1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔的動力學特性

曹慶川 王建西，3 郭慶 王曉曼

1.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室， 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室， 石家莊 050043；3.河北省鐵路扣件系統技術創新中心， 石家莊 050043

隨著經濟快速發展，我國同周邊國家的交流與商貿互通越來越密切。由于不同國家使用的鐵路軌道軌距不盡相同，給鐵路運輸帶來了很多不便。為滿足兩種不同軌距的車輛通過道岔，可將兩組不同軌距的同向單開道岔套合在一起，構成套軌鐵路道岔，解決軌距不同的問題。使用套軌鐵路道岔能夠解決不同國家不同軌距列車的開行問題，使得列車在口岸站以遠的線路上能正常行駛，對貨物列車不再進行換裝作業和換輪作業，減少貨車在口岸站的停留時間。

與普通鐵路道岔相比，套軌鐵路道岔兼具兩種不同軌距的軌道。由于套軌鐵路道岔為非對稱結構，會造成軌道剛度不均勻，使車輛過岔的影響因素更加復雜；套軌鐵路道岔尖軌尖端處的結構不平順及跟端結構會影響列車的振動加速度；固定轍叉尖端處的結構不平順及其跟端結構會影響橫向及豎向穩定性；道岔部件強度、鋼軌接頭等均會對運行安全性與舒適性有嚴重影響。因此，研究套軌鐵路道岔的動力學特性具有重要意義。

相關學者對車輛-道岔系統的動力學特性進行了研究。任尊松等［1］通過自編程序研究了岔心區心軌關鍵截面軌頂高度降低值對高速道岔系統動力特性的影響。司道林等［2］分析了高速列車通過道岔區時輪軌相互作用特點，得出道岔區多點接觸、滾動圓半徑改變等復雜的輪軌接觸關系。陳浩等［3］以18號可動心軌道岔為研究對象，運用多體動力學軟件UM分析了列車通過道岔時的輪軌力、舒適性指標和安全性指標。李偉等［4］建立了12號道岔的模型，仿真分析車輛過岔時的動力學特性，發現鋼軌廓形打磨能夠有效改善道岔區的動力學性能。Xin等［5］建立車輛-道岔耦合動力學模型，仿真分析車輛過岔時的動態響應。張利等［6］以貨車過岔為例，建立車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型，發現貨車引起的環境振動大于客車，道岔區道床的環境振動大于正線區道床；環境振動隨傳播距離增加呈衰減趨勢；在振動傳播過程中不同衰減斷面的環境振動主頻率為31.5或40.0 Hz。周俊召等［7］基于多體動力學研究了不同曲線線形與超高條件下列車過岔動力學響應。楊逸航等［8］研究了高速鐵路道岔受限區鋼軌打磨對列車動力學性能的影響。

關于套軌鐵路道岔動力學特性的研究較少，且鮮有學者對列車不同速度下套軌鐵路道岔的動力學響應進行研究。因此，本文以標準軌普通單開道岔為參考，結合石太鐵路現場實測數據，設計一種1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔。由于側向行駛時寬軌距鐵路擁有更好的穩定性，因此采用標準軌距鐵路轉向、米軌鐵路直行的套軌鐵路道岔方案。通過建立道岔區輪軌系統空間耦合振動模型，采用道岔動力學理論分析標準軌距貨車側向過岔及米軌貨車直向過岔時的各項動力學響應，分析貨車以不同速度通過道岔時的動力學響應變化規律，確定貨車能夠安全通過套軌鐵路道岔的安全限值。

1 車輛-道岔耦合動力學模型

1.1 車輛模型

建模時，米軌貨車按照中國出口馬來西亞的類型考慮，標準軌距貨車參照我國鐵路目前正在使用的主型貨車，車輛參數參見文獻［9］。建立整車模型，車體、轉向架及輪對主要考慮橫擺、浮沉、側滾、點頭和搖頭振動，共50個自由度。

中國出口馬來西亞的米軌貨車為SDD12型內燃車，最大運營速度100 km/h，考慮到車輛運行安全，取持續運營速度90 km/h。標準軌距貨車采用C80型貨車，設計要求側向過岔速度達到50 km/h。直向過岔速度主要受轍叉有害空間的制約。如60 km/h鋼軌、AT彈性可彎尖軌和高錳鋼整鑄轍叉的12號道岔，因存在有害空間，允許直向過岔速度為120 km/h。側向過岔速度主要受側向導曲線半徑大小的制約，半徑愈大，允許通過速度愈大。如12號提速道岔的導曲線半徑為350 m，允許側向過岔速度為50 km/h。道岔號碼越大，過岔速度越大。因此，直向過岔速度取90 km/h，側向過岔速度取50 km/h。根據所選車輛，貨車通過軌距1 000 mm道岔時，車輛軸重取10 t；通過軌距1 435 mm道岔時，車輛軸重取25 t。

1.2 套軌鐵路道岔模型

建立套軌鐵路道岔仿真模型，主要是建立道岔的線形和變截面軌道模型。道岔線形參數主要包括道岔的導曲線半徑、前長、后長、全長等。由于道岔區鋼軌是變截面鋼軌，建立套軌鐵路道岔三維模型，并生成關鍵截面進行線性插值處理，得到道岔全部變截面特征。1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔平面見圖1。區間軌道的橫截面沒有變化，而道岔區軌道需要考慮單側鋼軌的變截面特性，將軌道看作變截面梁［10］。道岔全長為29.49 m。轍叉選用60 kg/m固定式轍叉，采用半切線型導曲線，半徑為350 m。尖軌為半切線曲線尖軌，尖軌尖端為藏尖式，曲線尖軌長7.402 m，曲線尖軌最小輪緣槽寬度為62.33 mm。道岔區存在幾何不平順，采用美國五級軌道譜。

圖1 1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔平面（單位：mm）

與普通鐵路道岔相比，本文設計的套軌鐵路道岔主要結構特點如下：①道岔結構構造上不再使用直線尖軌、整鑄式直線轍叉的組合形式；②僅在側股的標準軌距鐵路線路的右股上存在一根尖軌，在左股上沒有直線尖軌；③尖軌長7.402 m，大于標準軌12號普通單開道岔尖軌長度；④轍叉角為4°49'45″，與12號道岔相同。

1.3 動力學評價指標

根據重載鐵路道岔的試驗和運營經驗，選取的車輛-道岔動力學性能評價指標見表1。

表1 動力學性能評價指標

2 動力學仿真分析

對貨車以50 km/h側向通過標準軌距鐵路道岔和90 km/h直向通過米軌鐵路道岔的動力學響應進行分析。其中，100 ~ 105 m為轉轍器區，105 ~ 124 m為連接部分，124 ~ 128 m為轍叉區。為使套軌鐵路道岔分離，減小過岔難度，分析貨車側向過岔工況時只考慮通過標準軌距鐵路道岔模型，分析貨車直向過岔工況時只考慮通過米軌鐵路道岔模型。貨車側向通過標準軌距鐵路道岔和直向通過米軌鐵路道岔時的脫軌系數、輪重減載率分別見圖2、圖3。

圖2 貨車側向過岔時的安全性指標

圖3 貨車直向過岔時的安全性指標

由圖2可知：貨車側向通過轉轍器區時，車輪的脫軌系數最大為0.13，這是由輪對與尖軌之間的接觸沖擊引起的；車輪輪載由基本軌過渡到尖軌時，輪軌系統存在多點接觸，故輪重減載率在轉轍器區產生峰值，為0.11；貨車通過導曲線時，最大脫軌系數為0.15，最大輪重減載率為0.18；在轍叉區，輪軌接觸沖擊和輪載的轉移過渡引起安全性指標增大，最大脫軌系數為0.36，最大輪重減載率為1.00，脫軌系數處于安全范圍以內，輪重減載率超過安全限值，這是因為在經過轍叉時，車輪在有害空間出現了短暫懸空狀態［2］。貨車側向過岔時，脫軌系數在0.08 ~ 0.32，輪重減載率在0.06 ~ 0.62（不考慮瞬間懸空狀態），與相同轉轍角實測客貨共線12號道岔數據相比［4］，貨車在側向通過套軌鐵路道岔的標準軌距鐵路區段時安全性更高。

由圖3可知：貨車直向過岔時，在轍叉處安全性指標較大，最大脫軌系數為0.25，最大輪重減載率為1.0，輪重減載率在瞬間超過了安全限值，這是因為在經過轍叉時車輪在有害空間出現了短暫懸空狀態。貨車直向過岔時，脫軌系數在0.04 ~ 0.25，輪重減載率在0.06 ~ 0.46（不考慮瞬間懸空狀態），與相同轉轍角實測12號道岔數據相比［4］，貨車在直向通過套軌鐵路道岔的米軌鐵路區段時安全性更高。

對于1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔，貨車側向過岔與直向過岔時動力學響應最大值見表2。

表2 貨車側向過岔與直向過岔時動力學響應最大值

由表2可知：①貨車以50 km/h側向通過標準軌距鐵路道岔時，其輪軌橫向力與輪軌垂向力最大值均出現在轍叉區，輪軌橫向力最大值為75.42 kN，輪軌垂向力最大值為386.74 kN；車體橫向加速度最大值出現在連接部分，車體垂向加速度最大值出現在轍叉區，車體橫向加速度最大值為0.76 m/s2，車體垂向加速度最大值為0.43 m/s2。②貨車以90 km/h直向通過米軌鐵路道岔時，車體橫向加速度最大值出現在連接部分，其輪軌橫向力、輪軌垂向力、車體垂向加速度最大值均出現在轍叉區。輪軌橫向、垂向力最大值分別為71.25、102.32 kN，車體橫向、垂向加速度最大值分別為0.73、0.71 m/s2。

與文獻［10］進行對比發現，本文仿真結果在波形和峰值上都較為接近，驗證了所建立模型的準確性。

3 過岔速度

對貨車以不同速度通過1 435 mm與1 000 mm軌距三線套軌鐵路道岔的動力學特性進行分析。貨車側向過岔工況下，分別提取速度30 ~ 70 km/h時道岔的轉轍器區、連接部分、轍叉區動力學指標的最大值；貨車直向過岔工況下，分別提取速度70 ~ 100 km/h時道岔的轉轍器區、連接部分、轍叉區動力學指標最大值。由于在以50 km/h側向過岔和以90 km/h直向過岔時輪軌力與脫軌系數的最大值均出現在右輪，因此研究時取不同速度下第一輪對右側車輪動力學響應進行分析。

3.1 過岔速度對輪軌作用力的影響

貨車以不同速度過岔時，轉轍器區、連接部分、轍叉區輪軌力變化曲線見圖4、圖5。

圖4 不同速度下貨車側向過岔時的輪軌力變化曲線

圖5 不同速度下貨車直向過岔時的輪軌力變化曲線

由圖4可知：

1）貨車側向通過標準軌距鐵路道岔時，輪軌橫向力和垂向力的最大值均出現在轍叉區；隨著運行速度提高，輪軌橫向力有降低趨勢。這是因為速度較低時，其振動頻率也相對較低，可能會與懸掛固有頻率耦合，貨車和輪對發生耦合振動，進而導致輪軌橫向力偏大。隨著速度增大，輪對的運動頻率會逐漸高于貨車懸掛系統的固有頻率，耦合程度降低，導致輪對穩定性增強［11］。

2）貨車速度小于50 km/h時，轍叉區輪軌垂向力隨著速度增加而增大，速度超過50 km/h后呈波動狀態。這是因為在側向通過套軌鐵路道岔轍叉區時，右輪輪背與護軌產生沖擊，誘發了輪對的振蕩。當車體垂向一階彎曲頻率與車體點頭振動空響應點頻率接近時，會發生車體的垂向彈性共振。隨著運行速度的提高，彈性車體垂向會出現波動［12］。同時，由于貨車載重較大，在經過轍叉咽喉時，貨車前后輪對依次出現瞬間懸空狀態，隨著速度增大，輪對點頭運動出現波動變化，導致輪軌垂向力波動。速度為50 km/h時，輪軌橫向、垂向力均最大，分別為75.42、386.74 kN，但均在安全限值以內。

由圖5可知：貨車以不同速度通過米軌鐵路道岔，速度小于90 km/h時，輪軌橫向力和輪軌垂向力的最大值出現在連接部分；當過岔速度超過90 km/h后，輪軌橫向力和輪軌垂向力的最大值出現在轍叉區。這是因為在轍叉區鋼軌截面廓形發生變化，存在固有不平順，且由于固定式轍叉存在有害空間與叉心，貨車在以較高速度通過時會產生較大的輪軌沖擊。輪軌橫向力和輪軌垂向力均在安全限值以內。因此，在貨車直向通過米軌鐵路道岔時，可以適當增大過岔速度，但不能超過105 km/h。

3.2 過岔速度對貨車系統振動特性的影響

貨車以不同速度過岔時，轉轍器區、連接部分、轍叉區車體振動加速度變化曲線見圖6、圖7。

圖6 不同速度下貨車側向過岔時車體振動加速度變化曲線

圖7 不同速度下貨車直向過岔時車體振動加速度變化曲線

由圖6可知：貨車以不同速度側向通過標準軌距鐵路道岔時，車體橫向、垂向加速度在道岔的轉轍器區、連接部分、轍叉區均呈逐漸增大的趨勢，最大值均出現在轍叉區。速度達到65 km/h時，車體橫向加速度為1.69 m/s2，超過了安全限值。

由圖7可知：貨車以不同速度直向通過米軌鐵路道岔時，車體橫向、垂向加速度的最大值均出現在連接部分，且隨著貨車速度增加而呈現波動增大。這是由于貨車在經過曲線區段時，輪軌接觸狀態為多點接觸，輪軌接觸復雜多變。直向通過速度達到105 km/h時，車體橫向、垂向加速度分別為1.62、2.14 m/s2，超過了安全限值。

3.3 過岔速度對安全性指標的影響

貨車以不同速度過岔時，轉轍器區、連接部分、轍叉區脫軌系數和輪重減載率變化曲線見圖8、圖9。

圖8 不同速度下貨車側向過岔時安全性指標變化曲線

圖9 不同速度下貨車直向過岔時安全性指標變化曲線

由圖8可知：貨車側向通過標準軌距鐵路道岔時，脫軌系數與輪重減載率均呈現波動狀態，但波動幅度不大。脫軌系數受過岔速度的影響相對較小。安全性指標的最大值均出現在轍叉區，其中，脫軌系數最大值為0.37，未超過安全限值；輪重減載率最大值均為1.00。這是由于轍叉區存在有害空間，車輪在經過有害空間時處于瞬間懸空狀態，導致輪重減載率偏大。

由圖9可知：貨車直向通過米軌鐵路道岔時，脫軌系數最大值出現在軌道連接部分，且隨著速度增大而增大；輪重減載率在轉轍器區、連接部分、轍叉區均呈增大趨勢，且最大值出現在轍叉區。速度為110 km/h時，脫軌系數為1.12，超過了安全限值。因此，貨車直向通過速度應小于110 km/h。

綜上，貨車側向過岔時，速度不應超過65 km/h；貨車直向過岔時，可以適當提高過岔速度，但不應超過105 km/h。

4 結論

1）貨車側向通過標準軌距鐵路道岔時，輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率、車體垂向加速度最大值出現在轉轍區，車體橫向加速度最大值出現在連接部分；貨車直向通過米軌鐵路道岔時，各項安全評價指標的最大值均出現在轍叉區。

2）過岔速度會對貨車通過套軌鐵路道岔的動力學響應產生影響。貨車在以不同速度側向通過標準軌距鐵路道岔和直向通過米軌鐵路道岔時，其輪軌力、振動加速度、脫軌系數及輪重減載率并非隨著速度增大而單調遞增，而是呈現波動狀態。

3）貨車側向通過標準軌距鐵路道岔，行車速度在45 ~ 70 km/h時，輪軌力、脫軌系數會存在較大波動；貨車直向通過米軌鐵路道岔時，速度超過95 km/h后動力學響應明顯增大。

4）為使貨車能夠在滿足安全限值的條件下側向通過標準軌距鐵路道岔、直向通過米軌鐵路道岔，側向過岔速度不應高于65 km/h，直向過岔速度不應高于105 km/h。

5）在轍叉區存在有害空間，貨車經過轍叉區的變截面軌道時會出現瞬間懸空狀態。