（道路与铁道工程专业论文）高速道岔轮轨耦合系统动力分析.pdf

北京交通大学硕士研究生学位论文 高速道岔轮轨耦合系统动力分折 摘要 本文在前人融有工作的基础上，概述了国内外道岔轨道动力学的发展现 状及其工作特点，分拆了列车侧向过岔时，1 8 号可动心轨辙叉单开邀翁的 动力学特性。 建立了由车辆、道岔以及轮轨接触关系三部分组成的系统模型。在模型 中考虑了转辙嚣、连接部分、及辙叉等道岔结构的振动。针对1 8 号可动心 轨单开道岔，在充分考虑了道岔区平面布鼢情况，完成了对各股钢轨及岔 枕模型化，详细绘出了转辙区与辙叉区两个位置的几何不平顺。 考虑侧向过象对车辆一道岔系统的垂向横向动力学特性，对模拟褥到的 系统晴盔表现淑来的振动援律给予了较为详纲的分橱与说明。练果表瞬， 在车辆经过转辙隧与辙叉区时轮孰系统将发生大的冲击振动。 比较了不同的过岔速度，轴重及导峨线形式下轮轨系统的振动特性， 着重分析了造岔速度对系统的影响情况，并且认为在只考虑系统的振动特 性时，1 8 号可动心轨式单开高速道岔的侧向容许通过速度可以提高到 8 0 k 珏l m 。分孝斥车辆侧向过岔的动力特性时，采用两种不同的导曲线结构形 式是本文豹一个剑毅点，发瑗采翅缓和曲线+ 圆挂线的导曲线线形藉，其横 向振动特性要小的多。道岔设计中，在保证施工，养护维修质量时，可以 增设一段缓和曲线。 f 关键词】道岔，轮轨系统动力学，振动特性，过岔速度 北京交通大学硕士研究生学位论文 i nt h j sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i l u a t j o no ft h e 仃a c ka n dt h e l u r 珏。珏td v n a m i e sa f es u 棚l n a 五z e 娃，b a s 秘。珏l 量l ew o f kt h a lh a sb e e nd o n c 。 r e s p o n s e so ft kc h i n e s en o 1 8t u m o u tw i t hm o v e a b l e n o s ea r co 雠r e dw h e n t h et r a 王np a s s e st h r o u 曲t u m o u tb r a i l c h e s 。 l nt | l i sp a p e r t h es y s 耙mm o d e l 魏a tc o n s i s t so fv e 啦d es 曲s y s t e m ，t u 翔o u t s u b s v s t e ma n dw h e e l r a j lc o n t a c tr c l a t j o n s l l i ps u b s v s t e mi se s t a b l i s h e d 1 nt h e m o d e l ，t h ev i b r a t i o n so fs w i t c h ，f 曲ga n dd o s u r e 豫i la f ec o n s i d e r e d 。a l s ot h e s e c t i o nv a n a 拄o n so fs w i t c hr a i l sa n df l e x i b l ef 协2c e i l t e ra dt l l ev a r i a t i o n so f t h ef o u n d a t i o ne l a s t i c j t vw i t t lt h el e n g t ho fs w i t c ht i e sa r ct a k e ni n t 0a c c o u n t 0 n t h eb a s i so ff h l lc o n s i 曲r a l i o no fl h em f 翦o u tz o n el a v o h t 。af e a s o n a b l et u 栩。珏l s u b s v s t e mm o d e li sf o u n d e d t h ei n n u e n c e so fs p a c e r sb o l t e do nt h ej n n e rs i d c o fw e bo fs w i t c hr a i la n do ff i l l e r sa r ec o n s i d e r e d 1 na d d i t i o n ，t h eg e o m e t r i c 扛f e 母l l 撕t vo ft h o 翔m o 珏lz o n ei so 登宅f e d 1 m er e s p o n s e so ff h eg e n e m is y s t e ma r eo f f b r e dw h i l et l l et r a i np a s s i n g t h r o u 妙l h et u 功o u tz o n e ，a n dt l l ea n a l y s i so ft h e s ef c s p o n s e si sp r e s e n t c d 洫 d e t a i l t h er e s u t ss h o w 搬a tt h ei l e v i t 糊e 鼢a v ew h e e 圭，r a ni m p 矗dw 丑io c c u l w h e nt h er a i l w a yv e h i c l ec r o s s i n gt h m u g ht h es w i t c ha r e aa n df r o ga r e a c o m r a s t e dw t hl h ef c 印。珏s e so ft h eg e n e r a ls v s l e mu n d e r 攮es t 撰l l i o no f m ec h a n g e dv c l o c i t y a x l e * l o a da n dt y p eo fc u r v e ，e m p h a t j c a l l ya n a l y z e dt h c e f f e c to ft h ev e l o c j t y t l l ev e l o d t yw h i c hr a j l w a yv e h i c l e sp a s s e st l l r o u 曲t h e c h 西c s en o 1 8 赫秘一s p e e dt u r n o u lw i t hm o v 髓b k 珏o s eo ns 主d e w a y 搬a vb er a i s e u pt o8 0k i n h r e s e a f c ho nd i f c e r e n tr e s p o n s e so ft h eg e n e r a ls v s t e mw h i l et h e t r a i np a s s n gm r o u 醢t b et u m o u ta d o p t i i l g 佃od i f f e r e n tc t l “e si saj 雌0 v a t i o n t h ef c s u l t si n d 主c a t et h a t 氇et f a 掰e 辐ev i b 豫t i o nc a nb er e d u c e dw h e n 氇ec u r v e i sm ei n t e f 伊a d e c u e s oj ti sp r j m e l yn e c e s s a r yt oa d o p tt h ej n t e r 掣a d e - c u r v e 抽t h eh i g h - s p e e do rr a i s i n g s p e e dt u m o u t k e y w o r d s ：t u m o u t ；w h e e l m i ls y s t e md ”a m i c s ；v j b r a 吐o nc h a f a c t e r i s t j c s ； 警e e dt h m u 醢豫硅t 2 。 第一章序论 第一肇绪论 第一节弓i 言 道翁是列车从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设 备，慧铁路鞔道的一个重要组藏部分，按种类有擎开道岔、对稼遂岔、菱 形交叉、交分道岔。其功能是承受、传递由铁道车辆运行引起的各种荷载 及引导车轮在轨道上行驶。与普通轨道不同的是，在道岔范围内轨道由一 股分支成两股或多股，必须通过嚣辙器可动部件的转换为铁遵车辆提供转 线的可能，在轨线平藤交叉点设置构造较为复杂的辙叉隧满足两向轮缘透 过的要求。由于道岔具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、 行车安全性低、养护缎修投入大等特点，与曲线、接头并称为轨道的三大 薄弱环节。 近几年，我国高速铁路、客运专线发展很快，秦沈客运专线次性开 通2 0 0 i 【l i 油，广深高速、京秦准高速铁路也相继改造完成，还有几条城际铁路 正在铺设中。车辆过象限速已成为铡约我国铁路囱高速、重载方向发展的 一个瓶颈问题。主要表现在：随着过翁速度豹逐步提高，车辆系统与道岔 系统之间的相互作用表现得越来越激烈，系统的振动越来越强烈，例如固 定辙叉存在轨线中断，尖轨、护轨和翼轨的冲击角远远大于曲线轨道，结 枣笥的竖向和横向刚度变佬远远大予普通孰遂等。其中，塞速铁路道岔攫! | 匈 最高允许通过速度是影响高速铁路线路通过能力和线路道岔型号选取的重 要因素，道岔的侧向最高允许通过速度设计过高，势必要求选取的道岔号 码加大，不仅增加设计、生产的技术难度，而且对道岔铺设地面条件要求 高，增攘施工难度，嬲大建设投资；反之，遴忿镧商最高允许遥过速度设 计过低，则直接影响高速铁路线路通过能力以及线路使用效率和列车的运 行效果，降低高速铁路运营效益和其参与市场竞争的能力。因此合理提出 遭岔侧向最离允许通过速度要求，对高速铁路设诗、建设积运营都具有重 要意义。这就要求将车辆系统和道岔系统作为一个总体大系统，对其加以 详细研究，找到系统振动的一般规律，以期能减缓、改善整个系统的相互 作用情况，提高车辆过岔速度，为铁路事业的长足发展创造有利环境与条 北京交通大学硕士研究生学位论文 件。下匿，箍要介绍国内辨道岔发震概况，车辆一道岔动力学发展过程以 及本论文灼主要工作。 第二节国内外道翁结构发展概述 1 2 1 我国道岔发展概况 建辫以来我国铁路道岔整体技术的发展经历了遥半个世纪的历程。从 年代上，大体可划分成三个阶段1 1 j ： 第一阶段：5 0 年代一9 0 年代初 基础建设阶段 第二阶段：1 9 9 6 年一2 0 0 3 年 道翁提速阶段 第三阶段：2 0 0 3 年以后进入高速道盒研制阶段 以上三个阶段，道岔代表性技术特征见表1 1 表1 1 道岔代表性技术特征 阶年代号 容许通过速商 设计遗岔电务转 段型号 平面线形邋岔结构 数方法监拄换锬趣 直离 侧向 单圆曲切底式、爬坡式尖 5 疆枷线直线轨9加3 5 静态 无 一机多点 ( 5 5 5 7 型)尖轨直组合尉定辙叉钩 1 2鲫4 5 内镄闭 线辙叉头道钌式术岔枕 单圆曲 爬坡式尖孰镭钢靥 一机多点7 0线直线 定辙叉刚性扣件术 9l o o3 5 静态无 1 ( 7 5 型)尖轨直 1 21 0 04 5 内锁闭 线辙叉 岔棱 单嘲曲 艇1 尖轨锰钢固定辙 8 0 线直 里、单肢可动心轨辙 91 1 03 5 一机多点 线、曲线 1 21 l o5 0 静态无 ( 9 2 型) 叉鞴性扣件泥凝士 1 81 1 08 0 内锬蠲 凳轨盲 岔枕 线辙叉 9 6 单圆曲 触尖轨锰钢固定 91 2 0 3 5 静态+ ( 提建 线曲线辙叉、单肢可动心1 21 2 0 一2 0 (5 0多轭多点 道岔) 尖轨直轨辙叉弹牲扣件 1 82 0 08 0 部分无 外锁闭 2 线辙义混凝土岔抚 3 02 1 2 0 动态 2 2 年 圆曲线+ a t 尖轨单脚可动心静态+ 部分 ( 秦沈客运 缓和曲线 孰辙叉弹性扣侔混 1 82 5 08 0 部分 测点多机多点 曲线尖轨 3 82 5 01 加 ( 试外锁闭 专线道岔)凝土岔枕动态 曲线辙叉验) 2 0 0 3 圆曲线+ ( 高速遒 缓积般a t 尖轨单肢、飘艘1 83 s 0 垒部 多测点多极多点 3 线曲线可动心轨辙叉弹 4 3 3 5 0 1 6 0 状态联或机多 岔方案阶 动态 段) 尖轨赫性扣蚪= 混凝士岔抗 5 83 5 02 2 0 网蛰控点井锁闭 线辙叉 2 第一章序论 一、道岔整体技术基础建设阶段 这一阶段的年代跨度较大，技术发展大都属于基础性方面，它奠定了 我国道岔产业发展的技术基础。健由于受道岔基础理论研究薄弱及设计方 法落后的制约，在这个阶段内，道岔直向容许通过速度未能突破1 2 0 k n 蚰， 遂岔主要部件的使用寿命瞧偏低。 从5 0 年代开始，经过几十年的努力，到8 0 年代末期，我国铁路邀岔标 准将遵岔号数筒约为9 号、1 2 号、1 8 号三个型号，钢轨 中类限定为4 3 ，5 0 ， 6 0 和7 5 k m 四种，由此大大简化了道贫品种，实现了以最少的品种满足最 广泛的需要的目标。 随着道岔技术的发展，在这个阶段先后形成了5 5 型，5 7 型，6 2 型、7 5 型和9 2 型几代道岔标准。这几代产品演变的特点是：平面线型及主要尺寸 基本保持不变，主要是隧羞道岔绩j 鸯和裁造工艺的技术进步两不叛麴耱标 准。 制造工艺的突破主要表现在： 1 、a t 轨的研制及应用 8 0 年代初，我国铁路学习国外先进技术，开始自行设计和轧制特种断 面( a t 型) 尖轨。当时结合我国铁路客货泥运的特点，a t 轨的断面澍度比 较大。在对道岔品种实施简统化和标准化的过程中走了很长的一段路。 在灯鞔跟端成型工艺成功的錾础上，尖轨跟部的活接头联结也被弹柽 可弯的固定结构所替代，它消除了接头病害，提商了结构强度和稳定性。 随着5 日6 0 斛尖轨的投人，作为道岔主要部件之一的转辙器的整体技术 水平开始与世赛先进水平接轨。 2 、锰钢整铸辙叉工艺 早在六十年代，铁邋邦在经过充分技术论证并结合我圜资源特点，决 定将高锰钢整铸辙叉作为我国铁路辙叉的主要结构型式。 1 ) 高锰钢熬铸辙叉造型工艺机械化 2 ) 高锰钢攘铸辙叉的全部位表面机加工 高锰钢整铸辙叉开始由几部位机加工逐渐发展到全部位机加工，提高 了高镒钢整铸辙叉的表猫质量，大箍度提高了列车运行的平颓性。 3 ) 探伤技术不断完藩，使高锰钢整铸辙叉的内部质量綦本得到控制。 北京交通大学硕士研究生学位论文 4 ) 产品设计由单开道岔扩大剩菱形交叉和交叉渡线等，实现了品种的 多样化。 5 ) 引进日本和奥地利高锰钢辙叉，与国内产品进行运营对比考核，从 中找出差距，研究对策。 通过以上几个方面的工作，实现了我国高锰镪接铸辙叉的产业化，从 产量、品种和质量方面基本上满足了当时铁路建设和运输的需要。 二、道岔提邃阶段 9 6 年铁道部实施主要干线提速战略，由此我圜遵岔整体技术的发展进 入了提速阶段。提速道岔和秦沈客运专线道岔是该阶段有代表性的道禽产 品。 在北阶段，遭岔整体技术发展的重要标准就楚遵岔容许通过速度快速 提升。从5 0 年代到9 0 年代初，我国道岔直向窑许通过速度增长缓慢，只有 8 0 l ( l ，l l 提高到l l ok m h ，4 0 多年仅提离3 0k m m ，通过速度平均增长率为o 7 5 妇年。 从1 9 9 6 年铁道部实旌大提速战略开始到豢沈客运专线投入运营，仅8 年 时问，遂岔蠢向容许通过速度就崮1 1 0 h 涵提高到2 5 0 妇涌，通过速度平均 增长率为1 7 5k m 年。与此同时，道岔侧向容许通过速度也由1 8 号道赫的8 0 k m m ，提高到3 8 号道岔的1 4 0 蛔怂。 在道翁提速阶段，主要有以下几个方面的技术突破： 1 、道岔平面线型突破圆曲线单一模式 几十年来，我国道岔平面线型一直采用圆曲线，这种单一的线型在秦 沈客运专线3 8 号道岔的研制中开始设突破。首次采用娜曲线+ 缓和曲线的线 型，突破了在区间设置肇渡线对二道岔闯夹直线长度的限制。动力实验结 果表明该线型的采用是成功的。这种线型已与法国、德国高速铁路道岔的 平趣线型接轨。 2 、6 0k 窟，m 钢轨提速道岔及客运专线道岔形成系列 经过几年不断的设计优化和结构改进，6 0 k 咖钢轨提速道岔及客运专 线遒岔已经形成系列( 见表l 1 ) 。其中干线6 0 堍m 钢轨主型1 2 号提速道岔 系列中，又分三个型号( 见表1 2 ) ，该系列的形成，可以基本满足包括秦沈 客运专线在内的干线不同掇速区段对遵岔的需求。 4 篱一颦蠢瓷 容许遵过速度k 曲 道岔型号 直向侧向 一1 2 l= 2 0 05 0 6 0 一1 2 一i i = 1 6 05 0 6 0 1 2 m：1 2 05 0 3 、特种断面翼轨开发成功 特穗断两翼孰技术不仅可实现翼轨与区间轨道等强，并且雀孰底下部 为电务钩塑外锁闭视构预留了足够的空间。该项技术的突破使我国拼装式 可动心轨辙叉在世界同类辙叉中居领先水平。 4 、合金钢辙叉技术 合金钢辙叉是一种霹以提高固定辙叉使t 爵l 寿命的薪翡辙叉结襁塑式， 在工业发达国家已有多年的使用实践。 5 、无缝道岔作为跨区间无缝线路的技术关键肖所突破 跨区间无缝线路就是将区问长孰与车站道岔爝联，从丽取消缓冲区。 由此可大幅度提高线路的平顺性和轨道整体强度，是轨道结构现代他的发 展方向。 在秦沈客运专线建设中，更是要求一次性铺设跨区间无缝线路。这一 时期，无缝遂麓诗算壤论与设计方法取得了输段蛙戒栗，其中氛括：无缝道 岔计算横型的确立、钢轨温度力的纵向传递、各钢轨件的位移、结构强度 与稳定性分析等。这然理论研究成粜对无缝道岔的研制起到了有力的推动 作翅。 6 、邋岔电务转换实现钩型外锁 7 、弹性扣件和混凝土岔枕全面推广 弹性扣件和混凝土岔枕是提高道岔整体结构强度的有效途径。在提速 道岔耜秦沈客运专线道翁中，已垒砸推广蠖用，敬得嶷好的效柒。 8 、推进道岔设计由“静态”模式向“动态”模式的转换 9 、钢辙叉整体技术己达到国际先进水平 三、高速道岔发展的新阶段 国务院审议通过的中长期铁路网规划，描绘了我国铁路发展的宏伟 蓝图。至2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到1 0 万k m ，建设客运专线1 2 万k m 以上。南此我国铁路邀岔整体技术也由准高速阶段进入了向高速发展的新 s j e 京交通大学硕士研究生学位论文 阶段。 与国外相比，我国高速道岔研制周期过短，道岔熬体技术与世界一流 水平还存在较大差距。主要憝是我国高速道岔的理论体系和相应的结构体 系尚来建立。具体如下： 1 、我国道岔系统性的基础理论研究还十分薄弱，尚处于由静态向动态 转换的过程之中。尽管在提速道岔和秦沈客运专线邋岔的研制过程中，也 开展了部分理论磅究，但褰完整豹理论体系的建立逐蠢一定的距离，目前 泌有的研究成果不能完夔鼹掰导高速道岔的设计。 2 、在高速道岔结构设计方砸还存在空白，如双肢弹性可弯心轨、锰钢 整铸翼轨及弹性基板等。 3 、道岔轨下基础还没脊建立起完整的与高速道岔相适应的结构设计体 系。对于道岔区内的整体道床更是缺乏任何有效实践。 4 、遒岔电务转换锁闭机构，国杰研制的钩型外锁已能对尖轨和心轨形 成足够横向约束，但对尖软嗣心软级自 串缩豹适趣性还奄差距，往往造成 卡阻现象，在一定程度上减弱了对跨嚣闻无缝遂岔豹适斑性。这也是长麓 以来制约工、电同步发展的滩题之一。 5 、道岔工、电状态监控方面，国内的研究还处于起步阶段，无成熟的 技术可直接用于高速道岔。 6 、与道岔相关的制造业，各专业的技术水平参麓不齐。 以上因素决定了，我国高速道岔应该走引进、消化吸收再国产化的技 术路线。我国铁路客运专线夺场潜力巨大，瑷阶段在“技术引进”的同露可 少薰进目国夕 高速道岔，毽最终必须实现国产他。 1 2 2 国外高速道岔简介 道岔高速化是目前世界备网道岔发展的共同趋势。一些铁路运输比较 发达的国家比如法、日、德、英、美、俄等国在高速邀敲这个课题上，己 有了较为完整的设计方案；它 f 的经验和些设计规则值得认真总结、学习 与吸收，这一点在铁道部铡定瓣设计原刘中己有明确娥定。 遵岔是线路铁路鞔线的特殊部件，它限翻着列车通过的速度。为配合 行车速度的提高，各国道岔的型号亦在加大，辙叉角减小，全长加长。采 6 第章痔论 用可动心轨辙叉后，消灭了有害空间，直向通过速度亦可达到区间同样速 度。总的来说，高速铁路道岔大体可分为两类：第一类是列车只在正线高速 运行，第：= ：二类是正线和侧线都能离速运行。下瓤对一些主要翼家惠速道岔 的结构和通过速度作简单介绍。 前苏联自1 9 6 2 年起开始生产l 1 8 号和l 2 2 号等大号码道岔，侧向通过速 度分别为8 0 妇浊及1 2 0 k m m ，直向通过速度均为3 0 0 k 糊1 1 。1 9 6 8 年研制的高 锰钢辙叉和蹑部润隔铁夹板连接并带冒弯尖轨的道岔己成功地褥到应嗣。 线路上己铺了许多p 6 5 和p 7 5 型道翁，p 6 5 型1 1 1 号邋岔的辙叉脊连续踏面， 正线通行速度为2 0 0 k n l l l 及以上时用可动心轨。侧线的遴行速度为 4 乳5 0 妇柏。l 1 1 号可动心孰道岔全长为3 9 7 1 7 m ，v 1 8 号的全长5 7 5 1 9 m ， 1 ，2 2 号全长7 l 1 2 0 m 。 美国1 3 2 r e 轨1 ，2 0 号普通型单开道岔，尖轨为可弯型，直向通过速度 1 6 0 鼬n l l ，侧向通过速度为8 0 硒，h ，道岔全长5 3 - 3 l m 。1 4 0 r e 轨l 2 4 号 对称型邀岔，可弯鳖尖鞔，逶过速度为1 4 2k m ，h ，全长6 3 m 。 英国b s l l 0 轨s g l 2 8 号单开道翁点向通过速度为1 6 0l 缸l l l ，侧向通过速 度为9 6 l 缸m ，用于渡线g 1 2 8 号道岔赢向通过速度为1 6 0k m h ，侧向通过速 度为1 1 2 j ( | i 油。组合式辙叉和夹板接头己分别被熬铸锭钢辙叉和焊接接头代 替。薪设计的l ，3 4 号的可动心轨道岔，侧向容许速1 6 0 k m l l ，惠恿遥过速度 为3 0 0 k h l l l 。侧向通过速度为9 6k r n l l 。 法国铁路一般使用的道岔有t a i l o 1 l ( 1 9 ) 、t a n o 0 8 5 ( 1 1 5 ) 、t a n o 0 5 ( 1 2 1 ) 、 纽l e 0 3 4 ( 1 尼9 ) 均为锰钢虱定义心。1 腔9 号单开遒岔煮囱通过速度为 2 5 0k l ：l i ，侧向通过速度为1 3 0 k m l l ，全长1 0 3 1 9 5 m ，对称道岔通过速度为 1 6 n l l ，全长8 8 1 0 m 。为高速铁路设计的t a n 0 - 0 1 5 4 ( 1 ，6 5 ) ，可动心轨， 直恕速度为2 6 0 n m ，援4 向为2 2 0h 油，全长2 2 0 m 。t 柚0 t 0 2 1 8 ( 1 ，4 1 ) 号遭 岔，侧向通过速度为1 6 0 k m 床，同时允许用于渡线。 德国采用u i c 6 0 轨，1 1 2 号道翁直向通过速度为2 0 0 k m l l ，侧向通过速 度6 0 k 蛐；1 1 4 道岔侧向容许速度为8 0k m h ，1 1 8 5 号道岔囊向容许速度 为2 5 0 k 鞠臁，钡9 向通过速度为l k | | l 隆，遂岔全长氍8 1 8 m ，l 2 6 5 号道岔侧 向通过速度为1 3 0 k m l l ，道岔全长9 4 3 3 m 。以王二道岔均为觑线烈辙叉，有固 定式和可动心轨式。 日本在高速铁路上使用的道岔有l 1 2 、1 ，1 4 、l 1 6 、1 ，1 8 和l 3 0 号道岔 7 北京交通大学硕士研究生学位论文 等， 正线上使用可动心轨辙叉道岔。对于1 1 8 号道岔，其直向通过速度为2 5 0 k m l l ( 可动心轨式辙叉) ，侧向通过速度为7 0 k m ，i l 。 u i c 推荐了一种选定标准轨距、侧股允许速度为1 0 0 妯l l 、1 3 0 k m ，h 和1 6 0 k i i 蚰的单开道岔的规程。可根据技术条样和需要来选用相应的道岔。 第三节车辆道岔系统动力学发展过程 众所周知，道岔是铁路轨道的薄弱环节之一，是限制行车速度的最主 要部位。由于道岔处的动力作用( 轮轨力，尖轨、辙叉处的振动加速度等) 远大于其它部位，而且它们的最大值又毫无例外地与车辆运行速度呈线性 关系，这就迫切需要对道岔结构的动力设计理论和方法、安全监控、损伤 机理、参数优化等方面进行研究，最终能改善车辆通过道翁的受力状况， 减小轮、岔冲击，进而提高车辆过翁速度，以满足铁路高速运输的需要。 道岔是轨道中较复杂的结构部件。它由一股分支成两股或多股，造成 轨线不连续、岔枕长短不一、道岔前后左右上下的刚度参数不均匀等，使 得它具有量值非区间轨道所能比拟的纵剖面几何不平顺，轨下基础的非均 匀弹性。以致车辆通过时动力作用过大，造成车轮扁疤、岔枕裂缝、螺栓 断裂、垫板开裂等严重破坏【3 1 。单开道岔由转辙器、连接线路、辙又及护 轨、岔枕等组成。有直股和侧股四条钢轨，与其下正交或斜交的岔枕构成 空间交叉梁系统。直( 侧) 向行车时，侧( 直) 股钢轨既不是固定也不是 完全自由，而与直( 侧) 股起处于整体受力状态：各岔枕上固定( 或分布) 的钢轨数目不一致( 最多处有7 根轨线，最少处只有2 根) ，间隔铁、顶铁及 螺栓锁固的存在，进一步增大了道翁系统的复杂程度，所有这些都使得道 岔动力学研究显得格外棘手。 为了不断地完善道岔结构，延长其使用寿命，满足铁路运输的各项需 要，通过试验和经验积累，国内外学者在道岔强度计算理论及模型方面作 了大量的研究与实践工作。 道岔静力计算方面除了套用区间轨道连续弹性基础梁或弹性点支承连 续梁理论计算弯矩、位移、反力等外，针对道贫区特点，还建立了一些道 岔区间的特殊计算方法。目前道岔范围内轨下基础模量、轨道竖直刚度、 第一牵序论 转辙器尖轨强度等计算，基本上采用连续弹性基础等截面理论或变截面悬 臂梁理论。总的来说，计算模型大致可以分为以下几种。 l o 1 辙义薄壁模登 前苏联学者在高锰钢整铸辙叉设计中考虑其结构强度，提出一种褶皱 薄壳( 即板粱系) 模型f 2 】。它采用近似有限元方法，将辙叉划分为等截面的 板和粱，并通过节点栩互联结，再将未知交形量分解成三角级数，求解板 粱系方程组得出各截耐内力值。这种方法由于受划分区段的数星限制，计 算结果精度受到影响，或需加大计算工作量，计算结果通过实验室试验检 验，证明诗箕篮馕惠1 0 左右；闷辩，薄壁结构缓没也不尽合瑾，匿酉现在 计算中几乎不再采用。 1 3 2 蒋效集总参数轨道模型 随着捌车轴重、速度、密度的提高，铁路轨道动力响应愈盏为人们所 关注。在静力模型中用速度系数和不平顺系数的方法，己经难以准确地描 述轨道在动力作用下的响应特性。由于各国专家的努力探索，计算机的应 蠲与运行速度的提高，计算方法的发展，提出了集总参数模型。等效集总 参数模型是依据一定等效性原则，搬个具有复杂分散参数体系的轨道结 构，变换成为一个具有少数自由度的质量一弹簧一阻尼集总参数简化模型。 常用的等效变换原则有两种。一种是由轨道结构的实测岛振频率推算 等效质量和等效弹簧剩疫，由轨道结构的实测幅频响应的对数衰减率推算 等效阻尼系数；另一种变换原则是在确定等效质黛时，要求弹性基础梁分 布质量的动能与集总质量的动能相等，而在确定簿效弹簧刚度时，要求荷 载作惩点下弹性基础梁豹静挠度与集总参数模型的静挠度相等。 该模裂同样具有较大的局限性，般只能用柬分析轨道参数均匀分布 条件( 这是等效变换成立的前提) 下的轮轨动力问题，且集总简化所导致 的数值误差难免较大。文献【5 】通过具体计算比较得出的结论怒：集总参数 鞔遴模型只能用予定憾分析轮辘系统动力学瓣题。 9 北京交通大学硕士研究生学位论文 1 3 3辙叉竖向耦合振动模型 车辆一孰道藕合磁力学豹发震，为建立车辆一道翁竖自藕合振动模塑 创造了条件。为了模拟车辆通过固定式辙叉时车辆与道岔的振动特性，作 者建立了考虑道岔区左、右髑股钢轨具有不对称性的车辆一道岔竖向相互 作再j 模型【6 】。利用该模型，文献【7 】模拟得出在竖向上道岔辙叉叉心处发生 的轮辙作用力最大，并对辙叉下垫层刚度的取值范围作出了初步探讨，提 出橡胶垫瀑的静剐度维持在5 0 曲o m n 翻眈较合适。 1 3 4 有限元连续粱模型 有限元已成为道翁动力学计算、研究的重要方法之一。赵曦洲【8 】、王 平f 9 】、任尊松都运用有限元法来研究了遭岔区间的轮孰系统动力学闻题。 文献【9 】建立了功能强、通用性好的遴岔区轮轨系统竖向与横向空间耦含振 动分析模型，并对道岔区轮轨系统动力学问题给予了较为详细蚺研究。 嚣前，车辆孰遵耦合动力仿真的汁算程序中，对钢轨梁单元模型中的 扭转影响考虑的很少，考虑梁的扭转会也是钢轨梁单元模型的一个发展方 向。 除此之外，北美铁道学会利用n u c a r s 软件开发了一种道岔区轮轨计算 模型，用于研究货车通过传统的( c o n v e n t i o n a l ) a r e a 2 0 号道岔和性能更 傀趄的( m o r e a d v a n c e d ) 2 0 号切线型道岔的轮轨系统横向动力特性。文献 1 0 也曾利用该软件计算了高速条件下车辆通过我国1 2 号道岔时车体横向 加速度、钢鞔垂直磨耗帮轮轨横自力豹一些特性。 第四节本文的主要研究工作 道岔结构非常复杂，车辆在通过道岔时是一个耦合的过程，它们之间存 在相互影响、相互佟月、娟互联系的关系。本文在现夜车辆一孰遂系统动 力学的基础上，就道岔区的车辆一道岔系统空间耦合动力学问题，建立了 较为完整、实用的模型，并对其实施模拟计算。论文的创新点在于，对惠 速遵岔是否设置缓和曲线进彳亍了仿真计算，并这两种情况下系统的动力特 性进行了对比分析。 1 0 第一章序沦 具体开展了如下一些研究工佟： 1 、建立了较为完整的客车整车模型。对于客车模型，轮对考虑了横移、 沉浮、侧滚和摇头；车体及转向架则包含了五个自由度，它们分别是横移、 沉浮、翻滚、点头和摇头，这样客车的自蠢度共有3 1 个。 2 、建立了比较详细的道岔模型。依据6 0 k g ，m 钢轨1 8 号可动心轨辙义单 开道岔平蘑结构特点这一实际情况，采用等截面与变截匦e u l e 溧稠结合豹 办法来模拟道岔区内各根钢轨轨线；将每根岔枕处理为两端自由的弹性地 基梁，并按道岔区各根岔槐的实际铺设情况，将其分布在整个道岔模烈中。 探讨了道岔区转辙区与心轨区的凡何不平顺形式，给出了它们的函数表达 式；比较合理地处理了道岔区的特殊部件如顶铁、间隔铁的联结情况，考 虑了尖虢与基本辕、心轨与翼鞔之阀戆密辩方式。 3 、模拟计算了车辆过岔时轮轨系统的备种振动响应。运用建立的车辆 一遂象系统空闻鹅合模型，羞重模拟计算与研究了高速客车侧逆向通过道 岔时系统的横向、竖向动力学特性，并对各种响应表现出来的振动特征进 行对比分析。 4 、模拟计算了过岔速度、轴熏及导曲线结幸鼋形式对系统动力特性的影 响。比较了不同速度下轮轨系统的振动最大值及导曲线线型对车辆侧向过 岔豹影响。 5 、探讨了容许过岔速度的确定方法及提高过翁速度的原则。 北京交通大学硕士研究生学位论文 第二章道岔区轮轨系统空间耦合振动模型的建立 理想的模型应充分考虑器种影响因素，零可能完熬她反映系统本质， 从而使模型具有精度高、功能强的特点，又不能使模烈过分复杂，以便于 计算模拟豹实施。弼对，模型豹发展受计算能力、模拟嚣静以及参数选毅 等因素的制约。道禽结构复杂，其各部件的振动特性以及在不同类型列车 郓行驶速度下的受力变化规律需要通过建立更为合理的模型进行分析。 在前人工作的蒸础上，本章节建立了道岔区轮轨系统空间耦合振动详 细模型。为适应高速铁路的发展要求，本文将以高速道岔( 1 8 号可动心轨 辙叉荜开遘岔) 为例来研究车辆侧向过岔时豹动力响寂特性。 第一节可动心孰遘岔区轮孰系统动办掌模型 目前我国铁路上主要有固定辙义式道岔和可动心轨式道岔两种结构型 式。可动n 孰道岔怒高速遴岔豹主要结构形式之一，本文就铮对这秘遵岔 结构进行动力特性分析。 睡2 i l a 客车一道岔窒闷耦合模型正视圈 第二章遴岔区轮轨系统空翔耦台振动模型的建立 2 1 1 牮辆模型 客车疑有二系悬挂弹簧，本文以籀速客车为例建立客车动力学模 型，着熏研究遒岔结构的动力特毪，考虑刚性车体、转向架、轮对。如图 2 1 a 、2 1 b 、2 1 c 示。车体及转向架主要考虑沉浮、点头、横移、侧滚、摇 头振动；轮对主要考虑沉浮、横移、侧滚、摇头振动，共3 1 个自由度。车 轮为锥形路箍，轮轨受向出菲线健赫兹接触力联结，轮孰横翔由踏嚣撬滑 力、轮缘力等作用力联结。 圈冬l b 客车一道岔空间耦合模型侧视篷 掣烛 “，v 烽j副l 鲰j 1 。1 j 、 、 一、 一 、 眠 。 7 7 掣。 萼存 v 。 匕 4 酶、r 。w 国。 圉2 一l c 客车一道岔空闻耦台模型俯褫蛰 北京交通人学硕士研究生学位论文 2 。l 。2 道岔模鍪 道岔结构合理分橱模型的建立比较复杂，本文先总结道岔结构的主要 特点，以便于对其谶行模型化。与区间轨道相比，道岔结构的主要特点有： 1 、区间轨道只有两根钢轨参与作用，道静隧却有多根钢轨参与轮轨间 力的传递，除直股或侧股的两根钢轨直接承受举轮荷载外，另两根钢轨及 护轨也通过轨枕的弯曲变形而承受着作用力。 2 、区闻轨道可视为等截西的长梁，两遵瓮嚣的部分钢轨是变截面的长 粱。 3 、一般情况下，鹾闻轨道的钢轨可视为支承在等弹性的支点上，焉道 岔区内的钢轨的支承弹性是不均匀变化的，两根尖轨及两根心轨只是根部 固定在岔枕上，其余部分与轨枕间是无扣件联结的，两者的传力是单向的。 在基本轨及护轨设有轨撑的地方，支点的横向弹性会有变化；在两钢轨间 距很小的地方，有时扣件是同时扣紧两股钢轨的，因而这两股钢轨的支承 弹性也会有所变化等等。 4 、与区阀轨道不弱，遂岔区走轨挽豹长度楚不等戆，因西岔抗驰参振 质量是不同的。 5 、由于岔槐长度不致，而且岔枕采用的楚满布支承方式，因而道廉 提供的竖向和横向支承弹性是随岔枕长度而变化的。 6 、道岔区内存在习；可避免的垂直不平顺，程车轮从道岔基本轨滚向尖 轨或从尖轨滚向基本轨的部位、在车轮从道岔翼轨滚向心轨或从心轨滚向 翼轨的部位，由于藏尖式尖孰尖端及心轨尖端巍降低值，因而存在竖向不 平顺。 7 、在遂岔平蘸上，由于尖轨、翼轨及护辘缓、席段的存在，水平藤上不 可避免又存在水平冲击角。 8 、导曲线的线型常为圆曲线型，两端未没缓和曲线段，列车侧向通过 道岔为动态曲线通过。 这些结构特点都会影响到轮轨系统的动力特性，在模型中不能忽视。 以下就道岔的结构特点建立道岔分析模型。 一、转辙器部分分析模型 1 4 第一二章道岔区轮轨系统空间耦台振动模型的建立 单开道岔通常哥分为转辙器、连接部分矛鞋辙叉三大部分，其各部分摸 型纯的处理鲤下。 转辙器部分分析模型如图2 2 ，模型中所采用的假定为： 1 、道岔区尖轨与基本轨密贴区内两股钢轨的变形量视为相同，因而将 它们视为一般钢轨，其抗弯截面模量为尖轨与基本轨抗弯截面模量之和， 该股钢轨视为弹性点支承基础上双向可弯的变截面欧拉梁：道岔区内其它 部分钢轨视为弹性点支承基础上双向可弯的等截面欧拉梁；轨枕在竖向上 视为连续弹性纂础上的有限长敢拉梁，横向上视为雕性质量块，忽略道床 振动质量对轮鞔动力特性的影响。 2 、钢轨与鞔槐阔扣件联结处简亿为等弹性等阻尼装置。岔槐与邋床的 联结也视为弹簧阻尼装置，其横向及竖向弹性阻尼随岔枕长度而变。甜枕 的横向参振动质黛也随其长度而变。假设铁垫板及滑床台与岔枕同时发生 弯曲变形，因而可将翁枕视为变截面的有限长梁，其抗弯刚度由岔枕、滑 床台、铁垫板的抗弯刚度共同决定。 鹭2 2 ( a ) 道岔转辙区分季嚣模型俯视图 目窜卜 一 1 _ _ _ 厂n f 盯 自要 出芊专车当丰 h r _ _ _f lf 1r l l ir l l i f【if 轨枕 t 吖w 竹l r _ 白亭 辛芋辛 图2 - 2 ( b ) 邀箭转辙区分析立面图圈厶2 ( c ) 道岔转辙区模型a _ a 侧面 北京交避大学硕士研究生学僚论文 尖轨 基本轨 图2 ，2 ( d ) 遴岔转辙区模型b b ( 安装顼铁链) 侧磊圈 3 、尖孰菲密黏区域肉与余槐闯无扭转联结，考虑岔枕对尖轨竖囱 线 性支承力，其大小由尖轨与翁枕问的竖向位移协调条件确定。考虑尖轨菲 密贴区域与基本轨间顶铁传递在横向力作用，其大小由两钢轨的横向位移 协调条件决定。 4 、列车侧向过岔时，不考虑直尖轨的参振。 二、道岔连接部分分析模擞 图2 1 3 ( a ) 道嚣连接部分分析模型俯橇圈 豳2 - 3 ( b ) 道岔连接部分模型撄j 恧强 侧股直股 图2 3 ( c ) 道岔连接部分模型a a ( 闻隔铁结拳每) 侧面国 道岔连接部分的分析模趔如图2 - 3 所示，模型中所祭用的基本假定为： 第二章道岔区轮轨系统空间耦合振动模型的建立 1 、考虑轨枕的偏心受载及弯曲变形。 2 、间隔铁在两钢轨所传递的非线性横向力和非线性竖向力作用，其大 小也由两钢轨的位移协调条件确定。 3 、钢轨、岔枕与道岔的基本假定与转辙器部分相同 三、可动心轨辙叉区分析模型 可动心轨辙叉区分析模型中图2 4 所示，所采用基本假定为： 1 、心轨与翼轨密贴区域、假定长心轨、短心轨与翼轨的弯形量相同， 三股钢轨视为一根钢轨，其抗弯模量为三股钢轨抗弯模量之和，该钢轨视 为弹性支承基础上双向可弯的变截面欧拉梁。其它部分钢轨、岔枕、道床 以及它们之间的联结采用与转辙器部分相同的假定。 2 、考虑岔枕的偏心受载及弯曲变形。 3 、考虑间隔铁力、顶铁力及岔枕对心轨的非线性支承力。 4 、考虑列车与尖轨间的横向冲击作用。 要霞鞴枣 翼轨长心轨短心轨翼轨 图2 4 ( b ) 道岔辙叉区模型a - a 侧面图图2 4 ( c ) 道岔辙叉区模型b b ( 安装项铁处) 侧面图 1 7 北京交通大学硕士研究生学位论文 翼轨长心轨短心轨翼轨 、一 、攒向力 r 博向力v 1 i f 1】k = = l 二鼍o j r i i lj l1 f 、，j 二二j 二；j 辛i 3 i 竖向力j 手 轨枕 申事由辜中辜串辜申事由事辜 一 翼轨心轨 图2 _ 4 ( d ) 道岔辙叉区模型d c 侧面图图2 - 4 ( e ) 道岔辙叉区模型d d 侧面图 第二节模型中部分参数的确定方法 模型接近道岔实际情况时，其计算结果就越真实。模型中计算参数的 选择也影响着仿真结果，其大小的选择很重要，下面就道信部分参数的选 取介绍一下。 2 2 1 道岔中钢轨的抗弯刚度 道岔中的钢轨有两种，一种是与区间轨道相同的等截面钢轨，另一种 是变截面的钢轨。这两类钢轨在密贴范围内时，其中一个构件受力，另一 个构件也同时受力，可以将两根钢轨视为一根钢轨，其当量惯性力矩【9 l 可表 示： ，= + j 2 ( 2 - 1 ) 一为直接受力构件的惯性力矩；，2 一为相关联的另一构件的惯性力 矩；一为关联系数，在o 1 范围内取值，一通常可由能量法求得。 梁的弯曲变形能【9 1 的表达式为： y ：f 掣。出 ( 2 - 2 ) j f ，) 7 梁的弯曲变形能与惯性力矩成正比。本文模型中假定密贴区域中两钢 轨的变形量相同从2 1 、2 2 两式中可得= 1 。 尖轨和心轨的抗弯刚度沿长度方向是变量，根据设计图上各特征断面 的尺寸，简化计算，可设道岔变截面钢轨的竖向和横向抗弯刚度【9 】与长度 成正比，即： i = a x ( 2 3 ) 第二章道岔区轮轨系统空间耥合振动模型的建立 爿一毙例系数，由尖轨或心孰铡切长度及整断霞骥控矩确定。圈榉也住 曼变截面钢轨豹藏盈分布也与其长度成正比。 2 2 2 枕下慧穑l ；弹性系数 道床沿稼枕单位长度方向所提供的竖向弹性分布k 。为： 墨s = c z ， ( 2 4 ) 厶一岔枕阀躐，竖向分布阻尼分布也取为与区闽轨道相同；c 一道床系 数。 岔貔的横囱弹幢x 2 s 主要是由栳爆部、岔杭侧薤及岔栳底蘑豹道床所提 供的，通常枕端部所提供的道床横向阻力小于3 0 ，而且这部分阻力不随岔 枕长度的增加，忽略这部分阻力，设道床所提供的横向弹性与岔枕长度成 正比，即： ， k 一驰2 ，o ( 2 - 5 ) f s 0 马，o 一普通孰栳一f 横向基础弹性；t 一岔抗长度；t 。一普遥岔桄长度， 遵床所提供的横舞眶尼也与岔枕长度成歪艮。 2 2 3 滑床板及铁垫板对岔枕抗弯刚度的影响 道岔结构中垫板的形式有很多种，如：平垫板、轨撑垫板、辙叉垫板， 护轨垫板等。部分铁垫板及滑床板的尺寸比区间轨道下垫板要大得多，特 别是有些铁垫板上还支承多股钢轨，它们的抗弯刚度对钢轨及岔枕所受作 用力有一定豹影蛹，不容忽视。将滂床板及大铁垫板税为岔枕的一部分， 与岔枕共同抵抗弯藏变形，岔枕的当羹参搓康量及当量抗弯踊废由熊鬃法 求得。 设滑床板和大铁垫板与其下的岔枕能移是致的，其当量抗弯刚度f 9 】 为： e 口i p = e s i s + e b i h t 2 石、 疋t 一岔枕的挽弯刚度；乓厶一滑床板或铁垫板的抗弯翘4 度。 园样，由梁的动能公式可知动能与瑷薰分布成正比。 1 9 北京交通大学硕士研究生学位论文 2 2 4 道岔结构中非线性力的简化 区间轨道上轮轨系统中的非线性力主要是赫兹接触力和轮缘力。在道 岔结构中，还有另外一撩非线性力，如：顶铁力、间