現代有軌電車通過6號道岔的安全性和舒適性評價

徐 浩, 蔡文鋒, 林紅松, 顏 華

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

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現代有軌電車通過6號道岔的安全性和舒適性評價

徐 浩, 蔡文鋒, 林紅松, 顏 華

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

為評估現代有軌電車側向通過6號單開道岔時的安全性和舒適性，文章基于車輛動力學和道岔動力學理論，建立可考慮6號槽型軌單開道岔鋼軌型面變化的列車-道岔耦合動力學計算模型，分析了有軌電車以20 km/h速度通過該6號槽型軌單開道岔時的動力特性。研究表明當100 %低地板現代有軌電車側向通過該6號槽型軌單開道岔時的輪軌垂向力最大值為106.287 kN，輪軌橫向力最大值為35.2 kN；輪軸橫向力最大值為25.69 kN，未超出其限值36.83 kN；脫軌系數最大值為0.49，小于安全限值0.8，減載率最大值為0.57，未超出安全限值0.6；現代有軌電車的垂向和橫向振動加速度最大值分別為0.38 m/s2和0.71 m/s2，小于車體舒適度控制標準1.3 m/s2和1 m/s2；整體道床6號槽型軌單開道岔能滿足現代有軌電車安全舒適通過的要求。研究成果可為現代有軌電車道岔的完善和研制提供理論參考。

現代有軌電車； 單開道岔； 動力特性； 安全性； 舒適性

現代有軌電車系統具有節能、環保、投資少、建設周期短、景觀效果好等優點[1]，在國內外發展迅速。軌道系統是現代有軌電車系統的重要組成部分，而道岔是實現列車轉線運行的關鍵軌道設備。有軌電車道岔一般采用6號(正線)、3號(車輛段)等小號碼道岔。小號碼道岔存在不可避免的輪軌接觸不平順和橫向沖擊、軌道整體剛度沿線路方向的分布不均勻、活動軌件易變形形成離縫[2]等，將影響有軌電車運行的安全性與舒適性，因此有必要評估現代有軌電車通過小號碼道岔時的安全性與舒適性。為此，本文基于車輛動力學和道岔動力學理論，建立有軌電車/道岔系統動力學模型[3-4]，評估了有軌電車通過道岔時的安全性和舒適性，為我國有軌電車槽型軌單開道岔的完善及研制提供必要的理論指導與參考，促進有軌電車道岔的推廣和應用。

1 計算模型和參數

1.1 車輛模型

現代城市有軌電車的車輛模型參考文獻[5]建立，有軌電車主要由4個模塊組成，其中3個模塊裝有動力轉向架，1個模塊裝有非動力轉向架，每個模塊配置1臺轉向架，動力轉向架和非動力轉向架均為獨立旋轉車輪轉向架，2個車輪之間用軸橋連接[5]。本文利用SIMPACK軟件建立100 %低地板有軌電車的整車動力學仿真模型。該模型共有118個自由度，其中有16個非獨立自由度。

1.2 道岔模型

將6號槽型軌單開道岔分為轉轍器部分，連接部分和固定轍叉部分等3個部分分別建模。槽型軌6號單開道岔的槽型軌采用60R2鋼軌，鋼軌按槽型軌的實際截面建模，模型中考慮所有鋼軌的參振，尖軌、固定轍叉部分心軌、翼軌均視為變截面歐拉梁，其它鋼軌視為等截面歐拉梁。以岔枕支承點為節點劃分單元，每個節點考慮豎向位移、豎向偏角、橫向位移、橫向偏角等4個自由度[6-7]。道岔轉轍器部分的分析模型如圖1所示，道岔連接部分的詳細模型如圖2所示，固定轍叉部分的分析模型如圖3所示。

圖1 轉轍器部分模型平面

圖2 連接部分模型平面

圖3 轍叉部分模型平面

1.3 計算參數

6號槽型軌單開道岔的直向通過速度不大于80 km/h，側向通過速度不大于20 km/h，軌下基礎為混凝土短岔枕、整體道床型式，扣件系統采用C4彈條扣件。道岔全長14.450 m，道岔前長為4.226 m，道岔后長為10.224 m。基本軌采用60R2鋼軌制造，尖軌采用60D40在線淬火鋼軌制造。導曲線半徑為50 m，采用單圓曲線；尖軌采用半切線型，切點在20 mm斷面。基本軌在密貼段范圍進行2 mm刨切，尖軌尖端形成水平藏尖結構。岔枕間距一般按600 mm布置，牽引點處岔枕間距加寬至650 mm，側股導軌部分適當調整。

100 %低地板現代有軌電車的列車運行最高速度為80 km/h，車體寬度為2 650 mm，安裝動力轉向架和帶有司機室的動車長度為9 200 mm，安裝動力轉向架的動車的車體長度為7 800 mm，安裝受電弓和非動力轉向架的拖車長度為7 200 mm。地板面高350 mm，轉向架固定軸距為1 850 mm，車輛直徑為600 mm，輪對內側距為1 360 mm，軸重小于10 t。

2 槽型軌道岔動力計算結果

本文計算了現代有軌電車以20 km/h的速度側向通過整體道床6號槽型軌單開道岔時的動力響應，由于列車在運行過程中第一輪對首先受到較大沖擊，因此本文以現代有軌電車第一輪對的動力學響應作為分析對象。

2.1 輪軌力分布

當現代有軌電車側逆向通過6號槽型軌單開道岔時，第一輪對兩側輪軌間垂向力和橫向力如圖4所示。

由圖4(a)可知，當有軌電車通過槽型軌道岔的轉轍器和轍叉部分時，側股外側鋼軌上兩處最大值分別為69.788 kN和106.287 kN，這是由于固定轍叉區存在有害空間，導致車輪滾動通過時沖擊叉心產生的較大的沖擊力，因此槽型軌道岔轍叉處的受力較大。

由圖4(b)可知，當有軌電車側逆向通過現代有軌電車道岔時，將產生對尖軌的撞擊作用，導致橫向力突變，同時疊加有道岔結構本身的橫向不平順，最大值達35.2 kN，大于轍叉處基本軌上的輪軌橫向力峰值19.02 kN。

(a)垂向力

(b)橫向力圖4 第一輪對的輪軌力

2.2 安全性評價

根據有軌電車第一輪對的輪軌作用力得到有軌電車脫軌系數和減載率，如圖5和圖6所示。

圖5 第一輪對脫軌系數

圖6 第一輪對減載率

由圖5可知，輪對脫軌系數與輪軌橫向力的變化趨勢相似，在轉轍器區尖軌側的最大值為0.49，小于安全限值0.8。由于轍叉區的輪軌相互作用力僅由結構不平順引起，轍叉區脫軌系數的最大值為0.24，遠小于轉轍器區的脫軌系數，對行車安全性基本無影響。

由圖6可知，現代有軌電車第一輪對的減載率與輪軌垂向力變化趨勢相似，因此，側股內側的輪軌相互作用較小，在轉轍器和轍叉處較為明顯，減載率最大值分別為0.27和0.57，但均未超出安全限值0.6。

2.3 舒適性評價

有軌電車側逆向通過道岔時，車體垂向及橫向振動加速度隨輪對所在道岔位置的不同而產生的變化(圖7)。

(a)垂向加速度

(b)橫向加速度圖7 車體振動加速度

由圖7(a)可知，當有軌電車通過轉轍器和轍叉部位時，由于道岔結構自身的不平順作用使車體產生明顯波動，且轍叉處道岔的不平順作用較轉轍器大，使有軌電車通過轍叉時的垂向振動加速度最大值達到0.38 m/s2，大于轉轍器處的0.05 m/s2，但均遠小于車體的舒適度指標1.3 m/s2。

由圖7(b)可知，當現代有軌電車通過轉轍器與轍叉位置附近時，車體的橫向加速度達到最大值，并在導曲線上維持較大值，有軌電車側向通過道岔時，未被平衡加速度將增大車體的橫向加速度，且增加程度大于車體的垂向加速度。由于輪對在固定轍叉處與心軌發生撞擊，此處的車體橫向加速度最大為0.71 m/s2，小于車體的舒適度控制標準1 m/s2。

3 結論

通過對該100 %低地板現代有軌電車以20 km/h速度側向通過整體道床6號槽型軌單開道岔動力學響應的計算分析，可得到如下結論：

(1)100 %低地板現代有軌電車側向通過6號單開道岔時的輪軌垂向力最大值為106.287 kN，輪軌橫向力最大值為35.2 kN；輪軸橫向力最大值為25.69 kN，未超出其限值36.83 kN。

(2)現代有軌電車的脫軌系數最大值為0.49，小于安全限值0.8，減載率最大值為0.57，未超出安全限值0.6。

(3)現代有軌電車的垂向和橫向振動加速度最大值分別為0.38 m/s2和0.71 m/s2，小于車體舒適度控制標準1.3 m/s2和1 m/s2；整體道床6號槽型軌單開道岔能滿足現代有軌電車安全舒適通過的要求。

[1] 胥燕軍, 林紅松, 王健, 顏華. 現代有軌電車軌道結構綜述[J]. 鐵道標準設計, 2014, 58(7):58-62.

[2] 孫宏友, 王平, 張東風, 等. 動車組與貨車側向通過整體道床12號交叉渡線道岔動力學特性分析[J]. 鐵道標準設計, 2015, 59(5):70-73.

[3] 王平. 道岔區輪軌系統動力學的研究[D]. 成都: 西南交通大學, 1997.

[4] 任尊松, 翟婉明, 王其昌. 輪軌接觸幾何關系在道岔系統動力學中的應用[J]. 鐵道學報, 2001, 23(5):11-15.

[5] 呂鳳梅, 趙建秋, 閆曉明, 等. 100%低地板現代城市有軌電車限界和小曲線通過能力分析[J]. 鐵道車輛, 2013, 51(9):5-7.

[6] 全順喜. 高速道岔幾何不平順動力分析及其控制方法研究 [D]. 成都: 西南交通大學, 2012.

[7] 曹洋. 道岔平面線型動力分析及其設計方法研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2013.

中國中鐵股份有限公司科技開發計劃(2014-重大-16)、四川省科技支撐計劃(2016GZ0333)、高鐵聯合基金項目(U1434208)。

徐浩(1989～)，男，博士，工程師，從事高速重載軌道結構及軌道動力學研究。

U213.6

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[定稿日期]2016-10-26