达速条件下高速铁路道岔适应性研究

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不断增加，如何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[1]，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年的时速300 km运营，进一步扩大达速规模亟需对移动装备和基础设施适应性进行全面评估，确保安全、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，其结构复杂、部件众多，是高速铁路可能的限速点之一[2-3]，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。目前，针对运行速度对道岔力学特性影响的研究较多，但多基于理论仿真进行一般意义上的参数敏感性分析，缺乏针对性[4-12]。既有的高速道岔提速试验研究也多为针对新建线路的联调联试，往往只关注动力学响应是否超过安全限值，缺乏运行速度对道岔动力学性能影响规律的深入分析[13-14]。另外，针对我国高速道岔长期服役状态与运营速度的相关性研究也较少。

基于研究需求和既有不足，本文对达速条件下高速道岔适应性进行理论与试验研究。首先，建立动力学模型对车辆达速通过道岔时的动力学性能进行仿真分析；然后，选取试验段，对动车组分别以300、350 km/h直向通过时高速道岔的动力学性能变化规律进行测试分析；最后，对目前高速道岔在长期运营过程中出现的伤损病害进行调研，分析病害形成的主要原因及与直向通过速度的相关性，研究道岔达速运行的限制因素及达速后道岔服役状态的变化趋势。本研究拟进一步为我国高速铁路扩大达速范围提供依据和支撑。

1 车辆-道岔动力学仿真分析

1.1 车辆-道岔耦合动力学计算模型

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接触理论及Kalker的FASTSIM算法[15]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。充分考虑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，轨道垂向和横向刚度分别取40、95 kN/mm，垂向和横向阻尼分别取400、100 kN·s/m。高速道岔动力学模型如图4所示。

图3 岔区变截面钢轨的模拟

1.2 模型验证

为验证本文动力学分析方法的合理性，基于文献[2]中典型计算工况建立车辆-道岔耦合动力学分析模型。车辆模型采用CRH2型动车组参数，道岔为速度350 km/h 18号无砟轨道道岔，直向过岔速度为385 km/h。前轴动轮载及脱轨系数仿真计算结果如图5所示，文献[2]中模型计算结果如图6所示。

可以看出，本文方法计算得到的动轮载及脱轨系数时程曲线特征与文献[2]中计算结果较为一致，在转辙器及辙叉区出现冲击峰值，最大动轮载及脱轨系数均出现在辙叉区，动轮载峰值与文献[2]结果相差5.3%，脱轨系数峰值相差15.9%。对比计算结果可验证本文动力学分析方法的合理性，可用于后续车辆过岔动力性能变化的仿真计算分析。

1.3 达速条件下车辆过岔的动力性能变化规律

基于建立的动力学计算模型，对列车速度由300 km/h提升至350 km/h逆向通过道岔时的动力学性能变化特征进行仿真分析，计算结果如图7所示。其中，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。

图7 不同速度条件下列车过岔动力性能

列车速度由300 km/h提升至350 km/h时，通过道岔过程中安全性参数均有所增大。左右侧车轮脱轨系数相差不大，均在转辙器区和辙叉区轮载过渡时出现冲击峰值，但均较小。左右侧车轮轮重减载率也均在轮载过渡区段出现冲击峰值，尖轨-心轨侧轮重减载率显著大于基本轨侧。达速运行会引起轮重减载率的大幅增加，尖轨-心轨侧轮重减载率峰值由0.48增至0.58。

列车达速通过道岔过程中轮轨相互作用有所加剧。左右侧轮轨力均在转辙器区和辙叉区轮载过渡时出现冲击峰值。尖轨-心轨侧轮轨垂向力显著大于基本轨侧，速度由300 km/h提升至350 km/h时，尖轨-心轨侧轮轨垂向力大幅增加，峰值由99.29 kN增至105.99 kN，基本轨侧轮轨垂向力略有增大。两侧轮轨横向力相差不大，达速运行后，轮轨横向力峰值小幅增加。

列车在进入道岔后由于道岔固有结构不平顺的激扰，轮对出现轻微的蛇形运动。达速条件下列车过岔时轮对蛇形横移量有所减小，但轮对横向加速度呈增大趋势，在转辙器区和辙叉区轮载过渡区段出现冲击峰值。速度由300 km/h增至350 km/h时，轮对横向加速度峰值由3.72 m/s2增至3.96 m/s2，车体振动加速度也呈现出增大的趋势，由于悬挂缓冲减振作用，车体振动并未在转辙器区和辙叉区出现冲击峰值，更多的是受运动趋势的影响，车体横向加速度峰值出现在出岔以后。

达速条件下列车通过道岔过程中轮轨磨耗加剧，尖轨-心轨侧的轮轨磨耗速率增加尤为明显，磨耗功率峰值由655.97 W增至950.04 W。基本轨侧轮轨磨耗功率远小于尖轨-心轨侧，达速运行后磨耗功率也呈增大的趋势，但增幅也比尖轨-心轨侧小。

总体来看，列车过岔速度由300 km/h提升至350 km/h时，安全性参数增大，但均在限值以内(脱轨系数限值为0.8，轮重减载率限值为0.9)，可以保证列车过岔安全，达速运行对于尖轨-心轨侧轮重减载率的影响较为明显，对于脱轨系数的影响较有限。列车过岔时轮轨相互作用也会加剧，尖轨-心轨侧轮轨垂向力显著增大，基本轨侧轮轨垂向力以及轮轨横向力略有增加。列车过岔时车辆动力学性能呈现出劣化的趋势，轮对横向加速度以及车体垂向、横向加速度均增大。达速运行后轮轨磨耗情况也有加剧。

2 高速道岔动力学试验分析

2.1 试验设计

基于地面测试，对列车达速通过时高速道岔动力学特性变化规律进行分析。选取18号高速道岔作为试验段，该组道岔试验前经过养护维修，岔区几何形位、扣件紧固状态、转换设备工作状态均较好；另外，经过岔区钢轨件探伤，钢轨件无明显疲劳伤损，曲尖轨存在轻微磨耗，总体来看，道岔服役状态处于较好的水平。具体测试内容包括：转辙器区尖轨尖端位置轮轨垂、横向力及基本轨垂、横向动态位移，尖轨尖端开口量，密贴检查器位置尖轨相对基本轨动态位移，轮载过渡区域钢轨和岔枕振动加速度，导曲线区段绝缘接头附近钢轨垂、横向力及横向动态位移，测点具体布置如图8所示。尖轨尖端位置轮轨力及位移测点主要为了研究列车进岔时轮轨相互作用及列车荷载作用下钢轨动态变形情况；尖端开口量及密检器位移测点主要为了分析列车高速通过时直尖轨与基本轨的密贴状态；加速度测点主要为了研究转辙器轮载过渡区段钢轨及岔枕的振动强度及振动特性。

图8 测点布置

现场测试中，基于“剪应力法”采用应变花组成全桥，测试高速列车通过时轮轨垂直力P和水平力Q[16]，由测得的轮轨力计算出脱轨系数Q/P，轮重减载率ΔP/P以及轮轴横向力(Q1-Q2)为高速列车运行安全性参数。道岔区钢轨垂、横向动态位移，尖轨尖端开口量以及密检器位置尖轨相对位移采用弹片式位移计安装于自制位移架上进行测试。钢轨和岔枕振动加速度采用压电式加速度传感器采集振动信号。各动力学指标的现场测试方法和设备如图9所示。值得注意的是，在转辙器及辙叉轮载过渡区，由于钢轨件断面非对称、不满足“剪应力法”的基本要求，以及空间限制、传感器安装存在困难，无法进行轮轨力测试。本次试验仅在辙叉器尖轨尖端位置通过在基本轨上贴片进行轮轨力测试。转辙器和辙叉轮载过渡区拟考虑建立不同断面条件下动弯应力与轮轨荷载的对应关系，通过测试动弯应力间接计算轮轨力，未来工作中将进一步对此测试方法进行探索。

图9 现场试验

测试过程中，采集实际运营条件下CR400AF-B和CR400BF-B两种高速列车分别以300 km/h和350 km/h速度通过道岔试验段时各动力学指标的测试数据，为消除偶然因素影响、获取统计规律，每种车型每种速度等级各采集约50趟车的测试数据。

2.2 达速条件下道岔动力性能变化规律

对于每种车型、每种速度等级分别选取20趟车的典型测试数据进行统计分析，研究达速条件下高速道岔动力学性能的变化规律，如图10、图11所示。图中直方图高度表示所选取20趟车样本数据的统计均值，直方图顶端上下限表示样本数据的离散程度。

图10 CR400AF-B不同速度通过条件下高速道岔动力性能对比

图11 CR400BF-B不同速度通过条件下高速道岔动力性能对比

通过试验数据分析可以看出，CR400AF-B和CR400BF-B列车达速通过高速道岔条件下高速道岔动力学性能的变化规律基本一致。

(1)测点位置列车高速通过安全性均能得到保证。过岔速度由300 km/h提升至350 km/h后，转辙器区脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力指标略有减小，导曲线区脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力指标略有增大，但是300 km/h和350 km/h速度条件下，安全性指标测试结果均较好，脱轨系数和减载率均在0.1以下，轮轴横向力不超过5 kN。

(2)列车过岔速度提升至350 km/h后，转辙器区和导曲线区轮轨垂向力均明显增大，增幅可达28.74%。直尖轨侧轮轨横向力增大，直基本轨侧轮轨横向力有所减小。

(3)列车通过转辙器区时，钢轨垂向变形增大、横向变形减小；通过导曲线区时，钢轨横向变形呈现增大的趋势。此外，过岔速度提升后，直尖轨密贴状态变差，尖轨尖端开口量和密贴检查器位置尖轨相对基本轨的位移均增大。

(4)列车通过速度的提升会导致转辙器区轨道结构振动情况加剧，钢轨加速度显著增大，增幅可达14.29%，岔枕加速度也呈增大的趋势。

综上可知，高速列车通过道岔的速度由300 km/h提升至350 km/h后，高速道岔所承受的轮轨冲击荷载呈增大趋势，只有直基本轨所受横向力有所减小；转辙器区钢轨垂向变形增大、横向变形减小，导曲线区钢轨横向变形增大；列车荷载作用下直尖轨与基本轨密贴状态变差，岔区轨道结构振动加剧。总体来看，达速条件下高速道岔动力学性能有劣化的趋势，测点位置高速列车通过的安全性能够得到保障。

3 高速道岔伤损发展分析

我国高速铁路道岔经过多年的运营考核，总体服役状态较好，但也逐渐暴露出一系列伤损和病害问题。基于既有资料统计、现场调研，对高速道岔在既有运营条件下出现的伤损病害进行梳理总结，见表1。

表1 长期运营条件下高速道岔主要伤损病害分析

可以看出，我国客专系列高速道岔出现的主要问题中，尖轨不足位移、心轨翼轨离缝、严寒地区冻胀引起的岔区高低不平顺，直尖轨非工作边纵向裂纹等均与列车直向过岔速度相关。CN系列高速道岔的主要问题中，曲导轨轨肩塑性变形、辙叉结构部件频繁伤损、尖轨跟端低塌等均与列车直向速度相关。另外，岔区钢轨件及焊接接头伤损作为我国高速道岔的共性问题也与列车速度直接相关。上述部分病害的存在会造成岔区结构不平顺，影响列车通过的安全性和平稳性，可能成为达速运行的限制因素。此外，列车过岔速度的提高也将加快上述部分病害的发生频率和发展速度，明显降低高速道岔的服役寿命。

因此，虽然基于动力学仿真和测试，既有高速道岔在良好状态下可确保列车以350 km/h速度安全通过，但如果长期以350 km/h速度运营，为确保高速道岔的安全服役及高速列车过岔的平顺性，建议进一步采取可行性措施，见表1。

在高速铁路实现350 km/h达速运行之前，必须对该线路高速道岔接头伤损、跟端低塌以及冻胀引起的岔区高低不平顺等问题进行集中整治，恢复或提升高速道岔的平顺性。此外，应对该线路高速道岔钢轨件进行系统探伤检查，排除钢轨疲劳损伤及断轨的安全隐患。

4 结论

本文针对我国高速铁路进一步回升运营速度的需求，对达速条件下高速道岔的适应性进行了理论和试验研究。主要结论如下：

(1)列车达速通过道岔时，脱轨系数和轮重减载率均增大，但均在限值以内，安全性可以得到保证。达速运行对于尖轨-心轨侧轮重减载率影响较为明显，对于脱轨系数的影响较为有限。轮轨相互作用加剧，尖轨-心轨侧轮轨垂向力显著增大，轮轨横向力略有增加。车辆动力学性能呈现劣化的趋势，轮对横向加速度以及车体垂、横向加速度均增大。轮轨磨耗情况也有明显加剧。

(2)达速条件下，道岔承受的轮轨冲击荷载呈增大的趋势，只有直基本轨所受横向力有所减小；转辙器区钢轨垂向变形增大、横向变形减小，导曲线区钢轨横向变形增大；列车荷载作用下直尖轨与基本轨密贴状态变差，岔区轨道结构振动加剧。

(3)既有运营条件下我国高速道岔主要出现了尖轨不足位移、心轨翼轨离缝、严寒地区岔区高低不平顺、直尖轨非工作边纵向裂纹、曲导轨轨肩塑性变形、辙叉结构部件频繁伤损、尖轨跟端低塌、直基本轨和曲尖轨严重磨耗等问题。部分病害的存在会影响列车通过的安全性和平稳性，可能成为达速的限制因素；达速运行也将加快部分病害的发生频率和发展速度，降低道岔服役寿命。为确保350 km/h长期运营条件下道岔安全服役及列车过岔的平顺性，建议采取一系列加强措施。实现达速运行前必须对道岔接头伤损、跟端低塌以及冻胀引起的岔区高低不平顺问题进行集中整治，并对道岔钢轨件进行系统探伤检查。

本文研究不足及进一步拟开展工作：

(1)本文工作主要针对无明显病害条件下高速道岔对于达速运行的适应性进行了理论与试验研究，并对可能影响达速运行的伤损病害及对应加强措施进行了分析，未来工作中，拟在本文研究基础上进一步针对典型伤损病害对高速道岔动力学性能的影响以及病害条件下高速道岔对达速运行适应性开展理论仿真与现场试验研究，以为我国高速铁路扩大350 km/h达速运行范围和规模提供更充分依据和支撑。

(2)本文仿真分析中采用了Hertz理论及FASTSIM算法进行轮轨接触计算，但由于道岔尖轨及心轨刨切区段存在曲率突变的情形，接下来拟对道岔区不同轮轨接触理论的适用性进行进一步研究。

(3)另外，本文仿真计算中对道岔模型进行了一定的简化处理，进一步研究中将对道岔进行精细化建模，对岔区细部结构及部件间的作用关系进行充分考虑，探讨道岔建模方法及模型精细化程度对本文仿真分析结果及规律的影响。