钢轨件磨耗状态下高速道岔达速运行适应性研究

王 璞， 王树国， 杨东升， 司道林

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

随着我国高速铁路客运需求的不断增加，增大运量已成为迫切需求。2017年9月，复兴号动车组率先在京沪高速铁路实现350 km/h商业运营，而后逐渐增开350 km/h复兴号动车组数量。2018年8月，京津城际铁路实现了复兴号动车组350 km/h运营。复兴号列车在京沪高铁、京津城际铁路以350 km/h运营以来，满足了沿线旅客高品质出行的需要，取得了良好的经济和社会效益。目前，我国京沪高铁部分列车以及其他高速线路仍以300 km/h运行，实现京沪高速铁路全面达速并在全国高速铁路范围内进一步扩大350 km/h运行范围对于提高运量和效率、提升高速铁路的竞争优势具有重大意义。然而，我国高速铁路经过了近10年的300 km/h运营，进一步扩大达速规模亟需对移动装备和基础设施的适应性进行全面的评估，确保列车安全、舒适运行。

高速道岔是高速铁路的重要设备和薄弱环节之一，结构复杂、部件众多，是高速铁路可能的限速点之一[1-2]，如实现大范围达速必须首先保证高速道岔能够满足长期350 km/h直向通过的要求。然而我国高速道岔随着运营时间的不断增长，服役状态呈现不断劣化的趋势，逐渐暴露出一系列问题，其中道岔区钢轨磨耗是普遍存在的主要问题之一[3-4]，钢轨磨耗的存在会改变岔区轮轨接触关系，对列车通过道岔时的动力性能产生干扰，进而可能对高速道岔达速运行产生影响。

目前，运行速度对道岔力学特性影响的研究较多，但多出于结构优化设计的目的。针对无伤损条件下的道岔，对磨耗状态下运行速度对高速道岔的影响研究尚较少[5-14]。基于研究需求和既有不足，本文通过实测获取高速道岔磨耗廓形，在此基础上建立车辆-道岔耦合动力学仿真计算模型，对现行300 km/h速度条件下岔区钢轨件磨耗对列车过岔动力学性能的影响进行分析，进而对钢轨磨耗状态下高速道岔对达速运行的适应性进行探究，以期为我国高速铁路进一步扩大达速范围提供理论依据和支撑。

1 高速车辆-道岔耦合动力学模型

基于多体动力学理论建立高速车辆动力学模型，对车体、构架、轮对、轴箱等均采用6自由度刚体进行模拟，充分考虑二系空气弹簧及横向减振器、一系弹簧及垂向减振器、抗蛇形减振器、牵引拉杆、横向止挡等结构部件间的非线性连接耦合作用，通过精细化建模确保模型尽可能与实际相符，高速车辆动力学模型，如图1所示。

图1 高速车辆动力学模型

轮轨接触计算基于Hertz[15]接触理论及Kalker等[16-17]的FASTSIM算法进行，主要分为接触点位置探测、整体接触力学量计算(接触力、蠕滑率等)以及接触斑局部接触力学量计算(接触应力、蠕滑应力、滑动速度分布等)，如图2所示。

图2 轮轨接触计算模型

道岔动力学模型充分考虑转辙器区基本轨与尖轨、辙叉区心轨与翼轨的组合位置关系以及钢轨的变截面特性，通过插值的方法实现道岔区异形钢轨截面的空间过渡，如图3所示。转辙器区及辙叉区主要特征断面位置钢轨初始设计廓形，如图4所示。

图3 岔区变截面钢轨的模拟

图4 道岔区特征位置钢轨初始设计廓形

充分考虑道岔区轨道的刚度与阻尼特性，刚度阻尼参数取值基于实测结果，轨道垂、横向刚度分别取40 kN/mm，95 kN/mm，垂、横向阻尼分别取400 kN·s/m，100 kN·s/m。高速道岔动力学模型，如图5所示。

图5 高速道岔动力学模型

2 高速道岔钢轨磨耗廓形测试

随着高速道岔服役时间的增长，岔区钢轨磨耗情况会越来越严重，如图6所示。课题组对某线路高速铁路道岔不同特征位置的钢轨磨耗廓形进行了测试，如图7所示。所测廓形为此线路高速铁路道岔在铺设运营7年后的钢轨廓形，通过总质量约120 MGT。针对该道岔试验段进行了多次测试，结果表明直向过岔条件下，道岔区钢轨件磨耗状态已趋于稳定，磨耗发展已较为缓慢，因此，所测钢轨廓形基本能够表征此线路高速铁路道岔的磨耗状态及特征。

(a) 尖轨磨耗

(a) 转辙器区

从图7可知，在转辙器区及辙叉区，尖轨、基本轨、翼轨、心轨均出现了不同程度的磨耗，导致轨头廓形及钢轨件之间的相对位置关系较初始状态发生了较为明显的变化，这会直接影响列车通过道岔时的轮轨接触状态和轮载过渡情况，进而会对列车运行的安全、稳定性产生影响。

分别基于高速道岔初始设计廓形和实测的磨耗钢轨廓形，建立道岔动力学模型，高速车辆和轮轨接触模型及参数保持不变，分别计算车-岔动力学特性，将初始状态和磨耗状态下的仿真计算结果进行对比分析。

3 钢轨件磨耗对动力性能的影响

现行300 km/h速度条件下钢轨件磨耗前后车-岔系统动力学特性对比，如图8所示。图8中横坐标“位置”含义为距仿真起点(岔前20 m位置)的距离，为便于分析，用箭头标出了列车进岔及出岔的横坐标位置。

由图8可知，在钢轨磨耗状态下，列车通过道岔时的动力学特性发生了明显的变化。

图8 道岔区钢轨磨耗对动力学性能的影响

在钢轨磨耗状态下列车进岔时所产生的轮轨冲击作用提前了，转辙器区轮载过渡规律发生了明显的改变。轮轨作用力峰值仍出现在辙叉区，但较非磨耗状态均大幅增加，轮轨垂向力峰值由99.29 kN增至113.35 kN，轮轨横向力峰值由4.23 kN增至6.34 kN。列车通过辙叉区时安全性指标显著恶化，脱轨系数峰值由0.047增至0.107，轮重减载率峰值由0.228增至0.600，因此，在高速道岔钢轨磨耗状态下，列车过岔安全性需要进一步关注。另外，在磨耗状态下，轮轨横向力和脱轨系数在列车出岔后均出现一个峰值，表明有轮缘接触的情形发生，列车在通过道岔时产生了一定的晃动。

轮对横移曲线可进一步证明，列车进岔后由于道岔固有结构不平顺的激扰，轮对出现了蛇形运动，而在磨耗状态下，列车进岔后轮对的蛇形运动趋势则显著增大，轮对横移量由1.83 mm增至6.42 mm。另外，在磨耗状态下轮对横向加速度也明显增加，分别在转辙器区、辙叉区及出岔后出现峰值;在磨耗状态下轮对横向加速度峰值由3.72 m/s2增至6.25 m/s2。车辆振动情况也呈加剧的趋势，车体垂向加速度峰值出现位置由转辙器区变为辙叉区，由0.008 m/s2增至0.011 m/s2，车体横向加速度峰值由0.095 m/s2增至0.174 m/s2。

高速道岔在磨耗状态下，列车通过道岔时的轮轨磨耗情况有所减弱，磨耗功率峰值由655.97 W降至628.84 W，说明道岔钢轨磨耗发展呈逐渐收敛的趋势，随着磨耗程度的加深，磨耗发展速率逐渐减缓。

总体来看，高速道岔钢轨磨耗对列车过岔时的安全性、轮轨相互作用以及车辆运行状态及振动情况均会产生不利影响。

4 钢轨磨耗状态下道岔达速运行适应性分析

在道岔区钢轨磨耗状态下，当列车速度由300 km/h提升至350 km/h时，车-岔动力性能的变化，如图9所示。

(a) 脱轨系数

从图9可知，在高速道岔磨耗状态下，速度由300 km/h提升至350 km/h时，列车过岔的安全性参数均增大，脱轨系数的增大更为明显，脱轨系数和轮重减载率的峰值均出现在辙叉区，速度提升后脱轨系数峰值由0.11增至0.14，轮重减载率峰值由0.60增至0.61。

速度提升后，列车过岔时轮轨的相互作用也呈增大趋势，轮轨垂向力增加尤为显著，轮轨垂横向力峰值均出现在辙叉区，速度提升后轮轨垂向力峰值由113.35 kN增至123.47 kN，轮轨横向力峰值由6.34 kN增至8.86 kN。值得注意的是，速度提升后，出岔后轮缘接触发生位置后移。

速度提升后，列车过岔时的轮对横移量略有减小，但轮对横向加速度呈增大趋势，通过辙叉区时轮对横向加速度峰值由6.25 m/s2增至6.59 m/s2。速度提升前后，列车过岔时车体的振动加速度时程曲线特征基本一致，但幅值均有所增加，车体垂向振动加速度峰值由0.011 m/s2增至0.012 m/s2，车体横向振动加速度峰值由0.174 m/s2增至0.204 m/s2。

另外，在磨耗状态下，列车达速通过道岔时轮轨磨耗将相应加剧，尤其在通过辙叉区时轮轨磨耗功率明显增加，磨耗功率峰值由628.84 W增至1 097.98 W。说明虽然在特定运营条件下道岔钢轨磨耗发展呈收敛的趋势，但是运营速度的增加会使磨耗发展加速。

总体来看，运营速度提升前道岔区钢轨件磨耗已导致列车过岔安全性、轮轨相互作用、车辆振动出现明显的变化，列车过岔速度的提升会进一步压缩安全和疲劳性能裕量，脱轨系数、轮轨横向力、以及车体和轮对的横向加速度等均有提升，其中轮轨横向力增幅约40%。另外，速度提升会改变道岔钢轨件磨耗发展的收敛趋势，重新致使钢轨磨耗加速发展。因此，钢轨件磨耗会使高速道岔对于达速运行的适应性有所下降，但是各项动力学指标均仍在安全限值范围内，钢轨件磨耗状态下高速道岔虽能适应350 km/h达速运行条件，但需重点关注钢轨件的进一步磨耗和部件伤损加速的情况。

5 结 论

对长期运营状态下高速道岔特征位置钢轨磨耗廓形进行了测试，建立了高速车辆-道岔耦合动力学模型，对现行速度条件下岔区钢轨件磨耗对列车过岔动力性能的影响以及磨耗状态下高速道岔对达速运行的适应性进行了仿真分析。主要结论如下：

(1) 长期运营条件下，高速道岔尖轨、基本轨、翼轨、心轨均出现了不同程度的磨耗，轨头廓形及钢轨件之间相对位置关系较初始状态发生了较为明显的变化。

(2) 钢轨磨耗条件下列车进岔时产生的轮轨冲击作用提前了，转辙器区轮载过渡规律发生了明显的改变；列车通过辙叉时轮轨动力作用及安全性指标均增加；列车进岔后轮对蛇行运动趋势增大，导致出岔后发生轮缘接触；车辆及轮对振动也呈加剧的趋势；随着磨耗程度的加深，列车过岔时轮轨磨耗速率逐渐减缓，道岔钢轨磨耗发展呈逐渐收敛的趋势。

(3) 道岔磨耗状态下，列车速度的提升会进一步压缩安全和疲劳性能裕量，并且会改变道岔钢轨件磨耗发展的收敛趋势。钢轨件磨耗状态下高速道岔虽能适应350 km/h达速运行条件，但需重点关注钢轨件的进一步磨耗和部件伤损加速的情况。

本文主要对某线路高铁18号道岔的磨耗特征及对达速运行适应性进行了研究，进一步工作中，将在不同高铁线路上对不同号码高速道岔进行进一步的测试，分别研究其磨耗特征以及对动力学特性及提速的影响，在此基础上总结更普遍的规律和结论。