曲线上轨道缺陷对高速列车安全性的影响

赵 鑫，孙丽霞，姚建伟，孙加林

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

保证高速列车的安全性至关重要。以往对列车脱轨的原因进行的大量分析表明[1-2]：排除自然灾害、人为或意外事故所造成的列车脱轨，引起列车脱轨的因素大致可以分为车辆、轨道和运输装载3个方面。其中轨道方面的原因主要包括严重的水平方向的线路不平顺或水平、三角坑、高低等不平顺组合，轨道存在大的扭曲以及地震波激励等。

针对轨道方面原因引起的列车脱轨问题所开展的研究，以地震波作用下高速列车的安全性研究[3-6]居多。此外，文献[7]分析了轨道鼓胀对高速列车安全性的影响；文献[8]应用列车-轨道空间耦合时变系统振动分析理论，分析了轨道三角坑对列车安全性的影响，并就铁路线路维修规则中轨道三角坑的限值进行了评估。文献[9-10]针对动车组通过小半径曲线的安全性进行了研究。目前关于高速列车通过有轨道缺陷存在的曲线区段的脱轨安全性研究较少。

本文以8辆编组的CRH380B型高速列车为例，建立了列车-轨道耦合动力学模型。利用该模型研究高速列车通过有轨道缺陷存在的S形曲线时的安全性。分析了在缓和曲线区段、圆曲线区段、夹直线区段存在轨距突变、三角坑以及两者组合缺陷时，高速列车安全性的变化情况。

1 模型的建立

1.1 列车-轨道耦合模型

应用多体动力学软件SIMPACK建立了CRH380B型高速列车的列车-轨道耦合动力学分析模型。模型中采用两系悬挂，考虑抗蛇行减振器、横向止挡的非线性特性。该列车-轨道耦合动力学分析模型具有50个自由度，如表1所示。

表1 动力学分析模型的自由度

模型考虑轮轨接触几何关系的非线性，轮轨接触计算采用Kalker的非线性蠕滑力模型。

1.2 列车-轨道耦合模型建立

在单节车辆模型的基础上，建立具有8节编组的CRH380B型车的列车模型。列车的编组方式如图1所示。车钩缓冲器的参数见表2。车钩缓冲器特性曲线见图2。

图1 列车模型编组方式

参数数值/m车钩及缓冲器距轨面高1.00前钩尾销与前车体连接点距前车体中心的纵向距离11.58后钩尾销与后车体连接点距后车体中心的纵向距离13.42前车体中心与后车体中心的纵向距离25.00

图2 车钩缓冲器特性曲线

2 线路条件及分析工况

线路的几何形位参数按照表3所示的兰新高铁哈密联络线的实际曲线轨道参数进行设置。该线路是由半径分别为 1 400,996,1 200 m 的3段曲线组成的S形曲线，曲线如图3所示。该S形曲线段限速100 km/h，线路的轨道不平顺采用图4所示的京沪线实测轨道不平顺。

表3 曲线轨道几何形位参数

图4 京沪线实测轨道不平顺

按照表4所示的分析工况，给线路设置轨距突变、三角坑以及两者组合缺陷。工况0为参考工况，不设置任何轨道缺陷。在工况1和2中，轨道缺陷位于进R1 400 m 缓和曲线区段，工况3—工况5中，轨道缺陷位于R996 m圆曲线区段，工况6中，轨道缺陷位于出R996 m缓和曲线区段，工况7中，轨道缺陷位于R996 m和R1 200 m的夹直线区段。

在分析计算过程中，车轮采用S1002CN车轮型面，钢轨采用60D实测廓形。

表4 轨道缺陷分析工况

3 高速列车曲线脱轨安全性分析

表5给出了各种工况高速列车安全性计算结果。表5中，脱轨车辆指的是该节车的车轮悬浮量超过了轮缘高度，车轮脱离了钢轨的约束而脱轨。危险车辆指的是该节车的脱轨系数及轮重减载率超过了规范规定的安全限值。车轮的抬升量指的是车轮名义滚动圆最低点距离钢轨顶面最高点的垂向距离。

表5 各工况高速列车安全性计算结果

由表5可知：工况1为最危险工况，此时高速列车以150 km/h的速度超速通过有轨道缺陷的曲线段，1车 和2车在通过R1 400 m 缓和曲线的轨距突变区段处发生脱轨。相比于工况0，工况1—工况6中，脱轨系数最大值均超过0.8的安全限值，轮重减载率最大值均超过0.8。可见，本文设置的幅值为5 mm的轨道缺陷明显增加了高速列车脱轨的危险。

图5为工况1下高速列车通过曲线时1车—工况8车1位轮对的横移量计算结果。由图可知：高速列车在到达轨距突变位置处时，轮对横移量超过10 mm，轮轨游间为0，轮缘与钢轨发生碰撞并脱轨。

图5 工况1下轮对横移量

图7 工况5的计算结果

图6 工况1下轮对横移量和车轮抬升量对比

图6为工况1下1车前转向架前导轮对的横移量和左右侧车轮抬升量对比结果。可知：1车前转向架前导轮对在到达轨距突变处时位于曲线外轨的左轮的抬升量增大至37.04 mm，左轮率先爬上钢轨顶部脱轨，此时右轮最大抬升量为18.78 mm。

对比表5中工况3和工况4的结果可知：圆曲线区段存在三角坑缺陷时的轮重减载率比圆曲线区段存在轨距突变缺陷时要大，而脱轨系数比圆曲线区段存在轨距突变缺陷时要小。

图7(a)为工况5下2车后转向架前导轮对左右侧车轮的抬升量计算结果。可知：2车后转向架通过圆曲线区段时，在离心力的作用下，右侧车轮向曲线外轨上爬，在约53 s时，左轮在三角坑激励下抬升量增大到2.73 mm，之后左右侧轮轨很快恢复正常接触，瞬时的轮重减载率最大值达到1.0。

图7(b)为工况5下1车前转向架前导轮对左右侧车轮的脱轨系数计算结果。可知：1车1轴右轮在通过轨道缺陷区段时，脱轨系数迅速增大至1.21，比无轨道缺陷存在时增大约83.3%。

图7(c)为工况5下1车4个轴的外轨侧车轮的轮轨横向力。可知：列车在通过轨道缺陷区段时轮轨横向力明显增大，比无轨道缺陷存在时增大约22.5%。

对比表5中工况5、工况6和工况7的计算结果可知：轨道缺陷所在的位置对高速列车的曲线通过性能有影响，轨距突变和三角坑的组合缺陷存在于圆曲线区段时，最大脱轨系数以及最大车轮抬升量比轨道缺陷存在于缓和曲线段和夹直线段时要大。

图8为对应工况6和工况7条件下，即轨距突变和三角坑的组合缺陷分别存在于缓和曲线段和直线段时，车轮抬升量的对比。由图8(a)可知：轨道缺陷存在于缓和曲线区段时，1车前转向架通过轨道缺陷区段时的车轮抬升量最大值为2.34 mm，而无轨道缺陷时为0.76 mm，相比于无轨道缺陷的情况，工况6的车轮抬升量增大了207.9%。由图8(b)可知：轨道缺陷存在于夹直线段时，2车前转向架通过轨道缺陷区段时的车轮抬升量最大值为0.80 mm，而无轨道缺陷时为0.39 mm，相比于无轨道缺陷的情况，工况7的车轮抬升量增大了105.1%。由此可见，轨道缺陷存在于缓和曲线段时比同样的轨道缺陷存在于夹直线段时，车轮抬升量的增长率放大了2倍。

图8 车轮抬升量对比

图9 脱轨系数对比

图9为工况6和工况7条件下脱轨系数的对比结果。由图9(a)可知：轨道缺陷存在于缓和曲线段时，2车后转向架通过轨道缺陷区段时的脱轨系数最大值为0.85，而无轨道缺陷时，1车前转向架通过该区段时的脱轨系数最大值为0.22，相比于无轨道缺陷时，工况6的脱轨系数约为原来的4倍。由图9(b)可知：轨道缺陷存在于夹直线段时，1车后转向架通过轨道缺陷区段时的脱轨系数最大值为0.41，而无轨道缺陷时，2车前转向架通过该区段时的脱轨系数最大值为0.03，相比于无轨道缺陷时，工况7的脱轨系数增大约13倍。

4 结论

本文以8辆编组的CRH380B型高速列车为例，研究其通过有轨道缺陷存在的S形曲线时高速列车的安全性。主要研究结论如下：

1)在本文所分析的各种轨道缺陷工况中，高速列车超速通过有轨距突变存在的缓和曲线区段时，1车和2车的外轨侧车轮的抬升量超过轮缘高度，列车的脱轨危险性最大。

2)在S形曲线的进缓和曲线区段、圆曲线区段以及出缓和曲线区段设置幅值为5 mm的轨距突变、三角坑以及两者的组合缺陷，高速列车以最高限速通过轨道缺陷位置时，脱轨系数和轮重减载率均超限。在夹直线区段设置幅值为5 mm的轨距突变和三角坑的组合缺陷时，脱轨系数未超限。

3)轨道缺陷的类型对高速列车通过曲线时的安全性有影响。在本文所分析的工况中，列车通过有三角坑缺陷存在的圆曲线区段时，轮重减载率最大值比通过有轨距突变存在的圆曲线区段时大，而脱轨系数最大值比通过有轨距突变存在的圆曲线区段时小。

4)轨道缺陷所在的位置对高速列车通过曲线时的安全性有影响。在本文所分析的工况中，轨距突变和三角坑的组合缺陷存在于圆曲线区段时，脱轨系数最大值以及车轮抬升量最大值要比轨道缺陷存在于缓和曲线段和夹直线段时要大。

[1]铁道部科学研究院.铁路行车安全译文集[M].北京:铁道部科学研究院机车车辆研究所,1998.

[2]姚建伟,孙丽霞.机车车辆动力学[M].北京:科学出版社,2017.

[3]凌亮,肖新标,金学松,等.地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究[J].铁道学报,2012,34(10):16-22.

[4]JIN Z B ,PEI S L,LI X Z,et al.Effect of Vertical Ground Motion on Earthquake-induced Derailment of Railway Vehicles Over Simply-supported Bridges[J].Journal of Sound and Vibration,2016,383(6):277-294.

[5]NISHIMURA K,TERUMICHI Y,MORIMURA T,et al.Analytical Study on the Safety of High Speed Railway Vehicle on Excited Tracks[J].Journal of System Design and Dynamics,2010,4(1):211-225.

[6]宮本,岳史,石田,等.Analysis on Running Safety of Train Quaked by Seismic Motion[J].Foreign Rolling Stock,2009,21:41-46.

[7]金学松，凌亮，肖新标，等.复杂环境下高速列车动态行为数值仿真和运行安全域分析[J].计算机辅助工程，2011，20(3)：29-41.

[8]向俊,曾庆元.轨道三角坑对列车脱轨安全性的影响分析[J].铁道科学与工程学报,2001,19(1):4-8.

[9]冯仲伟,侯茂锐,方兴,等.动车组通过S形小半径曲线安全性影响因素研究[J].铁道建筑,2017，57(7):112-115.

[10]冯仲伟,侯茂锐,王林栋,等.动车组通过小半径曲线线路的安全性试验研究[J].铁道建筑,2016，56(12):77-81.