30 t轴重12号重载道岔交叉渡线轮轨力学行为及安全性研究

侯博文，高　亮，崔日新，何雪峰

(1.北京交通大学，北京　100044;2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



30 t轴重12号重载道岔交叉渡线轮轨力学行为及安全性研究

侯博文1，高亮1，崔日新1，何雪峰2

(1.北京交通大学，北京100044;2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

30 t轴重重载道岔已在山西中南部通道正线上投入使用，但对配套重载交叉渡线的研究尚属空白。基于车辆-道岔耦合动力学，采用多体动力学分析软件SIMPACK建立30 t重载货车-12号交叉渡线动力仿真模型，分析重载列车过岔方式、过岔速度及轨底坡设计对行车安全性的影响，为30 t轴重重载铁路交叉渡线的设计提供合理建议。

重载铁路；交叉渡线；动力响应；轨底坡

随着国家经济的快速发展及社会的不断进步，重载铁路在满足大宗货物运输中的作用日益突出。重载铁路已成为铁路货运现代化的重要标志与发展目标。我国铁路“十二五”发展规划中将华中地区煤运通道、山西中南部通道、张唐铁路等多条重载线路列为重点任务，其中山西中南部通道是国内第一条30 t轴重标准的重载铁路，目前已建成投入运营。

道岔是引导车辆由一股线路转到另一股线路的重要轨道结构。交叉渡线作为道岔的配套结构，可有效方便站场设计，节省工程投资。山西中南部通道正线上的单开道岔已全部采用重载道岔[1-4]，但由于没有配套的重载交叉渡线产品，共有5组交叉渡线仍采用提速道岔，需限速运行。与单开道岔相比，交叉渡线的结构更为复杂，轨道结构不平顺所引起的轮轨相互作用更加剧烈。当30 t轴重的列车开行经过时，对交叉渡线结构安全性、轮轨磨耗的考验更是前所未有。而目前对交叉渡线的研究均集中于基于行车舒适性的客运交叉渡线设计[5-7]及交叉渡线无缝化研究[8-11]，而对重载铁路交叉渡线的研究尚属空白。

结合山西中南部重载铁路交叉渡线研究的迫切需求，本文基于车辆-道岔耦合动力学，采用多体动力学分析软件SIMPACK建立30 t重载货车-12号交叉渡线动力仿真模型，对重载列车过岔方式、过岔速度及轨底坡设计对行车安全性的影响进行分析，为30 t轴重重载铁路交叉渡线的设计提供合理建议。

1　货车-交叉渡线动力仿真模型的建立

1.1货车模型

基于多体动力学，依据30 t轴重货车设计参数[12]，结合车辆的结构形式和振动特点，建立了包含车体、转向架、摇枕、轮对的11体39自由度货车整车模型。其中车体、各轮对考虑沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动；传统三大件转向架结构考虑侧架的纵向、横移和摇头运动及摇枕的摇头运动。此外，模型中还考虑了摇枕、心盘、楔块及旁承等结构的非线性因素作用。

1.212号交叉渡线模型

交叉渡线模型根据60 kg/m钢轨12号道岔5.0 m间距交叉渡线的设计图纸建立(图1)。该交叉渡线由4组转辙器，2组6号钝角辙叉、2组6号锐角辙叉、4组单开12号固定辙叉以及各辙叉区对应的护轨组成。建模时首先按照12号交叉渡线的道岔实际尺寸和各股钢轨的空间布置提取道岔的若干典型截面坐标信息，生成SIMPACK可调用的钢轨截面文件。在SIMPACK中调用各关键位置的典型钢轨截面，并在每两个截面中进行线性插值以形成完整的轨道。

图1　12号道岔5.0 m间距交叉渡线

1.3轮轨接触模型

交叉渡线钢轨截面持续变化，轮轨接触方式多变。根据岔区车辆运行轨迹，轮轨接触处理时常考虑单点接触、踏面及轮缘的两点接触、踏面上的两点接触以及轮背与钢轨接触4种情况(图2)。计算时，首先对轨面和踏面形状进行离散，进而用迹线法动态确定轮轨空间接触几何关系。轮轨法向力根据Hertz非线性弹性接触理论计算，轮轨蠕滑作用采用Kalker线性理论计算[13]。当轮轨间出现两点接触时，轮轨法向力按照公式(1)计算

(1)

式中，N1、N2为两接触点处轮轨法向力；δ(N1)、δ(N2)为两接触斑的法向弹性压缩量；p(l)为轮轨接触常数，由公式(2)确定

(2)

式中，E为杨氏弹性模量；σ为轮轨材料泊松比；λ为轮轨接触椭圆长、短轴之比。

由于轮背与钢轨的接触时间非常短，因此轮背与钢轨接触的法向力可采用公式(3)所示的弹性接触模型进行计算

(3)

式中，kG为护轨横向刚度值；δ1为轮轨间间隙量；d为轮缘设计厚度；yG为护轨横向动态位移；Δ为轮缘槽各处宽度。

图2　轮轨接触方式示意

2　计算结果分析

利用所建立的30 t重载货车-12号交叉渡线动力仿真模型，对货车直向、侧向通过渡线时的动力特性进行计算，并研究了轨底坡对货车动力特性的影响。货车过岔时的轮轨动态作用及安全性进行评价指标如表1所示。

表1　30 t轴重重载货车动力特性评价指标[14，15]

注：Pst为车轮静载

2.1货车直向过岔动力特性

30 t轴重货车以100 km/h直向通过12号道岔交叉渡线时，最先受到冲击的第一轮对的左、右车轮与道岔间相互作用力典型时程曲线见图3～图5。

图3　货车直向过岔轮轨横向力

图4　货车直向过岔轮轨垂向力

图5　货车直向过岔护轨受力

重载货车直向通过12号道岔交叉渡线时，车辆依次通过转辙区尖轨(逆向)、12号固定辙叉心轨(逆向)、12号固定辙叉心轨(顺向)、转辙区尖轨(顺向)。由图3～图5可知，基本轨一侧的轮轨间接触力波动较小，且未发生多点接触；通过心轨及尖轨一侧时轮轨间发生了多点接触，且通过两个心轨区域附近时，基本轨一侧的车轮轮背均同护轨间发生了撞击。轮轨横向力、轮轨垂向力及轮背与护轨作用力最大值均出现在车辆逆向通过第一组12号单开辙叉叉心位置。

当30 t轴重重载货车分别以60、80、100 km/h直向通过交叉渡线时，货车行车安全指标及轮轨力最大值见表2。

表2　不同直向过岔速度下货车动力特性

由表2可知，行车安全指标及轮轨作用力均随着车辆直向过岔速度的提高而有所增大。当车辆过岔速度由60 km/h增加至100 km/h时，其中轮轨横向增幅仅为7.11%，变化并不明显；轮轨垂向力与护轨接触力增幅较大，增幅分别达到15.82%与28.49%。计算速度内，行车安全性指标及轮轨相互作用均未超过限值。

2.2货车侧向过岔动力特性

30 t轴重货车以50 km/h侧向通过12号道岔交叉渡线时，第一轮对的左、右车轮与道岔间相互作用力典型时程曲线见图6～图8。

图6　货车侧向过岔轮轨横向力

图7　货车侧向过岔轮轨垂向力

图8　货车侧向过岔护轨受力

重载货车侧向通过12号道岔交叉渡线时，车辆依次通过转辙区尖轨(逆向)、12号固定辙叉心轨(逆向)、6号锐角辙叉心轨(顺向)、6号钝角辙叉心轨尖轨(先顺向后逆向)、6号锐角辙叉心轨(逆向)、12号固定辙叉心轨(顺向)以及转辙区尖轨(顺向)，然后驶入另一股线路。由图6～图8可知，车辆在侧向通过整个交叉渡线过程中，由于列车通过“S”形曲线，先是左侧轮轨垂向力增大，右侧轮轨垂向力减小，通过交叉渡线的直线段后进入反向曲线时左侧轮轨垂向力减小，右侧轮轨垂向力增大。在通过整个交叉渡线道岔时，两侧车轮与钢轨间均发生了多点接触；通过心轨及尖轨一侧时轮轨间发生了多点接触，且通过两个辙叉区域附近时，车轮轮背均同护轨间发生了撞击。最大轮轨横向力出现在车辆逆向通过第一组12号单开辙叉叉心位置；最大轮轨垂向力出现在车辆通过第一组12号道岔转辙区尖轨附近；轮背与护轨间相互作用力最大值出现在车辆通过第一组12号辙叉叉心附近。

当30 t轴重重载货车分别以30、40、50 km/h侧向通过交叉渡线时，货车行车安全指标及轮轨力最大值见表3。

表3　不同侧向过岔速度下货车动力特性

由表3可知，行车安全指标及轮轨作用力均随着车辆侧向过岔速度的提高而有所增大。当车辆过岔速度由30 km/h增加至50 km/h时，其中轮轨横向增幅为13.91%，可见侧向过岔速度的增加会加剧轮轨间横向冲击；轮轨垂向力增幅不大，约为9.59%；护轨接触力增幅较大，达到29.81%。计算速度内，行车安全性指标及轮轨相互作用均未超过限值。

2.3轨底坡对动力特性的影响

当交叉渡线轨底坡分别为1∶20、1∶40时，30t轴重货车通过渡线时安全指标与轮轨力最大值对比如图9、图10，其中直向过岔速度为100 km/h，侧向过岔速度为50 km/h。

图9　轨底坡对货车安全性指标的影响

图10　轨底坡对货车轮轨力的影响

由图9、图10可知，交叉渡线轨底坡由1∶40改为1∶20后，货车通过交叉渡线时的安全指标和轮轨力均有所降低。车辆直向过岔时，脱轨系数降低4%，轮重减载率降低13.33%，轮轨横向力降低6.92%，轮轨垂向力降低8.73%，护轨受力降低1.48%；车辆侧向过岔时，脱轨系数降低25%，轮重减载率降低12.90%，轮轨横向力降低31.97%，轮轨垂向力降低0.72%，护轨受力降低2.48%。可见，采用1∶20轨底坡可降低车辆通过交叉渡线时的轮轨相互作用力，其中车辆侧向过岔时的轮轨横向力降低最为明显(其时程曲线见图11)，这对于缓解道岔结构受力，延长道岔使用寿命是较为有利的。

图11　轨底坡对货车侧向过岔时轮轨横向力的影响

图12为心轨顶宽20 mm、顶宽50 mm处分别设置1∶40轨底坡及1∶20轨底坡条件下车轮等效锥度随着轮轨间相对横向位移的变化。图13为轨底坡对货车直向、侧向过岔时轮对横向位移的影响。

图12　轨底坡对心轨顶宽20、50 mm处车轮等效锥度影响

图13　轨底坡对轮对横移量的影响

由图12、图13可知，与1∶40轨底坡相比，1∶20轨底坡的轮对横向位移略大。心轨顶宽20 mm断面与车轮间的接触点主要集中在尖轨的轨距角及尖轨顶端；心轨顶宽50 mm断面与车轮间的接触点主要集中在尖轨，接触点分布较为均匀。1∶40轨底坡条件下的左右车轮等效锥度大于1∶20轨底坡条件下的车轮等效锥度，说明在1∶40轨底坡下采用LM踏面的车轮对中回复能力优于1∶20轨底坡下，但也易降低蛇行失稳的临界速度，诱发蛇行运动。

3　结论

本文基于车辆-道岔耦合动力学，建立了30 t轴重重载货车-12号道岔交叉渡线动力仿真模型，研究了货车过岔方式、过岔速度及交叉渡线轨底坡对于货车通过时的各项安全指标的影响规律，主要结论如下。

(1)车辆直向通过交叉渡线时，轮轨横向力、轮轨垂向力及护轨受力最大值均出现在车辆逆向通过第一组12号单开辙叉叉心位置；车辆侧向通过交叉渡线时，最大轮轨横向力出现在车辆逆向通过第一组12号单开辙叉叉心位置，最大轮轨垂向力出现在车辆通过第一组12号道岔转辙区尖轨附近，轮背与护轨间相互作用力最大值出现在车辆通过第一组12号辙叉叉心附近。

(2)货车过岔速度增加，安全指标及轮轨力均有一定程度的增大，其中车轮与护轨间的冲击增加最为显著。当30 t轴重重载货车以100 km/h直向、50 km/h侧向通过12号道岔交叉渡线时，各项安全指标均符合相关规范要求。

(3)交叉渡线采用1∶20轨底坡时，货车的各向安全指标及轮轨力均小于1∶40轨底坡，且可降低车辆发生蛇行运动的几率。

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Wheel-rail Interaction and Safety Analysis of No.12 Scissors Crossover for 30 t Axle-load Wagon

HOU Bo-wen1， GAO Liang1， CUI Ri-xin1， HE Xue-feng2

(1.Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China; 2.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

The turnouts designed for 30t axle-load wagon have been used on central and southern heavy haul railway corridor in Shanxi province. However， no study has ever been conducted on auxiliary scissors crossover for heavy haul railway. Based on vehicle-turnout coupled dynamics， a No.12 scissors crossover coupled dynamic model for 30t axle-load wagon is established with multi-body dynamics software SIMPACK. The influences of wagons passing though scissors crossover， wagon speed and rail cant on wagon running safety indexes are analyzed. Reasonable recommendations are proposed for the design of the scissors crossover for 30 t axle-load heavy haul railway．

Heavy haul railway; Scissors crossover; Dynamic response; Rail cant

2015-11-30；

2016-03-02

北京市科技专项(Z151100001615005)；中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014G001-F)；北京市科技新星计划(XX2013012)

侯博文(1985— )，男，讲师，工学博士，主要研究方向为铁路轨道结构与轨道动力学，E-mail：bowenhoucn@163.com。

1004-2954(2016)08-0012-05

U213.6

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.003