高速道岔绝缘接头伤损规律及对提速的影响

王 璞， 王树国， 王 猛， 杨东升

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

随着我国高速铁路客运需求的不断增加，如何增大运量已成为迫切需求。自2017年9月以来，京沪高速铁路部分复兴号列车已提升至时速350 km，然而目前大部分高速列车仍以时速300 km运行，进一步扩大复兴号列车时速350 km运行范围，实现京沪、京广等高速铁路全面提速将能有效提升运量和效率，进一步满足旅客高品质出行需求。然而，高速铁路经过近10年的时速300 km运营，进一步扩大提速范围需要对移动装备和基础设施的适应性进行全面评估，确保安全、舒适运行。

高速道岔是高速铁路的重要设备和薄弱环节之一，结构复杂、部件众多，是高速铁路可能的限速点之一[1-2]，如实现大范围提速必须首先保证高速道岔能够满足长期350 km/h直向通过的要求。然而我国高速道岔随着运营时间的不断增长，服役状态呈现不断劣化的趋势，逐渐暴露出一系列问题，其中道岔区胶结绝缘接头伤损是主要问题之一，绝缘接头伤损的存在会对列车通过道岔时的动力性能产生干扰，进而可能对高速道岔进一步提速产生影响。

目前，对于运行速度对道岔力学特性影响的研究较多，但多出于结构优化设计的目的，针对无伤损条件下的道岔，对于伤损劣化条件下运行速度对高速道岔的影响研究尚较少[3-7]。另外，针对胶结绝缘接头伤损的研究多基于现场调研和工程实践。彭长贵等[8]对现场钢轨胶结绝缘施工工艺及常见质量缺陷预防措施进行了研究；赵伟英等[9]基于线路上绝缘失效的实例，对绝缘失效判定方法及处理措施进行了研究；霍晓佳等[10]对胶结绝缘接头常见病害的原因及整治措施进行了探讨。目前，针对胶结绝缘接头伤损的理论模拟及动力学影响研究较少，对道岔区绝缘接头伤损动力学研究更少。田春香[11]对钢轨接头减振方案及减振效果进行了研究。李存荣等[12]建立了基于自回归移动平均模型的Grubbs-ARMA预测模型，对钢轨胶结绝缘接头变化规律进行预测研究。

基于研究需求和既有不足，本文对现场胶结绝缘接头伤损特征进行系统调研和测试，基于实测伤损接头位置不平顺波形构建复合余弦函数对接头伤损进行模拟并确定函数参量取值。建立车辆-道岔耦合动力学仿真计算模型，对现行300 km/h速度条件下岔区胶结绝缘接头伤损对列车过岔的动力学性能的影响进行分析，进而对接头伤损状态下高速道岔对进一步提速的适应性进行探究，为我国高速铁路进一步扩大提速范围提供理论依据和支撑。

1 高速车辆-道岔耦合动力学计算模型

基于多体动力学理论，利用Universal Mechanism软件建立高速车辆动力学模型，车体、构架、轮对、轴箱等结构部件均简化为刚体模拟，车体、构架、轮对考虑纵向、横向、垂向、点头、摇头、侧滚6个自由度，轴箱仅考虑点头自由度，车辆模型共计15个刚体、50个自由度。充分考虑二系空气弹簧及横向减振器、一系弹簧及垂向减振器、抗蛇形减振器、牵引拉杆、横向止挡等结构部件间的非线性连接耦合作用，通过精细化建模确保模型尽可能与实际相符，高速车辆模型如图1所示。

图1 高速车辆动力学模型

轮轨接触计算基于Hertz接触理论及Kalker的FASTSIM算法[13-14]进行，主要分为接触点位置探测、整体接触力学量计算(接触力、蠕滑率等)以及接触斑局部接触力学量计算(接触应力、滑动速度分布等)。

道岔动力学模型充分考虑转辙器区基本轨与尖轨、辙叉区心轨与翼轨的组合位置关系以及钢轨的变截面特性，通过插值的方法实现道岔区异形钢轨截面的空间过渡，如图2所示。基本轨与尖轨、心轨与翼轨作为整体进行考虑，通过组合廓形来反映两者相对位置关系。充分考虑道岔区轨道的刚度与阻尼特性，刚度阻尼参数取值基于实测结果。高速道岔动力学模型如图3所示。

图2 岔区变截面钢轨的模拟

图3 高速道岔动力学模型

2 胶结绝缘接头伤损及不平顺研究

课题组对高速铁路道岔区胶结绝缘接头伤损情况进行了系统的调研和测试。高速道岔在岔前、岔后以及导曲线区均存在胶结绝缘接头，导曲线区绝缘接头多为工厂内预制，道岔前后胶结绝缘接头均为现场制作，通过现场调研发现，绝缘接头伤损主要集中出现在道岔前后现场制作的接头上。

实际运营条件下，胶结绝缘接头往往直至丧失绝缘功能才进行维修，而在丧失绝缘功能之前，绝缘接头位置其实已存在明显的拉开现象，如图4所示，列车高速通过时会出现显著的冲击效应，长期作用下会在绝缘接头两侧钢轨产生肥边，影响承载强度，工务部门在对钢轨肥边进行切除整治后，会使绝缘接头上部的缝隙更大，另外，接头附近钢轨存在较为显著的摩擦磨损，这些因素组合会使接头位置产生较为明显的不平顺，将进一步加剧列车通过时的振动与冲击。基于电子平直度仪对高速铁路现场几处典型的道岔胶结绝缘接头伤损进行测量，得到不平顺波形曲线，如图5所示。

图4 道岔区胶结绝缘接头伤损

图5 伤损胶结绝缘接头位置实测不平顺波形

可以看出，胶结绝缘接头伤损位置所产生的不平顺具有显著的共同特征，不平顺均主要分布在接头前后大概1 m长的范围内，从接头两侧往接头中心方向凹陷深度不断增加，至接头中心附近深度可达0.5 mm左右，在接头中心位置均出现一个显著的短波不平顺突变，深度可达1.4 mm左右。

动力学仿真过程中，基于伤损胶结绝缘接头位置不平顺实测波形，构建复合余弦函数对接头伤损进行模拟来反映其一般性特征，函数表达式为

(1)

式中：a1、a2分别为伤损接头区域长波和接头中心短波的幅值；λ1、λ2分别为长波和短波的波长。基于图5实测波形，a1、a2分别取0.5 mm和1 mm，λ1、λ2分别取1 m和0.1 m。得到接头伤损不平顺简化模拟波形如图6所示，可较好地反映接头伤损不平顺的主要特征。

图6 胶结绝缘接头伤损不平顺模拟

根据现场实际情况，岔前接头伤损所引起的振动冲击将会影响列车进入道岔后的动力学性能。因此，在岔前轨缝位置设置绝缘接头伤损不平顺，高速车辆、道岔和轮轨接触模型及参数均保持不变，计算车-岔系统动力特性，并与无接头伤损条件下的仿真计算结果进行对比研究。

3 胶结绝缘接头伤损对动力性能的影响

对现行300 km/h速度条件下胶结绝缘接头伤损前后车-岔系统动力学特性进行对比分析如图7所示。

图7 接头伤损对动力学性能的影响

可以看出，胶结绝缘接头伤损的存在使高速列车在进岔时产生一个显著的冲击，但是对列车进岔后的动力性能影响较小。绝缘接头伤损的影响主要是造成瞬态高频冲击，对轮轨垂向力及轮重减载率的影响较为显著，绝缘接头伤损位置轮轨垂向力冲击幅值可达105.732 kN，轮重减载率冲击幅值达0.574，均超过了列车通过道岔过程中轮轨垂向力和轮重减载率的最大值。

绝缘接头伤损对轮轨横向力、脱轨系数及轮对横向加速度的影响也较明显，接头位置产生的冲击幅值分别达到2.331 kN、0.033、1.791 m/s2，但相对而言均未超过在道岔转辙器或者辙叉轮载过渡区段出现的峰值。

绝缘接头伤损对于轮对横移、车体垂、横向振动加速度的影响则较小，这些指标主要受长波不平顺的影响，时程曲线较无接头伤损条件基本无变化。

4 接头伤损条件下道岔提速适应性分析

对道岔区胶结绝缘接头伤损状态下列车速度由300 km/h提升至350 km/h时的动力性能变化规律进行分析，如图8所示。研究接头伤损对高速道岔提速的影响。

图8 接头伤损条件下速度提升对动力学性能的影响

由图8可知，高速道岔胶结绝缘接头伤损存在的条件下，速度由300 km/h提升至350 km/h时，列车过岔的安全性参数均增大，轮重减载率的增大尤其明显。脱轨系数峰值出现在辙叉区，轮重减载率峰值则出现在岔前接头位置。速度提升后脱轨系数峰值由0.047增至0.051，均较小，而轮重减载率峰值由0.574增至0.895，超过了安全限值，因此需要进一步关注。

速度提升后，列车过岔时轮轨相互作用也呈增大趋势，轮轨垂向力增加尤为显著。轮轨垂向力峰值出现在岔前伤损接头位置，轮轨横向力峰值出现在辙叉区，轮轨垂向力峰值由105.73 kN增至127.26 kN，轮轨横向力峰值由4.23 kN增至4.43 kN。

提速条件下列车过岔时轮对横移量略有减小，但轮对横向加速度呈增大趋势，通过辙叉区时轮对横向加速度峰值由3.72 m/s2增至3.96 m/s2。速度提升前后，列车过岔时车体振动加速度时程曲线特征基本一致，但幅值均有所增加，车体横向加速度峰值由0.094 m/s2增至0.122 m/s2。

另外，接头伤损条件下，列车提速通过道岔过程中轮轨磨耗也将相应加剧，尤其在通过辙叉区时轮轨磨耗速率大幅增加。

总体来看，在胶结绝缘接头伤损条件下，列车过岔速度提升后车-岔动力学性能呈现劣化趋势，在伤损接头位置多项动力学指标显著增大，尤其轮重减载率达到0.895，超过了0.800的安全限值，轮轨垂向力峰值则增大了20.37%。伤损绝缘接头位置所产生的轮轨冲击对于列车速度的敏感性较高。

5 结 论

对现场道岔区胶结绝缘接头伤损规律进行了系统的调研和测试，提出了接头伤损的简化模拟方法。对现行速度条件下胶结绝缘接头伤损对列车过岔动力性能的影响进行了仿真分析，进而对接头伤损状态下高速道岔进一步提速的适应性进行了探究。

(1) 绝缘接头伤损主要出现在现场制作的接头中，接头伤损不平顺具有显著的共同特征，主要分布在接头前后1 m长范围内，从接头两侧往中心方向凹陷深度不断增加，在中心位置出现显著的短波不平顺突变，深度可达1.4 mm。构建复合余弦函数对接头伤损进行简化模拟，可较好地反映接头伤损不平顺的主要特征。

(2) 绝缘接头伤损使高速列车进岔时产生显著的瞬态高频冲击，但对列车进岔后的动力性能影响较小。接头伤损所造成的轮轨垂向力及轮重减载率冲击幅值甚至超过了列车通过道岔过程中相应指标的最大值。但接头伤损对于轮对运动轨迹以及车体振动的影响较小。

(3) 接头伤损条件下，列车过岔速度提升后车-岔动力学性能呈现劣化趋势，伤损接头位置多项动力学指标显著增大，尤其减载率达到0.895，超过了安全限值。伤损接头位置轮轨冲击对列车速度敏感性较高。