高速道岔行車平穩(wěn)性影響因素研究及應(yīng)用

蔣俊， 王軍平， 崔容義

（1. 中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司南方事業(yè)部，四川成都 610000；2. 中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司技術(shù)研發(fā)部，北京 100081）

0 引言

道岔作為軌道線路中的一個薄弱環(huán)節(jié)，如何保持良好的狀態(tài)，對確保車輛通過安全性、平穩(wěn)性至關(guān)重要。長久以來，道岔區(qū)軌道剛度合理取值、轉(zhuǎn)轍區(qū)運(yùn)動學(xué)軌距優(yōu)化［1-2]及尖軌降低值合理設(shè)置［3]是確保車輛運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性的主要關(guān)注點(diǎn)。文獻(xiàn)［4-5]針對京滬線黃渡線路所2號道岔橫向加速度超限進(jìn)行了分析，指出尖軌降低值不良是引起道岔處晃車的主要原因。文獻(xiàn)［6]分析了尖軌降低值超限對轉(zhuǎn)轍器動力學(xué)特性的影響，并提出現(xiàn)場降低值超限時，應(yīng)及時進(jìn)行調(diào)整，避免轉(zhuǎn)轍器動力學(xué)特性進(jìn)一步惡化。

運(yùn)用Simpack 動力學(xué)軟件建立車輛-道岔耦合動力學(xué)模型，從環(huán)境、軌道激勵、輪軌關(guān)系等方面，研究了不同因素對高速道岔行車平穩(wěn)性的影響。最后，運(yùn)用仿真結(jié)果成功解決了南廣線桂平站12 號道岔頻繁出現(xiàn)橫向加速度超限的問題。

1 岔區(qū)輪軌關(guān)系及動力學(xué)建模

1.1 岔區(qū)輪軌關(guān)系

道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)、轍叉區(qū)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系的特殊性。研究岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系，有利于進(jìn)一步分析道岔行車平穩(wěn)性［7]。任尊松等［8]依據(jù)岔區(qū)空間布置關(guān)系，詳細(xì)研究了道岔區(qū)輪軌接觸特點(diǎn)，為進(jìn)一步優(yōu)化高速道岔各股軌線空間結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)輪軌幾何接觸特性分析，岔區(qū)輪軌接觸方式較為復(fù)雜，包含單點(diǎn)接觸、兩點(diǎn)接觸以及三點(diǎn)接觸。

車輛正向通過道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)時，輪軌接觸點(diǎn)由基本軌逐漸過渡到尖軌，車輪滾動半徑也不斷發(fā)生變化。圖1 為車輛直向通過轉(zhuǎn)轍區(qū)示意圖，從圖中可以看出：左股鋼軌接觸位置從尖軌20 mm 斷面開始逐漸遠(yuǎn)離軌道中心線，達(dá)到最大后突然向軌道中線靠攏，到尖軌50 mm斷面回到軌道中心線，然后接觸位置逐漸穩(wěn)定下來。左右輪滾動圓半徑從尖軌20 mm 斷面開始逐漸減小，其中左輪減小更快，車體向左側(cè)貼靠；達(dá)到臨界點(diǎn)后，左輪滾動圓半徑突然增加，車體向右側(cè)貼靠，右輪滾動圓半徑逐漸增加；達(dá)到尖軌50 mm 斷面后，左右輪滾動圓半徑基本一致，車體逐漸平穩(wěn)靠近軌道中心運(yùn)行。

圖1 車輛直向過岔示意圖

王平等［9]提到車輪通過尖軌部分的重心軌跡可用正弦曲線來模擬，對60AT軌12號道岔尖軌，該運(yùn)行軌跡可表示為：

式中：h=2.8 mm，x為距尖軌尖端距離，m，最大不平順幅值位于尖軌頂面寬度35 mm處，該結(jié)果與圖1中車輛直向過岔車輪滾動半徑變化情況基本一致。

1.2 動力學(xué)建模

為研究高速道岔行車平穩(wěn)性，這里從環(huán)境因素、軌道激勵、輪軌關(guān)系等方面進(jìn)行仿真分析。環(huán)境因素主要考慮橫風(fēng)風(fēng)速的影響，軌道激勵考慮軌道方向、高低復(fù)合不平順，輪軌關(guān)系考慮了不同車輪和鋼軌廓形。

采用CRH2A 型動車組模型，車輛模型包括1 個車體、2 個構(gòu)架、4 個輪對共7 個剛體組成。車體和構(gòu)架具有縱向、橫移、沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾和搖頭6 個自由度，輪對具有縱向、橫移、沉浮、側(cè)滾和搖頭5個自由度，車輛模型共有38 個自由度。道岔模型選取（07）004-18號高速道岔，道岔全長69 m，直向容許通過速度為250 km/h。模型中軌道示意見圖2，包含岔前50 m線路及岔后線路，共計(jì)600 m。

圖2 軌道示意圖

2 仿真分析

2.1 橫風(fēng)

橫風(fēng)作用下高速列車可能會出現(xiàn)脫軌、傾覆的現(xiàn)象，此處基于列車空氣動力學(xué)準(zhǔn)靜態(tài)理論對高速道岔行車平穩(wěn)性來進(jìn)行分析。基于準(zhǔn)靜態(tài)理論，列車在橫風(fēng)作用下的氣動力和力矩［10]可表示為下式（2）、（3），表1為列車時速250 km時氣動載荷值。

式中：ρ為空氣密度，取1.226 kg/m3；A為迎風(fēng)側(cè)車體投影等效面積，m2；Ci(β)、Cj(β)為滑移角為β時的氣動力、力矩系數(shù)；h為迎風(fēng)側(cè)車體等效高度，m；U為相對合成風(fēng)速，m/s。

表1 列車時速250 km時氣動載荷

圖3 為橫風(fēng)作用下高速道岔行車平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出：橫風(fēng)速度達(dá)到10 m/s 時，車體橫向加速度約為0.8 m/s2，達(dá)到了線路保養(yǎng)維修標(biāo)準(zhǔn)；橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s 時，車體橫向加速度約為1.3 m/s2，達(dá)到了線路舒適度維修標(biāo)準(zhǔn)；橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s 時，車體橫向平穩(wěn)性約為2.6，低于合格標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 橫風(fēng)作用下列車平穩(wěn)性

2.2 軌道復(fù)合不平順

圖4（a）為實(shí)測軌道激勵，軌道激勵垂向最大偏差為3.6 mm，橫向最大偏差為1.74 mm；圖4（b）為車體橫向加速度頻譜圖，主頻為1.1 Hz（與車體上心滾擺頻率接近），峰值為0.01 m/s2。根據(jù)上述分析結(jié)果，CRH2A 型動車組以250 km/h 速度直向通過18 號高速道岔時的敏感波長約為63 m。

圖4 實(shí)測激勵下車輛動力學(xué)響應(yīng)

根據(jù)車體橫向加速度響應(yīng)結(jié)果，以下將分析50～70 m 波長范圍內(nèi)高低、軌向復(fù)合不平順對車輛平穩(wěn)性的影響。此處分析了2 種50～70 m 波長范圍內(nèi)復(fù)合不平順對高速道岔行車平穩(wěn)性的影響，2 種復(fù)合不平順軌向、高低見圖5。從圖中可以看出：給定的2 種形式的復(fù)合不平順高低完全一致，軌向方向相反、幅值一致；2種復(fù)合不平順?biāo)狡钜恢拢壘嗥罘较蛳喾础⒎狄恢拢瑥?fù)合不平順1轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)為軌距加寬，復(fù)合不平順2轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)軌距變窄。

圖6 為2 種形式軌道復(fù)合不平順作用下車體橫向加速度計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出：2種復(fù)合不平順情況下，車體橫向加速度隨著軌向的增加而增加。以車體橫向加速度0.6 m/s2（線路維修保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)）為限值，2 種情況下軌向臨界值約為9 mm；復(fù)合不平順1 情況下，高低對車體橫向加速度影響比較明顯。隨著高低偏差值的增加，車體橫向加速度有增加趨勢；復(fù)合不平順2 情況下，當(dāng)軌向超過9 mm 時，車體橫向加速度急劇增加。

2.3 輪軌廓形

此處分析了輪軌廓形對高速道岔行車平穩(wěn)性的影響，其中車輪廓形采用了凹形磨耗車輪廓形以及標(biāo)準(zhǔn)車輪廓形，鋼軌廓形采用了實(shí)測廓形以及標(biāo)準(zhǔn)廓形。表2 為動力學(xué)仿真結(jié)果，從中可以看出：工況4 車體橫向加速度已超過0.600 m/s2，達(dá)到維修保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)線；凹形磨耗車輪廓形對車體橫向加速度影響很大，最大橫向加速度約為0.641 m/s2，較標(biāo)準(zhǔn)車輪廓形工況下最大車體橫向加速度0.265 m/s2增加141.9%；在標(biāo)準(zhǔn)車輪和凹形車輪廓形下，通過改變鋼軌廓形車輛橫向加速度分別減小了6%和18.7%； 橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在4種工況下均小于2.5，滿足平穩(wěn)性要求。

圖5 軌道復(fù)合不平順

圖6 車體橫向加速度

表2 輪軌廓形對車輛平穩(wěn)性的影響

3 現(xiàn)場運(yùn)用

2017年12 月南廣線南寧局管內(nèi)桂平站12號道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超過1.0 m/s2（舒適度限值）的情況，橫向加速度最大達(dá)到了1.4 m/s2，72 h 內(nèi)重復(fù)次數(shù)達(dá)18次。桂平站12號道岔為客專（07）004-18號高速道岔，直向最大允許通過速度為250 km/h。為分析橫向加速度超限原因，現(xiàn)場對道岔框架尺寸、降低值進(jìn)行了反復(fù)檢測。檢測結(jié)果均符合要求，未發(fā)現(xiàn)橫向加速度超限原因。根據(jù)研究結(jié)果，橫風(fēng)、軌道復(fù)合不平順、輪軌廓形均可能影響高速道岔行車平穩(wěn)性，因此進(jìn)一步對橫向加速度超限原因進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

（1）桂平站僅12 號道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限，且2017年底未出現(xiàn)持續(xù)大風(fēng)天氣，因此可排除橫風(fēng)影響；

（2）動檢車波形圖顯示方向、高低偏差均小于5 mm，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可以排除軌道復(fù)合不平順方面的影響；

（3）鋼軌廓形對稱性、一致性以及輪軌關(guān)系。圖7為滾動半徑差計(jì)算結(jié)果，從中可以看出：滾動半徑差對稱性較差，橫移量正負(fù)值對應(yīng)的滾動半徑差差異太大；橫移量-3～7 mm 滾動半徑差約等于0，滾動半徑差太小不利于車輛的自動對中；橫移量-10～-4 mm 滾動半徑差由0 mm增加到6 mm，滾動半徑差突變可能會影響車輛橫向平穩(wěn)性；

圖7 滾動半徑差

根據(jù)以上分析，桂平站12 號道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限的可能原因?yàn)殇撥壚尾睢⑤嗆夑P(guān)系不良。為了改善輪軌接觸關(guān)系，制定了個性的廓形打磨方案。首先對現(xiàn)場采集的車輪、鋼軌廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用動力學(xué)仿真軟件對鋼軌廓形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；然后采用鋼軌廓形打磨軟件進(jìn)行打磨方案設(shè)計(jì)；最后運(yùn)用道岔打磨車對岔區(qū)鋼軌廓形進(jìn)行打磨。打磨后修正了鋼軌廓形、改善了輪軌接觸關(guān)系、減小了車體橫向振動，解決了岔區(qū)頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限的問題。

圖8為打磨前后鋼軌廓形與設(shè)計(jì)廓形對比，圖中綠色為設(shè)計(jì)廓形，紅色為測量廓形。從中可以看出，打磨后測量廓形與設(shè)計(jì)廓形匹配程度明顯提升，鋼軌廓形質(zhì)量得到顯著改善。

表3 為打磨前后鋼軌廓形GQI 指標(biāo)（GQI 指標(biāo)代表測量廓形與設(shè)計(jì)廓形的匹配程度，GQI指標(biāo)越高代表測量廓形與設(shè)計(jì)廓形越匹配），從數(shù)據(jù)中可以看出：鋼軌GQI均值由打磨前的60.3提高到了打磨后的92.1，提高了52.7%；岔前右股鋼軌GQI 提升最明顯，由打磨前的52.6 提高到了92.3，提高了75.5%；標(biāo)準(zhǔn)差由打磨前的7.04 降低到打磨后的2.25，降低了68.1%，廓形一致性、對稱性得到明顯改善。

表3 打磨前后鋼軌GQI指標(biāo)

圖9 為桂平12 號道岔打磨前后橫向加速度超限（舒適度限值）數(shù)量較多的區(qū)域每月變化趨勢，圖中2018年2月以后為打磨后數(shù)據(jù)。從圖中可以看出：桂平站12 號道岔打磨后總的超限數(shù)量大幅減少，并且保持比較穩(wěn)定；岔后60 m、連接部分、心軌前打磨前數(shù)量較多，打磨后也得到了明顯改善。

表4為打磨前后車體橫向加速度超限數(shù)量統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出：打磨前橫向加速度超限數(shù)量較多，2018年1月達(dá)到245次；打磨后橫向加速度超限數(shù)量急劇減小，2018年3月僅出現(xiàn)4 次，較打磨前減少了98.4%；2018年2月打磨后至2018年11月橫向加速度超限數(shù)量比較穩(wěn)定，最多為18次。

4 結(jié)論及建議

橫風(fēng)、軌道復(fù)合不平順以及輪軌廓形的角度分析了高速道岔的行車平穩(wěn)性，并運(yùn)用分析結(jié)果解決了桂平站12 號道岔頻繁出現(xiàn)車體橫向加速度超限問題。主要結(jié)論如下：

（1）隨著風(fēng)速增加，橫風(fēng)對高速道岔行車平穩(wěn)性影響逐漸增加。風(fēng)速達(dá)到10 m/s 時，車體橫向加速度達(dá)到維修限值；風(fēng)速達(dá)到20 m/s 時，車體橫向加速度達(dá)到平穩(wěn)性限值；

圖8 打磨前后廓形對比

圖9 橫向加速度超限變化趨勢

表4 車體橫向加速度超限數(shù)量統(tǒng)計(jì) 次

（2）時速250 km 動車線路應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注50～70 m 波長軌道不平順，2種形式的50～70 m波長軌道復(fù)合不平順限值約為9 mm。復(fù)合不平順1 高低對車體橫向加速度影響比較明顯；復(fù)合不平順2 軌向超過9 mm 時，車體橫向加速度急劇增加；

（3）輪軌廓形對車體橫向加速度影響很大。凹形磨耗車輪工況下車體橫向加速度較標(biāo)準(zhǔn)車輪工況下增大141.9%，通過改變鋼軌廓形可以將凹形磨耗車輪工況下車體橫向加速度最大降低18.7%；

（4）高速道岔維修保養(yǎng)過程中出現(xiàn)平穩(wěn)性超限時，應(yīng)首先檢查道岔框架尺寸，然后再從橫風(fēng)、軌道復(fù)合不平順、輪軌廓形等方面進(jìn)行排查。