高速道岔輪軌力學行為研究

于淼

（中車大連機車車輛有限公司城鐵開發(fā)部，遼寧 大連 116022）

高速道岔是高速鐵路的關(guān)鍵設(shè)備，也是薄弱環(huán)節(jié)之一，近年來隨著國內(nèi)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，對其進行系統(tǒng)性研究顯得更為迫切。目前，國內(nèi)共鋪設(shè)了5 000多組正線高速道岔[1]，總體狀態(tài)良好，但同樣存在一些問題，例如道岔區(qū)幾何參數(shù)超限導致車體異常晃動、尖軌心軌位移不足、曲尖軌磨耗以及表層接觸疲勞、直尖軌非工作邊裂紋、道岔區(qū)螺栓孔裂紋、扣件松動等[2]。

國內(nèi)外對道岔輪軌動態(tài)相互作用方面的研究工作已開展很多年。SCHUPP等[3]研究了道岔區(qū)輪軌多點接觸在多體動力學仿真中的實現(xiàn)方法。KASSA等[4]基于多體動力學軟件GENSYS建立了列車/道岔動力學模型，研究關(guān)鍵參數(shù)隨機輸入情況下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。ALFI等[5]提出能夠計算列車/道岔中頻動態(tài)響應(yīng)的數(shù)學模型，模型中考慮變截面鋼軌及彈性軌道，并且根據(jù)現(xiàn)場試驗實測數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性。SEBES等[6]運用多點赫茲接觸理論建立道岔區(qū)的輪軌接觸模型，結(jié)合多體動力學理論，分析列車通過可動心軌道岔時的接觸斑位置、接觸應(yīng)力及等效應(yīng)力等動態(tài)響應(yīng)。王平等[7]基于輪軌系統(tǒng)動力學，結(jié)合道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)自身特點，研究了道岔區(qū)多點輪軌接觸關(guān)系，建立了列車-道岔空間耦合動力學分析理論。任尊松[8]對車輛過岔時輪軌多點接觸及車輛-道岔系統(tǒng)動態(tài)相互作用進行了研究。陳嶸[9]建立了完整的車輛-道岔-橋梁耦合振動模型，計算分析了列車通過橋上道岔時系統(tǒng)的振動響應(yīng)，并進行了試驗驗證。全順喜[10]分析了隨機不平順及實測不平順對岔區(qū)輪軌耦合振動的影響，提出了岔區(qū)幾何不平順的控制限值和調(diào)整方法。

目前，利用列車-道岔耦合動力學理論分析高速列車與道岔動態(tài)相互作用僅限于低頻時域范圍[1]。本文將針對18號高速無砟道岔輪軌動力學行為進行研究，建立車輛-道岔剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學模型，將輪對設(shè)為柔性體，利用功率譜密度和時頻分析等方法分析列車過岔時的動態(tài)相互作用。

1 車輛-道岔系統(tǒng)動力學模型

選用某動車組及18號高速無砟道岔參數(shù)建立了車輛-道岔耦合系統(tǒng)動力學模型，如圖1所示。

圖1 車輛-道岔系統(tǒng)動力學模型

道岔區(qū)變截面模型由軌道縱向的若干特征截面通過線性插值得到，如圖2所示。

圖2 尖軌模型

尖軌區(qū)段輪軌靜態(tài)接觸幾何如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)轍區(qū)輪軌靜態(tài)接觸幾何關(guān)系

當尖軌寬0.02～0.03 m時，轉(zhuǎn)轍區(qū)輪軌接觸由基本軌過渡到尖軌。轍叉區(qū)心軌采用橫向藏尖結(jié)構(gòu)，分為長心軌和短心軌，基于同樣方法獲得轍叉區(qū)模型，如圖4所示。

圖4 轍叉區(qū)模型

護軌為分開式的33 kg/m槽型鋼軌。道岔系統(tǒng)設(shè)有垂向、橫向的剛度和阻尼。為了研究列車通過高速道岔時輪對的高頻振動情況，將一位輪對設(shè)為柔性體，利用有限元軟件進行聯(lián)合仿真。取柔性輪對的前15階模態(tài)，由于計算輪對模態(tài)時沒有施加任何約束，所以前6階為輪對的剛體模態(tài)，即剛體運動，所對應(yīng)的固有頻率為0，輪對振動頻率如表1所示。

表1 柔性輪對各階振動頻率與模態(tài)

2 計算結(jié)果分析

本文主要研究道岔區(qū)輪軌接觸幾何改變對輪軌垂向作用力和輪對垂向加速度的影響，因此，分別對列車直向、側(cè)向通過18號高速道岔時，輪軌間垂向作用力和輪對垂向加速度情況進行分析。

2.1 直向過岔

由于18號高速道岔的直向允許通過速度為350km/h，實際通過速度為300 km/h，所以，選取列車運行速度分別為270 km/h、290 km/h、310 km/h、330 km/h和350 km/h時的結(jié)果進行對比。不同速度下，列車直向過岔輪軌間垂向力如圖5所示。

圖5 直向過岔輪軌垂向力

由圖5可知，由于車軸彎曲，在非轉(zhuǎn)轍區(qū)和轍叉區(qū)段，輪軌垂向力出現(xiàn)周期小幅振動，隨著速度增加，振幅略有增大。當速度為270 km/h時，振幅約0.8 kN；當速度為350 km/h時，振幅約2.7 kN，運行速度每增加20 km/h，輪軌間垂向作用力振幅增大不超過1 kN。直向過岔時，在轉(zhuǎn)轍區(qū)，輪軌間作用力變化不明顯，當距離尖軌尖端約7 m時，即尖軌寬度由0.02 m增大到0.05 m過程中，車輪完成了由基本軌到直尖軌的過渡，輪軌力先下降后上升，差值約14 kN；在轍叉區(qū)，在距離心軌理論尖端約1 m處，即心軌寬度在0.04 m左右，車輪完成了由翼軌到長心軌的過渡，輪軌力出現(xiàn)最大值，約為80 kN，是輪軌間靜態(tài)垂向力的1.5倍，對心軌造成沖擊。

不同速度下，列車直向過岔輪對垂向加速度如圖6所示。

圖6 直向過岔輪對垂向加速度

由圖6可知，由于車軸彎曲，輪對垂向加速度出現(xiàn)周期小幅振動，振幅小于7 m/s2，隨著速度增加，振幅略有增大，與輪軌垂向力的波動情況基本一致。直向過岔時，在轉(zhuǎn)轍區(qū)，輪對垂向加速度變化不明顯；在轍叉區(qū)，在距離心軌理論尖端約1 m處，即心軌寬度在0.04 m左右，車輪完成了由翼軌到長心軌的過渡，輪對垂向加速度達到最大值，取絕對值，約為45 m/s2，對心軌造成一定沖擊作用。運行速度對道岔區(qū)輪對垂向加速度峰值的影響不大。因此，只選取310 km/h運行速度時的輪對垂向振動加速度結(jié)果，對其進行時頻分析，如圖7所示。

圖7 直向過岔輪對垂向加速度時頻分析

由圖7可知，當以310 km/h速度直向過岔時，輪對垂向振動加速度的振動主頻為31.9 Hz，同時在時頻圖中可以看到在30 Hz附近的一條光帶，說明該頻率存在于整個運行里程，與輪對轉(zhuǎn)動頻率基本一致，說明該主頻是源于柔性輪對車軸的彎曲變形。直向過岔輪對垂向加速度高頻段時頻分析如圖8所示。從圖中可以看出，時頻面能量在轍叉區(qū)較高，里程位置約為54 m，即輪軌接觸由翼軌過渡到心軌的區(qū)段。該沖擊引起輪對高頻振動，而轉(zhuǎn)轍區(qū)的沖擊不明顯。通過對輪對垂向加速度做200 Hz高通濾波，獲取高頻振動情況。

圖8 直向過岔輪對垂向加速度高頻段時頻分析

由圖8可知，輪對垂向加速度在高頻區(qū)段，存在291 Hz的主頻，且該頻率覆蓋了全部運行里程，而心軌對輪對的沖擊主要激發(fā)了輪對300～500 Hz的高頻振動，且能量主要集中在300 Hz左右。對照表1中柔性輪對各階振動頻率，其中，第12階模態(tài)對應(yīng)的振動頻率為296.93 Hz，為輪對的對稱傘型模態(tài)。第13階和第14階模態(tài)對應(yīng)的振動頻率為316.12 Hz，分別為輪對的3次水平和垂向彎曲模態(tài)。

車輪在心軌處的沖擊引起的輪對振動加速度主頻與這三階模態(tài)對應(yīng)的固有頻率相接近，易引起輪對對稱傘型和3次彎曲模態(tài)的復(fù)合振動，由于模態(tài)階數(shù)較高，能量相對較小。

2.2 側(cè)向過岔

由于18號高速道岔的側(cè)向允許通過速度為80 km/h，所以，選取列車運行速度分別為60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h時的結(jié)果進行對比。列車側(cè)向過岔時，輪軌接觸情況相對直向過岔復(fù)雜。側(cè)向過岔時，輪軌接觸在轉(zhuǎn)轍區(qū)由基本軌過渡到曲尖軌，在轍叉區(qū)由翼軌過渡到長心軌，接著由長心軌過渡到短心軌，最后通過短心軌末端的滑動接頭。

不同速度下，列車側(cè)向過岔輪軌間垂向力如圖9所示，輪軌垂向力峰值如圖10所示。

圖9 側(cè)向過岔輪軌垂向力

圖10 側(cè)向過岔不同速度下輪軌垂向力峰值

由圖9可知，由于運行速度較慢，由柔性輪對車軸彎曲引起的輪軌垂向力周期振動不明顯。側(cè)向過岔時，18號道岔存在半徑為1 100 m的圓曲線，且直線和圓曲線之間沒有緩和曲線過渡，輪對沖角較大，所以位于圓曲線初始位置的曲尖軌部分會受到較大沖擊。且隨著運行速度的增加，輪軌接觸由基本軌過渡到尖軌時的沖擊力越大，由于離心力作用，圓曲線區(qū)段輪軌間作用力也逐漸增大。在轍叉區(qū)，輪軌間垂向力出現(xiàn)3個振動峰值，分別對應(yīng)輪軌接觸由翼軌過渡到長心軌，由長心軌過渡到短心軌，再通過滑動接頭。

由圖10可知，同一速度下，尖軌處的輪軌垂向力峰值大于長心軌、長心軌大于短心軌、短心軌大于滑動接頭，尖軌處垂向力峰值較大主要是由于過渡區(qū)位于道岔圓曲線初始位置，車輪與尖軌發(fā)生接觸時更接近于車輪輪緣。而長心軌、短心軌、滑動接頭的尖端角度遞增，使得過渡區(qū)的輪軌接觸逐漸趨于車輪踏面中部，使得垂向力峰值降低，沖擊減小。

不同速度下，列車側(cè)向過岔輪對垂向加速度波形基本相似，當列車運行速度為80 km/h時輪對垂向加速度如圖11所示，不同速度下輪對垂向加速度峰值情況如圖12所示。

圖11 側(cè)向過岔輪對垂向加速度

圖12 側(cè)向過岔不同速度下輪對垂向加速度峰值

由圖11可知，輪對垂向振動加速度基本上是以X軸為中心軸上下振動，不同于輪軌垂向力受曲線離心力的影響，振動波形存在趨勢項。由于車軸彎曲，輪對垂向振動加速度出現(xiàn)周期小幅振動，振幅小于1 m/s2。側(cè)向過岔時，在轉(zhuǎn)轍區(qū)，同樣由于離心力作用，當輪軌接觸由基本軌過渡到曲尖軌時，即距離尖軌尖端約4 m處，輪對垂向加速度出現(xiàn)振動峰值，約為46 m/s2，振動方向向上；在轍叉區(qū)，出現(xiàn)的3個振動峰值分別在距離心軌理論尖端約0.4 m、2 m、9.5 m，沖擊鋼軌。由圖12可知，隨著速度增加，輪對垂向加速度峰值逐漸上升，且同一速度下尖軌處的峰值大于長心軌、長心軌大于短心軌、短心軌大于滑動接頭處，與輪軌垂向力的規(guī)律一致。其中，在列車運行速度為60 km/h和70 km/h時，短心軌處的峰值略大于滑動接頭。對列車運行速度為80 km/h時輪對垂向振動加速度進行時頻分析，如圖13所示。

圖13 側(cè)向過岔輪對振動加速度時頻分析

由圖13可知，側(cè)向過岔時，輪對垂向加速度有多個振動主頻，功率譜密度最大的主頻為8.203 Hz，近似于運行速度為80 km/h的輪對轉(zhuǎn)動頻率8.225 Hz，該主頻為輪對轉(zhuǎn)動的固有頻率，是由柔性輪對車軸彎曲引起。由于運行速度較低，在時頻圖中對應(yīng)頻率的能量不是很明顯。從功率譜中可以看出在250～350 Hz之間，出現(xiàn)輪對振動加速度的高頻振動主頻，約為298.4 Hz，結(jié)合時頻圖可知，時頻面能量在轉(zhuǎn)轍區(qū)較高，里程位置約為4 m，即輪軌接觸由基本軌過渡到曲尖軌。同樣，該沖擊引起輪對振動加速度主頻與輪對第12、13、14階模態(tài)對應(yīng)的固有頻率相接近，易引起輪對對稱傘型和3次彎曲模態(tài)的復(fù)合振動。而轍叉區(qū)的沖擊不明顯，3個振動峰值對應(yīng)的里程位置處的時頻面能量較小。

3 結(jié)論

將輪對設(shè)為柔性體，可獲得輪對高頻振動情況，由于車軸兩端在軸重載荷下彎曲變形，致使軸端的中心點不在輪對轉(zhuǎn)軸的中心線上，在列車運行中，輪軌力和輪對振動加速度會出現(xiàn)幅值隨列車運行速度變化的等幅振動，且振動頻率與輪對轉(zhuǎn)動頻率一致。

直向過岔時，車輪在轍叉的區(qū)作用力相對于轉(zhuǎn)轍區(qū)明顯，對長心軌寬約0.04 m處沖擊較大；側(cè)向過岔時，車輪對轉(zhuǎn)轍區(qū)作用力相對于轍叉區(qū)明顯，對曲尖軌寬約0.02 m處沖擊較大，且隨著運行速度的加快，輪軌間垂向力和輪對垂向加速度均逐漸上升，同一運行速度下，尖軌處的峰值大于長心軌、長心軌大于短心軌、滑動接頭處最小。

直向過岔時車輪對長心軌的沖擊以及側(cè)向過岔時對曲尖軌的沖擊均激發(fā)了輪對垂向加速度300 Hz左右的高頻振動，接近于輪對的固有頻率，易引起輪對對稱傘型和3次彎曲模態(tài)的復(fù)合振動。