高速道岔辙叉结构不平顺动力学特性分析

司道林，杨东升，王树国，王 猛，葛 晶

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081;2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081)

1 概述

列车通过道岔时存在复杂多变的轮轨关系，轮轨接触点需在基本轨和尖轨之间、翼轨和心轨之间转移，实现轮载过渡。尖轨、心轨的尖端轨头宽度较小，强度低，无法承担列车荷载，为此需设置一定的降低值，避免与车轮接触。对高速道岔而言，在尖轨、心轨的尖端降低值最大，通常分别取为23，16 mm。随着尖轨、心轨轨头宽度增加，降低值减小，逐渐与基本轨、翼轨共同承担轮载，最终独立承载。轮载过渡过程中将产生多点接触、滚动圆半径变化等复杂的轮轨接触环境，导致道岔区轮轨间的动荷载明显大于区间线路，并可能使轮对偏离轨道中心运行，严重时将明显降低列车运行品质[1-3]。道岔区轮轨动力作用是由道岔自身结构特点所致，因此，通常认为道岔区存在固有不平顺。

如上所述，轮对通过道岔区时将产生两次轮载过渡，一次位于转辙区内的尖轨和基本轨之间，另一次位于辙叉区内的心轨和翼轨之间。转辙区内的轮载过渡范围长，属长波不平顺。而辙叉区内轮载过渡范围短，属短波不平顺。众所周知，长波不平顺主要影响车体平稳性指标，历次车体异常晃动现象均发生在转辙区[4]。而短波不平顺易导致剧烈的轮轨冲击动力作用，分析试验数据发现，装有间断测力轮对的试验列车通过部分区段辙叉时，减载率瞬时单峰峰值超过0.8，已逼近安全限值，且随着列车速度的提高，减载率呈明显增加趋势，见图1。因此，辙叉区的轮轨动力作用应引起足够重视。基于此，本文将建立列车-道岔动力学模型，研究辙叉区轮轨冲击动力作用的形成机理及影响因素，最终提出针对性措施，改善辙叉区结构不平顺的动力性能，确保行车安全。

图1 辙叉区减载率测试幅值

2 辙叉结构及模型

高速铁路道岔辙叉常采用可动心轨结构。心轨可在转换设备的牵引下改变轮缘槽位置，根据行车需要贴靠相应侧的翼轨，从而实现道岔的不同开向。

NUCARS是专门的轮轨动力学仿真软件。近年来，不仅实现了多层弹性轨道建模，而且开发了适用于道岔区多股钢轨组合的双轨理论，用于建立道岔动力学模型。双轨理论分主轨和辅助轨，主轨模拟翼轨，辅助轨模拟心轨。主轨采用梁单元建立，实现离散点支撑，每个支承点处有4个弹簧-阻尼单元，轨底上侧的2个单元模拟弹条，轨底下方的2个单元模拟垫板支承，如图2所示。辅助轨通过弹簧-阻尼单元与主轨连接，如图3所示，并可相对主轨进行横移、垂移和转动，从而实现心轨与翼轨相对空间位置的变化，以此模拟道岔型面的空间结构变化[5]。列车模型仍基于传统多体动力学理论建立[6]，不再赘述。

图2 钢轨模型图3 翼轨与心轨组合

3 结果分析

基于上述轮轨动力学模型，分析列车直向通过辙叉时的动力学响应。图4为时速300 km的列车通过辙叉时轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数4项动力学指标的时程曲线。图中50 m处为尖轨尖端，102.8 m处为心轨尖端。可见，高速列车通过道岔时进行2次轮载过渡，形成2次轮轨冲击，分别位于转辙区和辙叉区，且辙叉区的轮轨动荷载明显大于转辙区。辙叉区轮轨垂向力、轮轨横向力峰值分别为148，5.5 kN，减载率、脱轨系数峰值分别为0.85，0.11。轮轨垂向力峰值约为静轮载的2.1倍，减载率峰值与现场试验值极为吻合。可见，列车高速通过辙叉时，结构不平顺将导致明显的轮轨垂向动力作用。

细化辙叉区轮轨垂向力时程曲线发现，轮载先由名义轮载减小至45 kN，继而增至最大值148 kN，随后逐渐衰减，恢复至名义轮载，此过程的持续范围约为0.6 m。轮载波动规律与轮轨接触环境变化密切相关。心轨未承载前，随着心轨轨头宽度增加，翼轨向轨道外侧弯折，轮轨接触点由踏面名义滚动圆处向踏面外侧转移，在车轮踏面锥度作用下滚动圆半径必然不断减小，导致左右侧车轮滚动圆半径出现差异，在轮径差作用下轮对偏离轨道中心；与此同时，由于滚动圆半径的减小，轮对质心垂向位置势必以一定加速度降低，导致轮载减小，继而以一定速度撞击心轨，形成大幅值的冲击荷载。因此，轮对质心垂向位置变化是导致轮载大幅变化的主要原因，抑制轮对质心垂向位置大幅波动应是避免轮轨冲击荷载的有效方法。

图4 道岔区轮轨动力学响应时程曲线

图6 翼轨抬高前后轮轨动力响应时程曲线

图5 车轮型面(单位：mm)

为进一步验证上述分析，采取设置一定翼轨抬高值的方法，减小轮对质心垂向位置的变化幅值，达到降低轮轨冲击的目的。翼轨抬高值应由车轮踏面锥度而定。图5展示了我国高铁列车常用的车轮型面，将距轮缘背部70 mm处定义为名义滚动圆，为主要接触区域，此区域的滚动圆半径为430 mm。心轨顶宽40 mm时与翼轨等高，此时翼轨向轨道外侧弯折40 mm，轮轨接触区域相应地向踏面外侧移动40 mm，由此导致滚动圆半径由430 mm减至428.6 mm，从而致使轮对质心垂向位置降低1.4 mm。为避免轮对质心垂向位置降低，将翼轨抬高值取为1.4 mm。

图6对比描述了翼轨抬高前、后高速列车以时速300 km通过辙叉区时轮轨动力响应时程曲线。抬高前、后轮轨垂向力最大值分别为148，94 kN，轮轨横向力最大值分别为5.5，4.7 kN，减载率最大值分别为0.85，0.35，脱轨系数最大值分别为0.11，0.06。由此可见，适当抬高翼轨可有效抑制轮对质心垂向位置的波动，大幅改善辙叉区结构不平顺，且横向动力学性能也有明显改善。

4 结论

通过分析高速列车通过道岔区时轮轨相互作用特点，得出道岔区多点接触、滚动圆半径改变等复杂的轮轨接触关系。基于实测数据，得出辙叉区轮轨冲击作用的典型特征。通过建立动力学模型，分析高速车辆通过道岔时的动力学响应，研究轮轨动力作用的形成机理，提出应对措施。得出以下结论：

1)高速列车通过辙叉区时将会产生明显的轮轨垂向冲击作用，轮轨垂向力峰值约为静轮载的2.1倍，减载率接近安全限值。脱轨系数和轮对横向力均小于安全限值。

2)辙叉区轮轨接触点转移过程中，在车轮踏面锥度作用下滚动圆半径减小，车轮质心垂向位置降低，动轮载小幅减小后，车轮撞击心轨，导致大幅值的动荷载。通过设置一定的翼轨抬高值，可有效抑制车轮质心垂向位置波动，从而明显减小轮轨动力作用，改善辙叉区结构不平顺。

以上结论可为更高速度道岔设计提供借鉴。下一步将结合服役高速列车车轮型面变化规律，进一步深入研究辙叉区翼轨抬高值的设置参数，为辙叉区结构参数改进提供依据。

[1]王树国,司道林,王猛,等.高速铁路道岔尖轨降低值对行车平稳性的影响机理研究[J].中国铁道科学,2014，35(3):28-33.

[2]钱坤,王树国,王猛,等.重载铁路12号道岔轨道刚度均匀化研究[J].铁道建筑,2016,56(1):67-71

[3]王树国,葛晶,孙家林,等.高速铁路道岔平面设计参数与侧线线型的研究[J].铁道建筑，2014,54(1):91-94.

[4]王树国,葛晶,王猛,等.高速道岔关键技术试验研究[J].铁道学报,2015，37(1):77-82.

[5]司道林,王猛,王树国,等.一种新型辙叉的动力学特性分析[J].铁道建筑,2017，57(1):40-43.

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