型，導曲線半徑為3 300 m，是我國首次設計、制造和批量使用側線采用緩和曲線的道岔［1-2］。18號和42號道岔直向通過速度為300 km/h，其中18號道岔采用單圓線線型，42號道岔采用圓曲線+緩和曲線線型［3-5］。為保證道岔高平順性和旅客乘坐舒適性，確定了我國高速鐵路道岔的平面設計參數，設計了側線線型，并運用動力學仿真技術進行了理論驗證。

1 平面設計參數與動力學評價指標

1.1 平面設計參數［6］

根據我國道岔設計、實車試驗經驗和運營實踐，選定高速鐵路道岔的平面設計參數如下：

1)未被平衡的離心加速度α≤0.5 m/s2(欠超高75 mm)。

2)未被平衡的離心加速度時變率ψ≤0.4 m/s3(欠超高時變率60 mm/s)，圓曲線尖軌尖端除外。

3)18號道岔與岔后附帶曲線間的夾直線長度及用于渡線的2組18號道岔間的夾直線長度不應小于20 m。渡線道岔的兩支反向緩和曲線起點間可直接連接或插入任意長度的直線段。

1.2 動力學評價指標

根據道岔實車試驗與運營實踐經驗選定車輛—道岔動力學性能評價指標如表1所示。其中，輪重減載率是指采用間斷式測力輪對測試并計算出的試驗參數，采用連續式測力輪對測試的輪重減載率一般要求不大于0.65［7］。車體橫向和垂向加速度一般受列車側向過岔控制，要求分別不大于1.5 m/s2和2.0 m/s2，列車直向過岔量值較小，上述指標一般不會超過1.0 m/s2和1.5 m/s2。另外，道岔本身的動力響應還應包括道岔磨耗指數、輪軌接觸動應力等。

表1 車輛—道岔動力學性能評價指標

2 車輛—道岔耦合動力學模型

2.1 車輛模型

采用多體動力學的思想，使用NUCARS軟件對我國高速動車組CRH2-300建模，把車輛離散成15個剛性體，最終建立了具有86個自由度的動車組CRH2-300客車—軌道非線性耦合動力學模型。這86個自由度分別為車體和前、后構架以及8個軸箱的縱移、橫移、沉浮、側滾、點頭與搖頭共66個自由度;4個輪對的縱移、橫移、沉浮、側滾與搖頭共20個自由度。各個剛體之間使用NUCARS提供的連接單元進行建模，共建立輪對與軸箱、構架與軸箱、車體與構架以及輪軌連接56對，并定義了這些連接的特性。

2.2 道岔模型

為了精確描述轉轍器和轍叉區鋼軌件的不同頂面輪廓形狀，將轉轍器離散為8～12個斷面，轍叉離散為4～8斷面，列出道岔各個斷面的離散點數據，通過NUCARS提供的CFIT/WRCON程序擬合，可以得到這些離散點上的道岔頂面輪廓形狀，離散點間的頂面輪廓形狀通過線性內插法得到，從而保證了道岔區模型模擬的真實性。

道岔模型中采用的基本假定如下：

1)尖軌與基本軌密貼段，兩鋼軌共同承受著列車荷載，假定兩者位移相同，將該處兩鋼軌視為1股。該鋼軌視為彈性地基支承基礎上的變截面歐拉梁，道岔區內其它部分鋼軌視為彈性地基支承基礎上的等截面歐拉梁。

2)列車直向過岔時，不考慮曲尖軌的參振;列車側向過岔時，不考慮直尖軌的參振。

2.3 輪軌接觸模型

由于道岔區鋼軌斷面變化復雜，可能發生多種輪軌接觸方式。充分考慮輪軌接觸的變化特點是仿真模擬的關鍵。仿真計算采用NUCARS提供的輪軌滲入接觸模型，只需要輸入輪軌廓型，接觸關系實時計算，可以準確地模擬岔區復雜的輪軌多點接觸。

3 18號道岔側線線型與夾直線長度設計及其仿真計算

3.1 18號道岔側線線型設計及其仿真計算

18號道岔主要平面參數見表2。

表2 18號道岔主要平面尺寸

利用建立的動車組—道岔動力學仿真模型，對高速鐵路18號道岔的動力響應進行仿真計算。當動車組CRH2-300以80 km/h側逆向通過18號道岔時，車體橫向加速度、脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力動力響應時程曲線如圖1～圖4所示。

從車輛運行舒適性來看，車體垂、橫向振動加速度最大值分別為0.38 m/s2和0.62 m/s2，＜1.0 m/s2的限值要求;從車輛運行安全性來看，脫軌系數、輪重減載率最大值分別為0.18和0.22，均＜0.8的限值要求。

3.2 18號道岔夾直線長度及其仿真計算

圖1 車體橫向加速度時程曲線

圖2 脫軌系數時程曲線

圖3 輪重減載率時程曲線

圖4 輪軸橫向力時程曲線

18號道岔用于線間距分別為4.6，4.8和5.0 m的單渡線時，對應夾直線長度分別為 21.9，25.5，29.1 m，當CRH2以80 km/h側向通過不同線間距的單渡線時，各項動力響應比較如圖5～圖7所示。

圖5 車體橫向加速度時程曲線

圖6 脫軌系數時程曲線

圖7 減載率時程曲線

由計算結果可見，動車組側向通過線間距分別為4.6 m和4.8 m的渡線時，動力響應指標幾乎無差異。線間距為5.0 m時，夾直線區段動力學指標明顯優于線間距為4.6 m和4.8 m的渡線，但三種線間距時的動力學指標量值仍小于相關評判指標。說明18號道岔可用于三種線間距的單渡線，且規定夾直線長度＞20 m是合理的。

4 42號道岔側線線型與夾直線長度設計及其仿真計算

4.1 42號道岔側線線型設計及其仿真計算

42號道岔主要平面參數見表3。

表3 42號道岔主要平面尺寸

利用建立的動車組—道岔動力學仿真模型，對高速鐵路42號道岔的動力響應進行仿真計算。當動車組CRH2-300以160 km/h側逆向通過42號道岔時，車體橫向加速度、脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力動力響應時程曲線如圖8～圖11所示。

從車輛運行舒適性來看，車體垂向、橫向振動加速度最大值分別為0.25，0.57 m/s2，＜1.0 m/s2的限值要求;從車輛運行安全性來看，脫軌系數、輪重減載率最大值分別為0.10，0.23，均＜0.8的限值要求。

圖8 車體橫向加速度時程曲線

圖9 脫軌系數時程曲線

圖10 輪重減載率時程曲線

圖11 輪軸橫向力時程曲線

4.2 42號道岔夾直線長度及其仿真計算

42號道岔用于線間距分別為4.6，4.8，5.0 m的單渡線時，對應夾直線長度分別為0，8.8，17.6 m，當CRH2以160 km/h側向通過不同線間距的渡線時，各項動力響應比較如圖12～圖14所示。由計算結果可以看出，當線間距改變時，不同長度的夾直線對各項動力學指標幾乎沒有影響，說明42號道岔用于單渡線時，兩支反向緩和曲線起點間可直接連接或插入任意長度直線段。