陳小平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線要求動(dòng)車(chē)組過(guò)岔安全性與舒適性與區(qū)間線路相同，由于道岔結(jié)構(gòu)型式和輪軌關(guān)系的特殊性，為了保證動(dòng)車(chē)組過(guò)岔時(shí)與區(qū)間線路相同的安全性與舒適性，需進(jìn)行岔區(qū)軌道剛度的特別設(shè)計(jì)，從而形成道岔與區(qū)間剛度過(guò)渡段。道岔與其相鄰區(qū)間軌道一般鋪設(shè)在同一類(lèi)型的線下基礎(chǔ)(橋梁或路基)上，二者線下基礎(chǔ)的沉降差異很小，道岔與區(qū)間過(guò)渡段的主要問(wèn)題是剛度設(shè)置。道岔與區(qū)間過(guò)渡段剛度設(shè)置本質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，需要根據(jù)線路的具體運(yùn)營(yíng)條件，通過(guò)車(chē)輛—過(guò)渡段耦合動(dòng)力分析確定，各國(guó)不盡相同。法國(guó)高速道岔與區(qū)間軌道在5 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)剛度過(guò)渡，德國(guó)高速道岔與區(qū)間軌道通過(guò)分級(jí)實(shí)現(xiàn)剛度過(guò)渡，過(guò)渡段長(zhǎng)一般以列車(chē)通過(guò)時(shí)間為0.5 s確定[1]。道岔與區(qū)間軌道設(shè)置過(guò)渡段的目的，是為了提高動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性，同時(shí)減緩輪軌相互作用，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命［2-3］。為了給過(guò)渡段剛度合理設(shè)置提供參考，本文擬運(yùn)用車(chē)輛—過(guò)渡段耦合動(dòng)力學(xué)，對(duì)過(guò)渡段的動(dòng)力影響因素進(jìn)行分析。

1 道岔與區(qū)間過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)特性

高速鐵路的路橋、路涵、路隧、有砟軌道與無(wú)砟軌道的過(guò)渡段在結(jié)構(gòu)上的差異只體現(xiàn)在縱向上，線路結(jié)構(gòu)在橫向是一致的，因此過(guò)渡段軌道剛度只在線路縱向有差異，在線路橫向一致，另外線路存在不均勻沉降，導(dǎo)致軌道豎向出現(xiàn)折角，形成軌道高低不平順，加劇了輪軌相互作用，降低了行車(chē)舒適性。

而道岔與區(qū)間過(guò)渡段軌道結(jié)構(gòu)不僅在縱向存在差異，在橫向也存在差異。圖1為岔前過(guò)渡段，道岔范圍內(nèi)的鋼軌件、扣件系統(tǒng)與區(qū)間不同，線路縱向存在差異，圖2為岔后過(guò)渡段，里軌在線路縱向的軌道結(jié)構(gòu)有差異，在同一橫斷面上，里軌與基本軌的結(jié)構(gòu)上也有差異。道岔與區(qū)間軌道的線下基礎(chǔ)類(lèi)型一般相同?？紤]到道岔過(guò)渡段結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線道岔與相鄰區(qū)間軌道的線下基礎(chǔ)一般相同，以避免線下基礎(chǔ)剛度差、特別是沉降差對(duì)行車(chē)舒適性的影響，這樣，客運(yùn)專(zhuān)線道岔與區(qū)間過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)主要受剛度差、行車(chē)方向和行車(chē)速度等因素的影響。

圖1 岔前過(guò)渡段

圖2 岔后過(guò)渡段

2 道岔與區(qū)間過(guò)渡段的動(dòng)力分析方法

考慮道岔與區(qū)間過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)特殊性，建立如圖3所示的車(chē)輛—過(guò)渡段耦合動(dòng)力分析模型，該模型由車(chē)輛模型、過(guò)渡段模型和輪軌耦合關(guān)系3部分組成。圖中車(chē)輛模型考慮了車(chē)體、構(gòu)架和輪對(duì)參振，其中車(chē)體和每個(gè)構(gòu)架有點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾、沉浮和橫移5個(gè)自由度，每個(gè)輪對(duì)有搖頭、側(cè)滾、沉浮和橫移4個(gè)自由度，整個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)共有31個(gè)自由度。道岔過(guò)渡段模型只考慮了鋼軌參振，每個(gè)鋼軌有4個(gè)自由度，即沿y、z方向的平動(dòng)和繞y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，扣件和線下基礎(chǔ)剛度等效成鋼軌支點(diǎn)剛度，在線路的縱向和橫向鋼軌支點(diǎn)剛度是可變的。圖3所示的車(chē)輛—道岔過(guò)渡段耦合動(dòng)力模型可適用于有砟和無(wú)砟道岔前后過(guò)渡段分析。

采用有限單元法對(duì)車(chē)輛—過(guò)渡段耦合動(dòng)力模型進(jìn)行求解，其中輪軌垂向力采用 Hertz非線性接觸理論求解，輪軌橫向蠕滑力采用 Kalker線性蠕滑理論求解，并用沈氏理論作非線性修正［4-5］。

圖3 車(chē)輛—過(guò)渡段耦合動(dòng)力分析模型

進(jìn)行過(guò)渡段動(dòng)力性能影響因素分析時(shí)，道岔參數(shù)參考我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線18號(hào)道岔取值，車(chē)輛參數(shù)參考CRH2型動(dòng)車(chē)組取值。

3 剛度差的影響

通過(guò)對(duì)表1所列工況計(jì)算，分析剛度差對(duì)車(chē)輛—過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響，表中“工況 G-20-30”表示該工況的區(qū)間鋼軌支點(diǎn)剛度為20 kN/mm，道岔鋼軌支點(diǎn)剛度為30 kN/mm，其余工況意義類(lèi)同。表1中共5種工況，區(qū)間鋼軌支點(diǎn)剛度保持為20 kN/mm不變，道岔鋼軌支點(diǎn)剛度逐漸增大，從而過(guò)渡段的剛度差也逐漸增大。表1中的各動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)均為該工況的計(jì)算結(jié)果最大值，其中最大枕上壓力差是指剛度分級(jí)界面，剛度較高側(cè)枕上壓力與剛度較低側(cè)枕上壓力的最大差值。圖4為工況G-20-30的車(chē)體加速度變化，圖5為該工況的枕上壓力變化，圖中橫坐標(biāo)表示距線路起點(diǎn)的距離。

表1 剛度差對(duì)道岔與區(qū)間過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響

圖4 車(chē)體加速度

圖5 過(guò)渡段枕上壓力變化

從表1可看出，從工況 G-20-30至工況 G-20-50，動(dòng)車(chē)組和軌道的動(dòng)力響應(yīng)大幅增大，之后工況的動(dòng)力響應(yīng)則有所減緩，這表明:當(dāng)過(guò)渡段剛度差在30 kN/mm范圍內(nèi)，隨著過(guò)渡段兩端的剛度差增大，車(chē)輛和軌道的動(dòng)力響應(yīng)將大幅增加，但剛度差超過(guò)30 kN/mm時(shí)，車(chē)輛和軌道動(dòng)力響應(yīng)隨剛度差增大而增大的速率將減緩。圖4反映了每一個(gè)輪對(duì)在過(guò)渡段剛度分級(jí)界面的沖擊都能通過(guò)車(chē)體加速度反映出來(lái)，但總體上，軌下剛度變化對(duì)車(chē)體加速度的影響較小。圖5可看出在軌道剛度分級(jí)界面，剛度較低側(cè)的枕上壓力會(huì)突然減小，剛度較高側(cè)的枕上壓力會(huì)突然增大，剛度差變化越大，剛度較高側(cè)的枕上壓力增大幅度越大，這表明，在軌道剛度分級(jí)界面，剛度較高側(cè)的軌下基礎(chǔ)受力較為不利。

4 行車(chē)方向的影響

假定過(guò)渡段低剛度側(cè)(區(qū)間)的鋼軌支點(diǎn)剛度為10 kN/mm，高剛度側(cè)(道岔)的鋼軌支點(diǎn)剛度為60 kN/mm，對(duì)過(guò)渡段剛度實(shí)行分級(jí)過(guò)渡，每級(jí)長(zhǎng)6 m，每級(jí)剛度差為10 kN/mm，即過(guò)渡段鋼軌支點(diǎn)剛度為:10kN/mm、20kN/mm、30kN/mm、40kN/mm、50 kN/mm和60 kN/mm。為了分析行車(chē)方向?qū)?chē)輛—過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響，分別對(duì)車(chē)輛逆向(從低剛度側(cè)向高剛度側(cè)運(yùn)行)和順向(從高剛度側(cè)向低剛度側(cè)運(yùn)行)通過(guò)過(guò)渡段時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，表2為計(jì)算結(jié)果最大值。圖6為車(chē)體通過(guò)過(guò)渡段時(shí)輪下鋼軌彎矩對(duì)比，圖7為輪下鋼軌撓度對(duì)比。圖6和圖7的橫坐標(biāo)距離以線路起點(diǎn)為0，過(guò)渡段第一個(gè)剛度分級(jí)處距線路起點(diǎn)的距離為42 m。

表2 行車(chē)方向?qū)Φ啦砼c區(qū)間過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響

圖6 輪下鋼軌彎矩

圖6、圖7及表2均可表明:車(chē)輛逆向運(yùn)行時(shí)，車(chē)體加速度、輪軌力、枕上壓力、鋼軌彎矩、鋼軌撓度及其變化率均大于車(chē)輛以相同速度順向運(yùn)行時(shí)，這表明車(chē)輛從過(guò)渡段低剛度側(cè)向高剛度側(cè)運(yùn)行時(shí)，車(chē)輛—過(guò)渡段的動(dòng)力相互作用較車(chē)輛反向運(yùn)行時(shí)更為劇烈。

圖7 輪下鋼軌撓度

5 行車(chē)速度的影響

過(guò)渡段剛度設(shè)置方式與行車(chē)方向影響分析相同，計(jì)算車(chē)輛以不同速度從低剛度側(cè)(10 kN/mm)向高剛度側(cè)(60 kN/mm)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，以分析行車(chē)速度對(duì)車(chē)輛—過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響，表3為各動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果最大值。

圖8和圖9分別為不同行車(chē)速度下，輪下鋼軌彎矩和鋼軌撓度的對(duì)比，考慮到行車(chē)速度為200 km/h、250 km/h和300 km/h時(shí)各動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)變化規(guī)律與行車(chē)速度為160 km/h和350 km/h時(shí)相似，并且數(shù)值大小位于兩者之間，因此圖8和圖9只給出了行車(chē)速度為160 km/h和350 km/h的計(jì)算結(jié)果。

由表3可看出，隨著行車(chē)速度增加，輪軌垂向力、減載率、枕上壓力、鋼軌撓度變化率均增大，表明車(chē)輛通過(guò)速度越高，車(chē)輛運(yùn)行安全性越低，過(guò)渡段受到的動(dòng)力作用越劇烈;剛度分級(jí)界面的最大枕上壓力差隨著行車(chē)速度增加而大幅增大，這表明在過(guò)渡段剛度分級(jí)界面，較高剛度側(cè)的軌下基礎(chǔ)承受了更大的壓力，容易出現(xiàn)破壞、失效等現(xiàn)象;車(chē)體加速度隨著行車(chē)速度的增加反而有下降的趨勢(shì)，其原因是車(chē)體的自振頻率較低，而過(guò)渡段剛度分級(jí)界面對(duì)輪軌系統(tǒng)的激振類(lèi)似于一個(gè)脈沖激勵(lì)，車(chē)輛運(yùn)行速度越高，激振頻率越高，激振頻率和車(chē)體自振頻率的比值也越大，車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的隔振作用越明顯，最終導(dǎo)致車(chē)體的加速度沒(méi)有隨著行車(chē)速度的增加而增大。圖8和圖9表明，輪下鋼軌彎矩和撓度在剛度分級(jí)界面出現(xiàn)劇烈變化，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中該處是病害容易出現(xiàn)的位置。

表3 行車(chē)速度對(duì)道岔與區(qū)間過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響

圖8 輪下鋼軌彎矩

圖9 輪下鋼軌撓度

6 結(jié)論

運(yùn)用車(chē)輛—過(guò)渡段耦合動(dòng)力學(xué)理論，分析剛度差、行車(chē)方向和速度對(duì)道岔與區(qū)間過(guò)渡段動(dòng)力響應(yīng)的影響，可以得到如下結(jié)論:

1)動(dòng)車(chē)組和軌道動(dòng)力響應(yīng)隨著過(guò)渡段剛度差的增加而非線性增大，當(dāng)過(guò)渡段剛度差在30 kN/mm范圍內(nèi)，隨著剛度差的增加，動(dòng)車(chē)組和軌道的動(dòng)力響應(yīng)將大幅增大，但剛度差超過(guò)30 kN/mm時(shí)，動(dòng)車(chē)組和軌道動(dòng)力響應(yīng)隨剛度差增加而增大的速率將減緩。

2)動(dòng)車(chē)組從區(qū)間向道岔運(yùn)行時(shí)的輪軌動(dòng)力響應(yīng)較反向運(yùn)行更為劇烈，隨著動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度的提高，車(chē)輛運(yùn)行安全性降低，剛度分級(jí)界面的枕上壓力差加大，過(guò)渡段受到的動(dòng)力作用加劇。

[1] 陳小平.高速道岔軌道剛度理論及應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文，2008.

[2] 蔡成標(biāo)，劉建新，翟婉明.客專(zhuān)道岔前后軌道剛度過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(3)18-22.

[3] 孔祥仲，劉偉，蔡成標(biāo)，等.板式軌道過(guò)渡段剛度設(shè)計(jì)計(jì)算方法［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000(9):7-9.

[4] 王平.道岔區(qū)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，1997.

[5] 翟婉明.車(chē)輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)(第三版)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.