高速铁路道岔尖轨降低值对行车平稳性影响机理研究

道岔区轨道刚度合理取值及均匀化,转辙器运动学轨距优化及尖轨降低值合理设置是保证动车组安全､平稳､高速直向通过道岔的三大核心技术｡在尖轨降低值合理设置方面,2007年中国铁道科学研究院在时速250km的18号道岔综合试验中发现尖轨降低值超差会严重影响行车的平稳性｡文献指出,尖轨降低值影响列车过岔时的轮载过渡范围,从而影响车体过岔的平稳性｡文献提出了1种对道岔区轮轨力在尖轨和基本轨上转移与分配的计算方法｡文献对道岔尖轨降低值的重要作用进行了初步理论分析｡󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

本文结合动车组通过京沪高速铁路黄渡线路所2号岔位42号无砟道岔时出现的晃车问题,运用多体动力学分析软件NUCARS进行列车—道岔耦合系统的仿真分析,研究高速铁路道岔尖轨降低值影响行车平稳性的机理｡󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1 黄渡线路所2号岔位42号道岔行车平稳性超标原因分析

黄渡线路所2号岔位42号无砟道岔的直､侧向设计速度分别为350和160km·h^-1,道岔侧线平面线型为R10119m缓和曲线+R4100m圆曲线+R∞缓和曲线,全长157.2m,前长60.573m,后长96.627m｡基本轨长度为51.598m,采用CHN60钢轨制造｡尖轨长47.248m,采用EN60E1A1钢轨制造,尖轨加工1∶40轨顶坡｡

道岔转辙器采用构造轨距加宽技术,最大轨距加宽15mm,轨距加宽量､尖轨轨头宽度和尖轨降低值(尖轨顶面与基本轨顶面的高差)沿道岔纵向的变化分别如图1—图3所示｡尖轨和基本轨几何匹配如图4所示,尖轨由实际尖端开始逐渐变宽,同时尖轨轨头顶面由低于基本轨顶面11.7mm逐渐抬高至与基本轨顶面等高｡󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2011年8月添乘仪检测数据反映出CRH380AL型､CRH380BL型和CRH2型动车组均有不同程度的“晃车”问题,CRH380AL型动车组车体横向加速度在0.6~1.3m·s^-2范围,平均值为0.8m·s^-2,实测车体横向加速度如图5所示｡CRH380BL型动车组车体横向加速度在0.7~1.3m·s^-2范围,平均值为0.8m·s^-2,实测车体横向加速度如图6所示｡CRH2型动车组车体横向加速度较CRH380AL和CRH380BL大,平均幅值1.3m·s^-2,最大为2.2m·s^-2,超过《高速铁路无砟轨道线路维修规则》规定的限速容许偏差管理值2.0m·s^-2,人体感觉“晃车”非常明显｡动检波形显示“晃车”位置在转辙器处,车载式轨道检查仪和动检车检测数据反映出类似规律｡为保证动车组过岔安全性和平稳性,2011年10月5日起该道岔直向限速160km·h^-1｡

“晃车”发生后,对道岔及其前后线路进行了检测｡道岔区轨距偏差最大-1mm,水平偏差最大0.9mm,轨面无水平三角坑,道岔区轨道几何尺寸不超标,各类零部件齐全,顶铁与钢轨件､钢轨件与钢轨件间密贴良好,道岔状态总体良好｡检测出的问题有:道岔和区间线路有偏差为5mm的长波高低不平顺;43号与44号岔枕间直尖轨顶面有一长110mm､宽40mm､深0.5mm左右的低凹｡维修人员对道岔平纵断面进行了精调,优化了道岔平面线形,同时对钢轨表面光带不良处进行了修理性打磨｡但上述措施没有改善“晃车”现象,说明“晃车”不是道岔轨距､水平､高低､方向超过容许偏差管理值引起的｡

为探索“晃车”现象的原因,对直尖轨降低值进行了测量,尖轨的设计降低值和实际降低值如图7所示｡可见,尖轨实际降低值偏大,与设计值最大相差达2.3mm｡尖轨实际轨顶面低于设计轨顶面,造成尖轨受力过小,轮轨垂直力不能及时从基本轨转移到尖轨上｡按照设计,列车逆向过岔时,尖轨在轨头宽度20mm断面开始部分承受轮轨垂直力,在40~50mm断面处开始承受全部轮轨垂直力,而现场钢轨表面光带显示,在尖轨顶面宽约35mm处才开始部分承受轮轨垂直力,在40~50mm断面处仍未能承受全部轮轨垂直力,致使列车直向进入尖轨时尖轨侧车轮滚动半径小,列车轮对和车体急剧向尖轨侧偏移,造成“晃车”｡󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2 道岔尖轨降低值对动车组运行平稳性影响机理分析

为研究尖轨降低值对行车平稳性的影响,运用多体动力学分析软件NUCARS建立列车—道岔模型,进行仿真计算｡

2.1 仿真模型及参数

车辆模型由1个车体､2个构架､4对轮对共7个刚体组成｡车体和构架具有纵向､横移､沉浮､点头､侧滚和摇头6个自由度,轮对具有纵向､横移､沉浮､侧滚和摇头5个自由度,车辆模型共有38个自由度｡

采用如图8所示的NUCARS中的“双轨”模型模拟道岔结构中尖轨相对于基本轨的空间位置变化,该模型中基本轨和尖轨分别由2个可以独立移动和旋转的钢轨模拟｡轨距加宽值､尖轨轨头宽度和尖轨降低值沿道岔纵向的变化等参数同图1—图3,基本轨和尖轨相对空间位置参数同图4,轨道垂向刚度为22.5kN·mm^-1｡

道岔与区间线路的区别在于钢轨型面不断变化,车轮通过道岔时,轮轨接触点必将在基本轨和尖轨间转换｡本文采用NUCARS的新型渗透接触模型模拟轮轨间的接触,该轮轨接触模型中,轮轨接触几何关系在每个积分步中实时计算得到｡󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.2 仿真结果

列车以300km·h^-1速度直逆向通过42号道岔转辙器时,在尖轨设计和实际降低值条件下计算的1位轮对横移量如图9所示,前转向架中心和后转向架中心位置的车体横向加速度如图10和图11所示,1位轮对轮轨水平力和轮轨垂直力如图12和图13所示｡

由图9—图13可知,在尖轨设计降低值条件下(理论工况)1位轮对的横移量为7.8mm,在尖轨实际降低值条件下(实际工况)一位轮对的横移量增加至10.6mm,增加了36%,此时轮缘已经和钢轨工作边接触,会导致轮轨水平力和车体横向加速度增大;设计降低值条件下前转向架中心和后转向架中心位置的车体横向加速度最大值分别为0.49和0.78m·s^-2,实际降低值条件下加速度最大值分别增加至0.96和1.20m·s^-2,分别增加了96%和54%,说明尖轨降低值对车体横向加速度影响非常显著;设计降低值条件下1位轮对轮轨水平力和轮轨垂直力最大值分别为4.3和60kN,实际降低值条件下两者最大值分别增加至5.7和65kN,分别增加了33%和8.3%｡可见,尖轨降低值对轮轨水平力的影响显著,对轮轨垂直力影响较小,实际降低值条件下轮轨垂直力和轮轨水平力的响应较设计降低值条件下有一定的滞后,与定性分析一致｡

为了模拟不同车速下尖轨降低值对不同动力学参数的影响,计算了动车组以120,160,200,250,300,350km·h-1速度直逆向通过42号道岔转辙器时轮对横移､车体横向加速度､轮轨水平力和轮轨垂直力,结果如图14—图18所示｡由图14可知,在设计降低值和实际降低值条件下,随车速的提高轮对横移量均呈减小趋势,但实际降低值条件下的各档车速对应的轮对横移量均远大于设计降低值条件下｡由图15可知,在设计降低值条件下不同车速时前转向架中心处车体横向加速度稳定在0.3~0.6m·s^-2范围内,而在实际降低值条件下,车体横向加速度随车速的增大而显著增大,从160km·h^-1时的0.4m·s^-2增加到350km·h^-1时的1.2m·s^-2,从而导致“晃车”｡比较图15和图16可知,后转向架中心处车体横向加速度随车速的变化趋势与前转向架相同,实际降低值条件下车体横向加速度最高达到1.6m·s^-2｡由图17可知,轮轨水平力在设计降低值条件下基本保持不变,稳定在3.8~4.9kN,实际降低值条件下轮轨水平力比设计降低值条件下大,在5.3~6.2kN,且随车速增大而增大｡由图18可知,轮轨垂直力在设计和实际降低值条件下均随车速的提高而增大,设计降低值条件下为50~64kN,实际降低值条件下为53~70kN,说明尖轨降低值的变化对轮轨垂直力影响相对较小｡

可见,理论计算证明了尖轨降低值和道岔“晃车”现象的相关性,实际尖轨降低值超过容许限值会导致动车组直向过岔时轮对横移量显著增大,导致轮缘持续贴靠尖轨工作边运行,使得轮轨水平力显著增大,导致车体横向加速度显著增大,从而发生“晃车”现象｡

3 整治措施及其效果

根据测量的“晃车”时实际尖轨降低值的情况,通过更换合理厚度的基本轨下橡胶垫和尖轨下滑床台(如图19所示),使调整后的实际直尖轨降低值满足高速铁路无砟轨道道岔铺设技术条件的规定｡调整后的实际尖轨降低值如图7所示,与设计降低值的差值在1mm以内｡尖轨降低值调整后,利用添乘仪对动车组过岔时的行车平稳性进行了测试,得到CRH380AL型和CRH380BL型动车组直向过岔时车体的横向加速度测试数据,如图20和图21所示｡实测数据显示,尖轨降低值调整后,CRH380AL型动车组的车体横向加速度由0.6~1.3m·s^-2减小为0.4~0.6m·s^-2,CRH380BL型动车组车体的横向加速度由0.7~1.3m·s^-2也减小为0.4~0.6m·s^-3,与图15和图16所示的仿真计算数据基本一致｡

4 结论与建议

(1)尖轨实际降低值与设计值相差超过2mm时会引起车体横向加速度显著增大,车体加速度最大值可超过《高速铁路无砟轨道线路维修规则》中规定的限速容许偏差管理值,导致严重“晃车”｡

(2)动力学仿真计算表明:尖轨实际降低值与设计值相差超过2mm时,轮对横移量､车体横向加速度､轮轨水平力和垂直力较尖轨设计降低值条件下,均有所增大｡其中,随车速提高,车体横向加速度增幅尤其显著,动车组需限速运行方可保证其行车平稳性｡󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

(3)在道岔制造和铺设中,应严格控制尖轨降低值的容许偏差｡在维修中,应关注降低值变化给行车平稳性带来的影响｡当尖轨降低值影响行车平稳性时,可通过更换不同厚度的基本轨下橡胶垫板或尖轨下滑床台调整尖轨降低值｡󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

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原文名称：高速铁路道岔尖轨降低值对行车平稳性影响机理研究󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

作者信息：王树国，司道林，王猛，葛晶（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

期刊信息：中国铁道科学 2014年5月　󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄢󠄢󠄠󠄞󠄢󠄥󠄞󠄡󠄥󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮