侯博文，高　亮，崔日新，何雪峰

(1.北京交通大學，北京　100044;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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30 t軸重12號重載道岔交叉渡線輪軌力學行為及安全性研究

侯博文1，高亮1，崔日新1，何雪峰2

(1.北京交通大學，北京100044;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

30 t軸重重載道岔已在山西中南部通道正線上投入使用，但對配套重載交叉渡線的研究尚屬空白。基于車輛-道岔耦合動力學，采用多體動力學分析軟件SIMPACK建立30 t重載貨車-12號交叉渡線動力仿真模型，分析重載列車過岔方式、過岔速度及軌底坡設計對行車安全性的影響，為30 t軸重重載鐵路交叉渡線的設計提供合理建議。

重載鐵路；交叉渡線；動力響應；軌底坡

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展及社會的不斷進步，重載鐵路在滿足大宗貨物運輸中的作用日益突出。重載鐵路已成為鐵路貨運現(xiàn)代化的重要標志與發(fā)展目標。我國鐵路“十二五”發(fā)展規(guī)劃中將華中地區(qū)煤運通道、山西中南部通道、張?zhí)畦F路等多條重載線路列為重點任務，其中山西中南部通道是國內第一條30 t軸重標準的重載鐵路，目前已建成投入運營。

道岔是引導車輛由一股線路轉到另一股線路的重要軌道結構。交叉渡線作為道岔的配套結構，可有效方便站場設計，節(jié)省工程投資。山西中南部通道正線上的單開道岔已全部采用重載道岔[1-4]，但由于沒有配套的重載交叉渡線產品，共有5組交叉渡線仍采用提速道岔，需限速運行。與單開道岔相比，交叉渡線的結構更為復雜，軌道結構不平順所引起的輪軌相互作用更加劇烈。當30 t軸重的列車開行經(jīng)過時，對交叉渡線結構安全性、輪軌磨耗的考驗更是前所未有。而目前對交叉渡線的研究均集中于基于行車舒適性的客運交叉渡線設計[5-7]及交叉渡線無縫化研究[8-11]，而對重載鐵路交叉渡線的研究尚屬空白。

結合山西中南部重載鐵路交叉渡線研究的迫切需求，本文基于車輛-道岔耦合動力學，采用多體動力學分析軟件SIMPACK建立30 t重載貨車-12號交叉渡線動力仿真模型，對重載列車過岔方式、過岔速度及軌底坡設計對行車安全性的影響進行分析，為30 t軸重重載鐵路交叉渡線的設計提供合理建議。

1　貨車-交叉渡線動力仿真模型的建立

1.1貨車模型

基于多體動力學，依據(jù)30 t軸重貨車設計參數(shù)[12]，結合車輛的結構形式和振動特點，建立了包含車體、轉向架、搖枕、輪對的11體39自由度貨車整車模型。其中車體、各輪對考慮沉浮、點頭、橫移、側滾和搖頭運動；傳統(tǒng)三大件轉向架結構考慮側架的縱向、橫移和搖頭運動及搖枕的搖頭運動。此外，模型中還考慮了搖枕、心盤、楔塊及旁承等結構的非線性因素作用。

1.212號交叉渡線模型

交叉渡線模型根據(jù)60 kg/m鋼軌12號道岔5.0 m間距交叉渡線的設計圖紙建立(圖1)。該交叉渡線由4組轉轍器，2組6號鈍角轍叉、2組6號銳角轍叉、4組單開12號固定轍叉以及各轍叉區(qū)對應的護軌組成。建模時首先按照12號交叉渡線的道岔實際尺寸和各股鋼軌的空間布置提取道岔的若干典型截面坐標信息，生成SIMPACK可調用的鋼軌截面文件。在SIMPACK中調用各關鍵位置的典型鋼軌截面，并在每兩個截面中進行線性插值以形成完整的軌道。

圖1　12號道岔5.0 m間距交叉渡線

1.3輪軌接觸模型

交叉渡線鋼軌截面持續(xù)變化，輪軌接觸方式多變。根據(jù)岔區(qū)車輛運行軌跡，輪軌接觸處理時?？紤]單點接觸、踏面及輪緣的兩點接觸、踏面上的兩點接觸以及輪背與鋼軌接觸4種情況(圖2)。計算時，首先對軌面和踏面形狀進行離散，進而用跡線法動態(tài)確定輪軌空間接觸幾何關系。輪軌法向力根據(jù)Hertz非線性彈性接觸理論計算，輪軌蠕滑作用采用Kalker線性理論計算[13]。當輪軌間出現(xiàn)兩點接觸時，輪軌法向力按照公式(1)計算

(1)

式中，N1、N2為兩接觸點處輪軌法向力；δ(N1)、δ(N2)為兩接觸斑的法向彈性壓縮量；p(l)為輪軌接觸常數(shù)，由公式(2)確定

(2)

式中，E為楊氏彈性模量；σ為輪軌材料泊松比；λ為輪軌接觸橢圓長、短軸之比。

由于輪背與鋼軌的接觸時間非常短，因此輪背與鋼軌接觸的法向力可采用公式(3)所示的彈性接觸模型進行計算

(3)

式中，kG為護軌橫向剛度值；δ1為輪軌間間隙量；d為輪緣設計厚度；yG為護軌橫向動態(tài)位移；Δ為輪緣槽各處寬度。

圖2　輪軌接觸方式示意

2　計算結果分析

利用所建立的30 t重載貨車-12號交叉渡線動力仿真模型，對貨車直向、側向通過渡線時的動力特性進行計算，并研究了軌底坡對貨車動力特性的影響。貨車過岔時的輪軌動態(tài)作用及安全性進行評價指標如表1所示。

表1　30 t軸重重載貨車動力特性評價指標[14，15]

注：Pst為車輪靜載

2.1貨車直向過岔動力特性

30 t軸重貨車以100 km/h直向通過12號道岔交叉渡線時，最先受到?jīng)_擊的第一輪對的左、右車輪與道岔間相互作用力典型時程曲線見圖3～圖5。

圖3　貨車直向過岔輪軌橫向力

圖4　貨車直向過岔輪軌垂向力

圖5　貨車直向過岔護軌受力

重載貨車直向通過12號道岔交叉渡線時，車輛依次通過轉轍區(qū)尖軌(逆向)、12號固定轍叉心軌(逆向)、12號固定轍叉心軌(順向)、轉轍區(qū)尖軌(順向)。由圖3～圖5可知，基本軌一側的輪軌間接觸力波動較小，且未發(fā)生多點接觸；通過心軌及尖軌一側時輪軌間發(fā)生了多點接觸，且通過兩個心軌區(qū)域附近時，基本軌一側的車輪輪背均同護軌間發(fā)生了撞擊。輪軌橫向力、輪軌垂向力及輪背與護軌作用力最大值均出現(xiàn)在車輛逆向通過第一組12號單開轍叉叉心位置。

當30 t軸重重載貨車分別以60、80、100 km/h直向通過交叉渡線時，貨車行車安全指標及輪軌力最大值見表2。

表2　不同直向過岔速度下貨車動力特性

由表2可知，行車安全指標及輪軌作用力均隨著車輛直向過岔速度的提高而有所增大。當車輛過岔速度由60 km/h增加至100 km/h時，其中輪軌橫向增幅僅為7.11%，變化并不明顯；輪軌垂向力與護軌接觸力增幅較大，增幅分別達到15.82%與28.49%。計算速度內，行車安全性指標及輪軌相互作用均未超過限值。

2.2貨車側向過岔動力特性

30 t軸重貨車以50 km/h側向通過12號道岔交叉渡線時，第一輪對的左、右車輪與道岔間相互作用力典型時程曲線見圖6～圖8。

圖6　貨車側向過岔輪軌橫向力

圖7　貨車側向過岔輪軌垂向力

圖8　貨車側向過岔護軌受力

重載貨車側向通過12號道岔交叉渡線時，車輛依次通過轉轍區(qū)尖軌(逆向)、12號固定轍叉心軌(逆向)、6號銳角轍叉心軌(順向)、6號鈍角轍叉心軌尖軌(先順向后逆向)、6號銳角轍叉心軌(逆向)、12號固定轍叉心軌(順向)以及轉轍區(qū)尖軌(順向)，然后駛入另一股線路。由圖6～圖8可知，車輛在側向通過整個交叉渡線過程中，由于列車通過“S”形曲線，先是左側輪軌垂向力增大，右側輪軌垂向力減小，通過交叉渡線的直線段后進入反向曲線時左側輪軌垂向力減小，右側輪軌垂向力增大。在通過整個交叉渡線道岔時，兩側車輪與鋼軌間均發(fā)生了多點接觸；通過心軌及尖軌一側時輪軌間發(fā)生了多點接觸，且通過兩個轍叉區(qū)域附近時，車輪輪背均同護軌間發(fā)生了撞擊。最大輪軌橫向力出現(xiàn)在車輛逆向通過第一組12號單開轍叉叉心位置；最大輪軌垂向力出現(xiàn)在車輛通過第一組12號道岔轉轍區(qū)尖軌附近；輪背與護軌間相互作用力最大值出現(xiàn)在車輛通過第一組12號轍叉叉心附近。

當30 t軸重重載貨車分別以30、40、50 km/h側向通過交叉渡線時，貨車行車安全指標及輪軌力最大值見表3。

表3　不同側向過岔速度下貨車動力特性

由表3可知，行車安全指標及輪軌作用力均隨著車輛側向過岔速度的提高而有所增大。當車輛過岔速度由30 km/h增加至50 km/h時，其中輪軌橫向增幅為13.91%，可見側向過岔速度的增加會加劇輪軌間橫向沖擊；輪軌垂向力增幅不大，約為9.59%；護軌接觸力增幅較大，達到29.81%。計算速度內，行車安全性指標及輪軌相互作用均未超過限值。

2.3軌底坡對動力特性的影響

當交叉渡線軌底坡分別為1∶20、1∶40時，30t軸重貨車通過渡線時安全指標與輪軌力最大值對比如圖9、圖10，其中直向過岔速度為100 km/h，側向過岔速度為50 km/h。

圖9　軌底坡對貨車安全性指標的影響

圖10　軌底坡對貨車輪軌力的影響

由圖9、圖10可知，交叉渡線軌底坡由1∶40改為1∶20后，貨車通過交叉渡線時的安全指標和輪軌力均有所降低。車輛直向過岔時，脫軌系數(shù)降低4%，輪重減載率降低13.33%，輪軌橫向力降低6.92%，輪軌垂向力降低8.73%，護軌受力降低1.48%；車輛側向過岔時，脫軌系數(shù)降低25%，輪重減載率降低12.90%，輪軌橫向力降低31.97%，輪軌垂向力降低0.72%，護軌受力降低2.48%?？梢?，采用1∶20軌底坡可降低車輛通過交叉渡線時的輪軌相互作用力，其中車輛側向過岔時的輪軌橫向力降低最為明顯(其時程曲線見圖11)，這對于緩解道岔結構受力，延長道岔使用壽命是較為有利的。

圖11　軌底坡對貨車側向過岔時輪軌橫向力的影響

圖12為心軌頂寬20 mm、頂寬50 mm處分別設置1∶40軌底坡及1∶20軌底坡條件下車輪等效錐度隨著輪軌間相對橫向位移的變化。圖13為軌底坡對貨車直向、側向過岔時輪對橫向位移的影響。

圖12　軌底坡對心軌頂寬20、50 mm處車輪等效錐度影響

圖13　軌底坡對輪對橫移量的影響

由圖12、圖13可知，與1∶40軌底坡相比，1∶20軌底坡的輪對橫向位移略大。心軌頂寬20 mm斷面與車輪間的接觸點主要集中在尖軌的軌距角及尖軌頂端；心軌頂寬50 mm斷面與車輪間的接觸點主要集中在尖軌，接觸點分布較為均勻。1∶40軌底坡條件下的左右車輪等效錐度大于1∶20軌底坡條件下的車輪等效錐度，說明在1∶40軌底坡下采用LM踏面的車輪對中回復能力優(yōu)于1∶20軌底坡下，但也易降低蛇行失穩(wěn)的臨界速度，誘發(fā)蛇行運動。

3　結論

本文基于車輛-道岔耦合動力學，建立了30 t軸重重載貨車-12號道岔交叉渡線動力仿真模型，研究了貨車過岔方式、過岔速度及交叉渡線軌底坡對于貨車通過時的各項安全指標的影響規(guī)律，主要結論如下。

(1)車輛直向通過交叉渡線時，輪軌橫向力、輪軌垂向力及護軌受力最大值均出現(xiàn)在車輛逆向通過第一組12號單開轍叉叉心位置；車輛側向通過交叉渡線時，最大輪軌橫向力出現(xiàn)在車輛逆向通過第一組12號單開轍叉叉心位置，最大輪軌垂向力出現(xiàn)在車輛通過第一組12號道岔轉轍區(qū)尖軌附近，輪背與護軌間相互作用力最大值出現(xiàn)在車輛通過第一組12號轍叉叉心附近。

(2)貨車過岔速度增加，安全指標及輪軌力均有一定程度的增大，其中車輪與護軌間的沖擊增加最為顯著。當30 t軸重重載貨車以100 km/h直向、50 km/h側向通過12號道岔交叉渡線時，各項安全指標均符合相關規(guī)范要求。

(3)交叉渡線采用1∶20軌底坡時，貨車的各向安全指標及輪軌力均小于1∶40軌底坡，且可降低車輛發(fā)生蛇行運動的幾率。

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Wheel-rail Interaction and Safety Analysis of No.12 Scissors Crossover for 30 t Axle-load Wagon

HOU Bo-wen1， GAO Liang1， CUI Ri-xin1， HE Xue-feng2

(1.Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China; 2.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

The turnouts designed for 30t axle-load wagon have been used on central and southern heavy haul railway corridor in Shanxi province. However， no study has ever been conducted on auxiliary scissors crossover for heavy haul railway. Based on vehicle-turnout coupled dynamics， a No.12 scissors crossover coupled dynamic model for 30t axle-load wagon is established with multi-body dynamics software SIMPACK. The influences of wagons passing though scissors crossover， wagon speed and rail cant on wagon running safety indexes are analyzed. Reasonable recommendations are proposed for the design of the scissors crossover for 30 t axle-load heavy haul railway．

Heavy haul railway; Scissors crossover; Dynamic response; Rail cant

2015-11-30；

2016-03-02

北京市科技專項(Z151100001615005)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2014G001-F)；北京市科技新星計劃(XX2013012)

侯博文(1985— )，男，講師，工學博士，主要研究方向為鐵路軌道結構與軌道動力學，E-mail：bowenhoucn@163.com。

1004-2954(2016)08-0012-05

U213.6

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.003