高速鐵路道岔區幾何不平順動態管理限值研究

楊愛紅 楊飛 孫加林 刁洪寶 徐井芒 李紅艷 常文浩

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；3.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；4.中國國家鐵路集團有限公司鐵路基礎設施檢測中心，北京 100844；5.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044

道岔結構的幾何平順性一直是道岔設計及養護維修的重點。由于道岔區存在尖軌及心軌斷面降低值、軌件密貼間隙等結構不平順，相較于正線，車輛通過道岔時輪軌接觸關系更為復雜。道岔區結構的固有不平順與軌道隨機不平順產生疊加作用，當疊加效應超出一定范圍時，輪對在道岔區的不穩定運動可能會直接影響行車舒適性及安全性。

國內外學者在道岔區動力學行為等方面進行了大量研究，主要是通過仿真建模分析來反映道岔區輪軌接觸關系的變化特征。Schupp等［1］研究了在多體動力學仿真中道岔區輪軌多點接觸的實現方法。Kassa等［2］研究了關鍵參數隨機輸入條件下車輛-道岔系統的動態響應。吳安偉［3］研究了動車組過岔時的動力響應、車輪踏面以及道岔相關參數對車輛振動的影響。朱劍月等［4］分析了道岔尖軌的軌下剛度對輪軌動力特性的影響。全順喜［5］研究了幾何不平順對道岔區輪軌接觸幾何關系和車輛-軌道耦合振動特性的影響。司道林等［6］對高速列車通過轍叉區時的動力響應進行了研究，發現設置合理的翼軌抬高值可降低輪軌動力作用。楊東升［7］對高速道岔轍叉結構和平順性進行了優化。蔡小培等［8］研究得出不同藏尖結構和車輪踏面的輪軌接觸不平順規律。王樹國等［9］利用動力學軟件建立了高速道岔模型，研究表明尖軌降低值會影響高速道岔轉轍器平順性。

上述研究成果大多集中在道岔區輪軌關系、道岔結構優化設計等方面，較少涉及運營階段道岔區不平順的空間幾何特征和不平順管理限值。我國目前對道岔區動態幾何狀態的評判標準與正線一致，但實際運營過程中道岔區晃車、抖車等現象時有發生，且其成因較為復雜，并非僅受軌道幾何狀態單因素的影響，尚未明確結構固有不平順變化、輪軌匹配不良等因素的耦合作用對車輛運行的影響程度。因此，有必要對道岔區軌道不平順及其管理標準開展研究，深入分析道岔區軌道幾何不平順對車輛動態響應的影響規律，為減少道岔區車輛響應超限提供技術支撐。本文基于動態檢測數據，對正線和道岔區的幾何不平順和輪軌力的差異進行分析；基于有限元和多體動力學方法，建立車輛-道岔耦合動力學模型，研究道岔區幾何不平順對車輛動力學性能的影響規律，進而確定道岔區軌道幾何不平順高速控制限值標準。

1 正線與道岔區檢測數據統計及對比

1.1 正線與道岔區的軌道幾何不平順差異

基于統計學相關方法，選取京廣高速鐵路正線及18號道岔區軌檢數據，分析其幾何不平順差異。正態性檢驗［10］結果表明：在0.05的顯著水平下，高低、軌向、軌距、水平和三角坑不平順均不服從正態分布。因此，采用均值及四分位數對其統計特征進行描述，統計結果見表1。在統計數值上存在顯著差異的是軌距和軌向。道岔區軌距均值為0.570 mm，比正線的0.148 mm高了285%；道岔區的軌向最小值小于正線，而最大值大于正線，這說明相較于正線，道岔區的軌向分布范圍更大。

表1 正線區及道岔區幾何不平順統計數值 mm

軌道質量指數（Track Quality Index，TQI）是7項軌道幾何不平順在200 m區段的標準差之和。正線及道岔區的TQI值統計結果見表2。可知：除高低外，道岔區其他單項幾何不平順的TQI值均顯著大于正線，其中軌距差異尤為突出，達0.37 mm；道岔區TQI總值比正線大1.00 mm。

表2 正線及道岔區TQI值 mm

綜上，相對于正線，道岔區的軌道幾何狀態更為惡劣，線路的平順性相對較差；道岔區采用和正線相同的不平順管理限值標準是不合理的，不能準確指導道岔區養護維修作業工作，亟待開展道岔區不平順管理限值的研究。

1.2 正線與道岔區輪軌相互作用差異

選取京哈高速鐵路的輪軌力檢測數據進行統計分析，得到正線與道岔區輪軌力累計分布上90.0%、95.0%、97.5%、99.5%百分位數處的輪軌垂向力和橫向力的統計值，見表3。可知：正線與道岔區輪軌垂向力均在70～83 kN內，道岔區的輪軌垂向力比正線大2～6 kN，輪軌橫向力比正線大2～4 kN。

表3 正線與道岔區輪軌垂向力與橫向力

2 車輛-道岔剛柔耦合動力學模型

針對我國常用的CRH2C型高速動車組以及18號高速道岔，基于多體動力學軟件SIMPACK以及有限元軟件ANSYS，建立車輛-道岔剛柔耦合動力學模型。

2.1 車輛模型

在CRH2C型高速動車組多體動力學模型中，車體通過空氣彈簧與2個構架進行連接，每個構架通過鋼彈簧與4個輪對進行連接；模型中充分考慮了車輛結構的懸掛非線性特性。圖1為車輛模型拓撲圖。

圖1 CRH2C型高速動車組建模拓補圖

2.2 道岔模型

針對客專07（009）-18號高速道岔，在ANSYS軟件中采用beam188單元來建立鋼軌模型，考慮道岔區鋼軌的柔性變形，且能反映梁模型的縱向變截面特性。選取多個道岔典型截面劃分平面單元，將道岔截面的形心作為梁單元的節點，插值形成變截面梁單元。同時，在轉轍器和轍叉部分每隔半跨岔枕選取一個鋼軌主節點，并在道岔連接部分每隔一跨岔枕選取一個主節點，柔性體變形與車輛子系統通過鉸接、約束和力單元進行連接，充分反映變截面梁的高階彎曲變形特點。道岔直股用鋼軌有限元模型見圖2。

圖2 道岔直股用鋼軌有限元模型

模型中扣件垂向剛度取25 kN∕mm；沿道岔縱向模擬了岔枕的變枕距。為減小模型邊界效應，在尖軌尖端前和轍叉跟端后設置12跨岔枕長的直線段，模型總長度為73.8 m，自由度數為2 466。

2.3 輪軌接觸模型

基于STRIPES條帶理論，車輪和道岔鋼軌廓形被分割為寬1 mm的系列縱向條帶。在每個條帶中搜索可能發生接觸的橢圓縱軸范圍，通過HERTZ和FASTSIM兩種算法分別計算輪軌法向和切向接觸應力。

2.4 模型驗證

為了驗證仿真模型的可靠性，計算仿真模型中列車直向通過時安全性指標最大值，并與京沈客運專線（車速v=350 km∕h）18號無砟道岔動力學性能試驗結果進行對比，見表4。可知，各項安全性指標仿真計算與試驗結果大致相當，且隨行車速度、過岔方向變化規律相同；由于道岔制造組裝誤差、鋪設實際狀態不同等，二者未完全吻合。應用本仿真模型評估道岔的安全性與動力性能是可信的。

表4 直向過岔時安全性指標的試驗與仿真結果對比

3 幾何不平順動態管理限值

3.1 道岔區不平順工況模擬

基于MATLAB數值計算軟件與多體動力學商用軟件SIMPACK，參考250 km∕h速度等級（200 km∕h≤v≤250 km∕h）、350 km∕h速度等級（250 km∕h＜v≤350 km∕h）線路軌道幾何狀態局部峰值動態管理值標準，構造高低、軌距、軌向、水平、三角坑5種類型的諧波不平順。國內外高速鐵路對軌道不平順以一定弦長下或波長范圍內的幅值進行管理。本文參考中國鐵道科學研究院集團有限公司在指定既有線鐵路軌道不平順管理值時的方法［11］，采用10 m波長的單一簡諧波不平順，這也與靜態檢測中10 m弦測波長保持了一致。高低、軌距、軌向、水平諧波波長為10 m；三角坑基長為3 m，在轉轍器區前端軌縫外延60 m、岔后軌縫后延60 m，共計189 m范圍內。

為模擬車輛真實的過岔狀態，得到準確的車輛響應，還需考慮隨機不平順的影響。利用高速鐵路無砟軌道不平順譜生成50個隨機樣本，分別與上述各單項諧波不平順相疊加。

基于車輛-道岔系統耦合動力學模型，研究列車直逆向過岔時各單項不平順幅值變化對運行安全性、平穩性的影響規律，統計50個某單項不平順樣本不同幅值作用下的安全性和平穩性指標的平均值，進而探究道岔區幾何不平順高速分級管理限值控制標準。

3.2 350 km/h速度等級高速道岔動態不平順管理限值

列車以350 km∕h直逆向過岔時，對高低、軌向、軌距、水平、三角坑5種單項不平順進行仿真計算，分析其幅值變化對運行安全性、平穩性的影響規律。參照TG∕GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》以及GB∕T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》中有關安全性、平穩性指標分級管理限值的規定，對于單項不平順，當有一項安全性或平穩性指標達到某級別限值時，提取所對應的該項不平順幅值作為道岔區幾何分級管理限值標準。

對計算結果進行分析，發現除水平不平順外，高低、軌向、軌距和三角坑不平順各偏差等級限值均可沿用動態運營管理值標準。

對于水平不平順，其動力學指標隨不平順幅值的變化曲線見圖3。可知，脫軌系數和輪重減載率最大值均隨水平不平順幅值增大而增大；水平不平順對車體橫向振動加速度的影響顯著大于垂向振動加速度，其變化幅度達到1.10 m∕s2。水平不平順幅值為3 mm時，橫向加速度最大值達到0.65 m∕s2；幅值為5 mm時，橫向加速度最大值為0.92 m∕s2；幅值進一步增大到6 mm，橫向加速度最大值為0.95 m∕s2，此時輪重減載率增至1.0。因此，在水平不平順下，建議偏差等級Ⅰ—Ⅲ級分別取3、5、6 mm，偏差等級Ⅳ級沿用動態運營管理值標準。

圖3 動力學指標隨水平不平順幅值的變化曲線

綜上，得出350 km∕h速度等級道岔區軌道幾何狀態局部峰值動態管理建議值，見表5。

表5 350 km·h-1速度等級道岔區軌道幾何狀態局部峰值動態管理建議值

3.3 250 km/h速度等級高速道岔動態不平順管理限值

采用與350 km∕h速度等級相同的方法，對高低、軌向、軌距、水平、三角坑5種單項不平順進行仿真計算，分析其幅值變化對運行安全性、平穩性的影響規律。根據計算結果，高低、軌距和三角坑不平順各偏差等級限值均可沿用動態運營管理值標準。對于軌向不平順，當其幅值為6、7、9、10 mm時，車體橫向加速度最大值分別達到0.61、1.00、1.68、2.03 m∕s2。因此，在軌向不平順激勵下，建議偏差等級Ⅰ—Ⅳ級分別取5、6、8、9 mm。對于水平不平順，當其幅值為4、6、10、14 mm時，車體橫向加速度最大值分別達到0.71、0.95、1.50、2.09 m∕s2。因此，在軌向不平順激勵下，建議偏差等級Ⅰ—Ⅳ級分別取3、5、9、13 mm。得出250 km∕h速度等級道岔區軌道幾何狀態局部峰值動態管理建議值，見表6。

表6 250 km·h-1速度等級道岔區幾何狀態局部峰值動態管理建議值

4 結論

1）道岔區與正線在軌距、軌向及TQI值方面存在顯著差異，道岔區幾何狀態比正線惡劣。道岔區軌距均值比正線高285%，軌向分布范圍比正線大；除高低外，道岔區各單項幾何不平順的TQI值均顯著大于正線，其中軌距差異尤為突出，達0.37 mm；道岔區TQI總值比正線大1.00 mm。道岔區與正線在軌道幾何管理控制標準方面理應有所差異。

2）對于350 km∕h速度等級18號高速道岔，高低、軌距、軌向、三角坑不平順可沿用既有350 km∕h速度等級線路軌道幾何狀態局部峰值動態運營管理值標準；水平標準建議嚴于正線，偏差等級Ⅰ—Ⅳ級對應限值建議調整為3、5、6、8 mm。

3）對于250 km∕h速度等級18號高速道岔，高低、軌距、扭曲不平順可沿用既有250 km∕h速度等級線路軌道幾何狀態局部峰值動態運營管理值標準；軌向標準建議嚴于正線，偏差等級Ⅰ—Ⅳ級對應限值建議調整為5、6、8、9 mm；水平標準建議嚴于正線，偏差等級Ⅰ—Ⅳ級對應限值建議調整為3、5、9、13 mm。