提速道岔轍叉翼軌的加高值方案優(yōu)化

張鵬飛 ，朱旭東 ，雷曉燕

（華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013）

道岔作為鐵路線路的關鍵基礎設備，其幾何平順性直接關系到列車的過岔速度、行車平穩(wěn)性及安全性.目前，我國部分普速客貨混運線路以及重載鐵路道岔主要為固定轍叉式道岔.與可動轍叉相比，固定轍叉具有整體性強、穩(wěn)定性高、使用壽命長等優(yōu)點[1-2]，但其轍叉區(qū)豎向結構不平順變化率大，輪軌接觸關系較為復雜，且因存在有害空間，列車過岔時，極易引發(fā)劇烈的輪軌沖擊振動，導致病害頻發(fā)[3-4].因此，如何通過合理優(yōu)化固定轍叉的結構型式，如心軌和翼軌頂面廓形等，以改善轍叉區(qū)的豎向結構不平順，降低其輪軌動力相互作用，對于提高列車過岔平穩(wěn)性及安全性、延長道岔使用壽命具有重要意義.

關于固定轍叉輪軌接觸關系及其結構優(yōu)化設計，國內外專家學者開展了大量研究并得出了諸多有益結論.徐井芒等[5]在深入分析固定轍叉區(qū)鋼軌傷損規(guī)律的基礎上，提出了一種基于輪軌廓形凈差值比的固定轍叉優(yōu)化設計方法；曹洋等[6-7]在對固定轍叉結構進行優(yōu)化設計時，為改善其輪軌接觸關系、降低輪軌磨耗，提出了一種以接觸參數(shù)為基礎的設計方法；任尊松[8]通過選擇固定轍叉區(qū)的不平順函數(shù)，進行合理的參數(shù)設計，對固定轍叉區(qū)的輪軌動態(tài)響應進行了模擬分析；趙衛(wèi)華等[3]為對固定轍叉的結構進行優(yōu)化設計，基于輪軌接觸關系理論，創(chuàng)新性地提出了一種能夠準確計算出岔區(qū)輪軌接觸參數(shù)的算法；Elias等[9-10]借助商用軟件GENSYS和DIFF3D建立了兩種不同的固定轍叉模型，就列車過岔速度及方向對岔區(qū)垂向輪軌力的影響規(guī)律進行了深入研究.Sun等[11]利用SIMPACK軟件建立了固定轍叉式道岔模型，并對列車直側向過岔工況下的輪軌動力相互作用規(guī)律進行了深入分析.在現(xiàn)有研究成果中，關于固定轍叉方面，多以直向過岔為例，側向過岔工況考慮較少；研究成果多基于輪軌接觸關系及心軌降低值等方面，有關翼軌方面研究相對較少.此外，在對翼軌進行加高設計的研究中，評價指標多基于輪軌接觸點及接觸參數(shù)，缺乏對列車過岔平穩(wěn)性及安全性等指標的分析.

為進一步完善我國既有道岔固定轍叉的結構型式，改善轍叉區(qū)的豎向結構不平順，提高列車過岔的平穩(wěn)性及安全性.本文以12號提速道岔固定轍叉為例，對其翼軌結構型式進行了優(yōu)化研究.在建立翼軌不同加高設計方案下的固定轍叉模型以及CRH2型車車輛模型的基礎上，深入分析了翼軌加高設計對列車過岔動力特性、過岔速度以及行車平穩(wěn)性和安全性的影響規(guī)律.研究成果可為我國部分普速客貨混運線路及重載鐵路道岔固定轍叉的結構優(yōu)化設計提供理論參考.

1 翼軌加高優(yōu)化方案設計

合理的轍叉結構型式是改善輪軌接觸關系、提高列車過岔平穩(wěn)性及安全性的基礎.研究表明，轍叉區(qū)劇烈的輪軌相互作用多是由其結構不平順所造成的，隨著翼軌向外彎折，輪軌主要接觸區(qū)域開始外移，并由此引起輪對質心垂向位置的降低，導致劇烈的輪軌沖擊作用.因此，在進行轍叉區(qū)結構優(yōu)化設計時，應盡量消除或減小其豎向的結構不平順.為抵消固定轍叉翼軌向外彎折所引起的轍叉豎向結構不平順，本文擬對翼軌進行加高設計，以改善轍叉區(qū)的輪軌接觸關系，降低其輪軌動力響應.

圖1展示了我國客運列車常用的LMA磨耗型車輪踏面，將距輪緣背部70 mm處定義為踏面基點，為主要接觸區(qū)域.在轍叉區(qū)，隨著翼軌向外彎折，其輪軌主要接觸區(qū)域也會逐漸向外側移動，并由此引起輪對質心垂向位置的降低，最大降低值約為2.86 mm（如圖1）.為抑制輪對質心垂向位置的降低，可對翼軌進行適當加高設計，本文選定心軌頂寬50 mm位置處作為翼軌加高設計的關鍵控制斷面，理論最大加高值2.86 mm，取近似值3.00 mm.

圖1 LMA 磨耗型車輪踏面Fig.1 Wheel tread of LMA wear type in millimeters

針對12號提速道岔固定轍叉，本文在整個轍叉區(qū)范圍內依次選取了轍叉咽喉、心軌實際尖端、心軌頂寬50 mm和70 mm位置處作為固定轍叉翼軌加高設計的控制斷面，各斷面位置分別對應圖2中的斷面A-A、B-B、C-C和D-D.各斷面位置詳情如表1所示.

圖2 固定轍叉平面示意（單位：m）Fig.2 Plan diagram of rigid frog（unit：m）

表1 翼軌關鍵斷面位置Tab.1 Position of key sections of wing rails

本文針對翼軌不同的加高值提出了4種設計方案，如表2所示.其中，方案1為翼軌無加高設計方案，方案3為理論最優(yōu)加高設計方案.為進一步分析翼軌加高值大小對列車過岔動力特性的影響，在理論最大加高值的基礎上分別減小和增大1 mm作為方案2與方案4.各方案中斷面A-A至斷面C-C范圍內翼軌采用線性加高方式，斷面C-C至斷面D-D范圍內翼軌則選用同一加高值.圖3為翼軌加高前后各方案關鍵斷面的廓形對比.

表2 翼軌加高設計方案Tab.2 Design scheme for heightening the wing rail

圖3 各方案翼軌關鍵斷面廓形對比Fig.3 Comparison of key sections of wing rails

2 車輛-道岔系統(tǒng)仿真模型

本文利用Universal Mechanism軟件計算分析列車通過12號提速道岔固定轍叉時的動力響應，計算模型包括兩部分，一個是考慮了柔性軌道基礎的道岔固定轍叉模型，另一個是CRH2型車多剛體車輛模型，兩個子模型之間通過局部的輪軌接觸模型進行連接[12].

2.1 車輛子模型

為便于計算分析車輛直逆向通過轍叉時的動力特性，本文采用單節(jié)CRH2型車車輛模型進行分析.該模型借助商用軟件UM建立，主要由1個車體、2個構架及4個輪對共7個剛體組成，每個剛體具有側滾、點頭、搖頭、橫移和沉浮5個自由度，兩相鄰剛體間通過懸掛彈簧和阻尼進行約束和傳力.車輛的基本計算參數(shù)主要包括輪對、構架以及車體的質量、兩系懸掛的剛度和阻尼及繞各軸的慣性矩.車輛基本計算參數(shù)見表3[13].

表3 CRH2型車基本計算參數(shù)Tab.3 Basic calculation parameters of CRH2 vehicle

2.2 道岔子模型

在動力學軟件UM中，軌道模型分為無質量軌道、慣性軌道以及柔性軌道.其中，柔性軌道模型是一種詳細的三維軌道模型，包括鋼軌、扣件、軌枕和基礎，并在UM仿真程序中為其定義了柔性軌道的所有特性.本文道岔轍叉模型的建立在UM軟件中完成，采用考慮柔性軌道基礎的12號道岔固定轍叉空間模型，見圖4.圖中：Cry、Kry分別為扣件系統(tǒng)的橫向阻尼和橫向剛度；Crz、Krz分別為扣件系統(tǒng)的豎向阻尼和豎向剛度；Csy、Ksy分別為下部基礎橫向阻尼和橫向剛度；Csz、Ksz分別為下部基礎豎向阻尼和豎向剛度.鋼軌采用三維的鐵木辛柯梁進行模擬，岔枕為平面梁模型，并利用等效剛度和阻尼模擬岔枕與基礎的連接，扣件的各向剛度和阻尼則采用非線性的 Bushing力元進行模擬.Cry=1.24 × 104N?s?m?1，Kry=5.0 × 104N?m?1，Crz=2.61 × 104N?s?m?1，Krz=2.5 × 104N?m?1，Csy=9.0 × 104N?s?m?1，Ksy=1.0 ×108N?m?1，Csz=5.38 × 104N?s?m?1，Ksz=1.0 × 108N?m?1.本文模型的建立充分考慮了轍叉區(qū)鋼軌的變截面特征，由沿轍叉特定位置的鋼軌控制斷面廓形放樣實現(xiàn).

圖4 固定轍叉空間力學模型Fig.4 Spatial mechanical model of the rigid frog

列車過岔時，各輪對的動態(tài)相互作用互不相同，本文以第一輪對通過時為例，見圖5，分析提取列車第一輪對輪軌作用力、各安全系數(shù)以及列車輪對、構架和車體的振動加速度響應結果.

圖5 車輛-道岔系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of the vehicle-turnout system

3 模型驗證

為驗證模型正確性，本文以輪軌力及車體加速度作為評判參數(shù)[14]，選取文獻[4]中的典型結果進行對比分析.文獻[4]與本文在相同工況下（21 t軸重貨車以80 km/h速度直逆向通過60 kg/m鋼軌12號提速道岔固定轍叉）的輪軌垂向力計算結果如圖6，二者輪軌力及車體加速度計算結果對比見表4.圖中，橫坐標x為距轍叉趾端的距離.

圖6 轍叉?zhèn)容嗆壌瓜蛄ig.6 Vertical wheel-rail force on the frog side

表4 計算結果對比Tab.4 Comparison of the calculative results

由圖6可知：相同工況下，本文模型的輪軌垂向力變化規(guī)律與文獻[4]中結果較為吻合，均在輪對通過固定轍叉軌線中斷處時輪軌垂向力達到最大值，隨著輪對沿轍叉方向繼續(xù)移動，其輪軌垂向力峰值開始逐漸降低.在數(shù)值上，由表4可知：文獻[4]和本文在相同工況下的輪軌力及車體振動加速度計算結果基本一致.由此，驗證了本文模型的正確性及計算結果的可靠性.

4 列車過岔動力特性影響分析

針對固定轍叉翼軌加高值的4種不同方案，本節(jié)以單節(jié) CRH2型車按 160 km/h速度直逆向（50 km/h速度側逆向）通過12號提速道岔固定轍叉為例，分析計算了列車過岔時的動力特性，并對上述4種工況下的計算結果進行了深入對比分析.

4.1 輪軌作用力

列車直逆向過岔時，第一輪對兩側橫向及垂向輪軌力的計算結果分別如圖7和圖8所示.

圖7 第一輪對橫向輪軌力Fig.7 Lateral wheel-rail force of the first wheel set

由圖7和圖8可以看出：列車過岔時，4種方案中轍叉?zhèn)鹊妮嗆壛ψ畲笾稻黠@大于基本軌側數(shù)值.相比方案2、方案4，方案1中基本軌側和轍叉?zhèn)鹊臋M向輪軌力最大幅值分別為10.16 kN和10.42 kN，垂向輪軌力分別為98.14 kN和175.65 kN，無論是橫向輪軌力還是垂向輪軌力，均大于其它方案中的相應數(shù)值.顯然，列車在翼軌無加高設計方案中的輪軌動力相互作用要比在其它方案中更為劇烈.

對比圖7和圖8中的4種方案發(fā)現(xiàn)：經過對翼軌進行加高設計，列車過岔時的橫向及垂向輪軌力數(shù)值均明顯降低；在翼軌加高達到一定數(shù)值之后，若繼續(xù)加高翼軌，又會造成輪軌力數(shù)值激增，說明翼軌存在一個最優(yōu)加高值，一旦加高超限，便會產生反向的豎向結構不平順，進而加劇輪軌相互作用.通過對比上述4種方案，方案3中的輪軌相互作用明顯最佳，其在轍叉?zhèn)鹊淖畲髾M向及垂向輪軌力分別為5.64 kN和122.49 kN，與方案 1 相比，幅值分別降低了45.8%和30.3%.

圖8 第一輪對垂向輪軌力Fig.8 Vertical wheel-rail force of the first wheel set

4.2 安全性分析

車輛動力學中，一般采用脫軌系數(shù)和輪重減載率兩個指標對列車運行的安全性進行評價[15].列車直逆向過岔時，本文4種方案下的脫軌系數(shù)及輪重減載率的計算結果分別如圖9和圖10所示.

由圖9可以看出：列車在轍叉?zhèn)鹊拿撥壪禂?shù)變化較為激烈，且其數(shù)值隨著翼軌的加高而有所增大.由圖10可知：各方案中輪重減載率的變化趨勢基本相同，隨著翼軌加高值的增大，減載率數(shù)值開始有所減小，但當翼軌因加高過大而超過理論加高值時，又會造成減載率的增大.數(shù)值上，各方案中脫軌系數(shù)及輪重減載率均遠小于安全限值0.8，說明4種翼軌加高設計方案均滿足行車安全性要求.

圖9 第一輪對脫軌系數(shù)Fig.9 Derailment coefficient of the first wheel set

圖10 第一輪對輪重減載率Fig.10 Wheel load reduction rate of the first wheel set

4.3 平穩(wěn)性分析

作為衡量列車運行狀態(tài)的重要指標，車輛振動特性的大小直接關系到列車運行的平穩(wěn)性及旅客乘車舒適度.直逆向過岔時，列車第一輪對及車體的振動加速度計算結果分別如圖11、12所示.

由圖11、12可以看出：列車直逆向過岔時，其第一輪對及車體在4種方案下的振動加速度曲線變化規(guī)律基本一致；而在對翼軌進行加高設計后，列車輪對和車體的振動加速度峰值均有明顯減小，表明翼軌加高設計確實起到了改善轍叉區(qū)軌道結構不平順、降低列車輪軌動力響應的作用.但是，當翼軌因加高過大而超限時，又將在轍叉區(qū)產生向上的豎向結構不平順，反而會加劇輪軌間的動力相互作用，降低道岔使用壽命.

圖11 第一輪對振動加速度Fig.11 Vibration acceleration of the first wheel set

圖12 車體振動加速度Fig.12 Vibration acceleration of car body

與其它方案相比，方案3中列車輪對及車體的振動加速度最大值均為最小，方案最優(yōu).在數(shù)值方面，方案1中列車第一輪對和車體最大橫向振動加速度分別為11.081 m/s2和 0.045 m/s2，垂向振動加速度為48.574 m/s2和 0.816 m/s2.而方案 3 中列車第一輪對及車體最大橫向加速度分別為9.271 m/s2和0.026 m/s2，垂向加速度為24.986 m/s2和 0.603 m/s2.相比方案1，方案3中的輪對及車體橫向加速度最大值分別降低了16.3%和42.2%，垂向加速度則為48.6%和26.1%.由此可知，合理的翼軌加高設計可顯著降低列車過岔時輪對及車體的橫向及垂向振動加速度，對于提高列車過岔平穩(wěn)性及旅客乘車舒適度具有重要意義.

4.4 列車側逆向過岔動力響應分析

列車過岔時，直、側向工況下的輪軌動態(tài)相互作用差異較大，為較全面地分析翼軌加高設計對列車過岔動力特性的影響規(guī)律，本節(jié)給出了列車以50 km/h速度側逆向過岔時第一輪對的動力響應計算結果，見表5.由表5可知：4種方案中，列車側逆向過岔時，第一輪對在轍叉?zhèn)鹊臋M向及垂向輪軌力最大值均明顯大于其在基本軌側的計算結果.這是由于側向過岔時，受列車離心力影響，車輪與轍叉?zhèn)蠕撥夐g產生相互的黏著、蠕滑，形成較大的輪軌沖擊，再加上轍叉?zhèn)纫虼嬖谧兘孛孳壍蓝a生的結構不平順，最終造成轍叉?zhèn)容嗆夐g的動力響應要較基本軌側劇烈.此外，通過對比4種方案中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各方案之間的計算結果均較為接近，同時在數(shù)值上均滿足規(guī)范[15]要求.由此可知，列車側逆向過岔時，受離心力影響，輪軌間產生劇烈沖擊，輪軌接觸狀態(tài)較為復雜，單純的翼軌加高設計將無法有效改善列車過岔時的動力特性.

表5 列車側逆向過岔動力響應計算結果Tab.5 Calculation results of dynamic responses of the vehicle passing through the turnout in the flank direction

5 翼軌加高對列車過岔速度影響分析

列車運行速度的提高，必然會加劇車輛-道岔的動力響應，目前，我國12號提速道岔（有砟）直向所允許通過的最大速度為160 km/h.為進一步分析翼軌加高設計對列車直向過岔速度的影響規(guī)律，本節(jié)基于方案1和方案3兩種工況，不考慮列車在實際運營情況下的過岔速度限制，令列車以120～220 km/h的速度運行.在上述兩種工況下，列車第一輪對的橫向及垂向輪軌力、輪對振動加速度、車體振動加速度以及脫軌系數(shù)隨運行速度的變化趨勢分別如圖13所示.

由圖13可以看出：兩種工況下的輪軌動力相互作用參數(shù)均隨著列車運行速度的增加而逐漸增大.與方案1相比，相同速度下，方案3中列車第一輪對的振動響應明顯較小，且二者的脫軌系數(shù)均遠小于安全限值0.8，滿足安全性要求.由上述分析可知，當對轍叉區(qū)的輪軌振動特性給出某一固定限值時，與方案1相比，方案3中的列車在確保安全行車的前提下明顯可開行更高的速度.顯然，合理的翼軌加高設計將對于列車在岔區(qū)的提速具有重要意義.

圖13 轍叉?zhèn)鹊臋M向及垂向輪軌力、輪對加速度、車體加速度以及脫軌系數(shù)隨運行速度的變化趨勢Fig.13 Variations of lateral and vertical wheel-rail forces on frog side，vibration acceleration，vibration acceleration of car body，and derailment coefficient on frog side with running speed

6 結 論

本文基于岔區(qū)輪軌系統(tǒng)動力學及輪軌接觸關系理論，以12號提速道岔固定轍叉為例，分別建立了翼軌不同加高設計方案下的轍叉模型以及CRH2型車車輛模型，分析了翼軌加高設計對列車過岔動力特性、過岔速度以及行車平穩(wěn)性的影響.得到以下結論：

1）列車直向過岔時，通過對翼軌進行加高設計，可有效緩解列車輪對質心垂向位置降低問題，提高列車過岔平穩(wěn)性及旅客乘車舒適度；但當列車側向過岔時，受車輛離心力及復雜的輪軌動力相互作用影響，單純的翼軌加高設計將無法有效改善列車過岔時的動力特性.

2）通過對翼軌進行加高設計，可有效改善轍叉區(qū)的軌道結構不平順、降低其輪軌間動力相互作用.但當翼軌因加高過大而超限時，又將產生向上的豎向結構不平順，反而會加劇輪軌間的動態(tài)響應.因此，在對固定轍叉翼軌進行加高設計時，應合理設置其加高值.

3）12號提速道岔固定轍叉心軌頂寬50 mm位置處的翼軌加高值設置為3 mm時最佳.與翼軌無加高設計相比，翼軌加高3 mm后，列車第一輪對橫向和垂向輪軌力最大幅值分別降低了45.8%和30.3%，輪對及車體橫向加速度最大值分別降低了16.3%和42.2%，垂向加速度則降低了48.6%和26.1%，輪軌振動特性得到了明顯改善.

4）隨著列車運行速度的提高，其過岔時的輪軌動態(tài)響應也會不斷加劇.鑒于翼軌加高設計可明顯降低列車過岔時的動力響應，因此，在對固定轍叉翼軌進行適當加高后，其所容許的最大通過速度也會相應地有所增加.顯然，合理的翼軌的加高設計將對列車的岔區(qū)提速具有重要意義.