鐵路道岔動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)的仿真研究

孫加林，宣 言，王樹國

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

1 動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)簡介

國內(nèi)外道岔轉(zhuǎn)轍器多采用專門軋制的矮型特種斷面尖軌代替普通鋼軌，采用彈性可彎式跟端結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)尖軌跟部的穩(wěn)定性，從而使直線方向上的軌距基本保持不變。為了降低干擾列車進(jìn)入轉(zhuǎn)轍器時(shí)列車軸線的蛇行運(yùn)動(dòng)，對(duì)直基本軌軌距進(jìn)行加寬設(shè)計(jì)，既有優(yōu)化方案是從尖軌尖端開始加寬，距尖軌尖端7.5 m處達(dá)到最大加寬值15 mm，加寬區(qū)總長為21 m。

對(duì)于傳統(tǒng)道岔而言，對(duì)尖軌磨損是不可避免的。然而采用動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)就可以避免這種輪緣沖擊，間接地起到了加厚尖軌斷面的作用，可以減小尖軌的受力，保證了正弦曲線的行車舒適度，見圖1。實(shí)踐證明采用動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)的道岔使用壽命達(dá)到了普通道岔的 4 ～8 倍［1］。

2 動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)適應(yīng)性仿真分析

2.1 直逆向過岔

動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)道岔主要做法是將基本軌前端彎折成半徑210 m的一段反向曲線，在頂寬30 mm附近達(dá)到最大彎折量15 mm，后端為一直線段，尾端采用半徑1 000 m的曲線在0.98 m范圍內(nèi)過渡至原基本軌線上，整個(gè)基本軌的彎折范圍為21.743 m，直曲基本軌的彎折情況相同［2］。

圖1 兩種道岔車輛運(yùn)行軌跡

為了研究動(dòng)態(tài)軌距技術(shù)在我國道岔應(yīng)用上的適應(yīng)性，對(duì)動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化道岔和傳統(tǒng)道岔進(jìn)行對(duì)比分析。利用NUCARS軟件建立了車輛—道岔耦合仿真模型，車輛采用動(dòng)車組［3］(如圖2所示)，道岔按實(shí)際斷面結(jié)構(gòu)形式建模［4］，輪軌接觸采用最新研究成果彈性接觸理論，該理論可以充分考慮輪軌多點(diǎn)接觸(最多可考慮5點(diǎn)接觸)，大大提高了輪軌接觸計(jì)算的準(zhǔn)確性［1］。當(dāng)車輛高速直逆向通過時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線比較如圖3～圖5所示。

圖2 動(dòng)車組車輛—軌道耦合模型

圖3 輪對(duì)橫移量時(shí)程曲線對(duì)比

圖4 車體橫向加速度時(shí)程曲線對(duì)比

圖5 輪軌橫向力時(shí)程曲線對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果可以看出，采用動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)后，車體橫向加速度、輪對(duì)橫移量在剛進(jìn)入尖軌區(qū)域時(shí)，運(yùn)行軌跡不同于傳統(tǒng)道岔偏向尖軌，而是偏向直基本軌方向;另外運(yùn)行軌跡比較對(duì)稱(傳統(tǒng)道岔始終偏向尖軌一側(cè))，這種趨勢(shì)改善了岔區(qū)的輪軌接觸關(guān)系，對(duì)提高運(yùn)行舒適性、減少尖軌受力是有利的。但是，從動(dòng)力響應(yīng)幅值來看，部分?jǐn)?shù)值有些偏大。筆者認(rèn)為現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化方案還不是最優(yōu)設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合具體的輪軌幾何參數(shù)做進(jìn)一步的優(yōu)化研究。

2.2 側(cè)逆向過岔

當(dāng)車輛以80 km/h的速度側(cè)逆向通過時(shí)，對(duì)以上兩種道岔進(jìn)行仿真對(duì)比，車體橫向加速度、輪對(duì)橫移量時(shí)程曲線比較如圖6和圖7所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然動(dòng)態(tài)軌距技術(shù)使得車輛剛進(jìn)入岔區(qū)時(shí)，輪對(duì)橫移偏向了曲基本軌，橫移量也由8.5 mm降到了6.0 mm，但車體橫向加速度數(shù)值要大于傳統(tǒng)道岔，降低了側(cè)向通過的舒適性，同直逆向過岔情況相似，需要進(jìn)行深入的優(yōu)化研究，以期達(dá)到降低動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值的目的。

圖6 車體橫向加速度時(shí)程曲線對(duì)比

圖7 輪對(duì)橫移量時(shí)程曲線對(duì)比

3 軌距加寬數(shù)值優(yōu)化分析

3.1 5種軌距加寬設(shè)計(jì)方案研究

根據(jù)以上的研究結(jié)論，結(jié)合輪軌幾何參數(shù)進(jìn)行改變直基本軌加寬量值以及加寬長度等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此設(shè)計(jì)了5種軌距加寬方案，主要考慮改變加寬長度、加寬量值等參數(shù)的影響，既有優(yōu)化方案和5種新的優(yōu)化方案線型參數(shù)如表1。

表1 既有優(yōu)化方案和5種新優(yōu)化方案線型參數(shù)

3.2 直逆向過岔方案比選

圖8 輪對(duì)橫移量時(shí)程曲線對(duì)比

圖9 車體橫向加速度時(shí)程曲線對(duì)比

當(dāng)車輛以高速直逆向通過道岔時(shí)，對(duì)5種工況進(jìn)行仿真對(duì)比，輪對(duì)橫移量、車體橫向加速度時(shí)程曲線比較如圖8和圖9所示。車體橫向加速度、輪對(duì)橫移量從小到大排列順序?yàn)?、1、4、2、5，考慮到要在保持車輪運(yùn)行軌跡盡可能偏向基本軌方向的前提下，兼顧降低動(dòng)力響應(yīng)最大值，可以看出優(yōu)化方案1—方案4動(dòng)力響應(yīng)最大值雖然減小幅度較大，但車輛進(jìn)岔后還是偏向尖軌區(qū)域，只有優(yōu)化方案5是偏向基本軌區(qū)域的，故認(rèn)為方案5最佳，該方案加寬長度為19.5 m，最大加寬值15 mm。

為了進(jìn)一步分析動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化方案的優(yōu)越性，對(duì)最新優(yōu)方案5與既有方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)比較，見圖10和圖11。

圖10 輪對(duì)橫移量時(shí)程曲線對(duì)比

圖11 車體橫向加速度時(shí)程曲線對(duì)比

可以看出，最新優(yōu)化方案的動(dòng)力學(xué)性能有所提升，車體橫向加速度、輪對(duì)橫移量數(shù)值都小于既有優(yōu)化方案。車體加速度減小20%，輪對(duì)橫移量減少12%，說明適當(dāng)縮減加寬區(qū)長度對(duì)提高車輛直逆向通過能力、減少尖軌受力是有利的。

3.3 側(cè)逆向過岔方案比選

當(dāng)車輛以80km/h的速度側(cè)逆向通過道岔時(shí)，對(duì)5種工況進(jìn)行仿真對(duì)比，輪對(duì)橫移量、車體加速度時(shí)程曲線比較如圖12和圖13所示。

圖12 輪對(duì)橫移量時(shí)程曲線對(duì)比

圖13 車體橫向加速度時(shí)程曲線對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果可以看出:方案5運(yùn)行軌跡保持最好，最遲偏向尖軌;方案2僅次于方案5，但車體橫向加速度優(yōu)于方案5，因此，加寬距離19.5 m、加寬量值10 mm的方案2最優(yōu)。

對(duì)最新優(yōu)化方案2與既有優(yōu)化方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)比較，計(jì)算結(jié)果如圖14和圖15所示。

可以看出，最新優(yōu)化方案較既有優(yōu)化方案車體橫向加速度最大值有所降低，輪對(duì)橫移量沒有減小反而增大，表明改變軌距加寬區(qū)長度和加寬最大值對(duì)側(cè)逆向過岔而言效果不顯著。

圖14 輪對(duì)橫移量時(shí)程曲線對(duì)比

4 結(jié)論

通過以上的分析研究，得出以下重要結(jié)論:

1)通過動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)的動(dòng)力學(xué)適應(yīng)性仿真分析，表明動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)作用機(jī)理是改善岔區(qū)的輪軌接觸關(guān)系，使得車輛在剛進(jìn)入尖軌區(qū)域時(shí)，運(yùn)行軌跡不同于傳統(tǒng)道岔偏向尖軌，而是偏向直基本軌方向;另外車輛運(yùn)行軌跡比傳統(tǒng)道岔更為對(duì)稱，對(duì)提高運(yùn)行舒適性、減少尖軌受力是大為有利的。但是，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的部分動(dòng)力響應(yīng)幅值要大于傳統(tǒng)道岔。表明采用加寬量值15 mm的方案還不是最優(yōu)設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合輪軌幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化研究。

2)通過改變軌距加寬區(qū)長度、加寬最大值等參數(shù)，對(duì)新設(shè)計(jì)的5種優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:對(duì)于直逆向過岔而言，直基本軌加寬區(qū)長度19.5 m、最大加寬值15 mm的方案最佳;對(duì)于側(cè)逆向過岔而言，曲基本軌加寬區(qū)長度19.5 m、最大加寬值10 mm的方案最佳。

圖15 車體橫向加速度時(shí)程曲線對(duì)比

3)通過對(duì)最新優(yōu)化方案與既有優(yōu)化方案的動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)縮減加寬區(qū)長度對(duì)提高車輛直逆向通過能力、減少尖軌受力是有利的;改變軌距加寬區(qū)長度、加寬最大值對(duì)側(cè)逆向過岔而言效果不顯著。

［1］王立君、孫加林.客運(yùn)專線道岔動(dòng)態(tài)軌距優(yōu)化的仿真分析［J］.鐵道建筑，2009(11):67 －69.

［2］中國鐵道科學(xué)研究院.客運(yùn)專線道岔動(dòng)力學(xué)及關(guān)鍵技術(shù)的仿真研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

［3］中國鐵道科學(xué)研究院.車輛、線路、道岔、橋梁系統(tǒng)的仿真動(dòng)力分析的研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2006.

［4］趙國堂.高速鐵路道岔區(qū)動(dòng)力響應(yīng)的模擬研究［J］.中國鐵道科學(xué)，1996，17(4):90－94.