客货共线铁路12号可动心轨道岔线型优化

马莉（中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京　100081）

客货共线铁路12号可动心轨道岔线型优化

马莉
（中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京100081）

采用多体动力学和非线性有限元仿真相结合的方式，针对客货共线铁路12号可动心轨道岔建立轮轨接触应力瞬态分析模型和车辆-道岔耦合动力学模型，分析不同轴重条件下的轮轨接触应力分布特性，得出货车直向和侧向通过道岔时的动力学响应，并针对曲尖轨提出5种线型优化方案。方案对比分析表明：为保证行车安全性并减小道岔养护维修工作量，在道岔长度不变的条件下，曲尖轨宜增大曲线尖轨半切线的相离距离；在相邻间距条件允许的情况下，曲尖轨更适宜采用切线线型并增大导曲线半径。

客货共线铁路；12号可动心轨道岔；线型优化；轮轨接触；动力学响应

目前客货共线铁路道岔总数超过10万组，其中单开道岔约占95%。区间线路的轨道结构随着无缝线路的发展已经得到强化，道岔成为客货共线铁路的薄弱环节和限制行车速度的关键设备。在运营过程中发现列车侧向通过道岔时，尖轨、心轨等部件在短时间内就会出现磨耗、压溃和掉块病害。据统计整铸辙叉的使用寿命约为0.6～0.8亿t通过总重，仅为区间线路同型钢轨使用寿命的1/8～1/10，养护维修工作量巨大。结合客货共线铁路轴重增加的紧迫需求，针对主型道岔进行线型优化是解决上述问题的重要方式。

1　客货共线铁路道岔轮轨关系仿真研究

道岔组成较为复杂，由转辙器、辙叉区和连接部分组成。其中转辙器的尖轨和辙叉区的翼轨与心轨的踏面形状不规则，尤其是道岔采用可动心轨时，踏面形状更加复杂。在车辆-道岔耦合分析模型中通常采用10多个离散点代表道岔轨道节点并赋予不同的变截面特性，以较好地分析轨道动力学性能和车辆舒适性指标，但由于轨道的节点数目较少，不适宜分析车轮与道岔轨道的接触特性。因此本文首先使用ABAQUS有限元分析软件，建立客货共线主型12号可动心轨道岔的多节点轮轨接触应力瞬态分析模型，重点分析轮轨1点接触、2点接触下的应力分布特性，为道岔线型优化方案提供理论支撑。

1.1计算模型

考虑到车轮强度比道岔轨道强度高，且本文分析重点为道岔在车轮作用下的应力分布，因此将车轮简化为解析刚体。道岔的尖轨和基本轨均采用三维实体单元，其中尖轨部分形状不规则，为了保证有限元计算过程的快速收敛，将尖轨的外表面划分为三角形网格，内部将三角形网格拓扑为四面体单元，而基本轨形状标准，则采用六面体单元进行网格划分。

模型中道岔表面和轮对之间的接触关系通过定义法向接触力和切向滑动摩擦力来模拟。法向接触力采用“硬”接触模型，而滑动摩擦力采用库仑摩擦模型，摩擦系数取为0.35。同时考虑轨下橡胶垫板提供的弹性支撑，在道岔轨底按照每个橡胶垫板的分布尺寸均匀施加面刚度。为了模拟车轮轴重，在车轴的两侧施加垂向作用力，垂向作用力的取值为车轮通过道岔不同部位时的最大值，施力节点与车轮刚体运动的参考点之间设为耦合约束以此保证垂向作用力始终施加在轴的上表面，不随车轴滚动而产生偏移。

通过调整车轮在道岔轨道上的运行轨迹，最终确定了道岔轨道区段最不利的2个受力断面。其中1个断面位于尖轨尖端50 mm处，此处轮轨发生1点接触，由尖轨承受单侧车轮传来的全部压力；另外1个断面位于尖轨尖端35 mm处，此处轮轨发生2点接触，由尖轨和基本轨共同承受单侧车轮传来的压力。针对上述2种轮轨接触情况，分别计算23，25 t轴重时的轮轨接触应力分布。

1.2应力分布特性

1）道岔区轮轨发生1点接触、轴重为23 t时最大应力为120.8 MPa，轴重25 t时最大应力为125.7 MPa，随着轴重增大，最大应力约增大4.06%。

2）道岔区轮轨发生2点接触、轴重23 t时最大应力为469.0 MPa，轴重25 t时最大应力为512.7 MPa，随着轴重增大，最大应力约增大9.32%。

3）道岔区轮轨发生2点接触相对于1点接触的情况，尖轨承受荷载约为基本轨承受荷载的1.77倍，同时尖轨最大接触应力约为密贴基本轨接触应力的4倍。由于发生2点接触时车轮距离尖轨尖端较近，此处尖轨断面小且逐渐趋向尖细，不仅承受的荷载相对变大，且容易产生应力集中从而导致尖轨出现压溃、掉块现象，因此在道岔线型优化设计时应尽量减少或避免车轮行进时与尖轨前端发生2点接触的情况。

2　道岔线型优化

结合12号可动心轨道岔的轮轨接触应力分布特性，运用通用NUCARS软件建立车辆-道岔耦合动力学模型，首先分析不同轴重货车以车速80 km/h直向、45 km/h侧向通过12号可动心轨道岔时的动力学响应，确定道岔线型优化的区段。其次针对需要优化线型的区段进行方案设计，并比较选出最优方案。

2.1直向和侧向通过道岔的动力学响应对比

当23 t轴重C70货车和25 t轴重C80货车分别以车速80 km/h直向、45 km/h侧向通过12号可动心轨道岔时，车体和轨道动力学指标最大值见表1。

表1　不同工况12号可动心轨道岔的动力学指标最大值

由表1可知，随着列车轴重的增加，直向和侧向通过道岔时的轮轨垂向力、钢轨垂向挠曲、轮轨磨耗指数增加幅度较为显著，其中轮轨垂向力和钢轨垂向挠曲约增加8%，轮轨磨耗指数约增加12%，其他动力学指标变化不明显。而货车轴重相同时，侧向通过道岔的动力学响应明显大于直向通过道岔时的响应，其中轮轨横向力约增大5.5倍、轮轨磨耗指数约增大4倍，加大了侧向通过道岔时的养护维修工作量，因此需重点针对曲尖轨进行线型优化。

2.2侧向通过道岔的尖轨线型优化方案

本文结合道岔轮轨接触应力情况，通过调整曲尖轨相离距离、斜切距离、线型等参数，提出了5种侧向通过12号可动心轨道岔时的平面线型优化方案。具体方案如下。

方案1：相离12 mm、半切线线型，尖轨顶宽26 mm处做斜切，导曲线半径350 m，道岔全长37.8 m。

方案2：相离12 mm、半切线线型，尖轨顶宽34 mm处做斜切，导曲线半径350 m，道岔全长37.8 m。

方案3：相离 40.8 mm、半切线线型，尖轨顶宽68.8 mm处做斜切，导曲线半径 350 m，道岔全长37.8 m。

方案4：相离 40.8 mm、半切线线型，尖轨顶宽66.8 mm处做斜切，导曲线半径 350 m，道岔全长37.8 m。

方案5：切线线型，尖轨顶宽30.9 mm处做斜切，导曲线半径500 m，道岔全长41.4 m。

5种方案尖轨长度见表2。

表2　5种方案尖轨长度　mm

2.3尖轨线型优化方案的比较

当货车以45 km/h侧向通过12号可动心轨道岔时，对上述5种尖轨线型进行了动力学响应分析，综合考虑了行车的安全性指标和磨耗指数，计算结果见图1。由图1可知：

1）方案1和方案2尖轨线型均为半切线相离线型且相离距离相同，区别在于方案2的斜切位置要远于方案1，由计算结果可知方案1和方案2的脱轨系数、减载率、轮轨横向力、磨耗指数的差别很小，表明调整相离线型的斜切位置对改善轮轨动力作用影响较小。

2）方案3和方案4尖轨线型同样为半切线相离线型，但与前2种方案相比，增大了相离距离。由计算结果可知方案3和方案4的脱轨系数、减载率、轮轨横向力、磨耗指数与前2种方案的数值相比变化不大，但最大值出现的位置发生了后移，间接改善了尖轨薄弱部位的受力。

图1　不同道岔线型优化方案动力学指标沿线路里程分布

3）方案5相对于前4种方案，脱轨系数、减载率、轮轨横向力、磨耗指数明显减小，其中脱轨系数、磨耗指数约减少10%。这是由于该方案增大了导曲线半径，延长了道岔长度，相应减小了轨道受力。

综上所述，为了保证行车安全性以及减小道岔养护维修工作量，在道岔长度不变的条件下，曲尖轨宜增大曲线尖轨半切线的相离距离，在相邻间距条件允许的情况下，曲尖轨更适宜采用切线线型并增大导曲线半径。

3　结论

1）12号可动心轨道岔发生2点轮轨接触相对于1点轮轨接触，尖轨承受荷载约为基本轨承受荷载的1.77倍，尖轨最大接触应力约为密贴基本轨接触应力的4倍。同时2点接触的断面距离尖轨尖端较近，易产生应力集中从而导致尖轨出现压溃、掉块现象，在道岔线型优化设计时应尽量减少或避免车轮行进时与尖轨前端发生2点接触的情况。

2）随着列车轴重的增加，直向和侧向通过12号可动心轨道岔时轮轨垂向力和钢轨垂向挠曲约增加8%，轮轨磨耗指数约增加12%。而货车轴重相同时，侧向通过道岔的动力学响应明显大于直向通过道岔时的响应，其中轮轨横向力约增大5.5倍、轮轨磨耗指数约增大4倍。为了减小道岔的养护维修工作量，应重点针对侧向过岔的曲尖轨进行线型优化 。

3）曲尖轨调整相离线型的斜切位置对改善轮轨动力作用的影响较小。在道岔长度不变的条件下，曲尖轨宜增大曲线尖轨半切线的相离距离，在相邻间距条件允许的情况下，曲尖轨更适宜采用切线线型并增大导曲线半径。

［1］王树国，王猛，司道林，等.曲线尖轨线型对其磨耗特性影响的研究［J］.铁道建筑，2015（1）：98-102.

［2］王树国，葛晶，王猛，等.重载铁路12号道岔设计［J］.铁道建筑，2013（12）：87-92.

［3］孙加林，宣言，王树国.铁路道岔动态轨距优化技术的仿真研究［J］.铁道建筑，2010（7）：116-120.

［4］任尊松，翟婉明，王其昌.空间轮轨接触几何关系在车辆-道岔系统动力学中的应用［J］.铁道学报，2001，23（5）：11-15.

［5］史玉杰，胡仁伟，李古.秦沈客运专线无缝道岔的优化设计和试验研究［J］.中国铁道科学，2002，23（2）：65-70.

（责任审编李付军）

Alignment Optimization for 12#Movable Point Turnout of Railway for Mixed Passenger and Freight

MA Li
（Railway Science and Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T aking 12#movable rail turnout of mixed passenger and freight railway as an example，the transient analysis model of wheel-rail contact stress and vehicle-turnout coupling dynamic model were established by combining the multi-body dynamics and nonlinear finite element method，the wheel-rail contact stress distribution characteristics under difference axle load were analyzed，the dynamic response of freight train passing through turnout directly and laterally，and five optimization schemes of curved switch rail were proposed.Comparative analysis of the schemes showed that semi-tangent separating distance should be increased for curved switch rail with the same turnout length in order to ensure traffic safety and reduce the turnout maintenance and repair，the tangent alignment profile should be used for curved switch rail and the lead curve radius should be increased if adjacent spacing condition is permitted.

M ixed passenger and freight railway；12#movable point turnout；Alignment optimization；W heel-rail contact；Dynamic response

U213.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.31

1003-1995（2016）08-0125-04

2016-04-11；

2016-06-21

马莉（1980— ），女，助理研究员。