鋼軌件磨耗狀態(tài)下高速道岔達(dá)速運(yùn)行適應(yīng)性研究

王 璞， 王樹(shù)國(guó)， 楊東升， 司道林

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)高速鐵路客運(yùn)需求的不斷增加，增大運(yùn)量已成為迫切需求。2017年9月，復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組率先在京滬高速鐵路實(shí)現(xiàn)350 km/h商業(yè)運(yùn)營(yíng)，而后逐漸增開(kāi)350 km/h復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組數(shù)量。2018年8月，京津城際鐵路實(shí)現(xiàn)了復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組350 km/h運(yùn)營(yíng)。復(fù)興號(hào)列車(chē)在京滬高鐵、京津城際鐵路以350 km/h運(yùn)營(yíng)以來(lái)，滿(mǎn)足了沿線旅客高品質(zhì)出行的需要，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前，我國(guó)京滬高鐵部分列車(chē)以及其他高速線路仍以300 km/h運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)京滬高速鐵路全面達(dá)速并在全國(guó)高速鐵路范圍內(nèi)進(jìn)一步擴(kuò)大350 km/h運(yùn)行范圍對(duì)于提高運(yùn)量和效率、提升高速鐵路的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)具有重大意義。然而，我國(guó)高速鐵路經(jīng)過(guò)了近10年的300 km/h運(yùn)營(yíng)，進(jìn)一步擴(kuò)大達(dá)速規(guī)模亟需對(duì)移動(dòng)裝備和基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性進(jìn)行全面的評(píng)估，確保列車(chē)安全、舒適運(yùn)行。

高速道岔是高速鐵路的重要設(shè)備和薄弱環(huán)節(jié)之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多，是高速鐵路可能的限速點(diǎn)之一[1-2]，如實(shí)現(xiàn)大范圍達(dá)速必須首先保證高速道岔能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期350 km/h直向通過(guò)的要求。然而我國(guó)高速道岔隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，服役狀態(tài)呈現(xiàn)不斷劣化的趨勢(shì)，逐漸暴露出一系列問(wèn)題，其中道岔區(qū)鋼軌磨耗是普遍存在的主要問(wèn)題之一[3-4]，鋼軌磨耗的存在會(huì)改變岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系，對(duì)列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)力性能產(chǎn)生干擾，進(jìn)而可能對(duì)高速道岔達(dá)速運(yùn)行產(chǎn)生影響。

目前，運(yùn)行速度對(duì)道岔力學(xué)特性影響的研究較多，但多出于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。針對(duì)無(wú)傷損條件下的道岔，對(duì)磨耗狀態(tài)下運(yùn)行速度對(duì)高速道岔的影響研究尚較少[5-14]。基于研究需求和既有不足，本文通過(guò)實(shí)測(cè)獲取高速道岔磨耗廓形，在此基礎(chǔ)上建立車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算模型，對(duì)現(xiàn)行300 km/h速度條件下岔區(qū)鋼軌件磨耗對(duì)列車(chē)過(guò)岔動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)鋼軌磨耗狀態(tài)下高速道岔對(duì)達(dá)速運(yùn)行的適應(yīng)性進(jìn)行探究，以期為我國(guó)高速鐵路進(jìn)一步擴(kuò)大達(dá)速范圍提供理論依據(jù)和支撐。

1 高速車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型

基于多體動(dòng)力學(xué)理論建立高速車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)車(chē)體、構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱等均采用6自由度剛體進(jìn)行模擬，充分考慮二系空氣彈簧及橫向減振器、一系彈簧及垂向減振器、抗蛇形減振器、牽引拉桿、橫向止擋等結(jié)構(gòu)部件間的非線性連接耦合作用，通過(guò)精細(xì)化建模確保模型盡可能與實(shí)際相符，高速車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 高速車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

輪軌接觸計(jì)算基于Hertz[15]接觸理論及Kalker等[16-17]的FASTSIM算法進(jìn)行，主要分為接觸點(diǎn)位置探測(cè)、整體接觸力學(xué)量計(jì)算(接觸力、蠕滑率等)以及接觸斑局部接觸力學(xué)量計(jì)算(接觸應(yīng)力、蠕滑應(yīng)力、滑動(dòng)速度分布等)，如圖2所示。

圖2 輪軌接觸計(jì)算模型

道岔動(dòng)力學(xué)模型充分考慮轉(zhuǎn)轍器區(qū)基本軌與尖軌、轍叉區(qū)心軌與翼軌的組合位置關(guān)系以及鋼軌的變截面特性，通過(guò)插值的方法實(shí)現(xiàn)道岔區(qū)異形鋼軌截面的空間過(guò)渡，如圖3所示。轉(zhuǎn)轍器區(qū)及轍叉區(qū)主要特征斷面位置鋼軌初始設(shè)計(jì)廓形，如圖4所示。

圖3 岔區(qū)變截面鋼軌的模擬

圖4 道岔區(qū)特征位置鋼軌初始設(shè)計(jì)廓形

充分考慮道岔區(qū)軌道的剛度與阻尼特性，剛度阻尼參數(shù)取值基于實(shí)測(cè)結(jié)果，軌道垂、橫向剛度分別取40 kN/mm，95 kN/mm，垂、橫向阻尼分別取400 kN·s/m，100 kN·s/m。高速道岔動(dòng)力學(xué)模型，如圖5所示。

圖5 高速道岔動(dòng)力學(xué)模型

2 高速道岔鋼軌磨耗廓形測(cè)試

隨著高速道岔服役時(shí)間的增長(zhǎng)，岔區(qū)鋼軌磨耗情況會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，如圖6所示。課題組對(duì)某線路高速鐵路道岔不同特征位置的鋼軌磨耗廓形進(jìn)行了測(cè)試，如圖7所示。所測(cè)廓形為此線路高速鐵路道岔在鋪設(shè)運(yùn)營(yíng)7年后的鋼軌廓形，通過(guò)總質(zhì)量約120 MGT。針對(duì)該道岔試驗(yàn)段進(jìn)行了多次測(cè)試，結(jié)果表明直向過(guò)岔?xiàng)l件下，道岔區(qū)鋼軌件磨耗狀態(tài)已趨于穩(wěn)定，磨耗發(fā)展已較為緩慢，因此，所測(cè)鋼軌廓形基本能夠表征此線路高速鐵路道岔的磨耗狀態(tài)及特征。

(a) 尖軌磨耗

(a) 轉(zhuǎn)轍器區(qū)

從圖7可知，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)及轍叉區(qū)，尖軌、基本軌、翼軌、心軌均出現(xiàn)了不同程度的磨耗，導(dǎo)致軌頭廓形及鋼軌件之間的相對(duì)位置關(guān)系較初始狀態(tài)發(fā)生了較為明顯的變化，這會(huì)直接影響列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的輪軌接觸狀態(tài)和輪載過(guò)渡情況，進(jìn)而會(huì)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

分別基于高速道岔初始設(shè)計(jì)廓形和實(shí)測(cè)的磨耗鋼軌廓形，建立道岔動(dòng)力學(xué)模型，高速車(chē)輛和輪軌接觸模型及參數(shù)保持不變，分別計(jì)算車(chē)-岔動(dòng)力學(xué)特性，將初始狀態(tài)和磨耗狀態(tài)下的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3 鋼軌件磨耗對(duì)動(dòng)力性能的影響

現(xiàn)行300 km/h速度條件下鋼軌件磨耗前后車(chē)-岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比，如圖8所示。圖8中橫坐標(biāo)“位置”含義為距仿真起點(diǎn)(岔前20 m位置)的距離，為便于分析，用箭頭標(biāo)出了列車(chē)進(jìn)岔及出岔的橫坐標(biāo)位置。

由圖8可知，在鋼軌磨耗狀態(tài)下，列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生了明顯的變化。

圖8 道岔區(qū)鋼軌磨耗對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

在鋼軌磨耗狀態(tài)下列車(chē)進(jìn)岔時(shí)所產(chǎn)生的輪軌沖擊作用提前了，轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪載過(guò)渡規(guī)律發(fā)生了明顯的改變。輪軌作用力峰值仍出現(xiàn)在轍叉區(qū)，但較非磨耗狀態(tài)均大幅增加，輪軌垂向力峰值由99.29 kN增至113.35 kN，輪軌橫向力峰值由4.23 kN增至6.34 kN。列車(chē)通過(guò)轍叉區(qū)時(shí)安全性指標(biāo)顯著惡化，脫軌系數(shù)峰值由0.047增至0.107，輪重減載率峰值由0.228增至0.600，因此，在高速道岔鋼軌磨耗狀態(tài)下，列車(chē)過(guò)岔安全性需要進(jìn)一步關(guān)注。另外，在磨耗狀態(tài)下，輪軌橫向力和脫軌系數(shù)在列車(chē)出岔后均出現(xiàn)一個(gè)峰值，表明有輪緣接觸的情形發(fā)生，列車(chē)在通過(guò)道岔時(shí)產(chǎn)生了一定的晃動(dòng)。

輪對(duì)橫移曲線可進(jìn)一步證明，列車(chē)進(jìn)岔后由于道岔固有結(jié)構(gòu)不平順的激擾，輪對(duì)出現(xiàn)了蛇形運(yùn)動(dòng)，而在磨耗狀態(tài)下，列車(chē)進(jìn)岔后輪對(duì)的蛇形運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)則顯著增大，輪對(duì)橫移量由1.83 mm增至6.42 mm。另外，在磨耗狀態(tài)下輪對(duì)橫向加速度也明顯增加，分別在轉(zhuǎn)轍器區(qū)、轍叉區(qū)及出岔后出現(xiàn)峰值;在磨耗狀態(tài)下輪對(duì)橫向加速度峰值由3.72 m/s2增至6.25 m/s2。車(chē)輛振動(dòng)情況也呈加劇的趨勢(shì)，車(chē)體垂向加速度峰值出現(xiàn)位置由轉(zhuǎn)轍器區(qū)變?yōu)檗H叉區(qū)，由0.008 m/s2增至0.011 m/s2，車(chē)體橫向加速度峰值由0.095 m/s2增至0.174 m/s2。

高速道岔在磨耗狀態(tài)下，列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的輪軌磨耗情況有所減弱，磨耗功率峰值由655.97 W降至628.84 W，說(shuō)明道岔鋼軌磨耗發(fā)展呈逐漸收斂的趨勢(shì)，隨著磨耗程度的加深，磨耗發(fā)展速率逐漸減緩。

總體來(lái)看，高速道岔鋼軌磨耗對(duì)列車(chē)過(guò)岔時(shí)的安全性、輪軌相互作用以及車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)及振動(dòng)情況均會(huì)產(chǎn)生不利影響。

4 鋼軌磨耗狀態(tài)下道岔達(dá)速運(yùn)行適應(yīng)性分析

在道岔區(qū)鋼軌磨耗狀態(tài)下，當(dāng)列車(chē)速度由300 km/h提升至350 km/h時(shí)，車(chē)-岔動(dòng)力性能的變化，如圖9所示。

(a) 脫軌系數(shù)

從圖9可知，在高速道岔磨耗狀態(tài)下，速度由300 km/h提升至350 km/h時(shí)，列車(chē)過(guò)岔的安全性參數(shù)均增大，脫軌系數(shù)的增大更為明顯，脫軌系數(shù)和輪重減載率的峰值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，速度提升后脫軌系數(shù)峰值由0.11增至0.14，輪重減載率峰值由0.60增至0.61。

速度提升后，列車(chē)過(guò)岔時(shí)輪軌的相互作用也呈增大趨勢(shì)，輪軌垂向力增加尤為顯著，輪軌垂橫向力峰值均出現(xiàn)在轍叉區(qū)，速度提升后輪軌垂向力峰值由113.35 kN增至123.47 kN，輪軌橫向力峰值由6.34 kN增至8.86 kN。值得注意的是，速度提升后，出岔后輪緣接觸發(fā)生位置后移。

速度提升后，列車(chē)過(guò)岔時(shí)的輪對(duì)橫移量略有減小，但輪對(duì)橫向加速度呈增大趨勢(shì)，通過(guò)轍叉區(qū)時(shí)輪對(duì)橫向加速度峰值由6.25 m/s2增至6.59 m/s2。速度提升前后，列車(chē)過(guò)岔時(shí)車(chē)體的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線特征基本一致，但幅值均有所增加，車(chē)體垂向振動(dòng)加速度峰值由0.011 m/s2增至0.012 m/s2，車(chē)體橫向振動(dòng)加速度峰值由0.174 m/s2增至0.204 m/s2。

另外，在磨耗狀態(tài)下，列車(chē)達(dá)速通過(guò)道岔時(shí)輪軌磨耗將相應(yīng)加劇，尤其在通過(guò)轍叉區(qū)時(shí)輪軌磨耗功率明顯增加，磨耗功率峰值由628.84 W增至1 097.98 W。說(shuō)明雖然在特定運(yùn)營(yíng)條件下道岔鋼軌磨耗發(fā)展呈收斂的趨勢(shì)，但是運(yùn)營(yíng)速度的增加會(huì)使磨耗發(fā)展加速。

總體來(lái)看，運(yùn)營(yíng)速度提升前道岔區(qū)鋼軌件磨耗已導(dǎo)致列車(chē)過(guò)岔安全性、輪軌相互作用、車(chē)輛振動(dòng)出現(xiàn)明顯的變化，列車(chē)過(guò)岔速度的提升會(huì)進(jìn)一步壓縮安全和疲勞性能裕量，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、以及車(chē)體和輪對(duì)的橫向加速度等均有提升，其中輪軌橫向力增幅約40%。另外，速度提升會(huì)改變道岔鋼軌件磨耗發(fā)展的收斂趨勢(shì)，重新致使鋼軌磨耗加速發(fā)展。因此，鋼軌件磨耗會(huì)使高速道岔對(duì)于達(dá)速運(yùn)行的適應(yīng)性有所下降，但是各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均仍在安全限值范圍內(nèi)，鋼軌件磨耗狀態(tài)下高速道岔雖能適應(yīng)350 km/h達(dá)速運(yùn)行條件，但需重點(diǎn)關(guān)注鋼軌件的進(jìn)一步磨耗和部件傷損加速的情況。

5 結(jié) 論

對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下高速道岔特征位置鋼軌磨耗廓形進(jìn)行了測(cè)試，建立了高速車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)現(xiàn)行速度條件下岔區(qū)鋼軌件磨耗對(duì)列車(chē)過(guò)岔動(dòng)力性能的影響以及磨耗狀態(tài)下高速道岔對(duì)達(dá)速運(yùn)行的適應(yīng)性進(jìn)行了仿真分析。主要結(jié)論如下：

(1) 長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件下，高速道岔尖軌、基本軌、翼軌、心軌均出現(xiàn)了不同程度的磨耗，軌頭廓形及鋼軌件之間相對(duì)位置關(guān)系較初始狀態(tài)發(fā)生了較為明顯的變化。

(2) 鋼軌磨耗條件下列車(chē)進(jìn)岔時(shí)產(chǎn)生的輪軌沖擊作用提前了，轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪載過(guò)渡規(guī)律發(fā)生了明顯的改變；列車(chē)通過(guò)轍叉時(shí)輪軌動(dòng)力作用及安全性指標(biāo)均增加；列車(chē)進(jìn)岔后輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)增大，導(dǎo)致出岔后發(fā)生輪緣接觸；車(chē)輛及輪對(duì)振動(dòng)也呈加劇的趨勢(shì)；隨著磨耗程度的加深，列車(chē)過(guò)岔時(shí)輪軌磨耗速率逐漸減緩，道岔鋼軌磨耗發(fā)展呈逐漸收斂的趨勢(shì)。

(3) 道岔磨耗狀態(tài)下，列車(chē)速度的提升會(huì)進(jìn)一步壓縮安全和疲勞性能裕量，并且會(huì)改變道岔鋼軌件磨耗發(fā)展的收斂趨勢(shì)。鋼軌件磨耗狀態(tài)下高速道岔雖能適應(yīng)350 km/h達(dá)速運(yùn)行條件，但需重點(diǎn)關(guān)注鋼軌件的進(jìn)一步磨耗和部件傷損加速的情況。

本文主要對(duì)某線路高鐵18號(hào)道岔的磨耗特征及對(duì)達(dá)速運(yùn)行適應(yīng)性進(jìn)行了研究，進(jìn)一步工作中，將在不同高鐵線路上對(duì)不同號(hào)碼高速道岔進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試，分別研究其磨耗特征以及對(duì)動(dòng)力學(xué)特性及提速的影響，在此基礎(chǔ)上總結(jié)更普遍的規(guī)律和結(jié)論。