高速道岔行车平稳性影响因素研究及应用

蒋俊， 王军平， 崔容义

（1. 中铁物轨道科技服务集团有限公司南方事业部，四川成都 610000；2. 中铁物轨道科技服务集团有限公司技术研发部，北京 100081）

0 引言

道岔作为轨道线路中的一个薄弱环节，如何保持良好的状态，对确保车辆通过安全性、平稳性至关重要。长久以来，道岔区轨道刚度合理取值、转辙区运动学轨距优化［1-2]及尖轨降低值合理设置［3]是确保车辆运行平稳性、安全性的主要关注点。文献［4-5]针对京沪线黄渡线路所2号道岔横向加速度超限进行了分析，指出尖轨降低值不良是引起道岔处晃车的主要原因。文献［6]分析了尖轨降低值超限对转辙器动力学特性的影响，并提出现场降低值超限时，应及时进行调整，避免转辙器动力学特性进一步恶化。

运用Simpack 动力学软件建立车辆-道岔耦合动力学模型，从环境、轨道激励、轮轨关系等方面，研究了不同因素对高速道岔行车平稳性的影响。最后，运用仿真结果成功解决了南广线桂平站12 号道岔频繁出现横向加速度超限的问题。

1 岔区轮轨关系及动力学建模

1.1 岔区轮轨关系

道岔转辙区、辙叉区复杂的结构设计，导致岔区轮轨接触关系的特殊性。研究岔区轮轨接触关系，有利于进一步分析道岔行车平稳性［7]。任尊松等［8]依据岔区空间布置关系，详细研究了道岔区轮轨接触特点，为进一步优化高速道岔各股轨线空间结构奠定了基础。根据轮轨几何接触特性分析，岔区轮轨接触方式较为复杂，包含单点接触、两点接触以及三点接触。

车辆正向通过道岔转辙区时，轮轨接触点由基本轨逐渐过渡到尖轨，车轮滚动半径也不断发生变化。图1 为车辆直向通过转辙区示意图，从图中可以看出：左股钢轨接触位置从尖轨20 mm 断面开始逐渐远离轨道中心线，达到最大后突然向轨道中线靠拢，到尖轨50 mm断面回到轨道中心线，然后接触位置逐渐稳定下来。左右轮滚动圆半径从尖轨20 mm 断面开始逐渐减小，其中左轮减小更快，车体向左侧贴靠；达到临界点后，左轮滚动圆半径突然增加，车体向右侧贴靠，右轮滚动圆半径逐渐增加；达到尖轨50 mm 断面后，左右轮滚动圆半径基本一致，车体逐渐平稳靠近轨道中心运行。

图1 车辆直向过岔示意图

王平等［9]提到车轮通过尖轨部分的重心轨迹可用正弦曲线来模拟，对60AT轨12号道岔尖轨，该运行轨迹可表示为：

式中：h=2.8 mm，x为距尖轨尖端距离，m，最大不平顺幅值位于尖轨顶面宽度35 mm处，该结果与图1中车辆直向过岔车轮滚动半径变化情况基本一致。

1.2 动力学建模

为研究高速道岔行车平稳性，这里从环境因素、轨道激励、轮轨关系等方面进行仿真分析。环境因素主要考虑横风风速的影响，轨道激励考虑轨道方向、高低复合不平顺，轮轨关系考虑了不同车轮和钢轨廓形。

采用CRH2A 型动车组模型，车辆模型包括1 个车体、2 个构架、4 个轮对共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。道岔模型选取（07）004-18号高速道岔，道岔全长69 m，直向容许通过速度为250 km/h。模型中轨道示意见图2，包含岔前50 m线路及岔后线路，共计600 m。

图2 轨道示意图

2 仿真分析

2.1 横风

横风作用下高速列车可能会出现脱轨、倾覆的现象，此处基于列车空气动力学准静态理论对高速道岔行车平稳性来进行分析。基于准静态理论，列车在横风作用下的气动力和力矩［10]可表示为下式（2）、（3），表1为列车时速250 km时气动载荷值。

式中：ρ为空气密度，取1.226 kg/m3；A为迎风侧车体投影等效面积，m2；Ci(β)、Cj(β)为滑移角为β时的气动力、力矩系数；h为迎风侧车体等效高度，m；U为相对合成风速，m/s。

表1 列车时速250 km时气动载荷

图3 为横风作用下高速道岔行车平稳性计算结果，从图中可以看出：横风速度达到10 m/s 时，车体横向加速度约为0.8 m/s2，达到了线路保养维修标准；横风速度达到20 m/s 时，车体横向加速度约为1.3 m/s2，达到了线路舒适度维修标准；横风速度达到20 m/s 时，车体横向平稳性约为2.6，低于合格标准。

图3 横风作用下列车平稳性

2.2 轨道复合不平顺

图4（a）为实测轨道激励，轨道激励垂向最大偏差为3.6 mm，横向最大偏差为1.74 mm；图4（b）为车体横向加速度频谱图，主频为1.1 Hz（与车体上心滚摆频率接近），峰值为0.01 m/s2。根据上述分析结果，CRH2A 型动车组以250 km/h 速度直向通过18 号高速道岔时的敏感波长约为63 m。

图4 实测激励下车辆动力学响应

根据车体横向加速度响应结果，以下将分析50～70 m 波长范围内高低、轨向复合不平顺对车辆平稳性的影响。此处分析了2 种50～70 m 波长范围内复合不平顺对高速道岔行车平稳性的影响，2 种复合不平顺轨向、高低见图5。从图中可以看出：给定的2 种形式的复合不平顺高低完全一致，轨向方向相反、幅值一致；2种复合不平顺水平偏差一致，轨距偏差方向相反、幅值一致，复合不平顺1转辙区和辙叉区为轨距加宽，复合不平顺2转辙区和辙叉区轨距变窄。

图6 为2 种形式轨道复合不平顺作用下车体横向加速度计算结果，从图中可以看出：2种复合不平顺情况下，车体横向加速度随着轨向的增加而增加。以车体横向加速度0.6 m/s2（线路维修保养标准）为限值，2 种情况下轨向临界值约为9 mm；复合不平顺1 情况下，高低对车体横向加速度影响比较明显。随着高低偏差值的增加，车体横向加速度有增加趋势；复合不平顺2 情况下，当轨向超过9 mm 时，车体横向加速度急剧增加。

2.3 轮轨廓形

此处分析了轮轨廓形对高速道岔行车平稳性的影响，其中车轮廓形采用了凹形磨耗车轮廓形以及标准车轮廓形，钢轨廓形采用了实测廓形以及标准廓形。表2 为动力学仿真结果，从中可以看出：工况4 车体横向加速度已超过0.600 m/s2，达到维修保养标准线；凹形磨耗车轮廓形对车体横向加速度影响很大，最大横向加速度约为0.641 m/s2，较标准车轮廓形工况下最大车体横向加速度0.265 m/s2增加141.9%；在标准车轮和凹形车轮廓形下，通过改变钢轨廓形车辆横向加速度分别减小了6%和18.7%； 横向、垂向平稳性指标在4种工况下均小于2.5，满足平稳性要求。

图5 轨道复合不平顺

图6 车体横向加速度

表2 轮轨廓形对车辆平稳性的影响

3 现场运用

2017年12 月南广线南宁局管内桂平站12号道岔频繁出现车体横向加速度超过1.0 m/s2（舒适度限值）的情况，横向加速度最大达到了1.4 m/s2，72 h 内重复次数达18次。桂平站12号道岔为客专（07）004-18号高速道岔，直向最大允许通过速度为250 km/h。为分析横向加速度超限原因，现场对道岔框架尺寸、降低值进行了反复检测。检测结果均符合要求，未发现横向加速度超限原因。根据研究结果，横风、轨道复合不平顺、轮轨廓形均可能影响高速道岔行车平稳性，因此进一步对横向加速度超限原因进行分析，结果如下：

（1）桂平站仅12 号道岔频繁出现车体横向加速度超限，且2017年底未出现持续大风天气，因此可排除横风影响；

（2）动检车波形图显示方向、高低偏差均小于5 mm，根据仿真计算结果可以排除轨道复合不平顺方面的影响；

（3）钢轨廓形对称性、一致性以及轮轨关系。图7为滚动半径差计算结果，从中可以看出：滚动半径差对称性较差，横移量正负值对应的滚动半径差差异太大；横移量-3～7 mm 滚动半径差约等于0，滚动半径差太小不利于车辆的自动对中；横移量-10～-4 mm 滚动半径差由0 mm增加到6 mm，滚动半径差突变可能会影响车辆横向平稳性；

图7 滚动半径差

根据以上分析，桂平站12 号道岔频繁出现车体横向加速度超限的可能原因为钢轨廓形差、轮轨关系不良。为了改善轮轨接触关系，制定了个性的廓形打磨方案。首先对现场采集的车轮、钢轨廓形数据进行分析，运用动力学仿真软件对钢轨廓形进行优化设计；然后采用钢轨廓形打磨软件进行打磨方案设计；最后运用道岔打磨车对岔区钢轨廓形进行打磨。打磨后修正了钢轨廓形、改善了轮轨接触关系、减小了车体横向振动，解决了岔区频繁出现车体横向加速度超限的问题。

图8为打磨前后钢轨廓形与设计廓形对比，图中绿色为设计廓形，红色为测量廓形。从中可以看出，打磨后测量廓形与设计廓形匹配程度明显提升，钢轨廓形质量得到显著改善。

表3 为打磨前后钢轨廓形GQI 指标（GQI 指标代表测量廓形与设计廓形的匹配程度，GQI指标越高代表测量廓形与设计廓形越匹配），从数据中可以看出：钢轨GQI均值由打磨前的60.3提高到了打磨后的92.1，提高了52.7%；岔前右股钢轨GQI 提升最明显，由打磨前的52.6 提高到了92.3，提高了75.5%；标准差由打磨前的7.04 降低到打磨后的2.25，降低了68.1%，廓形一致性、对称性得到明显改善。

表3 打磨前后钢轨GQI指标

图9 为桂平12 号道岔打磨前后横向加速度超限（舒适度限值）数量较多的区域每月变化趋势，图中2018年2月以后为打磨后数据。从图中可以看出：桂平站12 号道岔打磨后总的超限数量大幅减少，并且保持比较稳定；岔后60 m、连接部分、心轨前打磨前数量较多，打磨后也得到了明显改善。

表4为打磨前后车体横向加速度超限数量统计，从表中可以看出：打磨前横向加速度超限数量较多，2018年1月达到245次；打磨后横向加速度超限数量急剧减小，2018年3月仅出现4 次，较打磨前减少了98.4%；2018年2月打磨后至2018年11月横向加速度超限数量比较稳定，最多为18次。

4 结论及建议

横风、轨道复合不平顺以及轮轨廓形的角度分析了高速道岔的行车平稳性，并运用分析结果解决了桂平站12 号道岔频繁出现车体横向加速度超限问题。主要结论如下：

（1）随着风速增加，横风对高速道岔行车平稳性影响逐渐增加。风速达到10 m/s 时，车体横向加速度达到维修限值；风速达到20 m/s 时，车体横向加速度达到平稳性限值；

图8 打磨前后廓形对比

图9 横向加速度超限变化趋势

表4 车体横向加速度超限数量统计 次

（2）时速250 km 动车线路应重点关注50～70 m 波长轨道不平顺，2种形式的50～70 m波长轨道复合不平顺限值约为9 mm。复合不平顺1 高低对车体横向加速度影响比较明显；复合不平顺2 轨向超过9 mm 时，车体横向加速度急剧增加；

（3）轮轨廓形对车体横向加速度影响很大。凹形磨耗车轮工况下车体横向加速度较标准车轮工况下增大141.9%，通过改变钢轨廓形可以将凹形磨耗车轮工况下车体横向加速度最大降低18.7%；

（4）高速道岔维修保养过程中出现平稳性超限时，应首先检查道岔框架尺寸，然后再从横风、轨道复合不平顺、轮轨廓形等方面进行排查。