动车组侧向通过9号道岔动力特性仿真研究

李　浩，赵国堂，孙加林

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　100044；2.广州铁路(集团)公司，广东 广州　510088；3.中国铁路总公司，北京　100844；4.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京　100081)

自2008年我国首条高速铁路京津城际铁路开通运营以来，我国高速铁路快速发展，截至2016年底，我国开通运营的高速铁路营业线长度已经超过2.2万公里。为了保证和维护高速动车组安全运营，需要修建动车运用所、动车组存车场等进行动车组的运用整备、日常养护维修等工作。随着城市规模的快速发展，土地资源变得紧缺，由于动车所的规模较大，且其建设也受诸多地形条件因素的限制，因此动车所一般多采用小半径曲线和小号码道岔。

根据TB 10621—2004《高速铁路设计规范》中关于动车段(所)的相关规定：除动车段(所、存车场)内到发停车场到达(出发)端的道岔宜采用12号道岔以外，其他区域道岔均采用9号道岔。通过对全国51个动车所调研表明，在我国高速铁路动车所内铺设有大量的9号道岔。由于9号道岔的导曲线半径为180 m，相比最小曲线线路的半径250 m还要小，且岔区侧向均不设置超高，因此动车组通过9号道岔的安全风险更大。另外，导致动车组需要镟轮的主要因素是轮轨侧面磨耗，且主要集中在小半径曲线以及道岔侧向地段。结合CRH5型动车组曾经在太原南动车所9号道岔后接R250 m的小半径曲线上出现过脱轨现象，且该类型动车组的车轮磨耗问题也较其他车型严重。本文选取CRH5型动车组作为研究对象，利用NUCARS软件建立车辆—道岔耦合动力学模型，分析动车组侧向通过9号道岔的行车安全性、磨耗情况，并研究降低侧向通过9号道岔的安全风险、减少轮轨侧磨、延长钢轨及车轮使用寿命的影响因素。

1　车辆—道岔耦合动力学模型

1.1　车辆模型

利用NUCARS软件建立CRH5型动车组动力学模型。车辆子系统模型中考虑整车，将车体、构架、轮对、轴箱均离散成刚体，由1个车体、前后2个构架、8个轴箱、4个轮对等15个刚性体组成。一系悬挂、二系悬挂均模拟为线性或非线性力元，模型如图1和图2所示[1]。

车体、前后构架均考虑纵移、横移、沉浮、侧滚、点头以及摇头6个自由度，8个轴箱、4个轮对均考虑纵移、横移、沉浮、侧滚与摇头5个自由度，整车模型共计78个自由度。各刚体之间用力元进行联结，CRH5型动车组模型共建立轮对—轴箱、构架—轴箱、车体—构架以及轮轨之间的力元102个，并定义这些力元的特性参数。

图1　CRH5型动车组动力学模型

1.2　道岔模型

动车所9号道岔采用固定辙叉心轨结构，侧向导曲线半径为180 m，且均不设置超高。由于当车辆侧向通过道岔时，车辆将经过曲尖轨、导曲部位、有害空间和固定心轨，因此为了精确描述道岔区钢轨变化的廓面型式，将道岔区离散为14个点(其中转辙器7个点，固定辙叉7个点)。然后利用MATLAB软件编程计算得出道岔区尖轨、固定心轨各关键断面的钢轨廓形离散点坐标数据,通过NUCARS软件提供的CFIT/WRCON程序拟合得到这些关键断面的廓面形状,关键断面间的廓形通过线性内插法得到,从而保证道岔区结构模型模拟的真实性，拟合得到的道岔区各关键断面廓形如图3—图16所示[2]。

图2　CRH5型动车组转向架构造

图3尖轨5 mm宽断面拟合廓形图4尖轨15 mm宽断面拟合廓形图5尖轨20 mm宽断面拟合廓形

图6尖轨30 mm宽断面拟合廓形图7尖轨35 mm宽断面拟合廓形图8尖轨40 mm宽断面拟合廓形

图9尖轨50 mm宽断面拟合廓形 图10辙叉有害空间断面拟合廓形图11固定心轨10 mm宽断面拟合廓形

1.3　轮轨接触模型

由于道岔区钢轨断面的变化复杂，可能会发生多种轮轨接触方式，因此充分考虑轮轨多点接触特征是道岔动力学仿真模拟的关键。本文采用基于虚拟穿透法的轮轨多点非赫兹接触理论，计算轮轨法向力和切向力等参数。该算法基于弹性半空间假设，采用Kik-Piotrowski模型，考虑车轮和钢轨虚拟穿透，通过弹性体间的相对位移及相互渗透量，引入接触刚度、接触斑形状和尺寸修正系数，采用迭代平衡计算轮轨多点非赫兹接触问题。法向压力分布沿前进方向呈椭圆形状，切向接触斑形状为非椭圆，利用Boussinesq方程求解半空间法向力作用下各点的位移和应力[3-9]。接触点的计算考虑轮轨接触区的弹性弯曲变形，同时也考虑钢轨的各种运动形态，只需要输入钢轨和车轮的踏面形状；接触关系均由实时计算求得，且接触点个数不受限制。

图12 固定心轨20 mm宽断面拟合廓形图13 固定心轨30 mm宽断面拟合廓形图14 固定心轨40 mm宽断面拟合廓形

图15　固定心轨50 mm宽断面拟合廓形

图16　固定心轨70 mm宽断面拟合廓形

1.4　轨道不平顺

道岔区不平顺主要包括：道岔区结构不平顺和随机不平顺。为了研究方便，暂不考虑随机不平顺的影响，仅考虑结构固有不平顺的影响。

2　9号道岔动力特性分析

由于9号道岔侧向通过的设计限速为30 km·h-1，分别仿真计算了CRH5型动车组以15，18，20，25和30 km·h-1的速度侧向通过50 kg·m-1钢轨9号道岔的5种工况，不同速度下安全性指标和磨耗功等动力时程曲线如图17—图21所示。

图17　不同速度条件下的脱轨系数

图18　不同速度条件下的轮重减载率

图19　不同速度条件下的轮轴横向力

图20　不同速度条件下的轮轨垂直磨耗功

图21　不同速度条件下的轮轨侧面磨耗功

由图17—图21可以看出：CRH5型动车组侧向通过9号道岔时，各项动力学指标均随着速度增大而增大，且在辙叉位置均出现较大的振动，这主要是由于固定心轨辙叉结构存在有害空间造成的；除轮重减载率峰值较小外，脱轨系数、轮轴横向力均较大，前者峰值为0.52，后者峰值为28 kN，但均满足安全性限值的要求；轮轨侧面磨耗功较大，整体上已经超过了轮轨垂直磨耗功，表明曲线地段通过时轮轨侧磨是磨耗的主因。由于仿真计算只考虑了道岔结构不平顺的激励影响，未考虑现场随机不平顺的情况，因此脱轨系数、轮轴横向力2项安全性指标大，表明应加强9号道岔的日常养护维修工作，严格控制轨道几何状态的恶化。

3　车辆横向刚度的影响

客车通过曲线、道岔时，车辆横向刚度对其动力特性具有一定的影响。横向刚度主要由一系转臂和二系横向止档提供，由于二系横向止档的主要作用是用来约束晃车、提高平稳性，对构架和轮对的影响较小；一系构架横向定位刚度则用来约束轮对横向偏移，因此本文重点分析一系构架横向定位刚度对车辆侧向通过道岔时安全性、轮轨磨耗的影响规律。表1给出了目前我国高速铁路主型动车组及普速旅客列车一系构架横向定位的刚度。

表1　我国主型动车组及普速旅客列车一系横向定位刚度

从表2可以看出，CRH5型动车组的一系横向定位刚度最小、普速旅客列车的一系横向定位刚度最大。通过改变CRH5型动车组的一系横向定位刚度，分析一系横向定位刚度对车辆侧向通过道岔时的动力特性影响规律。仿真计算按照目前现有刚度值，选取5，12.5和14.5 MN·m-1共3种刚度工况，计算结果如图22—图26所示。

图22　不同一系横向定位刚度的脱轨系数对比

图23　不同一系横向定位刚度的轮重减载率对比

图24　不同一系横向定位刚度的轮轴横向力对比

图25　不同一系横向定位刚度的垂直磨耗功对比

由图22—图26可以看出：调整动车组一系横向定位刚度对车辆运行安全性指标几乎未造成任何影响；但在轮轨磨耗功方面，随着一系横向定位刚度的增大，垂直磨耗和侧面磨耗均产生了下降趋势；垂直磨耗功从140 N·m·m-1降低到了130 N·m·m-1，减幅约8%，侧面磨耗功从190 N·m·m-1降低到了185 N·m·m-1，减幅约3%。说明适当加大车辆一系横向定位刚度可以一定程度地降低轮轨磨耗量[10]。

图26　不同一系横向定位刚度的侧面磨耗功对比

4　2种钢轨类型9号道岔动力响应分析

目前，国内9号道岔采用的钢轨主要有50和60 kg·m-1钢轨2种类型，导曲线半径分别为180和190 m，道岔全长分别为28.8和29.5 m。本文分别对50和60 kg·m-1这2种钢轨9号道岔的侧向动力特性进行仿真分析，CRH5型动车组运行速度取20 km·h-1，计算结果如图27—图29所示。

图27　2种钢轨道岔的脱轨系数

图28　2种钢轨道岔的轮重减载率

从图27—图29可以看出：动车组侧向通过50和60 kg·m-1这2种钢轨9号道岔时，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力均存在一定程度的差异。二者的安全性指标最大值比较见表2。结果表明，铺设60 kg·m-1钢轨道岔在提高车辆安全性方面具有较大的优势。

图29　2种钢轨道岔的轮轴横向力

道岔类型脱轨系数轮重减载率轮轴横向力/kN60kg·m-1钢轨道岔0.470.1415.6750kg·m-1钢轨道岔0.480.1515.83减少幅度/%272

图30和图31为CRH5型动车组以20 km·h-1的速度侧向通过50和60 kg·m-1钢轨9号道岔时的轮轨磨耗功时程曲线。

图30　2种钢轨道岔的垂直磨耗功

图31　2种钢轨道岔的侧面磨耗功

由图30和图31可以看出：铺设60 kg·m-1钢轨9号道岔在轮轨垂直磨耗方面与铺设50 kg·m-1钢轨道岔几乎相当，但在侧磨方面具有较大的优势，侧面磨耗功从190 N·m·m-1降到了170 Nˉm·m-1，减少幅度约11%。考虑到2种钢轨道岔在导曲线半径和铺设长度方面几乎一样，基本不存在调整线间距等问题，基于提高车辆侧向通过安全性和减少磨耗两方面考虑，用60 kg·m-1钢轨9号道岔替代50 kg·m-1钢轨9号道岔较为适宜。

5　结论及建议

(1)CRH5型动车组侧向通过50 kg·m-1钢轨9号道岔时，脱轨系数、轮轴横向力均较大，脱轨系数峰值达到0.52、轮轴横向力峰值达到28 kN。建议加强9号道岔区的养护维修工作，及时消除轨道几何超限现象。

(2)CRH5型动车组侧向通过50 kg·m-1钢轨9号道岔时，轮轨侧面磨耗功较大，已经超过了垂直磨耗功，表明曲线地段通过时侧磨是磨耗的主因。

(3)调整动车组一系横向定位刚度，对车辆侧向通过9号道岔的安全性指标几乎没有影响；但在轮轨磨耗方面，随着横向定位刚度增大，垂直磨耗、侧面磨耗均有下降趋势；垂直磨耗功减幅约8%；侧面磨耗功减幅约3%，表明适当加大车辆一系横向定位刚度可以在一定程度上降低轮轨磨耗量。

(4)对2种不同钢轨9号道岔动力特性的对比分析结果表明：铺设60 kg·m-1钢轨9号道岔可以有效地降低脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力以及侧面磨耗。考虑到2种钢轨道岔在导曲线半径和道岔全长等方面几乎一样，不存在调整线间距等问题，基于提高车辆通过安全性和减少磨耗两方面考虑，用60 kg·m-1钢轨9号道岔替代50 kg·m-1钢轨9号道岔较为适宜。

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