鐵路大號(hào)碼道岔合理線型設(shè)置的仿真研究

孫加林，宣言，王樹(shù)國(guó)

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 客運(yùn)專(zhuān)線道岔線型簡(jiǎn)介

1.1 側(cè)向速度80 km/h道岔線型

目前側(cè)向通過(guò)速度為80 km/h道岔線型為導(dǎo)曲線半徑1 100 m的單圓曲線，但在尖軌尖端附近，為改善機(jī)車(chē)車(chē)輛逆向進(jìn)岔和順向出岔的運(yùn)行條件，有研究認(rèn)為半徑R=1 100 m導(dǎo)曲線起點(diǎn)與基本軌應(yīng)相離一段距離，即采用斜切線和圓曲線相連接的線型[1]。通過(guò)對(duì)兩種線型離尖軌3 mm斷面后尖軌厚度的比較，發(fā)現(xiàn)兩者差異最大，相離線型間接起到了加厚尖軌的目的，這對(duì)延長(zhǎng)曲尖軌的使用壽命是有利的[2]，相離線型道岔用于渡線的平面布置如圖1所示。

1.2 側(cè)向速度160 km/h道岔線型

為了提高側(cè)向過(guò)岔速度，需要加大道岔號(hào)碼。目前道岔側(cè)向通過(guò)速度可以達(dá)到160 km/h及以上，側(cè)線線型主要有圓緩、緩圓緩等兩種形式。為了比較兩種線型的動(dòng)力學(xué)性能以及緩圓緩線型設(shè)置方案的選擇，主要將考慮以下3種側(cè)線線型設(shè)置方案，3種方案均按側(cè)向通過(guò)速度160 km/h設(shè)計(jì)。

1)圓緩線型:側(cè)向線型先是半徑R=5 000 m的圓曲線(與直線相切)，然后緊跟一段緩和曲線，最后過(guò)渡到直線，道岔全長(zhǎng)157 200 mm。

2)緩圓緩線型:側(cè)向線型先是一段緩和曲線，過(guò)渡到R=4 483.67 m的圓曲線，然后再接一段緩和曲線，最后過(guò)渡到直線，道岔全長(zhǎng)157 200 mm，該方案采用了加大中間圓曲線半徑、減少進(jìn)岔緩和曲線半徑的思路[3]。

3)緩圓緩線型:側(cè)向線型先是一段緩和曲線，過(guò)渡到R=4 100 m的圓曲線，然后再接一段緩和曲線，最后過(guò)渡到直線，道岔全長(zhǎng)136 000 mm;該方案采用了加大進(jìn)岔緩和曲線半徑、減少中間圓曲線半徑的思路[3]。

2 側(cè)向速度80 km/h道岔兩種線型仿真分析

前面對(duì)兩種側(cè)向速度80 km/h的18號(hào)道岔線型分析是基于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論或靜態(tài)分析，雖然相離式線型有利于尖軌結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，但對(duì)兩種道岔線型本身的影響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。采用車(chē)輛—軌道動(dòng)力學(xué)模型[4]，由于是純線型分析，暫不考慮道岔區(qū)結(jié)構(gòu)形式的影響，車(chē)輛模型為國(guó)產(chǎn)和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組[3]，鋼軌采用國(guó)產(chǎn)60 kg/m軌，需輸入?yún)?shù)包括:切線長(zhǎng)、圓曲線半徑、夾直線長(zhǎng)度以及沖擊角等[5]。兩種道岔動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果如圖2～圖5所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出:兩種線型在車(chē)體橫向加速度、輪軌橫向力等橫向動(dòng)力響應(yīng)以及輪軌垂向力、輪重減載率等垂向動(dòng)力響應(yīng)方面，數(shù)值相差無(wú)幾;但相離線型出現(xiàn)振動(dòng)的位置要稍靠后，結(jié)合尖軌結(jié)構(gòu)形式(尖軌前端比較薄弱)認(rèn)為對(duì)受力是有利的，也驗(yàn)證了間接達(dá)到加厚尖軌的目的。

3 側(cè)向速度160 km/h的道岔線型設(shè)置方案比選

圖1 相離線型道岔用于渡線的平面布置(單位:m)

圖2 兩種線型車(chē)體橫向加速度對(duì)比(單位:m/s2)

圖3 兩種線型輪軌橫向力對(duì)比(單位:N)

利用以上建立的車(chē)輛—軌道動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)1.2中三種線型設(shè)置方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能比選，仿真結(jié)果如圖6～圖9所示(圖中線路距離前100 m為仿真計(jì)算平衡距離，100～150 m為轉(zhuǎn)轍器區(qū)域，220～250 m為轍叉區(qū)域)。

圖4 兩種線型輪軌垂向力對(duì)比(單位:N)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)域(100～150 m)和轍叉區(qū)域(220～250 m)車(chē)體橫向加速度、輪軌垂/橫向力以及輪重減載率等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)按從大到小的順序?yàn)?方案一、方案二、方案三。在其它連接部分排列順序?yàn)?方案三、方案二、方案一。由于道岔的轉(zhuǎn)轍器和轍叉存在結(jié)構(gòu)固有不平順，為岔區(qū)行車(chē)的薄弱環(huán)節(jié)，所以提高這兩個(gè)區(qū)域的動(dòng)力學(xué)性能應(yīng)為主要研究目標(biāo)。因此，認(rèn)為方案三的輪軌動(dòng)力特性最優(yōu)。

4 結(jié)論

1)側(cè)向速度80 km/h道岔采用圓曲線與直基本軌相離的線型對(duì)尖軌結(jié)構(gòu)受力是有利的，可以間接起到加厚尖軌斷面的目的。

2)側(cè)向速度160 km/h道岔側(cè)向平面線型應(yīng)優(yōu)先考慮采用緩圓緩的線型方案，該方案比圓緩線型更能降低列車(chē)通過(guò)轉(zhuǎn)轍器和轍叉區(qū)域的動(dòng)力響應(yīng)，在舒適性和安全性方面更具有優(yōu)勢(shì)。

圖5 兩種線型輪重減載率對(duì)比

圖6 三種線型車(chē)體橫向加速度對(duì)比(單位:m/s2)

圖7 三種線型輪軌垂向力對(duì)比(單位:N)

圖8 三種線型輪軌橫向力對(duì)比(單位:N)

圖9 三種線型輪重減載率對(duì)比

3)通過(guò)對(duì)緩圓緩線型的兩種方案分析對(duì)比，方案三動(dòng)力響應(yīng)要低于方案二，而且道岔全長(zhǎng)還要小，說(shuō)明先加大起始緩和曲線半徑的方法比加大中間圓曲線半徑更有效。

[1]鐵道科學(xué)研究院.客運(yùn)專(zhuān)線道岔側(cè)線線型和平面設(shè)計(jì)的研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2006.

[2]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.時(shí)速350公里客運(yùn)專(zhuān)線18號(hào)道岔實(shí)車(chē)試驗(yàn)研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2009.

[3]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.客運(yùn)專(zhuān)線道岔動(dòng)力學(xué)及關(guān)鍵技術(shù)的仿真研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2009.

[4]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.車(chē)輛、線路、道岔、橋梁系統(tǒng)的仿真動(dòng)力分析的研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2006.

[5]趙國(guó)堂.高速鐵路道岔區(qū)動(dòng)力響應(yīng)的模擬研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，1996，17(4):90-94.