高速道岔車輛動力學指標研究與過岔計算

李金城,丁軍君,李 芾,牛悅丞,楊 陽

(1.西南交通大學機械工程學院,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院,成都 610031)

引言

道岔作為鐵路軌道中的重要組成部件，起著連接兩股軌道、跨越交叉線路的作用， 擁有比區間線路更復雜的結構，車輛于岔區實現不同鋼軌間的輪載過渡，輪軌間的沖擊振動遠大于一般正線[1-5]。且隨著車輛運行速度的提升，岔區輪軌間的沖擊和振動更為劇烈，因此高速線路中采用可動心軌轍叉代替固定轍叉結構，以減小車輛過岔時的沖擊振動。可動心軌轍叉的密貼式設計有效減小了岔區的結構不平順，但道岔結構產生的不平順不可能完全消除，車輛高速過岔時仍存在較大安全風險。

為保證車輛過岔安全，國內外學者針對車輛過岔性能進行了大量研究[6-12]，但在評價車輛過岔動力學性能時，一般以區間線路的評價指標作為參考，且評價指標中涉及的多種評價方法是基于車輛受到連續不平順的假設下進行的，但道岔結構不平順存在不連續特性，在對道岔設計及車輛過岔動力學驗證、特別在研究道岔結構不平順對車輛動力學的影響時，一般不考慮軌道隨機不平順[13-16]。因此，針對道岔結構不平順進行道岔設計驗證時，需選用合理的評價指標對車輛過岔性能進行評價。

國際鐵路聯盟標準UIC518：2009、UIC-515:1984和歐標EN14363尚未對高速車輛過岔性能做出具體說明。我國GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》給出了運行速度不超過140 km/h的客車動力學指標，但未對更高速度級的車輛動力學性能做出規定。在我國進行高速動車組研制及試驗的過程中，制定了一系列的高速動車組試驗規范及評定標準。其中，95J01-L《高速試驗列車動力車強度及動力學性能規范》、95J01-M《高速試驗列車客車強度及動力學性能規范》、TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術條件》等標準中對車輛過岔性能作了部分介紹，但所涉及評價指標尚不全面。因此，在進行高速車輛過岔性能的研究時，應結合國內外相關動力學標準對岔區及區間線路的規定進行分析。

綜合各國標準和規范中給出的評價方法，一般從車輛穩定性、平穩性和安全性3個方面對車輛動力學性能進行評價，道岔為線路中的連接部分，車輛過岔時需滿足相關車輛動力學性能要求。

1 穩定性

車輛運行穩定性一般以車輛臨界速度、構架振動加速度和導向力之和評判。

1.1 車輛臨界速度

車輛臨界速度一般以輪對橫移量是否收斂作為判斷標準，若輪對橫移逐漸減小并趨于0，則認為系統收斂，車輛處于穩定狀態，反之則認為系統發散，車輛失穩，圖1給出了車輛輪對的收斂與發散狀態。

圖1 收斂和發散狀態下的輪對橫移量

過岔穩定性指車輛在規定速度范圍內過岔時不出現失穩的能力，同樣以輪對橫移是否收斂作為車輛過岔穩定性的評判方法。

1.2 構架振動加速度

為便于在線路實驗中評價車輛運行穩定性，UIC-515:1984中首次對構架振動加速度做出規定，認為車輛受連續不平順激擾時，在4～8 Hz區間構架振動加速度峰值連續6個在8 m/s2以上時為不合格。美國聯邦鐵路管理局(FRA，Federal Railroad Administration)認為構架橫向振動加速度經帶通濾波后，若2 s內滑動均方根值(RMS: Root Mean Square)超過0.4g，則車輛應減速慢行。我國《高速動車組整車試驗規范》中認為在對加速度進行10 Hz的低通濾波后，若構架橫向振動加速度峰值連續6個達到或超過8～10 m/s2極限值時，車輛判定為失穩。

(1)

式中，Mb為轉向架總質量，t。

1.3 輪對導向力之和

UIC518：2009中提出以輪對導向力之和的滑動均方根值評判車輛運行于直線或大半徑曲線時的穩定性，滑動均方根的處理方法與上述構架振動加速度的處理方法相同，即對結果進行帶通濾波后，對結果區間取100 m范圍以10 m為窗口進行滑動均方根進行計算，其限值如下

(2)

式中，(s∑Y)lim為導向力之和滑動均方根值限值，kN；α為系數，客車取1，貨車取0.85。

無論構架振動加速度峰值判別方法、構架振動加速度滑動均方根值評判方法，還是輪對導向力之和的滑動均方根值評判方法，均是車輛受到連續激擾狀態時的判別方法。為保證車輛順利過岔，岔區存在尖軌、心軌頂面加寬、軌頂降低等設計，不可避免地產生結構不平順，但車輛直/側向過岔時，由道岔結構產生的不平順并不連續，且只存在于尖軌/基本軌、翼軌/心軌等過渡區域，在研究道岔結構不平順對車輛過岔性能的影響時，構架振動加速度和輪對導向力之和限值一般不予考慮。根據車輛過岔時的激勵特點，以車輛過岔時輪對橫移量收斂特性作為車輛過岔穩定性的評判標準更為合理。

2 平穩性

車輛運行平穩性一般以車輛平穩性指標與車體橫向、垂向振動加速度評價。

2.1 平穩性指標

平穩性指標是衡量車輛振動性能的重要技術指標，直接反映車輛振動對旅客乘坐舒適度的影響，一般以Sperling指數進行評價，經驗公式如下

(3)

式中W——平穩性指標；

z0——振幅，cm；

f——振動頻率，Hz；

a——振動加速度，cm/s2，a=z0(2πf)2；

F(f)——加權系數。

以上公式只針對單一振幅和單一頻率下的振動，為評價車輛在隨機振動下的平穩性，一般記錄車輛在一段運行時間內的振動加速度，將加速度在時域內的響應進行FFT(Fast Fourier Transformation)變換，得到加速度頻率響應函數，按頻率分類計算得到各頻段平穩性Wi，最終求出全頻段總的平穩性W。

對于長時間內的平穩性，需考慮振動加速度幅值、頻率和持續時間等指標，采用Sperling指數作為評價指標可以綜合考慮上述因素。我國GB/T 5599-1985及《200 km/h及以上速度級電動車組動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》等標準中一直采用Sperling指數作為評價車輛運行平穩性的指標，標準中指出，在車輛直線運行受到連續激擾狀態下，以車輛運行18～20 s為時長，對期間采樣數值進行分析以用于平穩性指標的計算，Sperling平穩性指標滿足W≤2.5時認定為優秀。由于車輛過岔振動的不連續性，Sperling指數不能真實有效反映出車輛過岔平穩狀態，在研究道岔結構不平順對車輛過岔性能的影響時，一般不以Sperling指數作為評判車輛過岔平穩性的指標。

2.2 車體振動加速度

Sperling指數處理方法相對繁瑣，且對于評價瞬時振動存在一定局限性，國內外同樣以車體振動加速度作為平穩性的評判方法。UIC518與EN14363中規定轉向架正上方的車體地板面橫向振動加速度acy的峰值與垂向振動加速度acz的峰值不得大于2.5 m/s2，且規定acy與acz的滑動均方根限值分別為0.5 m/s2和0.75 m/s2。我國95J01-L中以車體底架縱中心線前后牽引梁的端部作為加速度測量點，規定車體橫向、垂向振動加速度峰值分別不得超過1.47，2.45 m/s2。

對高速車輛，我國《高速動車組整車試驗規范》、《200 km/h及以上速度級電動車組動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》中給出的車體振動加速度限值與UIC518和EN14363中相同，但加速度的測量位置采用GB/T 5599—1985中的規定，即以距離轉向架中心橫向1 000 mm處的車體地板面作為加速度測量點。TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術條件》中延續了GB/T 5599—1985中的測量辦法，給出了車輛直向和側向通過速度250～350 km/h的高速道岔時的橫向、垂向振動加速度限值。車輛直/側向過岔時，車體橫向振動加速度需滿足

acy≤1.5 m/s2

(4)

車輛直/側向過岔時，車體垂向振動加速度需滿足

acz≤2.0 m/s2

(5)

3 安全性

車輛直向和側向過岔時均存在較大結構不平順，因此車輛直向和側向過岔時均采用輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率等安全性指標進行評價。

3.1 輪軌垂向力

UIC518：2009中根據速度等級將輪軌垂向力的限值劃分為5等，規定其中運行速度在200～250 km/h的車輛最大輪軌垂向力不得超過180 kN，運行速度在250～300 km/h的車輛，其最大輪軌垂向力不得超過170 kN，運行速度大于300 km/h的車輛，其最大輪軌垂向力不得超過160 kN。對非沖擊性的垂向載荷，德國聯邦鐵路(DB)采用170 kN作為限值。

我國《高速動車組整車試驗規范》、《200 km/h及以上速度級電動車組動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》及95J01-L、95J01-M中規定動力車通過直線、曲線、道岔和橋梁時，垂向力最大值Pmax應滿足

Pmax≤170 kN

(6)

3.2 輪軌橫向力

道岔結構不平順使車輛經過岔區時存在更大的輪軌力，為保證岔區鋼軌幾何位置的正確性，必須對輪軌橫向力加以監測。GB/T 5599-1985中以道釘拔起為依據給出了輪軌橫向力限值，但由于該標準制定較早且一直未進行相關更新，其給出的輪軌橫向力限值只適用于鋪設木軌枕的線路[17-18]，該標準未對高速線路做出相關規定。日本在新干線中以線路所采用扣件的橫向設計載荷為輪軌橫向力設計標準，該線路中扣件橫向設計載荷為軸重的0.4倍。歐美一般以車輛靜軸重的0.4倍作為輪軌橫向力的限值，如式(7)所示。

Y≤0.4(Pst1+Pst2)

(7)

式中Y——輪軌橫向力，kN；

Pst1、Pst2——分別為左、右側車輪靜載荷，kN。

3.3 輪軸橫向力

Prud’homme通過試驗研究首次給出了如式(8)所示的輪軸橫向力限值計算公式[19]，并被歐美國家廣泛采用，其中UIC518：2009中給出的用于評價安全性的輪軌導向力之和限值見式(9)，其對結果的處理方法與上述穩定性導向力之和的處理方法相同，但限值為穩定性導向力之和限值的2倍。

(8)

式中P0——車輛靜軸重，kN。

(9)

規范95J01-L中以式(10)所示的推薦值作為動車通過直線、曲線、道岔時的導向輪對橫向力峰值的限值。對時速200 km以上的電動車組，我國《高速動車組整車試驗規范》、TB10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》及TB/T 3301—2013中均以式(10)所示數值作為輪軸橫向力限值。

(10)

3.4 脫軌系數

UIC-518：2009規定，當曲線半徑R≥250 m時脫軌系數在2 m軌道上的滑動平均值限值如式(11)所示。

[(Q/P)2m]lim=0.8

(11)

針對列車脫軌問題，日本在進行車輛脫軌試驗研究時以0.05 s為時長，給出了脫軌系數限值與時間t的關系[20]，如式(12)，日本JNR標準中以脫軌系數和輪軌作用時間評判車輛脫軌風險。

(12)

我國《高速動車組整車試驗規范》中以式(13)作為脫軌系數限值，TB10621—2009中將該限值的適用范圍擴展至運行速度350 km/h的車輛，TB10761—2013及TB/T 3301—2013中均使用式(13)作為脫軌系數限值。

Q/P≤0.8

(13)

3.5 輪重減載率

當車輛直向/側向過岔時，車輛運行速度較低時，認為輪軸橫向力Q=0，此時得到的減載率為靜態或準靜態輪重減載率[21]，當車輛以高速經過鋼軌接頭、道岔等區域時產生的沖擊振動可能會引起車輪的瞬時減載，此時靜態減載率不能真實反映輪對的減載狀態。根據車輛運行狀態，日本在進行輪重減載率的研究時將其分為準靜態輪重減載率和動態輪重減載率，以動態輪重減載率評價車輛存在沖擊振動時的車輪減載情況，并給出如式(14)所示的限值，對于超限的動態減載率時間小于0.01 s時，認為車輛不存在脫軌危險。對于高速車輛，德國、美國在高速試驗中取0.9作為動態輪重減載率。

(14)

式中b1——準靜態減載率；

b2——動態減載率。

對于速度低于160 km/h的車輛，我國《200 km/h及以上速度級電動車組動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》中以0.65作為輪重減載率的限值，而對運行速度高于160 km/h的車輛，標準中將輪重減載率分為準靜態與動態兩部分，采用式(15)作為輪重減載率的限值。TB/T3301—2013及TB10761—2013中同樣采用式(15)作為輪重減載率限值。

(15)

4 高速道岔動力學評價指標選擇

在了解道岔型號、結構、允許過岔速度及車輛運行速度的基礎上，結合國內外動力學標準對岔區及區間線路的規定，在研究道岔結構不平順對車輛過岔的影響時，選取以下動力學指標對高速車輛過岔性能進行評價。

(1)穩定性

道岔結構不平順存在不連續性，在對車輛過岔穩定性進行評價時，采用車輛過岔時輪對橫移量收斂特性作為車輛過岔穩定性的評判標準。

(2)平穩性

車輛平穩性的評判方法中，Sperling指標為車輛受到連續振動時全頻段的綜合平穩性W，不能真實反映車輛過岔振動。車輛過岔平穩性進行評價時，以車輛直向和側向通過道岔時車體橫向、垂向振動加速度作為車輛過岔平穩性評判標準。

車體橫向振動加速度滿足acy≤1.5 m/s2；

車體垂向振動加速度滿足acz≤2.0 m/s2。

(3)安全性

車輛直向和側向過岔時均存在較大結構不平順，因此車輛直向和側向過岔時均采用輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率等安全性指標進行評價。

輪軌垂向力滿足Pmax≤170 kN；

輪軌橫向力滿足Y≤0.4(Pst1+Pst2)；

脫軌系數滿足Q/P≤0.8,(t≥0.05 s)；

5 車輛過岔動力學性能計算

根據TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術條件》，在進行道岔動力學性能驗證時，車輛直向過岔速度應取道岔直向設計速度的1.1倍，側向動力學性能在道岔側向設計速度的基礎上增加10 km/h進行驗證，以CRH380A高速動車組通過18號無砟道岔為例進行計算分析，按照標準要求，仿真時直向過岔速度取385 km/h、側向過岔速度為90 km/h。

5.1 穩定性

圖2 車輛過岔輪對橫移量

圖2為車輛以驗證速度直向/側向過岔時車輛第一位輪對的橫移情況。由圖2可知，車輛在經過道岔轉轍區與轍叉區時輪對存在較大橫移，在車輛通過道岔后橫移迅速衰減并快速趨于0，車輛直向/側向過岔時不存在失穩風險。

5.2 平穩性

由圖3、圖4知，車輛直向/側向過岔時車體橫向振動加速度小于1.5 m/s2，車體垂向振動加速度滿足acz≤2.0 m/s2的要求，車輛過岔平穩性滿足標準要求。

圖3 車輛過岔車體橫向振動加速度

圖4 車輛過岔車體垂向振動加速度

5.3 安全性

圖5～圖9為車輛直向/側向過岔時的安全性指標，以車輛第一位輪對為例進行分析。

圖5 車輛過岔輪軌橫向力

圖6 車輛過岔輪軌垂向力

圖7 車輛過岔輪軸橫向力

圖8 車輛過岔脫軌系數

圖9 車輛過岔輪重減載率

由于道岔轉轍區存在較大的橫向不平順，與車輛橫向振動特性相關的評價指標如輪軌橫向力、輪軸橫向力和脫軌系數在轉轍區存在較大波動，但其最大值均在安全性評價指標范圍內。

轉轍區和轍叉區均存在較大的垂向不平順，由于轍叉區垂向不平順波長更短，因此與車輛垂向振動特性相關的評價指標在轍叉區波動更大，但最大值均未超過安全性評價指標限值。

6 結論

為研究道岔結構不平順對車輛動力學的影響，分析國內外道岔動力學的研究現狀，總結用于評價道岔結構不平順的車輛動力學指標，并以高速動車組直向和側向通過18號道岔為例進行計算分析。計算結果表明：車輛過岔時各動力學指標在道岔轉轍區與轍叉區均存在明顯波動，且車輛側向過岔時受曲線部分的影響，側向過岔動力學性能與直向過岔存在較大差異，但各指標最大值均在選取的動力學評價指標允許范圍內，車輛直向/側向過岔動力學性能滿足運行需求。在現階段的道岔研究分析中，一般根據部分標準中給出的道岔動力學性能指標結合區間線路的規定進行分析，在道岔動力學指標的進一步研究中，應采用理論與試驗相結合的方式制定更適合道岔的、更為完善的岔區動力學評價指標。