達速條件下高速鐵路道岔適應性研究

王 璞，王樹國，楊東升，司道林

(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)

隨著我國高速鐵路客運需求不斷增加，如何增大運量已成為迫切需求。2017年9月，復興號動車組率先在京滬高速鐵路實現350 km/h商業運營[1]，而后逐漸增開350 km/h復興號動車組數量。2018年8月，京津城際鐵路實現了復興號動車組350 km/h運營。復興號列車在京滬高鐵、京津城際鐵路以350 km/h運營以來，滿足了沿線旅客高品質出行的需要，取得了良好的經濟和社會效益。目前，我國京滬高鐵部分列車以及其他高速線路仍以300 km/h運行，實現京滬高速鐵路全面達速并在全國高速鐵路范圍內進一步擴大350 km/h運行范圍對于提高運量和效率、提升高速鐵路的競爭優勢具有重大意義。然而，我國高速鐵路經過了近10年的時速300 km運營，進一步擴大達速規模亟需對移動裝備和基礎設施適應性進行全面評估，確保安全、舒適運行。

高速道岔是高速鐵路的重要設備和薄弱環節之一，其結構復雜、部件眾多，是高速鐵路可能的限速點之一[2-3]，如實現大范圍達速必須首先保證高速道岔能夠滿足長期350 km/h直向通過的要求。目前，針對運行速度對道岔力學特性影響的研究較多，但多基于理論仿真進行一般意義上的參數敏感性分析，缺乏針對性[4-12]。既有的高速道岔提速試驗研究也多為針對新建線路的聯調聯試，往往只關注動力學響應是否超過安全限值，缺乏運行速度對道岔動力學性能影響規律的深入分析[13-14]。另外，針對我國高速道岔長期服役狀態與運營速度的相關性研究也較少。

基于研究需求和既有不足，本文對達速條件下高速道岔適應性進行理論與試驗研究。首先，建立動力學模型對車輛達速通過道岔時的動力學性能進行仿真分析；然后，選取試驗段，對動車組分別以300、350 km/h直向通過時高速道岔的動力學性能變化規律進行測試分析；最后，對目前高速道岔在長期運營過程中出現的傷損病害進行調研，分析病害形成的主要原因及與直向通過速度的相關性，研究道岔達速運行的限制因素及達速后道岔服役狀態的變化趨勢。本研究擬進一步為我國高速鐵路擴大達速范圍提供依據和支撐。

1 車輛-道岔動力學仿真分析

1.1 車輛-道岔耦合動力學計算模型

基于多體動力學理論建立高速車輛動力學模型，對車體、構架、輪對、軸箱等均采用6自由度剛體進行模擬，充分考慮二系空氣彈簧及橫向減振器、一系彈簧及垂向減振器、抗蛇形減振器、牽引拉桿、橫向止擋等結構部件間的非線性連接耦合作用，通過精細化建模確保模型盡可能與實際相符，高速車輛模型如圖1所示。

圖1 高速車輛動力學模型

輪軌接觸計算基于Hertz接觸理論及Kalker的FASTSIM算法[15]進行，主要分為接觸點位置探測、整體接觸力學量計算(接觸力、蠕滑率等)以及接觸斑局部接觸力學量計算(接觸應力、蠕滑應力、滑動速度分布等)，如圖2所示。

圖2 輪軌接觸計算模型

道岔動力學模型充分考慮轉轍器區基本軌與尖軌、轍叉區心軌與翼軌的組合位置關系以及鋼軌的變截面特性，通過插值的方法實現道岔區異形鋼軌截面的空間過渡，如圖3所示。充分考慮岔區軌道的剛度與阻尼特性，剛度阻尼參數取值基于實測結果，軌道垂向和橫向剛度分別取40、95 kN/mm，垂向和橫向阻尼分別取400、100 kN·s/m。高速道岔動力學模型如圖4所示。

圖3 岔區變截面鋼軌的模擬

1.2 模型驗證

為驗證本文動力學分析方法的合理性，基于文獻[2]中典型計算工況建立車輛-道岔耦合動力學分析模型。車輛模型采用CRH2型動車組參數，道岔為速度350 km/h 18號無砟軌道道岔，直向過岔速度為385 km/h。前軸動輪載及脫軌系數仿真計算結果如圖5所示，文獻[2]中模型計算結果如圖6所示。

可以看出，本文方法計算得到的動輪載及脫軌系數時程曲線特征與文獻[2]中計算結果較為一致，在轉轍器及轍叉區出現沖擊峰值，最大動輪載及脫軌系數均出現在轍叉區，動輪載峰值與文獻[2]結果相差5.3%，脫軌系數峰值相差15.9%。對比計算結果可驗證本文動力學分析方法的合理性，可用于后續車輛過岔動力性能變化的仿真計算分析。

1.3 達速條件下車輛過岔的動力性能變化規律

基于建立的動力學計算模型，對列車速度由300 km/h提升至350 km/h逆向通過道岔時的動力學性能變化特征進行仿真分析，計算結果如圖7所示。其中，橫坐標“位置”含義為距仿真起點(岔前20 m位置)的距離，為便于分析，用箭頭標出了列車進岔及出岔的橫坐標位置。

圖7 不同速度條件下列車過岔動力性能

列車速度由300 km/h提升至350 km/h時，通過道岔過程中安全性參數均有所增大。左右側車輪脫軌系數相差不大，均在轉轍器區和轍叉區輪載過渡時出現沖擊峰值，但均較小。左右側車輪輪重減載率也均在輪載過渡區段出現沖擊峰值，尖軌-心軌側輪重減載率顯著大于基本軌側。達速運行會引起輪重減載率的大幅增加，尖軌-心軌側輪重減載率峰值由0.48增至0.58。

列車達速通過道岔過程中輪軌相互作用有所加劇。左右側輪軌力均在轉轍器區和轍叉區輪載過渡時出現沖擊峰值。尖軌-心軌側輪軌垂向力顯著大于基本軌側，速度由300 km/h提升至350 km/h時，尖軌-心軌側輪軌垂向力大幅增加，峰值由99.29 kN增至105.99 kN，基本軌側輪軌垂向力略有增大。兩側輪軌橫向力相差不大，達速運行后，輪軌橫向力峰值小幅增加。

列車在進入道岔后由于道岔固有結構不平順的激擾，輪對出現輕微的蛇形運動。達速條件下列車過岔時輪對蛇形橫移量有所減小，但輪對橫向加速度呈增大趨勢，在轉轍器區和轍叉區輪載過渡區段出現沖擊峰值。速度由300 km/h增至350 km/h時，輪對橫向加速度峰值由3.72 m/s2增至3.96 m/s2，車體振動加速度也呈現出增大的趨勢，由于懸掛緩沖減振作用，車體振動并未在轉轍器區和轍叉區出現沖擊峰值，更多的是受運動趨勢的影響，車體橫向加速度峰值出現在出岔以后。

達速條件下列車通過道岔過程中輪軌磨耗加劇，尖軌-心軌側的輪軌磨耗速率增加尤為明顯，磨耗功率峰值由655.97 W增至950.04 W。基本軌側輪軌磨耗功率遠小于尖軌-心軌側，達速運行后磨耗功率也呈增大的趨勢，但增幅也比尖軌-心軌側小。

總體來看，列車過岔速度由300 km/h提升至350 km/h時，安全性參數增大，但均在限值以內(脫軌系數限值為0.8，輪重減載率限值為0.9)，可以保證列車過岔安全，達速運行對于尖軌-心軌側輪重減載率的影響較為明顯，對于脫軌系數的影響較有限。列車過岔時輪軌相互作用也會加劇，尖軌-心軌側輪軌垂向力顯著增大，基本軌側輪軌垂向力以及輪軌橫向力略有增加。列車過岔時車輛動力學性能呈現出劣化的趨勢，輪對橫向加速度以及車體垂向、橫向加速度均增大。達速運行后輪軌磨耗情況也有加劇。

2 高速道岔動力學試驗分析

2.1 試驗設計

基于地面測試，對列車達速通過時高速道岔動力學特性變化規律進行分析。選取18號高速道岔作為試驗段，該組道岔試驗前經過養護維修，岔區幾何形位、扣件緊固狀態、轉換設備工作狀態均較好；另外，經過岔區鋼軌件探傷，鋼軌件無明顯疲勞傷損，曲尖軌存在輕微磨耗，總體來看，道岔服役狀態處于較好的水平。具體測試內容包括：轉轍器區尖軌尖端位置輪軌垂、橫向力及基本軌垂、橫向動態位移，尖軌尖端開口量，密貼檢查器位置尖軌相對基本軌動態位移，輪載過渡區域鋼軌和岔枕振動加速度，導曲線區段絕緣接頭附近鋼軌垂、橫向力及橫向動態位移，測點具體布置如圖8所示。尖軌尖端位置輪軌力及位移測點主要為了研究列車進岔時輪軌相互作用及列車荷載作用下鋼軌動態變形情況；尖端開口量及密檢器位移測點主要為了分析列車高速通過時直尖軌與基本軌的密貼狀態；加速度測點主要為了研究轉轍器輪載過渡區段鋼軌及岔枕的振動強度及振動特性。

圖8 測點布置

現場測試中，基于“剪應力法”采用應變花組成全橋，測試高速列車通過時輪軌垂直力P和水平力Q[16]，由測得的輪軌力計算出脫軌系數Q/P，輪重減載率ΔP/P以及輪軸橫向力(Q1-Q2)為高速列車運行安全性參數。道岔區鋼軌垂、橫向動態位移，尖軌尖端開口量以及密檢器位置尖軌相對位移采用彈片式位移計安裝于自制位移架上進行測試。鋼軌和岔枕振動加速度采用壓電式加速度傳感器采集振動信號。各動力學指標的現場測試方法和設備如圖9所示。值得注意的是，在轉轍器及轍叉輪載過渡區，由于鋼軌件斷面非對稱、不滿足“剪應力法”的基本要求，以及空間限制、傳感器安裝存在困難，無法進行輪軌力測試。本次試驗僅在轍叉器尖軌尖端位置通過在基本軌上貼片進行輪軌力測試。轉轍器和轍叉輪載過渡區擬考慮建立不同斷面條件下動彎應力與輪軌荷載的對應關系，通過測試動彎應力間接計算輪軌力，未來工作中將進一步對此測試方法進行探索。

圖9 現場試驗

測試過程中，采集實際運營條件下CR400AF-B和CR400BF-B兩種高速列車分別以300 km/h和350 km/h速度通過道岔試驗段時各動力學指標的測試數據，為消除偶然因素影響、獲取統計規律，每種車型每種速度等級各采集約50趟車的測試數據。

2.2 達速條件下道岔動力性能變化規律

對于每種車型、每種速度等級分別選取20趟車的典型測試數據進行統計分析，研究達速條件下高速道岔動力學性能的變化規律，如圖10、圖11所示。圖中直方圖高度表示所選取20趟車樣本數據的統計均值，直方圖頂端上下限表示樣本數據的離散程度。

圖10 CR400AF-B不同速度通過條件下高速道岔動力性能對比

圖11 CR400BF-B不同速度通過條件下高速道岔動力性能對比

通過試驗數據分析可以看出，CR400AF-B和CR400BF-B列車達速通過高速道岔條件下高速道岔動力學性能的變化規律基本一致。

(1)測點位置列車高速通過安全性均能得到保證。過岔速度由300 km/h提升至350 km/h后，轉轍器區脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力指標略有減小，導曲線區脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力指標略有增大，但是300 km/h和350 km/h速度條件下，安全性指標測試結果均較好，脫軌系數和減載率均在0.1以下，輪軸橫向力不超過5 kN。

(2)列車過岔速度提升至350 km/h后，轉轍器區和導曲線區輪軌垂向力均明顯增大，增幅可達28.74%。直尖軌側輪軌橫向力增大，直基本軌側輪軌橫向力有所減小。

(3)列車通過轉轍器區時，鋼軌垂向變形增大、橫向變形減小；通過導曲線區時，鋼軌橫向變形呈現增大的趨勢。此外，過岔速度提升后，直尖軌密貼狀態變差，尖軌尖端開口量和密貼檢查器位置尖軌相對基本軌的位移均增大。

(4)列車通過速度的提升會導致轉轍器區軌道結構振動情況加劇，鋼軌加速度顯著增大，增幅可達14.29%，岔枕加速度也呈增大的趨勢。

綜上可知，高速列車通過道岔的速度由300 km/h提升至350 km/h后，高速道岔所承受的輪軌沖擊荷載呈增大趨勢，只有直基本軌所受橫向力有所減小；轉轍器區鋼軌垂向變形增大、橫向變形減小，導曲線區鋼軌橫向變形增大；列車荷載作用下直尖軌與基本軌密貼狀態變差，岔區軌道結構振動加劇。總體來看，達速條件下高速道岔動力學性能有劣化的趨勢，測點位置高速列車通過的安全性能夠得到保障。

3 高速道岔傷損發展分析

我國高速鐵路道岔經過多年的運營考核，總體服役狀態較好，但也逐漸暴露出一系列傷損和病害問題。基于既有資料統計、現場調研，對高速道岔在既有運營條件下出現的傷損病害進行梳理總結，見表1。

表1 長期運營條件下高速道岔主要傷損病害分析

可以看出，我國客專系列高速道岔出現的主要問題中，尖軌不足位移、心軌翼軌離縫、嚴寒地區凍脹引起的岔區高低不平順，直尖軌非工作邊縱向裂紋等均與列車直向過岔速度相關。CN系列高速道岔的主要問題中，曲導軌軌肩塑性變形、轍叉結構部件頻繁傷損、尖軌跟端低塌等均與列車直向速度相關。另外，岔區鋼軌件及焊接接頭傷損作為我國高速道岔的共性問題也與列車速度直接相關。上述部分病害的存在會造成岔區結構不平順，影響列車通過的安全性和平穩性，可能成為達速運行的限制因素。此外，列車過岔速度的提高也將加快上述部分病害的發生頻率和發展速度，明顯降低高速道岔的服役壽命。

因此，雖然基于動力學仿真和測試，既有高速道岔在良好狀態下可確保列車以350 km/h速度安全通過，但如果長期以350 km/h速度運營，為確保高速道岔的安全服役及高速列車過岔的平順性，建議進一步采取可行性措施，見表1。

在高速鐵路實現350 km/h達速運行之前，必須對該線路高速道岔接頭傷損、跟端低塌以及凍脹引起的岔區高低不平順等問題進行集中整治，恢復或提升高速道岔的平順性。此外，應對該線路高速道岔鋼軌件進行系統探傷檢查，排除鋼軌疲勞損傷及斷軌的安全隱患。

4 結論

本文針對我國高速鐵路進一步回升運營速度的需求，對達速條件下高速道岔的適應性進行了理論和試驗研究。主要結論如下：

(1)列車達速通過道岔時，脫軌系數和輪重減載率均增大，但均在限值以內，安全性可以得到保證。達速運行對于尖軌-心軌側輪重減載率影響較為明顯，對于脫軌系數的影響較為有限。輪軌相互作用加劇，尖軌-心軌側輪軌垂向力顯著增大，輪軌橫向力略有增加。車輛動力學性能呈現劣化的趨勢，輪對橫向加速度以及車體垂、橫向加速度均增大。輪軌磨耗情況也有明顯加劇。

(2)達速條件下，道岔承受的輪軌沖擊荷載呈增大的趨勢，只有直基本軌所受橫向力有所減小；轉轍器區鋼軌垂向變形增大、橫向變形減小，導曲線區鋼軌橫向變形增大；列車荷載作用下直尖軌與基本軌密貼狀態變差，岔區軌道結構振動加劇。

(3)既有運營條件下我國高速道岔主要出現了尖軌不足位移、心軌翼軌離縫、嚴寒地區岔區高低不平順、直尖軌非工作邊縱向裂紋、曲導軌軌肩塑性變形、轍叉結構部件頻繁傷損、尖軌跟端低塌、直基本軌和曲尖軌嚴重磨耗等問題。部分病害的存在會影響列車通過的安全性和平穩性，可能成為達速的限制因素；達速運行也將加快部分病害的發生頻率和發展速度，降低道岔服役壽命。為確保350 km/h長期運營條件下道岔安全服役及列車過岔的平順性，建議采取一系列加強措施。實現達速運行前必須對道岔接頭傷損、跟端低塌以及凍脹引起的岔區高低不平順問題進行集中整治，并對道岔鋼軌件進行系統探傷檢查。

本文研究不足及進一步擬開展工作：

(1)本文工作主要針對無明顯病害條件下高速道岔對于達速運行的適應性進行了理論與試驗研究，并對可能影響達速運行的傷損病害及對應加強措施進行了分析，未來工作中，擬在本文研究基礎上進一步針對典型傷損病害對高速道岔動力學性能的影響以及病害條件下高速道岔對達速運行適應性開展理論仿真與現場試驗研究，以為我國高速鐵路擴大350 km/h達速運行范圍和規模提供更充分依據和支撐。

(2)本文仿真分析中采用了Hertz理論及FASTSIM算法進行輪軌接觸計算，但由于道岔尖軌及心軌刨切區段存在曲率突變的情形，接下來擬對道岔區不同輪軌接觸理論的適用性進行進一步研究。

(3)另外，本文仿真計算中對道岔模型進行了一定的簡化處理，進一步研究中將對道岔進行精細化建模，對岔區細部結構及部件間的作用關系進行充分考慮，探討道岔建模方法及模型精細化程度對本文仿真分析結果及規律的影響。