客運專線道岔轉轍器部分輪載過渡段優化設計研究

荊 果，王 平

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

輪軌關系設計是高速道岔結構設計中的核心工作內容，直接關系到能否保證高速列車過岔時的安全性與平穩性。我國高速道岔中采用了縮短轉轍器部分輪載過渡范圍等技術措施來提高動車組直向過岔時的行車安全性與舒適性。如何通過對轉轍器部分輪載過渡段的優化設置，降低轉轍器部分的橫向不平順以提高列車直向過岔時的平穩性，以及降低轍叉部分的結構不平順以降低列車與道岔間的豎向動力相互作用，是本文的研究重點。

為了研究輪載過渡段優化設計對列車過岔平穩性的影響，本文運用系統動力學理論，建立輪軌系統空間耦合振動仿真計算模型，以LMA型踏面動車組直向通過350 km/h 18號道岔為例，計算分析列車過岔時的動力特性。

1 輪軌系統空間耦合振動計算模型

由于道岔結構復雜的特點，要正確描述道岔各部件的振動特性，解決道岔設計中所關心的問題，道岔結構模型不可能像段間線路一樣簡化為單邊軌道結構，而必須是一個空間的雙層疊合梁系結構。這就決定了道岔區輪軌系統分析模型必須是空間耦合振動模型。

1.1 車輛模型

道岔區內車輛模型與區間線路上相比，沒有特殊的要求，可以采用現有的分析模型。為了更為理想地模擬列車經過道岔時的動力特性，采用整車模型。車輛模型如圖1所示。

圖1 車輛模型

1.2 可動心軌單開道岔的整體模型

建立可動心軌道岔的整體模型如圖2所示。

圖2 可動心軌道岔

建立模型時所作假定及所考慮的道岔結構的主要特點為:

模型中考慮了每一根鋼軌的參振。以岔枕支承點為節點，將鋼軌結構離散化，鋼軌視為在豎向和橫向平面內雙向可彎的歐拉梁，尖軌、可動心軌及翼軌視為變截面梁，其它鋼軌視為等截面梁。每一鋼軌節點有4個自由度，即豎向位移、豎向偏角、橫向位移和橫向偏角。

考慮整體道床的參振，以鋼軌作用點為節點，將岔枕結構離散化，岔枕在豎向平面內視為單向可彎的歐拉梁，在橫向平面內視為剛體質量塊。每一岔枕節點有3個自由度，即豎向位移、豎向偏角及橫向位移。考慮鋼岔枕的參振。

鋼軌與岔枕的聯結視為彈簧阻尼裝置，其彈性和阻尼視支承情況不同而變化。岔枕與道床的聯結也視為彈簧阻尼裝置，在岔枕縱向上道床的支承彈性和阻尼視為均勻分布。

2 輪載過渡段優化設計

為保證尖軌具有承受車輪壓力的足夠強度，一般在頂寬20 mm時尖軌才可以開始承載(即開始承載斷面)，在頂寬50 mm時與基本軌平齊，完全承載(即完全承載斷面)，兩者之間降低值線性變化，為輪載過渡段。本文通過改變開始承載斷面降低值、位置、完全承載斷面位置等三個影響因素來研究輪載過渡段的不同設計對列車過岔安全性及平穩性的影響。

2.1 開始承載斷面降低值的影響

考慮尖軌頂寬 20 mm處頂面降低3，4，5 mm，頂寬50 mm斷面為完全承載處，三種方案的等效錐度、輪對傾角、動力附加力、蛇行運動振動四項動力學參數的比較如圖3所示，計算結果對比如表1所示。

圖3 尖軌頂面降低值對道岔動力參數影響比較

表1 尖軌頂面降低值對道岔動力參數的影響

從圖3和表1可見，隨著開始承載斷面降低值的增大，輪載轉移點斷面逐漸后移，等效錐度、輪對傾角、輪對橫向位移逐漸增大，輪對的橫向穩定性逐漸降低，但是該降低值也不是越小越好，當降低值為3 mm時，因輪載轉移點前移較多，輪載轉移至尖軌上后，因輪軌橫向接觸點從軌距側逐漸向尖軌頂面中心處移動，導致此時出現向上的高低不平順，反而導致車輪的動力附加力增大，當尖軌頂面降低值從4 mm增加至5 mm時，動力附加力又是隨尖軌頂面降低的增大而增大的。總之，降低開始承載斷面降低值對提高列車過岔穩定性是有利的。

2.2 開始承載斷面位置

考慮尖軌頂寬15，20，25 mm處開始承載，頂面降低值為4 mm，頂寬50 mm斷面為完全承載處，三種方案的等效錐度、輪對傾角、動力附加力、蛇行運動振動四項動力學參數的比較如圖4所示，計算結果對比如表2所示。

圖4 開始承載斷面對道岔動力參數影響比較

表2 開始承載斷面對道岔動力參數的影響

從圖4及表2中可見，與頂面降低值的影響規律一樣，隨著開始承載斷面后移，輪載轉移點斷面也逐漸后移，等效錐度、輪對傾角、輪對橫向位移均逐漸增大，車輪動力附加力也是在輪載轉移斷面較小處較大，而隨后隨著輪載轉移斷面的增大而增大。前移尖軌開始承載斷面有利于提高列車過岔穩定性。

2.3 完全承載斷面位置

考慮尖軌頂寬40，50，60 mm處完全承載，頂面降低值為4 mm，頂寬20 mm斷面為開始承載處，三種方案的等效錐度、輪對傾角、動力附加力、蛇行運動振動四項動力學參數的比較如圖5所示，計算結果對比如表3所示。

圖5 完全承載斷面對道岔動力參數影響比較

表3 完全承載斷面對道岔動力參數的影響

從圖5及表3可見，隨著完全承載斷面后移，輪載轉移點斷面也逐漸后移，等效錐度、輪對傾角、輪對橫向位移均逐漸增大，雖然等效錐度、輪對傾角未超過設計控制值，但增加幅度較明顯，完全承載斷面頂寬增加10 mm，較減少10 mm增加幅度大得多，說明輪載轉移點越靠后，道岔的橫向及豎向不平順均有明顯增加，雖然完全承載斷面頂寬增加10 mm后，尖軌頂面縱坡有所減小，但對列車過岔平穩性極為不利。

2.4 尖軌頂面降低值方案評估

轉轍器部分的輪軌關系設計應盡可能提高行車的平穩性，綜合上述三方面因素，設置尖軌頂面降低值方案如表4所示。各方案對道岔動力參數的影響如表5所示，采用列車道岔系統動力學對各方案的仿真分析結果如表6所示。

表4 直尖軌頂面降低值方案

表5 直尖軌降低值方案動力參數比較

3 結論及建議

1)降低開始承載斷面降低值對提高列車過岔穩定性是有利的。

2)前移尖軌開始承載斷面位置有利于提高列車過岔穩定性。

3)完全承載斷面越靠后，道岔的橫向及豎向不平順越明顯，對列車過岔平穩性極為不利。

4)從提高行車舒適性角度考慮，將轉轍器部分輪載過渡段設置為在直尖軌頂寬15 mm處降低3 mm，在頂寬40 mm處完全承載是比較合理的方案。

表6 直尖軌降低值方案動力響應比較

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