高速鐵路輪軌動力作用規律分析

涂英輝

（中國鐵道科學研究院集團有限公司?鐵道建筑研究所，北京???100081）

目前，我國350?km/h及以下速度等級高速鐵路固定設施設計施工技術日趨完善，技術標準基本齊備[1]，并對該速度等級的高速鐵路輪軌關系、輪軌周期性磨耗條件下的輪軌動力作用進行了專項試驗研究[2-6]。但對于更高速度等級的輪軌動力作用研究尚處于探索階段，確定更高速度條件下的輪軌動力作用規律，對于指導輪軌材料和結構優化升級，提高我國高速鐵路相關工程設計施工水平具有重要意義，同時可為下一階段我國高速鐵路的建設規劃及推動高速鐵路行業進一步發展提供技術支撐和依據。

1 常規狀態下輪軌動力作用

為分析380?km/h和400?km/h更高速度動車組在輪軌常規狀態下的適應性，分別進行現場綜合試驗和理論分析。其中現場綜合試驗包括京滬高鐵先導段（棗莊西—蚌埠南）和鄭徐高鐵開封北—蕭縣北段[7]。

1.1 試驗分析

1.1.1 京滬高鐵先導段

京滬高鐵先導段（棗莊西—蚌埠南）為直線地段，采用CRTS?Ⅱ型板式無砟軌道，配套W300-1型扣件，下部基礎為路基。主要測試車型為中車青島四方機車車輛股份有限公司制造的CRH380AL和中車唐山機車車輛有限公司制造的CRH380BL，分別測試300、330、350、380、400?km/h速度等級條件下的輪軌垂向力情況，測試結果見表1。

表1 京滬高鐵先導段輪軌垂向力測試結果

由表1可知，高速動車組通過各輪軌力測點時輪軌垂向力最大值為87.5～98.6?kN，平均值為69.3～77.9?kN。相比350?km/h及以下速度等級，高速動車組以380?km/h和400?km/h速度通過直線區段時的輪軌動力作用變化不明顯。

1.1.2 鄭徐高鐵

鄭徐高鐵試驗區段開封北—蕭縣北為曲線地段，采用CRTS?Ⅲ型先張板式無砟軌道、WJ-8型扣件，橋上除連續梁及緊靠連續梁一跨的簡支梁采用小阻力扣件外，其余簡支梁采用常阻力扣件。主要測試車型為CRH0207和CRH0503型動車組，分別進行300、330、350、380和400?km/h不同速度等級條件下，動車組通過半徑為9?000?m曲線緩圓點時的輪軌垂向力情況，測試結果見表2。

表2 鄭徐高鐵試驗段輪軌垂向力測試結果

由表2可知，隨著列車速度的增加，輪軌垂向力幅值略有增大。動車組以380、400?km/h速度通過半徑為9?000?m曲線緩圓點時，實測輪軌垂向力最大值分別為 115.8?kN 和 125.1?kN，平均值分別為 93.6?kN 和97.1?kN，均未超出《高速鐵路工程動態驗收技術規范》[8]中輪軌動力作用的限值要求（170?kN）。

綜合京滬高鐵先導段和鄭徐高鐵試驗分析可知，在輪軌常規狀態下，隨著列車速度的增加，輪軌動力作用不斷增大，但增大幅度較小。400?km/h與300?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約40%，平均輪軌垂向力增大約29%；400?km/h與350?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約20%，平均輪軌垂向力增大約12%。最大輪軌垂向力均未超出《高速鐵路工程動態驗收技術規范》中輪軌動力作用的限值要求。

1.2 理論分析

利用NUCARS分析軟件，參照CRH380A型動車組建立車輛-軌道耦合動力學仿真模型（見圖1）[9]。該模型由1個車體、2個構架、4個輪對構成，其中每個剛體均考慮垂向、橫向、縱向、點頭、搖頭和側滾6個自由度。構架和輪對之間通過一系彈簧、垂向減振器連接，構成一系懸掛系統；構架和車體之間通過空氣彈簧、二系垂向減振器、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等元件連接，構成二系懸掛系統，懸掛系統由彈簧阻尼單元模擬。鋼軌采用離散點支承形式，由彈簧阻尼單元模擬扣件垂向和橫向的約束作用，同時考慮鋼軌表面原始不平順的影響。模型主要參數見表3。

圖1 車輛-軌道耦合動力學仿真模型

表3 車輛-軌道動力學仿真模型主要參數

采用車輛-軌道耦合動力學仿真模型，分析在輪軌常規狀態下，列車分別以300、350、380和400?km/h速度通過時的輪軌動力作用最大值（見表4）。

表4 常規狀態下輪軌動力作用最大值

由表4理論分析結果可知，在輪軌常規狀態下，隨著列車速度的增加，輪軌動力作用略有增大，但增大幅度較小。400?km/h與300?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約31%；400?km/h與350?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約19%。最大輪軌垂向力均未超出《高速鐵路工程動態驗收技術規范》中輪軌動力作用的限值要求。

2 鋼軌波磨條件下輪軌動力作用

為分析鋼軌表面存在波磨的情況下，不同速度動車組通過時的輪軌動力作用，分別進行現場試驗和理論分析。其中現場試驗為2011年京滬高鐵鋼軌波磨專項試驗[10]。

2.1 試驗分析

2011年對京滬高鐵不同波磨深度情況下的輪軌動力作用進行了專項試驗。京滬高鐵采用CRTS?Ⅱ型板式無砟軌道，配套W300-1型扣件，鋼軌表面存在明顯波磨，波長為120～150?mm，分別在波磨谷深0.04、0.05和0.08?mm位置及無波磨區段測試輪軌動力作用情況，測試結果表明：

（1）波磨谷深0.04?mm地段。在250?km/h速度等級下，有波磨地段輪軌垂向力平均值比無波磨地段增大約8.8%；在300?km/h速度等級下，輪軌垂向力平均值增大約20.8%。

（2）波磨谷深0.05?mm地段。在250?km/h速度等級下，有波磨地段輪軌垂向力平均值比無波磨地段增大約13.0%；在300?km/h速度等級下，輪軌垂向力平均值增大約52.5%。

（3）波磨谷深 0.08?mm 地段。在 250?km/h速度等級下，有波磨地段第一、二、三斷面輪軌垂向力平均值比無波磨地段分別增大27.1%、33.4%、36.2%；在300?km/h速度等級下，輪軌垂向力平均值分別增大61.9%、93.5%、82.8%。

綜合分析動車組高速通過有波磨測點產生的輪軌垂向力測試數據可知，鋼軌波磨對輪軌垂向力有較大影響，相同速度條件下磨耗深度越大，輪軌動力作用越大。與無波磨地段相比，在250?km/h速度等級下有波磨地段輪軌垂向力增大的幅度為8.8%～36.2%，在300?km/h速度等級下有波磨地段輪軌垂向力增大的幅度為20.8%～93.5%，實測輪軌垂向力最大值為168?kN（接近170?kN限值），出現在波磨谷深0.08?mm地段。

2.2 理論分析

利用車輛-軌道耦合動力學仿真模型，分析鋼軌表面存在波長為120～150?mm，波磨谷深0.02、0.04、0.06和0.08?mm以及無波磨時，行車速度為300、350、380和400?km/h時的輪軌力情況，計算得到不同鋼軌磨耗程度和不同行車速度下的輪軌垂向力最大值變化規律，未考慮車輪多邊形條件的計算結果見圖2。

圖2 不同鋼軌波磨和不同行車速度時的輪軌垂向力

由圖2可知，相同速度等級條件下，波磨谷深越大，輪軌動力作用越大，400?km/h速度時，波磨谷深0.08?mm與0.02?mm相比，輪軌垂向力增大約96%；相同波磨谷深條件下，速度越大，輪軌動力作用越大，波 磨 谷 深 0.08?mm 時，400?km/h 與 300?km/h 速 度 相比，輪軌垂向力增大約63%。350?km/h速度情況下，波磨谷深0.08?mm時輪軌垂向力接近170?kN的限值要求；380?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時輪軌垂向力接近170?kN的限值要求；400?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時輪軌垂向力超過170?kN限值要求。

3 車輪多邊形條件下輪軌動力作用

為分析車輪表面存在多邊形的情況下，動車組以不同速度運行時的輪軌動力作用，分別進行現場試驗和理論分析。其中現場試驗為2016年武廣高鐵車輪多邊形專項試驗[11]。

3.1 試驗分析

2016年對武廣高鐵車輪多邊形情況下的輪軌動力作用進行了專項試驗。武廣高鐵采用CRTS?Ⅰ型雙塊式無砟軌道，配套W300-1型扣件，在武廣高鐵牛嶺隧道K2096+211—K2103+799區段進行了車輪多邊形專項試驗。牛嶺隧道測點線路曲線半徑為11?005?m，超高為 115?mm，3.0‰上坡，鋼軌光帶寬度為 20～25?mm，鋼軌為近期打磨狀態，表面無明顯波磨。試驗動車組車輪中存在18階多邊形，平均徑跳值為0.06?mm。

分別測試試驗動車組以250、280和300?km/h速度通過測點時的輪軌垂向力情況，測試結果見表5。

表5 試驗動車組車輪有無多邊形、不同速度時的輪軌動力作用

由表5可知，相同速度等級條件下，車輪有多邊形與無多邊形相比，輪軌動力作用增大，但增大幅度較小，300?km/h速度下，徑跳值0.06?mm時的輪軌垂向力與無多邊形相比增大幅度為13%；相同多邊形條件下，隨著速度的增加，輪軌動力作用增大，徑跳值0.06?mm時，?300?km/h與250?km/h速度相比，輪軌垂向力增大幅度為23.6%。

3.2 理論分析

利用車輛-軌道耦合動力學仿真模型，分別分析車輪表面存在18階多邊形，徑跳值為0.02、0.04、0.06和0.08?mm 時，行車速度為 300、350、380和 400?km/h的輪軌垂向力情況，計算得到不同車輪多邊形程度和不同行車速度下的輪軌垂向力變化規律（見圖3）。

圖3 不同車輪多邊形和不同行車速度時的輪軌垂向力

由圖3可知，相同速度等級條件下，車輪多邊形徑跳值增大，輪軌動力作用略有增大，400?km/h速度下，徑跳值0.08?mm與0.02?mm相比，輪軌垂向力增大約7%；相同車輪多邊形徑跳值條件下，速度越大，輪軌動力作用越大，徑跳值為 0.08?mm 時，400?km/h與 300?km/h速度相比，輪軌垂向力增大約20%。

4 結論

通過對輪軌常規狀態、鋼軌波磨和車輪多邊形等條件下，動車組不同速度等級運行時的輪軌動力作用進行現場試驗和理論分析研究，得出初步結論如下：

（1）在輪軌常規狀態下，隨著速度的增加，輪軌動力作用略有增大，但增大幅度較小。400?km/h與300?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約40%；400?km/h與350?km/h速度相比，最大輪軌垂向力增大約20%。最大輪軌垂向力均未超出《高速鐵路工程動態驗收技術規范》中輪軌動力作用的限值要求。

（2）鋼軌波磨條件下輪軌動力作用明顯增加。相同速度等級條件下，波磨谷深越大，輪軌動力作用越大，400?km/h 速度時，波磨谷深 0.08?mm 與 0.02?mm 相比，輪軌垂向力增大約96%；相同磨耗程度條件下，速度越大，輪軌動力作用越大，波磨谷深0.08?mm時，400?km/h與 300?km/h速度相比，輪軌垂向力增大約63%。350?km/h速度情況下，波磨谷深0.08?mm時輪軌垂向力接近170?kN限值要求；380?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時輪軌垂向力接近170?kN限值要求；400?km/h速度情況下，波磨谷深0.06?mm時輪軌垂向力超過170?kN限值要求。

（3）車輪多邊形磨耗條件下輪軌動力作用增大。相同速度等級條件下，車輪多邊形徑跳值增大，輪軌動力作用略有增加，400?km/h速度時，徑跳值0.08?mm與0.02?mm相比，輪軌垂向力增大約7%；相同車輪多邊形徑跳值條件下，速度越大，輪軌動力作用越大，徑跳值 0.08?mm 時，400?km/h 與 300?km/h 速度相比，輪軌垂向力增大約20%。