地鐵7號可動心軌道岔動力學(xué)仿真研究

田春雨 趙天運(yùn)

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

道岔是實(shí)現(xiàn)列車轉(zhuǎn)線、跨線運(yùn)行的重要鐵路設(shè)備，也是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[1]。列車過岔時，車輪經(jīng)過的鋼軌不平順，岔區(qū)輪軌作用力遠(yuǎn)大于一般正線[2]。

對于固定轍叉道岔，有害空間會影響列車的行車速度與安全性[3]，列車通過時，需要護(hù)軌強(qiáng)制引導(dǎo)車輪運(yùn)行方向，否則可能導(dǎo)致列車脫軌[4]。許多學(xué)者對轍叉區(qū)動力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究，陳嶸等通過建立車-岔-橋耦合模型探索轍叉區(qū)輪軌接觸關(guān)系對軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)的不利影響[5]；曹洋等基于輪軌接觸幾何關(guān)系與動力相互作用，提出心軌關(guān)鍵斷面軌頂降低值取值方案[6-7]；喬神路等認(rèn)為，在道岔設(shè)計時應(yīng)盡量采用無縫化處理，以最大程度減小岔區(qū)振動噪聲[8]；王平等通過理論與試驗(yàn)優(yōu)化固定轍叉結(jié)構(gòu)[9]。然而，在有害空間處，軌線不連續(xù)導(dǎo)致的輪軌關(guān)系惡化仍然難以有效解決。為消滅道岔有害空間，可動心軌道岔成為道岔技術(shù)的研究焦點(diǎn)[10]。

一般情況下，可動心軌道岔多應(yīng)用于“大號數(shù)”高速道岔中，城市軌道交通“小號數(shù)”道岔因過岔速度低、列車軸重輕，多采用成本較低的固定轍叉[11]。地鐵車輛段一般占地面積較大，而城市土地的稀缺性使得車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)成為必然趨勢，但列車進(jìn)出引起的振動、噪聲已成為制約開發(fā)的關(guān)鍵因素[12-14]。50 kg/m鋼軌7號(50-7號)道岔作為車輛段采用的主要道岔型號，是上蓋開發(fā)振動噪聲的重要來源。目前，鮮有針對其動力學(xué)的理論研究，也缺乏7號可動心軌道岔鋪設(shè)與運(yùn)營的工程實(shí)踐，需要通過數(shù)值仿真模擬列車通過7號可動心軌道岔時的動力響應(yīng)，以論證其安全性。

針對地鐵A型車、50-7號可動心軌道岔，基于多體動力學(xué)建立車輛-道岔耦合動力仿真模型，研究車輛分別以容許速度直逆向、側(cè)逆向、直順向、側(cè)順向通過7號可動心軌道岔時的動力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律。

1 車輛-道岔動力耦合模型

1.1 可動心軌道岔模型

50-7號可動心軌道岔是目前國內(nèi)應(yīng)用可動心軌的最小號數(shù)道岔。轍叉采用雙肢彈性可彎結(jié)構(gòu)，消除了有害空間，軌道平順性明顯提升，有利于改善輪軌接觸關(guān)系，延長轍叉使用壽命。50-7號可動心軌道岔全長26.810 m，前長11.194 m，后長15.616 m，導(dǎo)曲線半徑150 m，心軌牽引點(diǎn)動程83 mm(見圖1)。直、側(cè)向容許通過速度分別為80 km/h、25 km/h。

圖1 50 kg/m 7號可動心軌道岔(單位：mm)

道岔模型中，將鋼軌視為Timoshenko梁，并充分考慮尖軌及可動心軌變截面的特性，將尖軌與基本軌、可動心軌與翼軌密貼部分視為一股鋼軌，采用變截面梁模擬[15]，通過沿線路方向特定位置的鋼軌控制斷面廓形插值放樣實(shí)現(xiàn)。將岔枕視為等截面歐拉梁，將扣件簡化為彈簧阻尼器，并利用等效剛度和阻尼模擬道岔軌枕與基礎(chǔ)的連接[16]。道岔模型尖軌與可動心軌處軌道結(jié)構(gòu)簡化模型見圖2。

1.2 地鐵A型車輛模型

采用地鐵A型車進(jìn)行車輛-道岔耦合系統(tǒng)動力學(xué)分析。將車輛系統(tǒng)的車體、構(gòu)架和輪對簡化為剛體。車體與構(gòu)架之間通過二系懸掛連接，構(gòu)架與輪對之間通過一系懸掛連接。通過賦予各系懸掛剛度與阻尼對其進(jìn)行約束與傳力，考慮各個剛體點(diǎn)頭、浮沉、搖頭、橫擺和側(cè)滾自由度(整車共35個自由度)，車輛振動模型簡化方式見圖3。地鐵A型車的部分動力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 地鐵A型車輛簡化模型

表1 地鐵A型車輛部分動力學(xué)計算參數(shù)

圖4 車輛-道岔耦合模型

耦合系統(tǒng)采用輪軌多點(diǎn)接觸模型，蠕滑力采用Kalker滾動接觸理論[17]。為使計算更精確，邊界設(shè)置為道岔兩端外100 m，線路總長度230 m，于中段設(shè)置7號可動心軌道岔。車輛-道岔耦合模型見圖4。

2 動力學(xué)評價指標(biāo)

道岔鋼軌自身存在結(jié)構(gòu)不平順，會使輪軌作用力加劇。為確保車輛能夠安全運(yùn)行，必須分析車輛通過道岔時動力學(xué)指標(biāo)變化[18-19]。根據(jù)規(guī)范，車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 車輛運(yùn)行穩(wěn)定性與運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)

3 車輛過岔動力響應(yīng)分析

為突出道岔結(jié)構(gòu)不平順對車輛振動的影響，計算不疊加軌道幾何不平順。以右開道岔為例，分別研究地鐵A型車輛以容許通過速度逆、順向通過50-7號可動心軌道岔時的動力響應(yīng)。

3.1 直逆向過岔

車輛以80 km/h勻速直逆向過岔時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌力、構(gòu)架加速度等運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)變化見圖5。

圖5 運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)

由圖5可知，由于軌道平順，車輛在進(jìn)入岔區(qū)前不會自發(fā)蛇行運(yùn)動，輪緣與鋼軌工作邊無橫向碰撞，左右車輪運(yùn)行狀態(tài)同步，輪軌力差異較小，因此脫軌系數(shù)和輪重減載率很小，分別為0.03和0；另外，輪軌橫向力和構(gòu)架橫向加速度均很小，分別為2.53 kN和0.02 m/s2，車輛運(yùn)行穩(wěn)定性良好。

車輛直逆向過岔時，輪軌接觸關(guān)系開始變化，車輛左輪在直基本軌上運(yùn)行，而右輪分別經(jīng)過基本軌、尖軌、導(dǎo)軌、翼軌及長心軌，最后駛離道岔進(jìn)入?yún)^(qū)間線路，故右輪各指標(biāo)變化較大。脫軌系數(shù)方面，右輪在經(jīng)過尖軌時達(dá)到最大值0.11，經(jīng)過可動心軌時為0.08；左輪脫軌系數(shù)變化較小，最大為0.07；脫軌系數(shù)滿足規(guī)范要求。輪重減載率方面，輪對經(jīng)過尖軌與可動心軌時產(chǎn)生較為明顯的波動，分別為0.22和0.20，滿足規(guī)范要求。作為對比，在固定轍叉有害空間處，當(dāng)車輪由翼軌向心軌過渡時會出現(xiàn)瞬時脫空現(xiàn)象，輪重減載率會瞬時達(dá)到1，隨后降低[20]。雖然車輛低速過岔時輪重減載率瞬時超限不會影響行車安全，但可動心軌道岔軌線連續(xù)的優(yōu)勢可消除這種潛在風(fēng)險，更有利于行車安全。輪軌橫向力方面，右輪的橫向力明顯更大，在尖軌與可動心軌處達(dá)到峰值，分別為9.68 kN和6.16 kN，輪軸橫向力小于規(guī)范68.30 kN的限值。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在車輛經(jīng)過尖軌與可動心軌時發(fā)生振蕩，橫向加速度峰值為6.74 m/s2，滿足規(guī)范要求。

車輛直逆向過岔時，運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)變化曲線見圖6。車體垂、橫向加速度峰值為0.08 m/s2和0.14 m/s2，滿足規(guī)范要求。

圖6 運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)變化曲線

3.2 側(cè)逆向過岔

車輛以25 km/h勻速側(cè)逆向過岔時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌力、構(gòu)架加速度等運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)變化見圖7。車輛側(cè)逆向過岔時，右輪在曲基本軌上運(yùn)行，左輪分別經(jīng)過基本軌、尖軌、導(dǎo)軌、翼軌、長心軌及短心軌，最后駛離道岔區(qū)域進(jìn)入?yún)^(qū)間線路，故左輪各指標(biāo)變化更大。由于岔區(qū)不設(shè)超高，車輛側(cè)向過岔時偏載，輪軌接觸位置與直向過岔時不同，輪緣與鋼軌工作邊橫向沖擊，橫向力加劇，導(dǎo)致脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)整體增大。

由圖7可知，脫軌系數(shù)方面，左輪在可動心軌處達(dá)到最大值0.59，在尖軌處為0.51。由于右輪車輛轉(zhuǎn)向，脫軌系數(shù)產(chǎn)生一定波動，最大為0.50；脫軌系數(shù)滿足規(guī)范要求。輪重減載率方面，輪對在導(dǎo)曲線上時，輪重減載率在0.25～0.35范圍變化，當(dāng)輪對駛出導(dǎo)曲線后，輪重減載率逐漸下降，在可動心軌處發(fā)生瞬時波動，達(dá)到最大值0.34，滿足規(guī)范要求。輪軌橫向力方面，車輛左輪的橫向力明顯更大，在車輪與尖軌接觸沖擊時達(dá)到最大值52.03 kN，在導(dǎo)曲線上時于48～50 kN范圍波動，駛離導(dǎo)曲線后逐漸減小，在可動心軌處因輪軌沖擊再次產(chǎn)生峰值31.23 kN；右輪橫向力最大值不超過40 kN，輪軸橫向力小于規(guī)范68.30 kN的限值。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在車輛經(jīng)過尖軌與可動心軌時發(fā)生振蕩，在可動心軌處構(gòu)架橫向加速度瞬時峰值達(dá)到5.44 m/s2，振蕩后迅速衰減，滿足規(guī)范要求。

車輛側(cè)逆向過岔時，運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)變化見圖8。車體垂、橫向加速度峰值為0.05 m/s2和0.35 m/s2，滿足規(guī)范要求。

3.3 直順向過岔

車輛以80 km/h勻速直順向過岔時，動力響應(yīng)與直逆向過岔時相似，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌力、構(gòu)架加速度以及車體垂、橫向加速度等指標(biāo)最大值見表3。車輛直順向過岔時，右輪在直基本軌上運(yùn)行，左輪分別經(jīng)過可動心軌、翼軌、導(dǎo)軌、尖軌及基本軌，最后駛離道岔區(qū)域進(jìn)入?yún)^(qū)間線路，左輪各指標(biāo)變化更大。

由表3可知，車輛脫軌系數(shù)和輪重減載率均在可動心軌處達(dá)到最大值，分別為0.10和0.43；直向過岔輪軌橫向力較小，最大為6.55 kN；構(gòu)架橫向加速度最大值為5.40 m/s2；車體垂、橫向加速度峰值為0.06 m/s2、0.14 m/s2，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.4 側(cè)順向過岔

車輛以25 km/h勻速側(cè)順向通過道岔時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌力、構(gòu)架加速度以及車體垂、橫向加速度等指標(biāo)最大值見表4。車輛側(cè)順向過岔時，左輪在曲基本軌上運(yùn)行，右輪分別經(jīng)過短心軌、長心軌、翼軌、導(dǎo)軌、尖軌及基本軌，最后駛離道岔區(qū)域進(jìn)入?yún)^(qū)間線路，右輪各指標(biāo)變化更大。

表4 車輛直順向過岔時各指標(biāo)最大值

由表4可知，相較于直向過岔，車輛側(cè)向過岔時，在轍叉處增加了短心軌向長心軌過渡的不平順干擾，其輪重減載率略大于直向過岔。由于順向過岔時導(dǎo)曲線在轍叉之后，轍叉部分輪軌接觸主要在鋼軌頂面，故可動心軌處橫向力與脫軌系數(shù)均較小，兩者均在尖軌處達(dá)到最大值66.23 kN和0.57。構(gòu)架橫向加速度與車體垂、橫向加速度也均在尖軌處達(dá)到最大值(分別為4.97，0.05，0.33 m/s2)。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。對比不同過岔方向時的車輛動力響應(yīng)可以看出，由于車輛偏載和輪軌沖擊角的增大，車輛側(cè)向過岔時各穩(wěn)定性指標(biāo)整體較直向過岔時大。

綜上所述，地鐵A型車輛以容許通過速度直逆向、側(cè)逆向、直順向、側(cè)順向通過50-7號可動心軌道岔時，車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)均良好。

在設(shè)計階段，為突出道岔結(jié)構(gòu)不平順對車輛振動的影響，未疊加軌道幾何不平順。在實(shí)際運(yùn)營中，軌道幾何不平順也會對岔區(qū)車輛動力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生一定影響，下一步將通過在線測試研究該影響下的列車過岔動力響應(yīng)，以完善50-7號可動心軌道岔的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)論

針對地鐵A型車和7號可動心軌道岔，建立車輛-道岔耦合動力仿真模型，研究車輛分別以容許速度逆、順向通過7號可動心軌道岔時的動力響應(yīng)，主要結(jié)論如下。

(1)車輛過岔時，各動力學(xué)指標(biāo)均在尖軌與可動心軌處發(fā)生波動，較區(qū)間線路明顯增大，但各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，運(yùn)行穩(wěn)定性與品質(zhì)良好。

(2)車輛側(cè)向過岔時，由于車輛偏載，輪緣與尖軌、心軌工作邊受橫向沖擊，輪軌橫向力、脫軌系數(shù)等指標(biāo)較直向過岔時明顯增大。

(3)可動心軌道岔消除了轍叉的有害空間，優(yōu)化了輪軌接觸關(guān)系，車輪由翼軌向心軌過渡時不會出現(xiàn)瞬時脫空現(xiàn)象，更利于行車安全。