動車運用所內9號道岔側向通過性能研究

司道林

(1.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；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室， 北京 100081)

道岔是高速鐵路的關鍵工務設備之一，實現(xiàn)列車轉線或跨線運行。為實現(xiàn)列車轉線或跨線運行的功能，道岔區(qū)結構復雜，存在固有不平順，列車通過道岔區(qū)的輪軌動力作用明顯大于區(qū)間線路。為使道岔區(qū)具有良好的動力學性能，眾多學者對道岔區(qū)輪軌系統(tǒng)動力學開展大量研究。文獻[1-2]建立道岔區(qū)鋼軌廓形演變的預測方法，分析鋼軌廓形演化過程，得出軌道參數(shù)對鋼軌磨耗的影響規(guī)律。文獻[3-4]研究鋼軌廓形對輪軌接觸狀態(tài)和動力學性能的影響規(guī)律，認為優(yōu)化轉轍器鋼軌廓形可提高動車組通過道岔轉轍器時的運行穩(wěn)定性，建議開展道岔區(qū)鋼軌打磨提高道岔區(qū)動力學性能。文獻[5-6]認為道岔區(qū)尖軌降低值是影響道岔區(qū)行車平穩(wěn)性的關鍵參數(shù)，應嚴格控制降低值偏差。文獻[7]分析了道岔區(qū)軌距加寬對道岔平穩(wěn)性、輪軌動力作用的影響規(guī)律，為道岔區(qū)軌距加寬技術的應用提供借鑒。文獻[8]提出高速道岔區(qū)軌道剛度評判準則及確定方法，對我國客專線道岔區(qū)軌道剛度合理取值及部件剛度合理匹配進行了研究，所得結論指導了我國客專線道岔扣件系統(tǒng)設計。文獻[9]以輪軌接觸傷損為出發(fā)點，通過現(xiàn)場調研和理論分析，提出道岔區(qū)宜采用的鋼軌廓形。文獻[10-11]研究得出輪徑差、車輪型面廓形演變對道岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài)、動力學性能的影響規(guī)律。文獻[12]基于法向間隙法確定道岔區(qū)鋼軌打磨目標廓形，達到降低接觸應力的目的。文獻[13]建立道岔區(qū)動力學模型，分析道岔區(qū)幾何不平順對輪軌動力作用的影響規(guī)律，提出以行車安全性和平穩(wěn)性確定道岔側股幾何不平順幅值的方法。

上述研究主要以理論分析為技術手段，認為優(yōu)化尖軌降低值、改善軌道彈性以及合理打磨鋼軌廓形是改善道岔區(qū)動力學性能、減緩鋼軌接觸傷損的有效措施。研究對象主要針對正線道岔，并未考慮動車運用所內鋪設的道岔。目前，動車組通過此類道岔時的輪軌接觸特征尚不清晰，動力學性能也缺乏研究，未掌握輪軌磨耗及接觸傷損特征規(guī)律。

50 kg/m鋼軌9號道岔是動車運用所采用的主型道岔。此類道岔設計于2004年，明顯早于我國高速鐵路開通運營時期，這意味著道岔設計時并未考慮動車組通過道岔時的動力學性能。由于動車所內行車速度較低，且為非載客狀態(tài)，對動車運用所內道岔區(qū)的運行品質關注較少。但50 kg/m鋼軌廓形明顯不同于60 kg/m鋼軌，且道岔區(qū)內基本軌不設軌底坡、尖軌不設軌頂坡，這都直接影響動車組通過道岔區(qū)時的動力學性能。運營過程中發(fā)現(xiàn)，動車所內道岔轉轍器側向時曲尖軌磨耗明顯，甚至部分車輪出現(xiàn)嚴重異常磨耗，這均應與不利的輪軌接觸關系有關。

基于此，本文分析道岔主要結構特點，研究道岔區(qū)輪軌接觸特征，并建立動車組-道岔動力學模型，計算動車組通過道岔側向時的動力學性能，提出改善動力學性能的措施，減緩輪軌磨耗，為道岔區(qū)養(yǎng)護維修提供借鑒。

1 道岔區(qū)結構特點

CZ2209是該類型道岔的典型代表[14]。道岔平面線型主要尺寸見圖1。道岔全長28 848 mm，前、后接頭分別為道岔始端和終端，道岔側股與直股軌道中心交點即道岔中心。始端、終端至中心的距離分別為道岔前長、后長，前長13 839 mm，后長15 009 mm。道岔始端至尖軌尖端距離為2 650 mm，轉轍角1°21′56″，尖軌長度6 450 mm。導曲線半徑180 m，始于尖軌跟端，止于心軌前2 058 mm處。轍叉線型為直線，左右開道岔可互換，轍叉角為6°20′25″。根據(jù)JG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》要求，道岔側股需設置15 mm的軌距加寬[15]，結合道岔線型變化軌距加寬設置劃分為4個區(qū)域：①自道岔始端開始加寬，至尖軌尖端加寬值增至15 mm；②進入尖軌尖端后，由于尖軌線型為直線，軌距加寬逐漸減小，至跟端軌距加寬值減至4 mm；③尖軌跟端進入半徑180 m的導曲線，在距尖軌跟端3 000 mm處軌距加寬值再次增至15 mm；④在距心軌尖端2 058 mm處導曲線結束，導曲線結束點前4 000 mm范圍內軌距加寬值由15 mm減至0 mm。

圖1 道岔平面線型(單位：mm)

2 輪軌接觸特征分析

列車通過道岔時輪載在尖軌與基本軌間過渡，車輪同時接觸尖軌與基本軌，復雜的多點接觸行為與鋼軌廓形、降低值、道岔線型等參數(shù)密切相關。通過現(xiàn)場調研鋼軌表面光帶獲得輪軌接觸基本特征。圖2為曲尖軌、曲基本軌的典型鋼軌表面光帶分布。由圖2可見，尖軌表面光帶存在兩個特征點，第一個為尖軌軌肩出現(xiàn)光帶(圖2(a)中A點)，此位置距尖軌尖端約0.7 m；第二個為尖軌軌頂出現(xiàn)光帶(圖2(a)中B點)，此位置距尖軌尖端約1.7 m。兩個特征點可將輪軌接觸特征劃分為三個過程：①尖軌尖端至A點范圍尖軌降低值由23 mm減至5.5 mm，尖軌頂寬由0 mm增至16.6 mm，此過程由基本軌獨立承載；②A點與B點范圍尖軌降低值至由5.5 mm減至1.0 mm，尖軌頂寬由16.6 mm增至40.5 mm，此范圍車輪同時接觸尖軌與基本軌，基本軌光帶位于軌頂，尖軌光帶位于軌肩，說明輪載仍主要由基本軌承擔；③B點以后尖軌逐漸與基本軌等高，尖軌軌頂形成光帶，基本軌頂面光帶逐漸消失，表明尖軌開始獨立承擔輪載。圖2(b)中曲基本軌表面光帶寬度約26 mm，光帶中心趨向工作邊側，偏離軌頂中心15 mm。

圖2 曲尖軌、曲基本軌的典型鋼軌表面光帶分布

通過分析輪軌型面匹配得出鋼軌表面光帶形成原因。圖3展示了A點處的輪軌匹配特征，車輪同時接觸直基本軌和曲尖軌，形成兩點接觸。直基本軌頂面接觸車輪踏面，承擔垂向輪載，尖軌軌肩接觸輪緣，承擔導向荷載。曲基本軌與車輪接觸區(qū)域位于軌頂，偏向工作邊一側。可見，輪軌接觸特征與鋼軌光帶分布一致。

圖3 輪軌匹配特征

輪對產生的搖頭角為

( 1 )

式中：ΔR為左、右滾動圓半徑差，取0.5 mm；r為車輪名義滾動圓半徑，取430 mm；l為輪對走行距離，取700 mm；D為左、右側接觸區(qū)域跨距，取1 505 mm。

在此輪軌型面匹配情況下，輪對兩側的滾動圓半徑差為0.5 mm。若輪對始終保持此輪徑差由尖軌尖端運行至A點，則由式( 1 )計算得到輪對產生的搖頭角為0.03°，遠小于道岔轉轍角1°21′56″。意味著輪對將以較大沖角撞擊尖軌軌肩，輪對運行時始終以踏面接觸點為旋轉中心，輪緣接觸點處則必然形成滑動，導致較大的磨耗速率。這應是道岔區(qū)輪軌磨耗異常的主要原因。

上述分析可見，列車進入道岔后輪徑差較小，無法適應大幅值的轉轍角，導向能力嚴重不足。為使輪對能夠較好地適應道岔線型的突變，本文通過優(yōu)化道岔區(qū)鋼軌廓形，改變道岔及前端線路的輪軌型面匹配特性，使輪對進入道岔預先導向，以適應變化劇烈的道岔線型，從而提高道岔側向通過性能。

3 鋼軌打磨廓形設計

由第2節(jié)分析可知，增加輪徑差是鋼軌廓形優(yōu)化的主要目標。對曲尖軌側而言，尖軌未承載前，隨著尖軌頂寬增加，車輪與直基本軌間的接觸點持續(xù)向踏面外側轉移，在踏面錐度作用下滾動圓半徑只減不增。而曲基本軌側光帶偏向工作邊側，趨向輪緣根部，滾動圓半徑較大，尚有優(yōu)化空間。因此，可通過減小曲基本軌側滾動圓半徑的方法來增加輪徑差。基于此設想，將曲基本軌側的輪軌接觸區(qū)域由當前的區(qū)域Ⅰ移至區(qū)域Ⅱ，在踏面錐度作用下滾動圓半徑可減小1 mm，見圖4。

圖4 曲基本軌輪軌接觸區(qū)域分布

實現(xiàn)理想輪軌接觸特征的同時，應盡可能減小打磨量，將非接觸區(qū)域(區(qū)域Ⅱ以外)的輪軌間隙保持在0.5～1.0 mm。由此設計理念優(yōu)化得到鋼軌目標廓形。既有廓形與優(yōu)化廓形的差異見圖5，以軌頭中心線為基準，優(yōu)化區(qū)域為-5～30 mm(負值代表非工作邊側，正值代表工作邊側)，法向差值自非工作側向工作邊側依次增加，最大差值為1.5 mm。

圖5 曲基本軌鋼軌優(yōu)化廓形

4 道岔區(qū)動力學性能分析

為驗證優(yōu)化后鋼軌廓形是否合理，基于多體動力學理論[16]，采用NUCARS軟件建立動車組-道岔動力學模型，對比分析鋼軌廓形優(yōu)化前后的動力學性能。計算時道岔及前端連接線路均采用優(yōu)化廓形。

4.1 動力學模型

動車組主要由車體、構架和輪對構成，各部件均為6自由度剛體。車體與構架、構架與輪對間分別由一系、二系懸掛系統(tǒng)連接。采用非線性剛度-阻尼模擬一系、二系懸掛系統(tǒng)的力學特性。

基于道岔區(qū)輪軌接觸特征，采用NUCARS軟件中的彈性輪軌接觸模型計算輪軌接觸點位置、多點接觸荷載分布及蠕滑導向力。

道岔模型由主軌+輔助軌的雙軌理論建立，輔助軌相對主軌可產生橫向、垂向及旋轉，兩者通過非線性剛度-阻尼單元連接。模型中基本軌為主軌、尖軌為輔助軌，尖軌特征斷面參數(shù)見表1，根據(jù)表1中尖軌頂寬和降低值參數(shù)設置尖軌與基本軌相對位置，實現(xiàn)尖軌與基本軌相對空間關系[17]。

表1 尖軌特征斷面參數(shù) mm

為體現(xiàn)鋼軌離散支承軌道結構的受力特征，鋼軌模型由歐拉梁理論建立。采用4組非線性剛度-阻尼單元模擬扣件系統(tǒng)受力特征，見圖6。軌底兩組單元的剛度為扣件剛度之半，根據(jù)文獻[18]中方法設置兩單元間的間距，以充分反映軌下墊板的抗傾翻性能。

圖6 扣件系統(tǒng)模型

4.2 計算結果分析

動車運用所內行車速度較低，動車組多以時速不超過20 km的速度通過道岔側向。動車組以時速20 km通過道岔側向時的輪徑差、輪對橫移量見圖7、圖8。圖7、圖8中橫坐標代表與尖軌尖端的相對位置，橫坐標47.35 m為道岔始端接頭，50 m對應道岔尖軌尖端。縱坐標為各項動力學指標幅值，其中正、負號代表動力學指標的作用方向，正值指向曲尖軌側，負值指向曲基本軌側。由圖7、圖8可見，道岔始端至尖軌尖端區(qū)域，既有廓形和優(yōu)化廓形產生的動力學差異顯著。對既有廓形，兩側廓形對稱，輪徑差為零，輪對呈居中狀態(tài)。在距尖軌尖端2.65 m(圖8中橫坐標47.35 m)處進入道岔始端，此處曲基本軌(下股)開始調整軌向實現(xiàn)軌距加寬，輪軌接觸點逐漸移向車輪踏面外側，滾動圓半徑減小、輪徑差增加，促使輪對向曲基本軌側偏移，在尖軌尖端處橫移量達到最大值2.5 mm。鋼軌廓形優(yōu)化后，在不對稱廓形和軌距加寬雙重作用下，形成較大輪徑差，促使輪對快速向曲基本軌偏移，在距尖軌尖端1.3 m處輪緣根部接觸曲基本軌，隨著軌距加寬，輪對持續(xù)橫移，至尖軌尖端時橫移量達到最大值9.7 mm。

圖7 輪徑差

圖8 輪對運動軌跡

進入尖軌尖端后，隨著曲尖軌頂寬增加，輪軌接觸點向車輪踏面外側轉移，輪徑差略有減小。在道岔轉轍角作用下，輪對形成大幅值沖角，在輪軌蠕滑力作用下輪對快速向曲尖軌(上股)側偏移，直至輪緣接觸尖軌后輪對橫移達到最大值，既有廓形對應的輪對橫移峰值為13.5 mm，出現(xiàn)在距尖軌尖端0.73 m處(這與尖軌軌肩光帶實際起始位置一致)。優(yōu)化廓形對應的輪對橫移峰值為12.6 mm，出現(xiàn)在距尖軌尖端1.06 m處。在距尖軌尖端1.65 m處輪徑差產生突變，輪載由直基本軌過渡至曲尖軌，這與尖軌軌頂光帶實際起始位置一致。

可見，優(yōu)化廓形可增加輪徑差，輪對產生初始橫移，輪緣接觸尖軌的初始位置后移0.33 m。尖軌降低值與軌頭寬度的對應關系見圖9。由圖9可見，后移0.33 m使得尖軌初始接觸輪緣的位置頂寬由17.4 mm(降低值4.9 mm)增至25.3 mm(降低值2.4 mm)，輪軌接觸點由輪緣側面轉移至輪緣根部，從而縮小輪緣接觸點與踏面接觸點間距離，減小滾動圓半徑差(見圖10)，這將有利于減緩輪緣和尖軌側面磨耗，改善道岔側向通過性能。

圖9 尖軌降低值與軌頭寬度對應關系

圖10 輪緣接觸尖軌時接觸狀態(tài)

動車組以時速20 km通過道岔側向時的輪軌橫向力、輪緣磨耗指數(shù)、脫軌系數(shù)和減載率的時程波形見圖11，圖11中橫坐標含義與圖8相同。當輪緣接觸尖軌時輪對橫移達到峰值，輪軌橫向力和輪緣磨耗指數(shù)也相應出現(xiàn)峰值，分別見圖11(a)、圖11(b)。既有廓形和優(yōu)化廓形對應的輪軌橫向力峰值分別為43、39 kN，輪緣磨耗指數(shù)分別為1 873、1 571 N。與既有廓形相比，優(yōu)化廓形可使輪軌橫向力、輪緣磨耗指數(shù)分別降低9.3%、16%。與此同時，優(yōu)化廓形還可以使脫軌系數(shù)由0.64減至0.61(圖11(c))，既有廓形和優(yōu)化廓形對應的減載率峰值均為0.3(圖11(d))。因此，優(yōu)化廓形可減小輪軌橫向力和磨耗指數(shù)，并在一定程度上增加安全裕量。

圖11 既有和優(yōu)化廓形動力學性能對比

5 現(xiàn)場應用效果分析

以圖5中的優(yōu)化廓形為目標，自道岔始端開始打磨，直至導曲線結束位置。打磨后觀測鋼軌表面光帶發(fā)現(xiàn)，尖軌尖端前曲基本軌表面出現(xiàn)雙光帶，分別位于軌頂和軌肩，見圖12，由此說明輪對向曲基本軌偏移，與理論計算結果一致。

進入尖軌尖端后，曲基本軌表面光帶寬度位于軌頂，并偏向非工作邊一側，寬度約為17 mm，如圖13所示，達到了廓形優(yōu)化的預期效果。

圖12 尖軌尖端前表面狀態(tài)

圖13 尖軌尖端后表面狀態(tài)

6 結論

本文以提高動車運用所內50 kg/m鋼軌9號道岔區(qū)通過性能為出發(fā)點，基于預導向理念優(yōu)化鋼軌廓形，改變道岔及前端線路的輪軌接觸特征。采用多體動力學理論建立動車組-道岔動力學模型，計算動車組通過9號道岔時的動力學響應，并通過現(xiàn)場試驗驗證理論計算結果。得出以下結論。

(1)在9號道岔1°21′56″轉轍角作用下，動車組通過道岔側向時輪緣以較大沖角在距尖軌尖端約0.7 m處沖擊尖軌，形成較大的輪軌橫向力和輪緣磨耗指數(shù)，與嚴重的輪軌磨耗現(xiàn)狀相符。

(2)以預導向為理念優(yōu)化鋼軌廓形，優(yōu)化后廓形與既有廓形差異主要分布在工作邊軌肩至軌頂中心區(qū)域，最大差異為1.5 mm。

(3)動力學計算結果表明，采用優(yōu)化鋼軌廓形后改變輪對運動軌跡，輪對向曲基本軌側偏移，使輪緣接觸尖軌的位置后移0.33 m，改變輪軌接觸特征，輪軌橫向力、輪緣磨耗指數(shù)分別降低9.3%、16%。

(4)通過鋼軌打磨實現(xiàn)優(yōu)化廓形，觀測發(fā)現(xiàn)，道岔始端至尖軌尖端的曲基本軌呈現(xiàn)雙光帶，表明輪對進入道岔前貼靠曲基本軌一側運行，達到預導向目的。運營實踐表明，鋼軌打磨后輪緣異常磨耗消失，鋼軌表面光帶保持穩(wěn)定。

今后將定期跟蹤觀測輪軌磨耗發(fā)展規(guī)律，進一步優(yōu)化鋼軌廓形。本文通過優(yōu)化鋼軌廓形提高道岔側向通過性能，不僅為動車運用所內道岔養(yǎng)護維修措施的制定提供借鑒，也為今后50 kg/m鋼軌系列道岔的結構改進奠定基礎。