第47卷第4期 西南交通大学学报 Vo1.47 No.4 Aug.2012 2012年8月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.2012.04.012 文章编号:0258-2724(2012)04-0611-07 道岔动力参数设计法 及其在转辙器设计中的应用 刘 哲, 王 平, 陈 嵘, 全顺喜 (西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川成都610031) 摘要:为了直观、快速地设计道岔区轮轨关系,在道岔区轮轨静态接触理论的基础上,通过车轮垂直振动 和单轮对蛇形运动的分析,建立了道岔动力参数设计法.用该方法对18号高速道岔转辙器部分轨距加宽设计进 行了分析,得到了最大轨距加宽量为15 mm,最大加宽位置在尖轨顶宽30 nlm处,轨距加宽范围为21.743 m的 较优方案.列车道岔系统动力学验证和运营实践证明了该方法的正确性. 关键词:道岔;动力参数;转辙器;轨距加宽;轮轨关系 中图分类号:U213.6 文献标志码:A Dynamic Parameter Design Method for Turnout and Its Application in Switch Design LIU Zhe, WANG P ng, CHEN Rong,QVAN Shunxi (MOE Key Laboratory of High—Speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 61003 1,China) Abstract:In order to design the wheel—rail relation in turnout intuitively and quickly,a dynamic parameter design method for turnout was put forward based on the static contact theory of wheel—rail in turnout and by analyzing the vertical vibration of independent wheel and the hunting motion of single wheelset.No.1 8 high—speed turnout with the design of gauge widening switch was analyzed by this method,and a better scheme of gauge widening switch was obtained.In this scheme,the maximum value of gauge widening is 15 mm,the maximum value of gauge widening is located in the 30 mm width of the top surface of switch,and the range of gauge widening is 21.743 m.Train—turnout system dynamics verification and operation practice demonstrate the correctness of the method. Key words:turnout;dynamic parameter;switch;gauge widening;wheel—rail relation 道岔存在不可避免的结构不平顺,影响列车过 建立道岔动力参数设计法.该方法概念明确、计算 简单,易于为道岔设计者和现场工作者掌握. 世界各国均进行了一些创新设计,以降低高速 岔时的平稳性,严重时还会影响行车的安全性¨引. 在高速道岔轮轨关系设计中,如要真实反映结构不 平顺对列车道岔系统的动力影响,需建立较完整的 列车道岔系统动力学理论 ,这种研究方法虽然 准确,但是耗时较长,不能直观、快速地反映出道岔 轮轨关系设计的优劣,不易为道岔设计人员所掌 握.本文以岔区轮轨静态接触理论为基础,辅以独 立车轮的垂直振动和单轮对的蛇形运动分析【 m], 道岔区的结构不平顺,其中,德国高速道岔在转辙 器部分设计中采用了一种动态轨距优化设计技术, 而我国在这方面的研究较少.因此,本文用道岔动 力参数设计法分析其减缓道岔结构不平顺的机理, 评估其对列车道岔系统振动的减缓作用,以指导我 国高速道岔结构优化设计及养护维修. 收稿日期:2010.10 10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51078320,51008256) 作者简介:刘哲(1985一),男,博士研究生,研究方向为高速、重载轨道结构及轨道动力学,E-mail:liuzhe0820@163.eom 通讯作者:王平(w69一),男,教授,博士,博士生导师,研究方向为高速、重载轨道结构及轨道动力学,E-mail:wping@home.swjtu.edu.ca 612 西 南 交 通 大 学 学 报 第47卷 1道岔动力参数设计法 1.1道岔区单轮簧下质量的振动 以车轮的单自由度模型来研究列车通过 岔区竖向结构不平顺时的动力附加荷载.根据达伦 贝尔原理,略去阻尼项,可得到此模型的瞬态振动 方程为 比系数;E1为钢轨的竖向抗弯刚度;Y 为钢轨附 加沉陷;q为车轮簧下部分的质量 . 以岔区竖向结构不平顺为激励,动车组直向过 岔时,采用此模型计算得到转辙器、辙叉部分的车 轮附加动压力如图1所示.计算中单轮簧下质量取 为1 200 kg;扣件支点刚度取为50 kN/mm[12];枕 间距取为600 mm. 由图1可见,道岔转辙器及辙叉部分的竖向结 ya J )sin 。( 一下)dr, ( ) 构不平顺引起车轮和钢轨产生了较剧烈的振动,因 辙叉部分结构不平顺的波长较短,所导致的振动更 大.可见道岔结构竖向结构不平顺的大小已转化为 车轮动力响应的大小,可用车轮附加动压力来表征 道岔竖向结构不平顺的特征. 式中:O.Io= ̄/Kr/q; K =2k//3; =(k/(4EI)) ; k为钢轨基础弹性系数; 为钢轨基础与钢轨的刚 堇 幅 晨 釜 辑 藿 堇 * (a)转辙器部分 图1 转辙器和辙叉车轮附加动压力 (b)辙叉部分 Fig.1 Additional dynamic pressure of switch and frog 1.2道岔区轮对的蛇行运动 向位移如图2所示.计算中:蠕滑系数取为 9.57 MN;轮对质量取为2 400 kg;转动惯量取为 蛇行运动是车体本身绕其垂直轴旋转的一种 摇动,车辆是边摇摆边行驶的,由于周期性的横向 力作用,它给轨道以很大的影响,并且成为降低车 辆运行稳定性的一个重要因素.轮对在道岔区内的 蛇行运动规律可用于研究道岔横向结构不平顺的 1 350 kg・m;名义滚动半径取为0.43 m;踏面等效 锥度取为0.05 . 由图2可见,虽然转辙器部分与辙叉部分横向 不平顺幅值相当,但是由于转辙器部分横向不平顺 作用时间较长,导致轮对横向位移(因未考虑轮缘 影响.以单轮对通过道岔横向不平顺的2自由度模 型来研究其蛇行运动规律,设轮对具有横移Y 和 摇头 两个自由度,质量为帆,转动惯量为 , 由牛顿定理建立轮对的运动微分方程为 ,)^, =一与钢轨的贴靠作用,幅值已超过轮轨游间)远大于 辙叉部分.可见,轮对在转辙器部分车轮轮缘必将 与钢轨贴靠,轮对横向位移越大,对钢轨的横向冲 击作用越厉害.因此,可用轮对横向位移来表征道 岔横向结构不平顺的特征. 1.3动力参数 = + + , 1 ’J . Jw ., w 2fohy .一_ 一 + ToA f I (2) — 上述分析表明,车轮动力附加力和轮对横向位 移可分别用来表征岔区竖、横向结构不平顺的特 式中: 为蠕滑系数;A为踏面等效锥度; 为横 向不平顺;rn为名义滚动半径;b为左右滚动圆距 离之半; 为轮对前进速度. 以岔区横向结构不平顺为激励,动车组直向过 征.此外,踏面等效锥度和轮对倾角是轮轨接触几 何关系中最为重要的参数,踏面等效锥度量值的大 小影响其他的接触几何参数,轮对倾角与道岔轮 轨关系的设计密切相关,反映了列车过岔时车体的 岔时,采用此模型计算转辙器、辙叉部分的轮对横 第4期 刘 哲等:道岔动力参数设计法及其在转辙器设计中的应用 613 量 _重 靛 靛 至尖轨尖端距离/m 至心轨尖端距离/m (a)转辙器部分 (b)辙叉部分 图2转辙器和辙叉轮对横向位移 Fig.2 Transverse displacement of switch and frog 横向稳定性.我国规定时速250 km及以上的高速 采用的动态轨距优化设计技术,是将基本轨向外弯 道岔等效锥度不得大于0.1,轮对倾角不得大于 折并加宽尖轨,最大轨距加宽量为15 mm,最大加 4/1 000 rad. 宽位置在尖轨顶宽30 mm处,轨距加宽范围为 因此,本文提出了道岔动力参数设计法,将车 21.743 m.下面以我国LMA型踏面动车组直向通 轮动力附加力、轮对横向位移、踏面等效锥度和轮 过l8号高速道岔为例,针对最大轨距加宽量、加宽 对倾角作为道岔动力参数设计法的控制参数,用以 位置、轨距加宽范围3个参数的改变,分析其对道 评价道岔轮轨关系设计的优劣,其值越小,代表道 岔动力参数的影响. 岔结构不平顺越小,轮轨关系设计越优. 2.1.1轨距加宽量 2在转辙器设计中的应用 考虑最大轨距加宽量为0、5、10和15 mm,最 大轨距加宽位置在尖轨顶宽30 mm处,轨距加宽 2.1计算结果与分析 范围为21.743 m,4种方案分别记为方案1~4,其 德国高速道岔在转辙器部分轮轨关系设计中 动力参数的计算结果对比如图3所示. 著 较 神 要 尖轨顶宽/mm 尖轨顶宽/nun (a)踏面等效锥度 (b)轮对倾角 堇 量 售 量 暹 颦 靛 辞 至尖轨尖端距离/m 至尖轨尖端距离,瑚 (e)车轮动力附加力 (d)轮对横向位移 一一方案1 方案2 一・一方案3——方案4 图3动力参数随轨距加宽量的变化 Fig.3 Dynamic parameters VS.value of gauge widening 614 西 南 交 通 大 学 学 报 第47卷 从图3可见,随着轨距加宽量的增加,等效锥 度、轮对倾角、轮对横向位移均随之降低,轮对的横 向稳定性逐渐提高.但动力参数并不是线性降低 的,随着加宽量的增大,降低速度越来越小,这主要 是由于直基本轨弯折后,给轮对施加了反向的横向 轮轨接触点位置,形成了相应的竖向不平顺.总的 来看,在轨距加宽15 mm时,车体的横向稳定性已 具有较好的效果,行车平稳性可显著提高. 2.1.2轨距加宽范围 考虑最大轨距加宽量为15 mm,最大轨距加宽 蠕滑作用力,车轮所受总的横向力减小的原因.动 力附加力随着轨距加宽量的增加先增大后减小,这 位置在尖轨顶宽30 mm处,轨距加宽范围为 21.743、16.894、13.136 m,3种方案分别记为方 案4~6,其动力参数的计算结果对比如图4所示. 主要是由于直基本轨上设置的横向不平顺改变了 艰 籁 鉴 羹 蚕 尖轨顶宽/mm (a)踏面等效锥度 (b)轮对倾角 桧 舞 莲 ‘童 R 蒋 蜒 捉 至尖轨尖端距离/m 至尖轨尖端距离,m (e)车轮动力附加力 一一(d)轮对横向位移 方案4 ……-方案5 …方案6 图4动力参数随轨距加宽范围的变化 Fig.4 Dynamic parameters vs.range of gauge widening 从图4可见,轨距加宽范围的变化对动力参数 的影响不是特别显著,随着加宽范围的缩短,动力 附加力、轮对蛇行运动幅值略有增加,这主要是由 于轮对横移主要发生在尖轨顶宽较小的范围内,尖 轨后端轨距加宽值的变化对轮轨横向接触点的变 化影响不大所致.总的来看,基本轨弯折范围为 21.743 m时对各动力参数影响最小,对行车最为 有利. 实际顶宽分别为25、30、35和40 mm)处,4种方案 分别记为方案7、4、8和9,其动力参数的计算结果 对比如图5所示. 从图5可见,最大轨距加宽位置对动力参数有 较大影响,随着最大轨距加宽位置的后移,轮对倾 角及轮对横向位移逐渐增大,动力附加力先减小后 增大.最大轨距加宽位置的变化,决定左右轮轨接 触点的横向变化速率,也决定轮对上所作用的横向 蠕滑力大小及轮对的横移速率,最终决定轮轨间的 横向作用力、车体的横向振动及横向行车平稳性. 从提高行车稳定性角度考虑,在尖轨顶宽30 mill处 实现最大轨距加宽最有利. 2.1.3轨距加宽位置 考虑最大轨距加宽量为15 mm,轨距加宽范围 为21.743 m,轨距最大加宽位置在原尖轨顶宽10、 l5、20和25 mm(加宽后对应最大加宽值上尖轨的 第4期 刘 哲等:道岔动力参数设计法及其在转辙器设计中的应用 615 姑 较 脚 萋 尖轨顶宽/rnm (a)踏面等效锥度 (b)轮对倾角 渣 量 量 厘 靛 至尖轨尖端距离/mm (c)车轮动力附加力 一一(d)轮对横向位移 …….方案4 …方案8——方案9 方案7 图5动力参数随轨距加宽位置的变化 Fig.5 Dynamic parameters vs.position of gauge widening 由上述分析可知,18号高速道岔转辙器部分 轨距加宽最优方案为最大轨距加宽量为1 5 film,最 大加宽位置在尖轨顶宽30 mm处,轨距加宽范围 为21.743 m. 本文采用文献[13—16]中列车道岔系统动力学理论 及模型对上述各转辙器轨距加宽方案进行了仿真 分析,各方案的仿真分析结果如表1所示. 分析表1中各项动力响应可以看出: 2.2列车道岔系统动力学验证 (1)虽然轮缘力随着加宽量的增大而呈增加 如前所述,在高速道岔轮轨关系设计中,如要 真实地反映出结构不平顺对列车道岔系统的动力 影响,需建立较完整的列车道岔系统动力学理论. 趋势,但由于轮对摇头角的减小,尖轨侧面磨耗指 数反而是随之降低的,可见转辙器轨距加宽技术有 利于提高直尖轨的耐磨性. 表1仿真分析结果 Tab.1 Results of simulation 616 西 南 交 通 大 学 学 报 第47卷 (2)减载率、脱轨系数、动轮载、轮缘力、尖轨 动应力各方案差别不大,均有一定的安全储备 量 ,从提高列车过岔时稳定性的角度考虑,可不 作为评价方案优劣的指标. (3)车体横向加速度是评价列车过岔时平稳 性最为重要的指标,其值越小越有利于行车的平稳 性;尖轨开口量越小,尖轨与基本轨密贴状态越好, 越有利于行车平稳性.由这两个指标对比分析可知 方案4最优. 综合比较,道岔动力参数设计法及列车道岔系 统动力学验证均以方案4为最优,即最大轨距加宽 量为15 mill,最大加宽位置在尖轨顶宽30 mm处, 轨距加宽范围为21.743 ITI.这与我国京沪高速铁 路所引进德国18号高速道岔的动态轨距优化设计 方案一致,速度试验及运营实践表明,列车过岔时 平稳性与区间线路相当,其轮轨关系设计合理,充 分证明了道岔动力参数设计法的正确性. 3 结 论 (1)车轮的单自由度模型和自由轮对的 二自由度模型能够较好地反映出列车通过岔区结 构不平顺时的竖向振动和蛇形运动规律. (2)车轮动力附加力和轮对横向位移可分别 用来表征岔区竖横向结构不平顺的特征. (3)18号高速道岔转辙器轨距加宽的最优设 计方案为最大轨距加宽量为15 mln,最大加宽位置 在尖轨顶宽30 1111'I1处,轨距加宽范围为21.743 111. (4)以车轮动力附加力、轮对横向位移、踏面 等效锥度和轮对倾角作为动力参数的道岔动力参 数设计法概念明确、计算简单、方法正确、易于为道 岔设计者和现场工作者掌握,可用于指导高速道岔 的优化设计与养护维修. 参考文献: [1]何华武,王平,郭福安,等.250 km/h客运专线道岔 国产化研究报告[R].北京:中华人民共和国铁道 部,2006. [2]王平,刘学毅.无缝道岔计算理论与设计方法[M]. 成都:西南交通大学出版社,2007:240-243. [3]蔡小培,李成辉.高速道岔辙叉区轮轨接触不平顺 [J].西南交通大学学报,2008,43(1):86-90. CAI Xiaopei,LI Chenghui. Wheel/rail contact irregulairty in crossing zone of high—speed turnout[J]. Journal of Southwest Jiaotong University,2008,43(1): 86_90. [4]刘学毅,王平,万复光.轮轨空间耦合振动分析模型 及其应用[J].铁道学报,1998,20(3):102—108. 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