高速道岔輪軌力學行為研究

于淼

（中車大連機車車輛有限公司城鐵開發部，遼寧 大連 116022）

高速道岔是高速鐵路的關鍵設備，也是薄弱環節之一，近年來隨著國內高速鐵路的大規模建設，對其進行系統性研究顯得更為迫切。目前，國內共鋪設了5 000多組正線高速道岔[1]，總體狀態良好，但同樣存在一些問題，例如道岔區幾何參數超限導致車體異常晃動、尖軌心軌位移不足、曲尖軌磨耗以及表層接觸疲勞、直尖軌非工作邊裂紋、道岔區螺栓孔裂紋、扣件松動等[2]。

國內外對道岔輪軌動態相互作用方面的研究工作已開展很多年。SCHUPP等[3]研究了道岔區輪軌多點接觸在多體動力學仿真中的實現方法。KASSA等[4]基于多體動力學軟件GENSYS建立了列車/道岔動力學模型，研究關鍵參數隨機輸入情況下系統的動態響應。ALFI等[5]提出能夠計算列車/道岔中頻動態響應的數學模型，模型中考慮變截面鋼軌及彈性軌道，并且根據現場試驗實測數據驗證了模型的正確性。SEBES等[6]運用多點赫茲接觸理論建立道岔區的輪軌接觸模型，結合多體動力學理論，分析列車通過可動心軌道岔時的接觸斑位置、接觸應力及等效應力等動態響應。王平等[7]基于輪軌系統動力學，結合道岔區軌道結構自身特點，研究了道岔區多點輪軌接觸關系，建立了列車-道岔空間耦合動力學分析理論。任尊松[8]對車輛過岔時輪軌多點接觸及車輛-道岔系統動態相互作用進行了研究。陳嶸[9]建立了完整的車輛-道岔-橋梁耦合振動模型，計算分析了列車通過橋上道岔時系統的振動響應，并進行了試驗驗證。全順喜[10]分析了隨機不平順及實測不平順對岔區輪軌耦合振動的影響，提出了岔區幾何不平順的控制限值和調整方法。

目前，利用列車-道岔耦合動力學理論分析高速列車與道岔動態相互作用僅限于低頻時域范圍[1]。本文將針對18號高速無砟道岔輪軌動力學行為進行研究，建立車輛-道岔剛柔耦合系統動力學模型，將輪對設為柔性體，利用功率譜密度和時頻分析等方法分析列車過岔時的動態相互作用。

1 車輛-道岔系統動力學模型

選用某動車組及18號高速無砟道岔參數建立了車輛-道岔耦合系統動力學模型，如圖1所示。

圖1 車輛-道岔系統動力學模型

道岔區變截面模型由軌道縱向的若干特征截面通過線性插值得到，如圖2所示。

圖2 尖軌模型

尖軌區段輪軌靜態接觸幾何如圖3所示。

圖3 轉轍區輪軌靜態接觸幾何關系

當尖軌寬0.02～0.03 m時，轉轍區輪軌接觸由基本軌過渡到尖軌。轍叉區心軌采用橫向藏尖結構，分為長心軌和短心軌，基于同樣方法獲得轍叉區模型，如圖4所示。

圖4 轍叉區模型

護軌為分開式的33 kg/m槽型鋼軌。道岔系統設有垂向、橫向的剛度和阻尼。為了研究列車通過高速道岔時輪對的高頻振動情況，將一位輪對設為柔性體，利用有限元軟件進行聯合仿真。取柔性輪對的前15階模態，由于計算輪對模態時沒有施加任何約束，所以前6階為輪對的剛體模態，即剛體運動，所對應的固有頻率為0，輪對振動頻率如表1所示。

表1 柔性輪對各階振動頻率與模態

2 計算結果分析

本文主要研究道岔區輪軌接觸幾何改變對輪軌垂向作用力和輪對垂向加速度的影響，因此，分別對列車直向、側向通過18號高速道岔時，輪軌間垂向作用力和輪對垂向加速度情況進行分析。

2.1 直向過岔

由于18號高速道岔的直向允許通過速度為350km/h，實際通過速度為300 km/h，所以，選取列車運行速度分別為270 km/h、290 km/h、310 km/h、330 km/h和350 km/h時的結果進行對比。不同速度下，列車直向過岔輪軌間垂向力如圖5所示。

圖5 直向過岔輪軌垂向力

由圖5可知，由于車軸彎曲，在非轉轍區和轍叉區段，輪軌垂向力出現周期小幅振動，隨著速度增加，振幅略有增大。當速度為270 km/h時，振幅約0.8 kN；當速度為350 km/h時，振幅約2.7 kN，運行速度每增加20 km/h，輪軌間垂向作用力振幅增大不超過1 kN。直向過岔時，在轉轍區，輪軌間作用力變化不明顯，當距離尖軌尖端約7 m時，即尖軌寬度由0.02 m增大到0.05 m過程中，車輪完成了由基本軌到直尖軌的過渡，輪軌力先下降后上升，差值約14 kN；在轍叉區，在距離心軌理論尖端約1 m處，即心軌寬度在0.04 m左右，車輪完成了由翼軌到長心軌的過渡，輪軌力出現最大值，約為80 kN，是輪軌間靜態垂向力的1.5倍，對心軌造成沖擊。

不同速度下，列車直向過岔輪對垂向加速度如圖6所示。

圖6 直向過岔輪對垂向加速度

由圖6可知，由于車軸彎曲，輪對垂向加速度出現周期小幅振動，振幅小于7 m/s2，隨著速度增加，振幅略有增大，與輪軌垂向力的波動情況基本一致。直向過岔時，在轉轍區，輪對垂向加速度變化不明顯；在轍叉區，在距離心軌理論尖端約1 m處，即心軌寬度在0.04 m左右，車輪完成了由翼軌到長心軌的過渡，輪對垂向加速度達到最大值，取絕對值，約為45 m/s2，對心軌造成一定沖擊作用。運行速度對道岔區輪對垂向加速度峰值的影響不大。因此，只選取310 km/h運行速度時的輪對垂向振動加速度結果，對其進行時頻分析，如圖7所示。

圖7 直向過岔輪對垂向加速度時頻分析

由圖7可知，當以310 km/h速度直向過岔時，輪對垂向振動加速度的振動主頻為31.9 Hz，同時在時頻圖中可以看到在30 Hz附近的一條光帶，說明該頻率存在于整個運行里程，與輪對轉動頻率基本一致，說明該主頻是源于柔性輪對車軸的彎曲變形。直向過岔輪對垂向加速度高頻段時頻分析如圖8所示。從圖中可以看出，時頻面能量在轍叉區較高，里程位置約為54 m，即輪軌接觸由翼軌過渡到心軌的區段。該沖擊引起輪對高頻振動，而轉轍區的沖擊不明顯。通過對輪對垂向加速度做200 Hz高通濾波，獲取高頻振動情況。

圖8 直向過岔輪對垂向加速度高頻段時頻分析

由圖8可知，輪對垂向加速度在高頻區段，存在291 Hz的主頻，且該頻率覆蓋了全部運行里程，而心軌對輪對的沖擊主要激發了輪對300～500 Hz的高頻振動，且能量主要集中在300 Hz左右。對照表1中柔性輪對各階振動頻率，其中，第12階模態對應的振動頻率為296.93 Hz，為輪對的對稱傘型模態。第13階和第14階模態對應的振動頻率為316.12 Hz，分別為輪對的3次水平和垂向彎曲模態。

車輪在心軌處的沖擊引起的輪對振動加速度主頻與這三階模態對應的固有頻率相接近，易引起輪對對稱傘型和3次彎曲模態的復合振動，由于模態階數較高，能量相對較小。

2.2 側向過岔

由于18號高速道岔的側向允許通過速度為80 km/h，所以，選取列車運行速度分別為60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h時的結果進行對比。列車側向過岔時，輪軌接觸情況相對直向過岔復雜。側向過岔時，輪軌接觸在轉轍區由基本軌過渡到曲尖軌，在轍叉區由翼軌過渡到長心軌，接著由長心軌過渡到短心軌，最后通過短心軌末端的滑動接頭。

不同速度下，列車側向過岔輪軌間垂向力如圖9所示，輪軌垂向力峰值如圖10所示。

圖9 側向過岔輪軌垂向力

圖10 側向過岔不同速度下輪軌垂向力峰值

由圖9可知，由于運行速度較慢，由柔性輪對車軸彎曲引起的輪軌垂向力周期振動不明顯。側向過岔時，18號道岔存在半徑為1 100 m的圓曲線，且直線和圓曲線之間沒有緩和曲線過渡，輪對沖角較大，所以位于圓曲線初始位置的曲尖軌部分會受到較大沖擊。且隨著運行速度的增加，輪軌接觸由基本軌過渡到尖軌時的沖擊力越大，由于離心力作用，圓曲線區段輪軌間作用力也逐漸增大。在轍叉區，輪軌間垂向力出現3個振動峰值，分別對應輪軌接觸由翼軌過渡到長心軌，由長心軌過渡到短心軌，再通過滑動接頭。

由圖10可知，同一速度下，尖軌處的輪軌垂向力峰值大于長心軌、長心軌大于短心軌、短心軌大于滑動接頭，尖軌處垂向力峰值較大主要是由于過渡區位于道岔圓曲線初始位置，車輪與尖軌發生接觸時更接近于車輪輪緣。而長心軌、短心軌、滑動接頭的尖端角度遞增，使得過渡區的輪軌接觸逐漸趨于車輪踏面中部，使得垂向力峰值降低，沖擊減小。

不同速度下，列車側向過岔輪對垂向加速度波形基本相似，當列車運行速度為80 km/h時輪對垂向加速度如圖11所示，不同速度下輪對垂向加速度峰值情況如圖12所示。

圖11 側向過岔輪對垂向加速度

圖12 側向過岔不同速度下輪對垂向加速度峰值

由圖11可知，輪對垂向振動加速度基本上是以X軸為中心軸上下振動，不同于輪軌垂向力受曲線離心力的影響，振動波形存在趨勢項。由于車軸彎曲，輪對垂向振動加速度出現周期小幅振動，振幅小于1 m/s2。側向過岔時，在轉轍區，同樣由于離心力作用，當輪軌接觸由基本軌過渡到曲尖軌時，即距離尖軌尖端約4 m處，輪對垂向加速度出現振動峰值，約為46 m/s2，振動方向向上；在轍叉區，出現的3個振動峰值分別在距離心軌理論尖端約0.4 m、2 m、9.5 m，沖擊鋼軌。由圖12可知，隨著速度增加，輪對垂向加速度峰值逐漸上升，且同一速度下尖軌處的峰值大于長心軌、長心軌大于短心軌、短心軌大于滑動接頭處，與輪軌垂向力的規律一致。其中，在列車運行速度為60 km/h和70 km/h時，短心軌處的峰值略大于滑動接頭。對列車運行速度為80 km/h時輪對垂向振動加速度進行時頻分析，如圖13所示。

圖13 側向過岔輪對振動加速度時頻分析

由圖13可知，側向過岔時，輪對垂向加速度有多個振動主頻，功率譜密度最大的主頻為8.203 Hz，近似于運行速度為80 km/h的輪對轉動頻率8.225 Hz，該主頻為輪對轉動的固有頻率，是由柔性輪對車軸彎曲引起。由于運行速度較低，在時頻圖中對應頻率的能量不是很明顯。從功率譜中可以看出在250～350 Hz之間，出現輪對振動加速度的高頻振動主頻，約為298.4 Hz，結合時頻圖可知，時頻面能量在轉轍區較高，里程位置約為4 m，即輪軌接觸由基本軌過渡到曲尖軌。同樣，該沖擊引起輪對振動加速度主頻與輪對第12、13、14階模態對應的固有頻率相接近，易引起輪對對稱傘型和3次彎曲模態的復合振動。而轍叉區的沖擊不明顯，3個振動峰值對應的里程位置處的時頻面能量較小。

3 結論

將輪對設為柔性體，可獲得輪對高頻振動情況，由于車軸兩端在軸重載荷下彎曲變形，致使軸端的中心點不在輪對轉軸的中心線上，在列車運行中，輪軌力和輪對振動加速度會出現幅值隨列車運行速度變化的等幅振動，且振動頻率與輪對轉動頻率一致。

直向過岔時，車輪在轍叉的區作用力相對于轉轍區明顯，對長心軌寬約0.04 m處沖擊較大；側向過岔時，車輪對轉轍區作用力相對于轍叉區明顯，對曲尖軌寬約0.02 m處沖擊較大，且隨著運行速度的加快，輪軌間垂向力和輪對垂向加速度均逐漸上升，同一運行速度下，尖軌處的峰值大于長心軌、長心軌大于短心軌、滑動接頭處最小。

直向過岔時車輪對長心軌的沖擊以及側向過岔時對曲尖軌的沖擊均激發了輪對垂向加速度300 Hz左右的高頻振動，接近于輪對的固有頻率，易引起輪對對稱傘型和3次彎曲模態的復合振動。