列车通过12号无砟道岔及配套交叉渡线时的安全性和舒适性评价

王伟平,王　健,徐井芒,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)



列车通过12号无砟道岔及配套交叉渡线时的安全性和舒适性评价

王伟平,王健,徐井芒,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)

摘要：对于12号无砟道岔及配套交叉渡线而言,需要研究列车与道岔间的动态相互作用问题。分别建立了车辆模型和道岔模型,其中车辆模型采用主要考虑车体、转向架和轮对三部分结构的单列全车模型,道岔模型包括转辙器、连接部分、12号辙叉、6号锐角辙叉及6号钝角辙叉等基本结构,充分考虑各细部结构对其振动的影响,以尽可能与实际情况相符；然后用列车动力学和道岔动力学理论,建立可考虑交叉渡线道岔钢轨型面变化的列车-道岔耦合动力学计算模型。研究结果表明：当CRp动车组以时速50 km侧向通过客运专线用60 kg/m钢轨12号交叉渡线道岔时,能满足旅客的安全性和舒适性要求。

关键词：12号无砟道岔；交叉渡线； 动力学；安全性

1概述

交叉渡线道岔因其结构及功能特殊性，平面线型设计条件有限，不可避免地存在轮轨结构不平顺和横向冲击、轨道整体刚度沿线路方向分布的不均匀[1，2]、活动轨件易变形而形成离缝、无缝道岔伸缩及振动过大等问题，导致列车过岔时的轮轨动力作用和养护维修工作量远大于区间线路。随着列车运行速度、运载质量和运输密度的大幅度提高，使得列车与道岔系统的动力学问题更加突出，也更趋复杂。列车运行速度的提高，列车与道岔间的动态相互作用增强，使得行车安全性与乘坐舒适性降低，要求道岔具有更高的平顺性；列车运载质量的提高，轮轨之间的动力作用增强，使列车对道岔结构的破坏作用加大，要求道岔具有更高的强度和结构稳定性；列车运输密度的提高，道岔所受荷载频次增大，同时可供上道维修的时间缩短，要求道岔具有更高的可靠性。总之，客车高速化、货运重载化大大加剧了列车与道岔间的动态相互作用。对于12号无砟道岔及配套交叉渡线而言，需要研究列车与道岔间的动态相互作用问题，以提升其技术性能。

2车辆模型[3]及其振动方程建立

2.1车辆模型

图1　车辆模型纵向示意

图2　车辆模型单侧俯视

车辆模型是由7个刚体组成的多刚体全车模型。车辆模型自由度分布情况中除轮对考虑沉浮、横移、侧滚和摇头4个自由度以外，转向架和车体均考虑沉浮、横移、侧滚、摇头和点头5个自由度，共计31个自由度[4]。车辆模型具体组成如图1～图3所示。

图3　车辆模型横向示意

2.2车辆振动方程建立

根据质量矩阵[Mv]、刚度矩阵[Kv]、阻尼矩阵[Cv]和荷载列阵{Pv}，可组建子系统振动方程为

(1)

3道岔模型及其振动方程建立[5]

3.1道岔模型

根据上述道岔结构特点及建模原则，充分考虑其必要组成部分后，以目前使用较为广泛的可动心轨辙叉型道岔为例，建立了单开道岔结构整体模型，模型示意如图4所示。

图4　道岔结构整体模型示意

3.2道岔振动方程

根据道岔子系统质量矩阵[Mt]、刚度矩阵[Kt]和阻尼矩阵[Ct]，可组建子系统振动方程为

(2)

4轮轨接触耦合关系求解

通过之前的推算已经得到车辆子系统和道岔子系统振动方程，为了计算车辆运行于道岔区时，与道岔相互作用产生的动力响应情况，根据轮轨动态接触几何关系，将两子系统通过车轮与钢轨间的动力耦合作用联系在一起，形成车辆-道岔系统整体模型[7]，其中动力耦合关系可垂向和横向分别计算，且横向耦合作用需根据轮轨接触情况的不同分为蠕滑力和接触力的求解[8]。

5动车组侧向通过斜腿布置渡线道岔仿真计算结果

CRp动车组以时速50 km侧向通过客运专线用60 kg/m钢轨12号交叉渡线道岔时，列车道岔系统动力学响应不同，下面以直向通过斜腿布置渡线道岔这种情况为例计算系统的动力学特性。列车侧向通过斜腿布置渡线道岔时，相当于列车通过12号道岔直股线路，6号锐角辙叉及6号钝角辙叉，主要分析列车侧向通过交叉渡线时的轮轨力分布、脱轨系数、减载率、轮轴横向力、车体垂横向加速度及轮轨磨耗功分布等。整体道床60 kg/m钢轨12号5 m间距交叉渡线道岔斜腿方案线型如图5所示。

图5整体道床60 kg/m钢轨12号5 m间距交叉
渡线道岔斜腿方案线型

5.1轮轨力分布

车辆侧向通过斜腿布置渡线道岔时，第一轮对两侧轮轨间垂向力和横向力如图6、图7所示。由图6可以看出，由于列车行驶于道岔直股，轮轨之间动态相互作用主要受交叉渡线道岔结构不平顺的影响，列车在侧向通过斜腿布置渡线道岔时，要先后通过2个12号固定辙叉、2个6号锐角辙叉、2个6号钝角辙叉，均存在有害空间，导致两侧钢轨上轮轨相互作用剧烈。当一侧钢轨上轮轨相互作用增加时，相应另一侧钢轨上轮轨相互作用减小，两侧垂向荷载之和大致等于列车单轴轴重，因此左右车轮轮轨垂向力分布相对于轮对静载大小呈近似对称分布。列车在通过转辙器部分时，由于道岔自身结构不平顺的影响较小，使轮轨间作用力有较小程度变化[9]，而在通过固定辙叉时，钢轨上垂向力达到最大值98.15 kN，这是因为辙叉区有害空间的影响，导致车轮通过时冲击钢轨所致的。

图6　第一轮对轮轨垂向力

图7　第一轮对轮轨横向力

由图7可以看出，由于轮轨间作用力在两侧钢轨上的偏载作用，使横向力分配也有不同程度的改变，同样在固定辙叉处达到峰值，转辙器部分尖轨侧轮轨横向力有较小程度的变化。当列车通过固定辙叉有害空间时，将产生对心轨的撞击作用，此处横向力发生突变，同时叠加有道岔横向不平顺，使最大值达10.85 kN。

5.2安全性评价

列车运行安全性评价主要包括脱轨系数和减载率[10]，根据列车第一轮对轮轨间相互作用力所得列车脱轨系数和减载率如图8、图9所示。

图8　第一轮对脱轨系数

图9　第一轮对减载率

图8中轮对脱轨系数与轮轨横向力变化趋势相似，在固定辙叉区达到最大值0.18，小于安全限值0.8，主要由轮对通过交叉渡线道岔冲击心轨所致，脱轨系数较小，对行车安全性影响较小；图9中减载率与轮轨垂向力变化趋势相似，从图中可知，固定辙叉区轮轨相互作用较剧烈，减载率最大值为0.37，均未超出安全限值0.6。

5.3轮轴横向力

列车侧向通过斜腿布置渡线道岔时，列车第一轮对轮轴横向力如图10所示。

图10　第一轮对轮轴横向力

列车通过道岔直股线路固定辙叉有害空间时，轮轨相互作用较为剧烈，轮轴横向力绝对值最大值达9.02 kN。这是由于车轮撞击心轨时产生较大横向力而导致的，未超出由我国动车组通过道岔时的轮轴横向力限值计算式0.85(10+P0/3)所得限值48.167 kN，其中P0为列车静轴重。

5.4车体振动响应

列车侧向通过斜腿布置渡线道岔时，车体垂向及横向振动加速度随轮对所在道岔位置的不同而产生的变化如图11、图12所示。

图11　车体垂向加速度

图12　车体横向加速度

由图11可见，当列车行驶于转辙器和辙叉部位时，由于道岔结构不平顺和有害空间作用，将使车体产生明显波动，且从轮轨间垂向力可知，辙叉处道岔不平顺作用较转辙器强烈[11]，使列车通过辙叉时垂向振动加速度幅值达到最大0.19 m/s2，远大于转辙器处，但两者均远小于车体舒适度指标1.5 m/s2。这是因为目前动车组车辆优良的一系和二系减振使由轮对向上传递的振动得到了较大程度的衰减。图12中车体横向加速度在车轮通过转辙器和辙叉位置附近达到峰值，是由于列车侧向通过斜腿布置渡线道岔时，车体横向加速度较小，考虑到轮对在固定辙叉区将与心轨产生撞击，此处车体横向加速度达到最大值0.17 m/s2，小于舒适度控制标准1 m/s2[12]。

5.5磨耗功分布

列车第一轮对轮轨磨耗功率随轮对所在交叉渡线位置的不同而产生的变化如图13所示[13]。

由图13可以看出，当列车通过交叉渡线时，两侧钢轨的磨耗功变化趋势相似，仅峰值的数值大小有差异，这是因为轮轨磨耗功与蠕滑力、蠕滑率相关，而内外侧钢轨的蠕滑力及蠕滑率分布大致相似[14]。

6结论

(1)当CRp动车组以速度50 km/h侧向通过斜腿布置渡线道岔时，轮轨垂向力最大值为98.15 kN，轮轨横向力最大值为10.85 kN；第一轮对脱轨系数最大值为0.18，轮重减载率最大值为0.37，满足安全性要求。

(2)第一轮对轮轴横向力最大值为9.02 kN；车体垂向加速度最大值为0.19 m/s2，横向加速度最大值为0.17 m/s2，远小于舒适度控制指标，满足舒适性要求。

(3)列车在通过转辙器和辙叉部分时，由于固定辙叉有害空间影响，使轮对的运动剧烈变化，两侧钢轨上两处最大值达1 589.63 N·m/s和1 576.24 N·m/s，且固定辙叉处达到最大，同样是由于车辆通过道岔时冲击心轨导致的。

参考文献：

[1]王平，陈荣，杨荣山，等.桥上无缝道岔计算理论[M].成都:西南交通大学出版社，2011．

[2]罗雁云，朱剑月.线路道岔轨下刚度改变对轮轨动力性能影响研究[J].电力机车与城轨车辆，2004，27(9):9-12．

[3]丁国富，翟婉明.机车车辆在轨道上运行的动力学可视仿真[J].铁道学报，2002，24(3):14-171.

[4]刘学毅，王平.车辆-轨道-路基系统动力学[M].成都:西南交通大学出版社，2010．

[5]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.

[6]陈小平，王平，陈嵘，等.高速车辆与道岔空间耦合振动特性[J].西南交通大学学报，2008，43(4):453-458．

[7]全顺喜.几何不平顺对道岔区轮轨接触几何关系的影响[J].铁道标准设计，2013(3)：17-22．

[8]翟婉明.车辆/轨道耦合动力学[M].3版.北京:科学出版社，2007:244-247．

[9]刘哲，王平，陈嵘，等.道岔动力参数设计法及其在转辙器设计中的应用[J].西南交通大学学报，2012，47(4):611-617．

[10]翟婉明，王开云.机车车辆侧向通过道岔时的运行安全性评估[J].同济大学学报，2004，32(3):382-386．

[11]陈嵘，王平.75 kg/m钢轨12号高锰钢固定辙叉单开道岔刚度均匀化设计研究[J].铁道标准设计，2012(8)：1-5．

[12]卢津，赵洪全，许广东.铁路客车舒适度的检测与评价[J].中国铁路，2004(6)：26-29．

[13]陈鹏，高亮，郝建芳.铁路曲线上钢轨磨耗影响参数的仿真研[J].中国铁道科学，2007，28(5):19-22．

[14]金学松.轮轨蠕滑理论及其试验研究[M].成都:西南交通大学出版社，2007:32-35．

Evaluation of Safety and Comfort When Train Passing Through No.12 Ballastless Turnout and Supporting Scissors Crossing WANG Wei-ping, WANG Jian, XU Jing-mang, WANG Ping

( MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering. Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：For No. 12 ballastless turnout and supporting scissors crossing, it is needed to study the dynamic interactions between the train and the turnout. This paper establishes vehicle model and turnout model, and the train model uses single whole vehicle model, focusing on car the body, the bogie and the wheel. While the turnout model includes switch, connecting parts, No.12 frog, No.6 acute frog, No. 6 obtuse frog and other basic structures, fully taking account of the influence of the individual structures on the vibration, being as far as possible consistent with actual situations. Train dynamics and turnout dynamics theories are then employed to establish calculation model for train-turnout coupling dynamics, addressing crossover turnout rail profile changes. The results show that CRp EMU running at 50km/h through side track with 60kg/m rail No. 12 scissors crossing turnout on passenger dedicated line can meet requirements for passenger safety and comfort.

Key words：No. 12 turnout; Scissors crossing; Dynamics; Safety

中图分类号：U213.6

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.002

文章编号：1004-2954(2015)01-0006-05

作者简介：王伟平(1991—)，男，硕士研究生，E-mail：707738317@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金(51078320)

收稿日期：2014-04-22； 修回日期：2014-05-08