客运专线道岔转辙器部分轮载过渡段优化设计研究

荆 果，王 平

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

轮轨关系设计是高速道岔结构设计中的核心工作内容，直接关系到能否保证高速列车过岔时的安全性与平稳性。我国高速道岔中采用了缩短转辙器部分轮载过渡范围等技术措施来提高动车组直向过岔时的行车安全性与舒适性。如何通过对转辙器部分轮载过渡段的优化设置，降低转辙器部分的横向不平顺以提高列车直向过岔时的平稳性，以及降低辙叉部分的结构不平顺以降低列车与道岔间的竖向动力相互作用，是本文的研究重点。

为了研究轮载过渡段优化设计对列车过岔平稳性的影响，本文运用系统动力学理论，建立轮轨系统空间耦合振动仿真计算模型，以LMA型踏面动车组直向通过350 km/h 18号道岔为例，计算分析列车过岔时的动力特性。

1 轮轨系统空间耦合振动计算模型

由于道岔结构复杂的特点，要正确描述道岔各部件的振动特性，解决道岔设计中所关心的问题，道岔结构模型不可能像段间线路一样简化为单边轨道结构，而必须是一个空间的双层叠合梁系结构。这就决定了道岔区轮轨系统分析模型必须是空间耦合振动模型。

1.1 车辆模型

道岔区内车辆模型与区间线路上相比，没有特殊的要求，可以采用现有的分析模型。为了更为理想地模拟列车经过道岔时的动力特性，采用整车模型。车辆模型如图1所示。

图1 车辆模型

1.2 可动心轨单开道岔的整体模型

建立可动心轨道岔的整体模型如图2所示。

图2 可动心轨道岔

建立模型时所作假定及所考虑的道岔结构的主要特点为:

模型中考虑了每一根钢轨的参振。以岔枕支承点为节点，将钢轨结构离散化，钢轨视为在竖向和横向平面内双向可弯的欧拉梁，尖轨、可动心轨及翼轨视为变截面梁，其它钢轨视为等截面梁。每一钢轨节点有4个自由度，即竖向位移、竖向偏角、横向位移和横向偏角。

考虑整体道床的参振，以钢轨作用点为节点，将岔枕结构离散化，岔枕在竖向平面内视为单向可弯的欧拉梁，在横向平面内视为刚体质量块。每一岔枕节点有3个自由度，即竖向位移、竖向偏角及横向位移。考虑钢岔枕的参振。

钢轨与岔枕的联结视为弹簧阻尼装置，其弹性和阻尼视支承情况不同而变化。岔枕与道床的联结也视为弹簧阻尼装置，在岔枕纵向上道床的支承弹性和阻尼视为均匀分布。

2 轮载过渡段优化设计

为保证尖轨具有承受车轮压力的足够强度，一般在顶宽20 mm时尖轨才可以开始承载(即开始承载断面)，在顶宽50 mm时与基本轨平齐，完全承载(即完全承载断面)，两者之间降低值线性变化，为轮载过渡段。本文通过改变开始承载断面降低值、位置、完全承载断面位置等三个影响因素来研究轮载过渡段的不同设计对列车过岔安全性及平稳性的影响。

2.1 开始承载断面降低值的影响

考虑尖轨顶宽 20 mm处顶面降低3，4，5 mm，顶宽50 mm断面为完全承载处，三种方案的等效锥度、轮对倾角、动力附加力、蛇行运动振动四项动力学参数的比较如图3所示，计算结果对比如表1所示。

图3 尖轨顶面降低值对道岔动力参数影响比较

表1 尖轨顶面降低值对道岔动力参数的影响

从图3和表1可见，随着开始承载断面降低值的增大，轮载转移点断面逐渐后移，等效锥度、轮对倾角、轮对横向位移逐渐增大，轮对的横向稳定性逐渐降低，但是该降低值也不是越小越好，当降低值为3 mm时，因轮载转移点前移较多，轮载转移至尖轨上后，因轮轨横向接触点从轨距侧逐渐向尖轨顶面中心处移动，导致此时出现向上的高低不平顺，反而导致车轮的动力附加力增大，当尖轨顶面降低值从4 mm增加至5 mm时，动力附加力又是随尖轨顶面降低的增大而增大的。总之，降低开始承载断面降低值对提高列车过岔稳定性是有利的。

2.2 开始承载断面位置

考虑尖轨顶宽15，20，25 mm处开始承载，顶面降低值为4 mm，顶宽50 mm断面为完全承载处，三种方案的等效锥度、轮对倾角、动力附加力、蛇行运动振动四项动力学参数的比较如图4所示，计算结果对比如表2所示。

图4 开始承载断面对道岔动力参数影响比较

表2 开始承载断面对道岔动力参数的影响

从图4及表2中可见，与顶面降低值的影响规律一样，随着开始承载断面后移，轮载转移点断面也逐渐后移，等效锥度、轮对倾角、轮对横向位移均逐渐增大，车轮动力附加力也是在轮载转移断面较小处较大，而随后随着轮载转移断面的增大而增大。前移尖轨开始承载断面有利于提高列车过岔稳定性。

2.3 完全承载断面位置

考虑尖轨顶宽40，50，60 mm处完全承载，顶面降低值为4 mm，顶宽20 mm断面为开始承载处，三种方案的等效锥度、轮对倾角、动力附加力、蛇行运动振动四项动力学参数的比较如图5所示，计算结果对比如表3所示。

图5 完全承载断面对道岔动力参数影响比较

表3 完全承载断面对道岔动力参数的影响

从图5及表3可见，随着完全承载断面后移，轮载转移点断面也逐渐后移，等效锥度、轮对倾角、轮对横向位移均逐渐增大，虽然等效锥度、轮对倾角未超过设计控制值，但增加幅度较明显，完全承载断面顶宽增加10 mm，较减少10 mm增加幅度大得多，说明轮载转移点越靠后，道岔的横向及竖向不平顺均有明显增加，虽然完全承载断面顶宽增加10 mm后，尖轨顶面纵坡有所减小，但对列车过岔平稳性极为不利。

2.4 尖轨顶面降低值方案评估

转辙器部分的轮轨关系设计应尽可能提高行车的平稳性，综合上述三方面因素，设置尖轨顶面降低值方案如表4所示。各方案对道岔动力参数的影响如表5所示，采用列车道岔系统动力学对各方案的仿真分析结果如表6所示。

表4 直尖轨顶面降低值方案

表5 直尖轨降低值方案动力参数比较

3 结论及建议

1)降低开始承载断面降低值对提高列车过岔稳定性是有利的。

2)前移尖轨开始承载断面位置有利于提高列车过岔稳定性。

3)完全承载断面越靠后，道岔的横向及竖向不平顺越明显，对列车过岔平稳性极为不利。

4)从提高行车舒适性角度考虑，将转辙器部分轮载过渡段设置为在直尖轨顶宽15 mm处降低3 mm，在顶宽40 mm处完全承载是比较合理的方案。

表6 直尖轨降低值方案动力响应比较

［1］王平.道岔区轮轨系统空间耦合振动模型及其应用［J］.西南交通大学学报，1998，33(3):284-289.

［2］赵国堂.高速铁路道岔区动力响应的模拟研究［J］.中国铁道科学，1996，17(4):90-94.

［3］任尊松，翟婉明，王其昌.轮轨接触几何关系在道岔系统动力学中的应用［J］.铁道学报，2001(10):11-15.

［4］顾培雄.改善道岔转辙器的技术状态［J］.铁道建筑，1993(7):1-4.