孙宏友,王　平,张东风,曾晓辉,徐井芒

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都　610031；

2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京　100055)



动车组与货车侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔动力学特性分析

孙宏友1,王平1,张东风2,曾晓辉1,徐井芒1

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都610031；

2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京100055)

摘要：基于列车动力学和道岔动力学理论,建立可考虑整体道床12号交叉渡线道岔钢轨型面变化的列车-道岔耦合动力学计算模型。用数值模拟方法分析动车组和货车以50 km/h侧向通过该交叉渡线道岔时的动力学特性。结果表明：动车组和货车通过时轮轨力、脱轨系数、减载率、轮轴横向力、车体振动响应有所不同,但均满足安全舒适要求。

关键词：动车组；货车；交叉渡线道岔；动力学

道岔是铁路轨道结构的关键部件，是使列车从一股轨道转入另一股轨道所必须的线路设备[1]，需要采用宽度及高度渐变的尖轨及心轨这种特殊断面的钢轨[2]。交叉渡线道岔因其结构及功能特殊性[3]，平面线型设计条件有限，存在不可避免的轮轨结构不平顺和横向冲击、轨道整体刚度沿线路方向的分布不均匀[4]、活动轨件易变形而形成离缝、无缝道岔伸缩及振动过大等原因导致列车过岔时的轮轨动力作用和养护维修工作量远大于区间线路。对于整体道床12号交叉渡线道岔而言，需要研究列车与道岔间的动态相互作用问题，以提升其技术性能。

交叉渡线道岔自身结构复杂，岔区的轮轨关系也较区间轨道[5]和普通单开道岔复杂，基于列车动力学和道岔动力学理论，与将道岔轨道视为等截面处理[6-8]不同，建立了可考虑交叉渡线道岔钢轨型面变化的列车-道岔耦合动力学计算模型。为了将列车模型与道岔模型统一为整体振动系统，以轮轨动态接触几何关系[9-11]为基础，利用赫兹法向接触理论和蠕滑理论分析了二者的相互作用。依据上述模型，采用哈密尔顿原理组建整体模型振动方程组，用于求解列车过岔时列车及道岔系统的动态响应特性，分析评价列车侧向通过[12]整体道床12号交叉渡线道岔的安全性及平稳性。

1计算模型和参数

1.1车辆模型

车辆模型建立过程中，主要参考快速或高速客车或货车结构形式，以4个轮对、2个转向架和1个车体构成，转向架考虑成没有摇枕、摇动台和旁承的三无结构，同时将各部件视为刚体，即车辆模型是由7个刚体组成的多刚体全车模型。其中轮对与转向架之间的一系悬挂由弹簧和阻尼原件组成，悬挂点位于各轮轴端部共8个，转向架与车体之间的二系悬挂同样由弹簧和阻尼原件组成，车体与前后转向架中心两侧各2个悬挂点共4个，每个悬挂点又分为纵向、横向和垂向3个方向。此时，车辆模型自由度分布情况中除轮对考虑沉浮、横移、侧滚和摇头4个自由度以外，转向架和车体均考虑沉浮、横移、侧滚、摇头和点头5个自由度，共计31个自由度[13]。

1.2道岔模型

道岔模型在包括转辙器、连接部分、12号锐角辙叉、6号锐角辙叉及6号钝角辙叉等基本结构的前提下，充分考虑了各细部结构对交叉渡线道岔振动的影响，尽可能使道岔模型与实际情况相符，基本的建模原则和方法与文献[14]相同。图1所示为本文研究的交叉渡线道岔线型示意，图2所示为本文研究的交叉渡线道岔模型示意，由于交叉渡线道岔具有对称性，所以模型示意只画出了左半部分。

图1　交叉渡线道岔线型示意

1.3计算参数

本文研究的12号交叉渡线道岔直向容许通过速度160 km/h，采用固定型辙叉，分12号锐角辙叉、6号锐角辙叉、6号钝角辙叉3种，轨下基础为整体道床型式布置。道岔扣件系统竖向刚度为35 kN/mm，横向刚度为30 kN/mm。道岔采用调高垫板，适应无砟轨道调高需求。转辙器尖轨采用60D40尖轨，为曲线尖轨形式，尖轨尖端为藏尖式，跟端为防跳限位器。尖轨设置两个牵引点，尖轨长13.64 m，其中弹性可弯段长度3.85 m，弹性可弯中心距尖轨尖端距离11.198 m，导曲线半径为350 m，相离型曲线尖轨。尖轨尖端理论厚度3.0 mm，距实际尖端200 mm处开始补充刨切。道岔轨距均为1435 mm，岔枕均按垂直于直股方向布置，岔枕间距一般按600 mm布置(牵引点和辙叉部分等除外)。

图2　交叉渡线道岔模型示意

2计算结果

利用本文建立的车辆模型和交叉渡线道岔模型，分别计算了CRH2动车组和C80型货车以50 km/h速度侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时的动力学响应数据，由于列车在运行的过程中第一轮对最先受到冲击并且冲击剧烈，主要以第一轮对的动力学响应数据作为分析对象。

2.1轮轨力分布

CRH2动车组和C80型货车第一轮对两侧轮轨间垂向力和横向力如表1所示。

表1　CRH2动车组和C80型货车第一轮对轮轨垂向力　kN

由表1可以看出，列车在侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时，基本轨要先后经过转辙器部分、12号辙叉护轨、6号锐角辙叉和6号钝角辙叉，尖轨要先后经过转辙器部分、12号辙叉、6号锐角辙叉护轨和6号钝角辙叉，在这些部位轮轨相互作用剧烈，使轮轨间作用力有较大程度变化，其中CRH2动车组的轮轨垂向力最大值为108.03 kN，轮轨横向力最大值为37.95 kN；C80型货车的轮轨垂向力最大值为179.69 kN，轮轨横向力最大值为70.05 kN。

2.2安全性评价

列车运行安全性评价主要包括脱轨系数和减载率，根据列车第一轮对轮轨间相互作用力所得的CRH2动车组和C80型货车脱轨系数和减载率分别如图3～图6所示。

图3　CRH2动车组第一轮对脱轨系数

图4　C80型货车第一轮对脱轨系数

从图3可以看出，CRH2动车组侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时轮对脱轨系数最大值为0.51，小于安全限值0.8。从图4可以看出，C80型货车侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时轮对脱轨系数最大值为0.54，小于安全限值0.8。轮对脱轨系数最大值发生在固定辙叉区，主要由轮对通过交叉渡线道岔冲击心轨所致，脱轨系数的幅值较小，对行车安全性影响较小。

图5　CRH2动车组第一轮对减载率

图6　C80型货车第一轮对减载率

从图5可以看出，CRH2动车组侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时，减载率最大值为0.56，未超出安全限值0.6。从图6可以看出，C80型货车侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时，减载率最大值为0.48，未超出安全限值0.6。

2.3轮轴横向力

轮轴横向力大小将影响线路稳定性，是产生轨排横移量增加，轨道结构稳定性降低的重要原因之一，对于道岔结构而言，需严格控制其侧股各部位轨距，可从轮轴横向力角度进行评判。CRH2动车组和C80型货车第一轮对轮轴横向力分别如图7、图8所示。

图7　CRH2动车组第一轮对轮轴横向力

图8　C80型货车第一轮对轮轴横向力

由图7、图8可知，列车侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时，CRH2动车组和C80型货车第一轮对轮轴横向力最大值分别为43.83 kN和61.12 kN，这是由于车轮通过固定辙叉有害空间时产生较大横向力而导致的。根据列车通过道岔时的轮轴横向力限值计算式0.85(10+P0/3)计算，可以得到CRH2动车组和C80型货车第一轮对轮轴横向力的限值分别为48.17 kN和77.85 kN，其中P0为列车静轴重。上述轮轴横向力最大值未超出限值范围。

2.4车体振动响应

CRH2动车组和C80型货车车体垂向及横向振动加速度随轮对所在道岔位置的不同而产生的变化分别如图9、图10所示。

图9　CRH2动车组车体振动响应

图10　C80型货车车体振动响应

由图9(a)可以看出，当CRH2动车组侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时，由于道岔存在结构不平顺和有害空间，将使车体产生明显波动，列车侧向通过交叉渡线道岔时垂向振动加速度最大值为0.59 m/s2，远小于车体舒适度指标1.3 m/s2，这是因为目前动车组车辆优良的一系和二系减振使由轮对向上传递的振动得到了较大程度的衰减。由图10(a)可以看出，C80型货车侧向通过同一存在结构不平顺和有害空间的交叉渡线道岔时，由于货车性能不如动车组好，使货车侧向通过交叉渡线道岔时垂向振动加速度最大值为0.64 m/s2。

由图9(b)可以看出，当CRH2动车组侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔时，车体横向加速度在车轮通过转辙器和辙叉位置附近达到峰值，且在导曲线上维持较大值。由于列车侧向过岔时，未被平衡加速度是导致车体具有较大横向加速度的主要原因，因此舒适度指标相对于车体垂向加速度也有更为严格的要求。考虑到轮对在固定辙叉处将与心轨产生撞击，此处车体横向加速度达到最大值0.42 m/s2，小于舒适度控制标准1 m/s2。由图10(b)可以看出，C80型货车侧向通过此交叉渡线道岔时，车体横向加速度在车轮通过转辙器和辙叉位置附近达到峰值，考虑到轮对在固定辙叉区将与心轨产生撞击，此处车体横向加速度达到最大值0.89 m/s2。

3结论

通过对CRH2动车组和C80型货车以50 km/h速度侧向通过整体道床12号交叉渡线道岔动力学响应的计算分析，可以得出以下结论。

(1)CRH2动车组的轮轨垂向力最大值为108.03 kN，轮轨横向力最大值为37.95 kN；C80型货车的轮轨垂向力最大值为179.69 kN，轮轨横向力最大值为70.05 kN。

(2)CRH2动车组和C80型货车脱轨系数最大值分别为0.51和0.54，均小于安全限值0.8；CRH2动车组和C80型货车减载率最大值分别为0.56和0.48，均未超出安全限值0.6。

(3)CRH2动车组轮轴横向力最大值为43.83 kN，未超出限值48.17 kN。C80型货车轮轴横向力最大值为61.12 kN，未超出限值77.85 kN。

(4)CRH2动车组垂向和横向振动加速度最大值分别为0.59 m/s2和0.42 m/s2，小于车体舒适度控制标准1.3 m/s2和1 m/s2；C80型货车垂向和横向振动加速度最大值分别为0.64 m/s2和0.89 m/s2。

综上所述，整体道床12号无砟交叉渡线道岔可以满足CRH2动车组和C80型货车安全舒适通过的要求。

参考文献：

[1]翟婉明，任尊松.提速列车与道岔的垂向相互作用研究[J].铁道学报，1998，20(3):33-38.

[2]赵卫华，曹洋，王平.用于工程设计的道岔动力参数法研究[J].铁道标准设计，2011(9):9-12.

[3]张朝富.直向速度200～60 kg/m钢轨12号系列交叉渡线的研制[J].铁道标准设计，2011(4):22-23.

[4]熊震威，梁新玲，陈嵘，王平.道岔竖向刚度算法探究[J].铁道标准设计，2014，58(1):34-37.

[5]陈小平，王平.时速350 km客运专线无砟道岔的合理轨道刚度研究[J].铁道标准设计，2010(3):1-3.

[6]王平.道岔区轮轨系统动力学的研究[D].成都:西南交通大学，1997.

[7]任尊松.车辆-道岔系统动力学研究[D].成都:西南交通大学，2000.

[8]刘中勋，魏庆朝.应用Adams/Rail软件仿真分析车/道岔动力响应[J].铁道建筑，2004(7):76-78.

[9]全顺喜.几何不平顺对道岔区轮轨接触几何关系的影响[J].铁道标准设计，2013(3):17-22.

[10]李培刚，王平，刘学毅.重载铁路嵌入式组合高锰钢辙叉强度分析研究[J].铁道标准设计，2012(2):1-4.

[11]任尊松，翟婉明，王其昌.轮轨接触几何关系在道岔系统动力学中的应用[J].铁道学报，2001，23(5):11-15.

[12]翟婉明，王开云.机车车辆侧向通过道岔时的运行安全性评估[J].同济大学学报，2004，32(3):382-386.

[13]曹洋，王平，陈小平.客运专线18号道岔不平顺状态动力仿真分析[J].铁道建筑，2009(12):98-102.

[14]陈小平，王平，陈嵘，郭利康.高速车辆与道岔空间耦合振动特性[J].西南交通大学学报，2008，43(4):453-458.

Dynamics Analysis of EMUS and Freight Car Passing through No.12 Crossover Turnout with Solid BedSUN Hong-you1, WANG Ping1, ZHANG Dong-feng2, ZENG Xiao-hui1, XU Jing-mang1

(1.MOE Key Laboratory of High speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：Based on the theories of train dynamics and turnout dynamics, a dynamic model for a vehicle-turnout coupling system is established to address rail profile changes of No.12 crossover turnout with solid bed. The dynamic characteristics of EMUS and freight car are analyzed with numerical simulation method when they pass through crossover turnout at the speed of 50 km/h. The results show that EMUS and freight car may differ in wheel-rail force, derailment coefficient, load reduction rate, axle lateral force, car body vibration response when passing through the turnout, but both meet the requirements for safety and comfort.

Key words：EMUS; Wagon; Crossover turnout; Dynamics

中图分类号：U213.6

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.015

文章编号：1004-2954(2015)05-0070-04

作者简介：孙宏友(1988—)男，硕士研究生，E-mail：563471355@qq.com。

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (2682013CX043)

收稿日期：2014-07-19； 修回日期：2014-08-25