高速鐵路道岔動力學分析及關鍵技術研究

陳 浩 蘆道林

(中國鐵路西安局集團有限公司，西安 710000)

高速鐵路道岔具有設計標準高、列車通過速度快、養護維修時間短等特點，是保證高速鐵路安全性、舒適性和可靠性的必要條件。在高速鐵路道岔研究方面，我國先后研制出了250 km/h和350 km/h系列高速道岔，目前已投入運營的高速鐵路道岔分為客專線、CN和CZ三種系列，形成了我國獨有的高速鐵路道岔技術體系[1-4]。

本文以客運專線18號道岔為研究對象，對該道岔進行動力學仿真分析，研究高速列車通過道岔時的動力學規律，探討高速道岔設計關鍵技術，旨在為高速道岔的后續優化設計和養護維修提供參考。

1 仿真參數與動力學評價指標

1.1 道岔結構參數

本文采用60 kg/m鋼軌18號可動心軌道岔(客專(07)009)，道岔全長69 m，導曲線半徑 1 100 m，道岔線形如圖1所示。道岔直向容許通過速度350 km/h，側向容許通過速度80 km/h，道岔軌距均為 1 435 mm。道岔主要結構特點如下：

圖1 18號道岔平面線形圖(mm)

(1)尖軌型式為相離半切線型，采用21.45 m長的60D40鋼軌，尖軌尖端為藏尖式。

(2)轉轍器部分尖軌跟端為限位器結構。

(3)轍叉部分采用鋼軌組合型，心軌采用60D40鋼軌，翼軌采用軋制特種斷面鋼軌。

(4)可動心軌轍叉曲股設置護軌，護軌采用33 kg/m槽型鋼，高出基本軌頂面12 mm，采用彈性夾扣壓基本軌的方式。

(5)道岔區鋼軌設置1∶40的軌底坡或軌頂坡。

1.2 動力學評價指標

根據高速鐵路道岔的試驗和運營經驗，本文選取的車輛-道岔動力學性能評價指標如表1所示。

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

本文利用多體動力學軟件UM，建立了CRH2型高速動車組模型，建模過程中考慮如下假定：(1)將車體、轉向架、輪對等視為剛體，忽略其彈性變形；(2)不考慮車輛部件縱向動力響應對車輛運動的影響；輪軌之間采用赫茲非線性接觸理論。該動車組模型為兩系懸掛，其中一系懸掛采用了彈性定位，且不存在間隙，通過調整參數設置各方向的剛度；采用空氣懸掛系統作為二系懸掛，空氣懸掛能很好地保證列車運行的平穩性和舒適性，且懸掛裝置配置有液壓減震器，可較快地衰減列車振動。車輛模型建立的車體、轉向架、輪對及軸箱等剛體共包含50個自由度，自由度數目如表2所示，模型如圖2所示。

圖2 CRH2動車組模型圖

表2 車輛模型自由度數目

2.2 道岔模型

道岔仿真模型主要是建立道岔線形和變截面軌道。道岔線形參數包括道岔的導曲線半徑、前長、后長和全長等。由于道岔區鋼軌是變截面鋼軌，需要建立出關鍵斷面，然后對各個關鍵截面之間進行線性插值處理，從而得到道岔全部的變截面特征。

道岔模型中采用了兩條基本假定，一是將密貼段鋼軌看作為一根鋼軌，并視為彈性基礎上的變截面歐拉梁，將非密貼段看作為等截面梁；二是直曲尖軌不同時參與振動。軌道模型采用UM軟件自帶的inertial rail模型，該模型將鋼軌視為車輪下的剛體，剛體有相對于橫向和垂向的自由度以及相對于縱向的轉動自由度，軌下基礎采用特殊力元來模擬。

最后依據車輛-道岔耦合動力學振動方程，將建立的道岔模型與車輛模型進行耦合求解[5]，生成車輛-道岔系統耦合動力學模型。利用該模型分析列車高速通過道岔時的輪軌動力響應，并與文獻[6]進行對比，因建模時采用的車輛和軌道參數不同，故僅針對結果的規律性進行比較。仿真結果表明：輪軌力、車輛振動加速度等指標數值相差不大，變化趨勢類似，建立的模型可用于車輛-道岔耦合動力學分析。

3 車輛通過道岔時的動力學響應

本節對250 km/h高速動車組以80 km/h側逆向通過道岔和以250 km/h直逆向通過道岔進行動力學分析。其中95～118 m為轉轍器區，118～145 m為連接部分，145～164 m為轍叉區。

3.1 輪軌作用力

輪軌作用力變化曲線如圖3所示，輪軌作用力最大值如表3所示。

圖3 輪軌作用力變化曲線圖

表3 輪軌作用力最大值表

由圖3和表3可知：當車輛側向通過道岔時，車輪的輪緣在轉轍器區會貼靠尖軌，產生了較大的輪軌橫向力，最大橫向力達到34.3 kN。車輪輪載的轉移過渡引起輪軌垂向力發生變化，最大垂向力達61.6 kN。車輛進入導曲線后，由于道岔連接部分不存在緩和曲線與超高，因此輪軌橫向力產生變化，最大輪軌橫向力為6.6 kN，輪軌垂向力最大值為60.1 kN。在可動心軌部分，車輪輪載由翼軌轉移至心軌，輪軌接觸狀態發生變化，產生橫向和垂向沖擊，最大橫向力為13 kN，最大垂向力為64.3 kN。輪軌力未超出限值。

車輛直逆向通過道岔時，在轉轍器區時，右側車輪與尖軌撞擊產生較大的輪軌橫向力，最大橫向力為17 kN，車輪輪載的轉移過渡引起輪軌垂向力產生變化，最大輪軌垂向力為58.7 kN；因連接部分是直線，故輪軌力較小，最大橫向力為8.8 kN，最大垂向力為55.9 kN；轍叉區最大輪軌橫向力為9.4 kN，最大輪軌垂向力為57.8 kN。與車輛側逆向通過道岔比較，車輛直逆向通過道岔時，輪軌力都較小。

3.2 車輛系統振動特性

車輛系統振動加速度變化曲線如圖4所示，振動加速度最大值如表4所示。

圖4 車體振動加速度變化曲線圖

表4 車體振動加速度最大值表

由圖4和表4可知：輪對受到振動沖擊后，振動向上傳遞至車體。車輛側逆向通過道岔時，轉轍器區車體最大橫向加速度為0.44 m/s2，最大垂向加速度為0.06 m/s2；連接部分車體最大橫向加速度為0.76 m/s2，最大垂向加速度為0.04 m/s2；轍叉區車體最大橫向加速度為0.62 m/s2，最大垂向加速度為0.06 m/s2。車體橫向加速度整體大于車體垂向加速度，這說明高速列車通過可動心軌高速道岔時，影響車體平穩性的因素主要是車體橫向振動，且車體橫向最大振動位于導曲線部分，主要原因是導曲線未設超高與緩和曲線。總體來看，車體垂向加速度未超出限值，車體橫向加速度在連接部分和轍叉區超出經常保養標準值，但在舒適度指標范圍以內。

車輛直逆向通過道岔時，車體橫向加速度在心軌處較大，車體最大橫向加速度為0.58 m/s2。車體垂向加速度在心軌處波動劇烈，最大垂向加速度為0.1 m/s2。綜合來看，車輛直向高速通過可動心軌式道岔時，軌道固有不平順會引起車輛產生振動，但車體加速度值可很好地滿足舒適性要求。

高速動車組車輛系統由車體、轉向架和輪對等構成，當車輛通過道岔區時，車體、轉向架和輪對都會產生不同程度的振動，為直觀表現車輛不同構件的振動情況，對車體、轉向架和輪對的振動加速度進行對比分析，如圖5所示。

由圖5可知：當列車通過道岔時，車輛系統各部分的振動加速度情況不同，由于道岔區固有的軌道不平順作用，車輪與鋼軌產生多點接觸，接觸狀態復雜，輪軌系統振動劇烈，反映在輪對上會產生較大的橫向加速度和垂向加速度；由于車輪與轉向架之間采用軸箱懸掛裝置，可有效衰減下部傳來的振動，因此轉向架振動加速度較輪對振動加速度小；轉向架與車體之間存在中央懸掛裝置，中央懸掛裝置采用了空氣彈簧，并安裝了二系橫向、二系垂向和抗蛇行減振器，可很大程度衰減下部結構傳來的振動，滿足旅客舒適度的要求。

圖5 車輛系統振動加速度圖

3.3 安全性指標

脫軌系數和輪重減載率變化曲線如圖6所示，最大值如表5所示。

圖6 安全性指標圖

表5 行車安全性比較表

由圖6可知：當車輛側逆向通過轉轍器區時，車輪的脫軌系數最大為0.59，這是由輪對與尖軌之間的接觸沖擊引起的；車輪輪載由基本軌過渡到尖軌時，輪軌系統多點接觸，故輪重減載率在轉轍器區產生峰值，為0.21；當車輛通過導曲線時，橫向力較大，脫軌系數也較大，最大脫軌系數為0.13，最大輪重減載率為0.17；在轍叉區，輪軌接觸沖擊和輪載的轉移過渡引起安全性指標增大，最大脫軌系數為0.23，最大輪重減載率為0.18，脫軌系數和輪重減載率均處于安全范圍以內。車輛直逆向通過道岔時，在尖軌處和心軌處，安全性指標較大，最大脫軌系數為0.33，最大輪重減載率為0.16，遠小于安全限值。說明正常情況下，高速動車組通過18號道岔是安全的。

4 高速鐵路道岔關鍵技術分析

高速鐵路實行天窗維修制度，夜間天窗僅有240 min，維修時間較普速鐵路短，需要高速道岔保持良好的性能，減少養護維修工作量。因此亟需開展高速道岔養護維修技術的研究，并結合動力學仿真技術對道岔設計中的關鍵技術進行分析，指導養護維修作業。高速道岔設計結合動力學考慮的問題主要有三個方面：(1)高速道岔不平順控制；(2)高速道岔輪軌關系維護；(3)高速道岔軌道剛度狀態[7-11]。

4.1 高速道岔不平順控制

高速鐵路道岔不平順包括固有結構不平順和線路隨機不平順，動車組車體的自振頻率在1～1.5 Hz范圍內，列車高速運行可能會引起車體的諧振，降低運行平穩性，運營實踐表明：波長80～100 m的長波不平順對列車運行的平穩性影響較大，是道岔產生晃車的主要原因；而短波不平順(如焊縫凹凸、軌面擦傷、掉塊、波形磨耗等)會加劇輪軌沖擊，甚至導致脫軌。在日常養護維修中，可對各種道岔區軌道不平順條件下車輛動力響應的計算結果進行分析和對比，得出不利于行車平穩性的不平順類型和波長幅值等，為控制道岔區軌道不平順，制定養護維修標準提供理論依據。

4.2 高速道岔輪軌關系維護

道岔區輪軌接觸狀態復雜，可能產生一點接觸、兩點接觸、三點接觸等多種接觸類型，尖軌與基本軌的相對高差會影響車輪輪載過渡的范圍。當尖軌受力較晚時，左右車輪的輪徑差會使車輛向一側偏移，鋼軌受到較大的橫向力，產生晃車現象，而尖軌受力較早，可能會壓傷尖軌頂面。通過動力學理論，優化尖軌與基本軌之間、心軌與翼軌之間的降低值，改善輪軌接觸狀態，有效控制晃車現象，提升乘坐舒適性[12]。

道岔區的鋼軌廓形也會影響輪軌相互作用，列車的長期碾壓和道岔區復雜的輪軌接觸狀態可能會使鋼軌產生疲勞裂紋和塑性變形，最終在道岔尖軌、曲上股、心軌部位出現魚鱗紋和肥邊，并伴有光帶不良，導曲部分還可能會產生不均勻磨耗。這些病害都會改變鋼軌原有的廓形，導致輪軌關系發生變化，發生晃車，可利用動力學仿真技術，分析道岔區鋼軌廓形改變對行車產生的影響，優化鋼軌廓形，指導鋼軌廓形的打磨，改善輪軌接觸狀態[13]。

4.3 高速道岔軌道剛度狀態

道岔區無砟軌道的垂向剛度主要由扣件提供，有砟軌道的垂向剛度主要由碎石道床提供，運營實踐和動力學分析表明：軌道剛度越大，輪軌作用越劇烈，晃車現象和道岔部件的傷損越嚴重。因此以車輛-道岔耦合動力學為基礎，分析軌道剛度變化對軌道結構的動力響應，得出道岔區的合理剛度范圍[14-15]，對道岔設計和養護維修將具有指導意義。

5 結論與建議

本文以18號道岔(客專(07)009)為研究對象，利用動力學仿真軟件建立高速動車組模型和18號道岔模型，通過動力學分析，研究列車通過道岔時的輪軌力、舒適性和安全性指標，分析表明各項指標均在舒適度限值以內，滿足安全性要求。最后對高速道岔設計和養護維修中需要結合動力學仿真考慮的不平順問題、輪軌關系問題、軌道剛度問題進行分析，提出以下建議：(1)在日常養護維修中，可對各種道岔區軌道不平順條件下車輛動力響應的計算結果進行分析和對比，得到不利于行車平穩性的不平順類型和波長幅值并進行控制；(2)利用動力學理論，分析優化降低值和鋼軌廓形等，改善輪軌接觸狀態，有效控制晃車現象，提升旅客乘坐舒適性；(3)利用動力學理論，分析得到道岔區的合理剛度，控制道岔區病害的產生。