新型高速道岔結構研發及列車過岔安全性分析

張鵬飛 楊奧闖 張慶歡

1.華東交通大學 軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室， 南昌 330013；

2.蘇州軌道交通運營有限公司， 江蘇 蘇州 215004

道岔是鐵路線路的關鍵設備，也是軌道結構的薄弱環節。為滿足高速鐵路運行高安全性和高平穩性的需求，對道岔構件的設計和制造要求更加嚴格［1］。高速道岔轉轍器由尖軌、基本軌、各種聯結零件及轉轍機械組成，結構十分復雜。尖軌和基本軌結構相互獨立，當列車通過時車輪要經歷基本軌與尖軌間的過渡，期間輪軌接觸關系復雜，伴隨著應力的集中與突變；同時，轉轍器存在尖軌表面易損傷、損傷尖軌難更換等問題。

近年來，國內外學者在道岔軌件廓形優化、高速道岔動力學方面開展了大量研究。朱旭東［2］建立了18號道岔變截面動力學的模型，根據列車直逆向通過不同岔區軌件廓形時的動力響應，對岔區鋼軌打磨和翼軌加高值的優化進行了研究。Dro?dziel 等［3］通過仿真和實測對比，研究了道岔幾何參數及其偏差對輪軌振動特性的影響。Pletz等［4］建立了單車輪滾動通過轉轍器的有限元模型，分析了速度、軸重及車輪通過方向對輪軌間動力特性的影響。Bjorn 等［5］用現場實測的動態軌道剛度和輪軌接觸力數據與模型仿真結果對比，驗證了車輛-道岔動力分析模型的正確性，研究了鋼軌襯墊剛度對軌道剛度和輪軌接觸力的影響。Sadeghi 等［6］建立了車輛和道岔的數學模型，研究了曲線半徑、道岔初始角度、軌距等道岔幾何參數對不同列車速度下行車安全的影響。王平［7］運用自編軟件仿真分析了列車過岔時的動力特性，并探討了速度、軸重、轍叉結構形式等因素對輪軌系統動力性能的影響。楊逸航等［8］通過建立車輛-道岔耦合動力學模型，對比分析了鋼軌打磨前后列車過岔的動力特性。馬曉川等［9］研究了道岔尖軌降低值對轉轍器動力特性的影響，并分析了岔區鋼軌軋制不平順對車岔垂向動力響應的影響。司道林等［10］通過NUCARS 軟件建立模型，分析了翼軌抬高值對車輛高速過岔時動力特性的影響。Xu等［11］建立了彈性定位輪對模型，分析比較了輪對直向和逆向過岔時的脫軌過程，研究了輪軌沖角和摩擦因數對脫軌行為的影響。王松濤［12］建立車輛-道岔耦合振動模型，研究了在標準打磨廓形下，列車側逆向過岔時的動力特性。

國內外專家和學者在研究列車過岔時動力特性方面取得了豐碩的成果，但主要側重于道岔區鋼軌廓形、結構尺寸等方面對列車過岔時動力特性的影響。對道岔結構進行大幅改進，研究改進道岔列車過岔安全性方面的文獻還較少。

本文以標準18號高速道岔轉轍器為例，利用鋼軌的可彎性，研發出一種不含尖軌的新型高速道岔轉轍器結構來減輕尖軌對列車高速運行的危害。通過建立道岔模型和高速列車模型，研究列車通過該結構時的安全特性，成果可為高速鐵路道岔結構改進提供理論依據。

1 新型道岔關鍵參數及結構特點

1.1 關鍵參數

對新型道岔進行研發時，主要考慮對轉轍器結構的改進提升。新型轉轍器的主要特征是去掉了既有結構中的尖軌，所有軌頭斷面都是標準60軌的軌頭斷面，避免了由尖軌的特殊斷面形式和尖-基本軌的位置關系引發的構造復雜及應力集中問題。轉轍軌一端固定，另一端通過轉轍機械的操縱，使其左右轉動，從而實現轉向。

新型轉轍器工作原理：車輛即將直向通過道岔時，轉轍軌可動段便在直限位撐、限位器以及轉轍機械傳動桿牽引部的共同作用下實現鎖閉操作，保證列車直向通過道岔。車輛即將側向通過道岔時，轉轍軌可動段便在曲限位撐、限位器以及轉轍機械傳動桿牽引部的共同作用下實現鎖閉操作，從而保證列車側向通過道岔。

為不改變轉轍器長度，保持與導曲線相同曲線半徑，新型道岔的平面線型尺寸參照標準18 號道岔，列車側向通過時轉轍器部分圓曲線半徑為1100 m，導曲線實際起點為原18 號標準道岔尖軌后5.168 m，此時鋼軌轉動距離為26.8 mm。新型道岔轉轍器平面尺寸見圖1。

圖1 新型道岔轉轍器部分平面尺寸（單位：mm）

新型道岔轉轍器結構見圖2。轉轍軌俯視圖及B?B 斷面圖見圖3。轉轍軌固定端過渡段長為0.2 m，連接基本軌和轉轍軌，見圖4。新型高速道岔轉轍器結構的整體三維外觀見圖5。

圖2 新型道岔轉轍器結構

圖3 轉轍軌俯視圖及B?B斷面

圖4 轉轍軌固定端過渡段

圖5 轉轍器結構三維外觀

1.2 新型道岔結構特點

1）轉轍軌可動段兩端采用混凝土寬枕結構，以增大結構的承載能力。

2）轉轍軌可動段的兩側分別設置直限位撐和曲限位撐，用于界定其左右轉動范圍。

3）轉轍區范圍內的軌枕表面設置滑床板，確保股道順暢轉換。

4）轉轍軌可動段的左右翼緣位置處分別設置一個限位器，以限制其豎向位移。

5）轉轍機械的傳動桿牽引部與轉轍軌可動段固定連接，用于切換股道，實現列車轉線運行。

2 模型建立與驗證

2.1 道岔子模型

在多體動力學軟件UM中建立柔性軌道基礎的18號道岔模型，標準道岔轉轍器部分力學模型如圖6 所示，主要參數含義及取值見表1。該模型鋼軌采用鐵木辛柯梁模擬，岔枕與基礎通過等效剛度和阻尼來連接，采用非線性的Bushing 力元模擬扣件。建模時考慮岔區鋼軌的變截面特征。分別建立18 號標準道岔模型和新型道岔模型。轉轍軌B?B斷面尺寸及特性參數見表2。

表1 道岔力學模型主要參數

表2 轉轍軌B?B斷面尺寸及特性參數

圖6 標準道岔轉轍器部分力學模型

2.2 車輛子模型

本文車輛模型為CRH2 型車，由1 個車體、2 個構架、4 個輪對共7 個剛體組成。各剛體間通過彈簧、抗側滾扭桿、減振器等力元連接。CRH2 型車輛模型主要參數取值見文獻［13］。

2.3 模型驗證

文獻［14］采用SIMPACK 軟件，計算得到列車以200 km/h直逆向通過18號單開道岔時第1輪對輪軌橫向力曲線，見圖7（a）。將其參數帶入本文模型，計算結果見圖7（b）。可知：本文計算得到的輪軌橫向力為6.4 kN，比文獻計算結果（8.8 kN）略小，但兩者輪軌力曲線總體變化趨勢基本一致。因此，本文分析方法及模型合理可靠。

圖7 文獻［14］與本文模型計算得到的輪軌橫向力結果對比

3 列車過岔安全性

3.1 不平順模擬

采用高速鐵路無砟軌道不平順譜來模擬岔區不平順。圖8為模型中疊加的軌道不平順樣本。

圖8 無砟軌道不平順樣本

3.2 分析指標

3.2.1 脫軌系數

脫軌系數用于評價列車輪緣在橫向力的作用下是否會爬上軌頭而脫軌［15］。脫軌系數不大于0.9、0.8、0.6，分別評價為及格、良好、優良。脫軌系數（β）的計算式為

式中：Q為輪軌橫向力；P為輪軌垂向力；α為輪緣角；μ為輪緣與鋼軌側面的摩擦因數。

3.2.2 輪軌力限值標準

輪軌橫向力容許限值用于評價列車在運行中是否會導致軌距擴寬或線路產生嚴重變形［15］。輪軌垂向力也可為判別輪軌系統安全性提供參考依據。我國高速鐵路輪軌力容許限值見表3。其中，Pst為車輪靜荷載。

表3 輪軌力容許限值

3.2.3 輪重減載率

輪重減載率用于評價列車是否因一側車輪減載過大而脫軌［15］。其第一、第二限度分別為不大于0.65、不大于0.60。輪重減載率（η）的計算式為

式中：ΔPˉ為減載側車輪的輪重減載量；Pˉ為輪對的平均靜輪重。

3.3 安全性分析

利用所建的車輛-道岔動力學分析模型，在添加隨機不平順條件下，對比分析CRH2型列車以80 km/h側逆向通過標準和新型道岔時的安全性。

新型道岔和標準道岔脫軌系數對比見圖9。可知：脫軌系數的峰值發生在轉轍器和轍叉區；當列車通過時，標準道岔轉轍器和轍叉部位的脫軌系數最大值分別為0.49和0.37，新型道岔分別為0.32和0.37，轉轍器部分脫軌系數降低了34.69%；兩種道岔的脫軌系數都小于限值0.6，能保證行車安全性。

圖9 脫軌系數

新型道岔和標準道岔輪軌橫向力對比見圖10。可知：左側鋼軌振動較右側鋼軌更為劇烈。列車通過標準道岔時，在轉轍器和轍叉部位振動較為激烈，輪軌橫向力最大值分別為40.24、31.86 kN；相比于標準道岔，新型道岔在轉轍器部位軌道截面單一，不存在輪載過渡情況，故輪軌橫向力曲線比較穩定，但由于列車曲線行駛，輪軌產生較大沖擊，轉轍器部位輪軌橫向力達到26.51 kN，相比標準道岔降低了34.12%，而轍叉部位為31.86 kN，與標準道岔相差不大。同時由于自身結構軌縫的存在，輪軌橫向力在左側鋼軌軌縫處產生突變，峰值為17.69 kN。兩種道岔結構的輪軌橫向力均未超過規范限值，滿足行車安全要求。

圖10 輪軌橫向力

新型道岔和標準道岔輪軌垂向力對比見圖11。可知：列車側逆向通過標準道岔時，由于道岔自身的結構不平順，輪軌垂向力在道岔的轉轍器以及轍叉部分都有較大的波動，峰值分別為90.71、99.86 kN。相比于標準道岔，新型道岔在轉轍器部位（跟端軌縫處除外）的輪軌垂向力曲線趨勢平緩，峰值在84.66 kN，降低了6.67%。由于跟端軌縫的存在，輪軌垂向力產生117.63 kN 的突變；新型道岔的輪軌垂向力雖在軌縫處產生突變，但未超過規范限值，滿足行車安全要求。

圖11 輪軌垂向力

新型道岔和標準道岔輪重減載率對比見圖12。可知，標準道岔的輪重減載率在轍叉部分出現最大值，為0.25。相比于標準道岔，新型道岔的輪重減載率在軌縫處出現最大值，為0.28，這是因為列車側逆向通過右單開道岔時，在未被平衡的離心加速度和軌縫的作用下，使軌縫處輪重減載率產生突變，但在轉轍器處仍優于標準道岔，并滿足行車安全要求。

圖12 輪重減載率

4 結論

本文在標準18號道岔結構的基礎上，研發了一種新型高速道岔結構。新型道岔主要是針對轉轍器進行改進，去掉了既有結構中的尖軌，所有軌頭斷面都是標準60軌的軌頭斷面，避免了由尖軌的特殊斷面形式和尖軌-基本軌的位置關系引發的構造復雜及應力集中問題。基于車輛-道岔耦合動力學理論，對CRH2型列車側逆向通過添加隨機不平順的新型道岔時的安全性進行分析，并與18號標準道岔進行對比。主要結論如下：

1）與標準道岔相比，列車通過新型道岔在轉轍器區域脫軌系數由0.49降為0.32，降低34.69%，轍叉區域脫軌系數不變，符合限值要求且運行更加安全。

2）列車通過新型道岔轉轍器部分時，不存在輪載過渡情況，輪軌力曲線趨勢穩定，輪軌橫向力達到26.51 kN，相比標準道岔降低了34.12%；輪軌垂向力由90.71 kN 降至84.66 kN，相比標準道岔降低了6.67%。兩種道岔結構的輪軌力均未超過規范限值，滿足行車安全要求。

3）新型道岔的輪重減載率在連接區域因為軌縫的存在出現突變，但在轉轍器區域優于標準道岔。