（载运工具运用工程专业论文）道岔不平顺对轮轨动态特性关系研究.pdf

摘要 摘要 本文总结了道岔的工作特点及其在铁路运输中的作用与地位，概述了国内 外道岔发展状况以及车辆一道俞系统动力学研究与发展过程。 采用了有限元和动力学软件联合仿真，建立了6 0 堙m1 2 号单开提速道俞辙 叉区的有限元计算模型和由车辆、道岔以及轮轨接触关系三部分组成的系统动 力学模型。道岔模型反应了心轨区结构不平顺与辙叉区轨道整体刚度分布的不 平顺特征，车辆模型则采用了一个转向架的半车模型。 运用模型研究分析了车辆在不同速度通过道俞时，车辆与轨道的垂向动力 特性，轨道的变形。并对模拟得到的系统响应表现出来的振动特征给予了较为 详细的分析与说明。 通过模拟仿真，研究分析了道龠结构不平顺和刚度不平顺对轮轨动力系统 的影响。计算了道岔沿线钢轨整体静刚度和动刚度。 结果表明，在车辆经过辙叉区时轮轨系统将发生大的冲击振动，车辆各部 件和轨道的垂向振动都会因为道俞的不平顺呈现一定的规律。 本文初步建立的道俞一车辆动力学模型，分析了道俞不平顺对轮轨的振动 特性影响，为以后模型的复杂化和轮轨动力学分析奠定了基础。 关键词：道俞，不平顺，联合仿真，动力响应、车辆一道俞耦合动力学 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft u r n o u ta n di t si m p o r t a n c ei nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o na r ei n t r o d u c e d t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so ft h ev e h i c l e - t u r n o u ts y s t e m d y n a m i c sa th o m ea n da b r o a di ss u m m a r i z e d w i t ha s s o c i a t e ds i m u l a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n dd y n a m i c ss o t h c a r ea p p l i e d ， t h ec h i n e s en o 12r a i s i n g s p e e dt u r n o u tf i n i t ee l e m e n tm o d e la n dv e h i c l e t u r n o u t d y n a m i c ss y s t e mc o n s i s t i n go fv e h i c l es u b s y s t e m ，t u r n o u ts u b s y s t e m a n dt h e w h e e l r a i lc o n t a c tr e l a t i o n s h i ps u b s y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h et u r n o u tm o d e l i n g f e a t u r e sf r o gr a i ls t r u c t u r ea n ds t i f f n e s si r r e g u l a r i t i e s ，t h ev e h i c l em o d e l i n gi sah a l f v e h i c l ew i mo n e b o g i e t h ev e r t i c a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ea n dr a i l ，r a i ld i s t o r t i o nh a v eb e e n o b t a i n e da n da n a l y z e du n d e rd i f f e r e n ts p e e d b ys i m u l a t i n ga n dc o m p a r i n g ，t h e i n f l u e n c eo nw h e e l r a i ls y s t e md u et ot u r n o u ts t r u c t u r ea n ds t i f f n e s si r r e g u l a r i t i e sh a s b e e ns t u d i e d s t a t i cs t i f f n e s sa n dd y n a m i cs t i f f n e s sa r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o w sw h e e l r a i ls y s t e mv i b r a t e da b r u p t l yw h e nv e h i c l ep a s st h r o u g h t u r n o u tm o v a b l ef r o gr a i l t h ev e r t i c a lv i b r a t i o na n dd i s t o r t i o no fv e h i c l ea n dt r a c k s h o ws o m er e g u l a r i t yb e c a u s eo ft u r n o u ts t r u c t u r ea n ds t i f f n e s si r r e g u l a r i t i e s t h ev e h i c l e - t u r n o u ts y s t e md y n a m i c sm o d e l i n gw h i c hi se s t a b l i s h e dt oa n a l y z e w h e e l r a i ld y n a m i cr e s p o n s ei nt h i st h e s i sl a y st h ef o u n d a t i o no nm o r ec o m p l i c a t e d v e h i c l e t u m o u ts y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：t u r n o u t ，i r r e g u l a r i t y ，a s s o c i a t e ds i m u l a t i o n ，d y n a m i c sr e s p o n s e ， v e h i c l e - t u r n o u td y n a m i c ss y s t e m u 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：1 勉耋热 删c 年3 z o 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：包堑燕， 2 q d c l 年3 月么o e t 第l 章引言 1 1 概述 第1 章引言 铁道车辆的动态性能强烈地依赖于所运行的线路条件，而在道岔上运行则 被视为最恶劣的线路工况。随着客车高速化，为确保列车通过道岔时车辆结构 具有承受来自轮轨间冲击载荷的能力，必须研究分析车辆结构和道龠间的动态 作用关系。当车辆通过道俞时，车轮从一条轨经过道衍转到另一轨上，由于道 岔结构中存在一定的间隙，使得车轮在通过道岔间隙过程中，导致车轮和道俞 间产生大的冲击载荷，并传递到车辆构架和车体上，虽经一系悬挂和二系悬挂 的衰减，但构架和车体仍承受了较大的动态载荷作用，同时也会导致该道岔区 域的线路产生较大的冲击。 与一般的直线和曲线线路上的钢轨相比，道岔的结构特点在于其钢轨的横 断面沿长度方向是变化的，且左、右轨的横断面也存在着明显的差异；纵剖面 几何不平顺、轨下基础非均匀弹性不平顺。因此，轮轨问的相互接触和作用也 与一般的线路有较大的差异，如会产生轮轨间的多点接触及短暂的轮( 即轮对内 侧面) 与护轨的额外接触等现象，使得轮轨间的动态相互作用力的变化比一般线 路更为恶劣，从而造成作用于构架的动念载荷及构架的动应力比在一般线路上 更大。然而现在关于这方面的研究较少，虽然国内有些专家和学者通过建立了 道岔一车辆模型对车辆和道贫进行了相应的研究，但是大多着重研究了轨道或 者是车辆的作用，对道岔的动态刚度不平顺考虑较少，随着铁路的不断提速和 我国高速铁路的发展，建立道岔和车辆的整体模型，对于研究道分不平顺对于 车辆的动态响应，具有深远意义。 1 2 国内外高速道岔简介 1 2 1国内高速道岔发展 建国以来我国铁路道岔整体技术的发展经历了近半个世纪的历程。从年代 第1 章引言 上，大体可划分成三个阶段1 1 第一阶段：5 0 年代9 0 年代初 第二阶段：1 9 9 6 年_ 2 0 0 3 年 第三阶段：2 0 0 3 年以后 基础建设阶段 道岔提速阶段 进入高速道岔研制阶段 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 发年代道俞平面道岔结构道容许通过设道电务转 展( 型线型岔速度计俞换与锁 阶号)号 直向侧 方监闭 段数 向 法控 l5 0 - 6 0 单圆曲线切底式、爬坡式 98 03 5 静无一机多 ( 5 5 、 直线尖轨尖轨态点内锁 5 7 型)直线辙叉组合固定辙叉1 28 04 5闭 钩头道钉式 木岔枕 7 0 单圆曲线 爬坡式尖轨 9l o o 3 5静无一机多 ( 7 5 型) 直线尖轨锰钢固定辙叉态点内锁 直线辙叉刚性扣件 1 21 0 04 5 闭 木俞枕 8 0 单圆曲线a t 尖轨 91 1 0 3 5静无一机多 ( 9 2 型)直线、曲 锰钢固定辙叉、态点内锁 线尖轨单肢可动心轨 1 21 l o5 0 闭 直线辙叉辙叉 刚性扣件 1 8l l o8 0 混凝土俞枕 29 6 单网曲线a t 尖轨 91 2 03 5 静无多机多 ( 提速曲线尖轨 锰钢固定辙叉、 态点外锁 道龠) 直线辙叉单肢可动心轨1 21 2 0 5 0 + 闭 辙又2 0 0部 弹性扣件 182 0 0 8 0分 混凝土俞枕动 3 02 0 01 2 0 态 2 0 0 2 年圆曲线+a t 尖轨1 82 5 08 0静部多机多 ( 秦沈缓和曲线单脚可动心轨态分 占 客运曲线尖轨辙叉 + 测外锁闭 专线道曲线辙叉弹性扣件 3 8 2 5 01 4 0部 占 俞)混凝土岔枕分( 试 第1 章引言 动验) 态 32 0 0 3 圆曲线+ a t 尖轨 1 83 5 08 0 全多多机多 ( 高速 缓和曲线单肢、双肢部测点或一 道佾方曲线尖轨可动心轨辙叉 4 33 5 01 6 0 动 占 机多点 案阶曲线辙又弹性扣件态 状外锁闭 段) 混凝土岔枕5 83 5 0 2 2 0 态 联 网 监 控 一、道信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 道俞产业发展的技术基础。但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，道翕直向容许通过速度未能突破1 2 0 k m h ，道分主要部件 的使用寿命也偏低。从5 0 年代开始，经过几十年的努力，n 8 0 年代末期，我国 铁路道俞标准将道岔号数简约为9 号、1 2 号、1 8 号三个型号，钢轨种类限定为4 3 ， 5 0 6 0 和7 5 k g m 四种，由此大大简化了道岔品种，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 型几代道佾标准。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，主要是随着道岔结构和制造工艺的技术进步而不断翻新标准。 二、道岔提速阶段 9 6 年铁道部实施主要干线提速战略，由此我国道俞整体技术的发展进入了 提速阶段。提速道俞和秦沈客运专线道俞是该阶段有代表性的道俞产品。在此 阶段，道俞整体技术发展的重要标准就是道岔容许通过速度快速提升。从5 0 年 代至l j 9 0 年代初，我国道岔直向容许通过速度增长缓慢，只有8 0 k m h 提高到1 1 0 k m h 。4 0 多年仅提高3 0k m h ，通过速度平均增长率为0 7 5 k r n 年。 从9 6 年铁道部实施大提速战略开始到秦沈客运专线投入运营，仅8 年时间， 道俞直向容许通过速度就由1 1 0k m h 提高至1 1 2 5 0k m h ，通过速度平均增长率为 1 7 。5 k m 年。与此同时，道岔侧向容许通过速度也由1 8 号道贫的8 0 k m h ，提高到 3 8 号道贫的1 4 0k m h 。 三、高速道龠发展的新阶段 第1 章引言 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n l o 力k m ，建设客运专线1 2 万k m 以上。由此我 国铁路道岔整体技术也由准高速阶段进入了向高速发展的新阶段。与国外相比， 我国高速道岔研制周期过短，道岔整体技术与世界一流水平还存在较大差距。 主要是是我国高速道岔的理论体系和相应的结构体系尚未建立。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道俞的研制过程中，也开展了部 分理论研究，但离完整的理论体系的建立还有一定的距离，目前己有的研究成 果不能完整地指导高速道俞的设计。 ( 2 ) 在高速道岔结构设计方面还存在空白，如双肢弹性可弯心轨、锰钢整铸 翼轨及弹性基板等。 ( 3 ) 道岔轨下基础还没有建立起完整的与高速道俞相适应的结构设计体系。 对于道俞区内的整体道床更是缺乏任何有效实践。 ( 4 ) 道岔电务转换锁闭机构，国内研制的钩型外锁己能对尖轨和心轨形成足 够横向约束，但对尖轨和心轨纵向伸缩的适应性还有差距，往往造成卡阻现象， 在一定程度上减弱了对跨区间无缝道岔的适应性。这也是长期以来制约工、电 同步发展的难题之一。 ( 5 ) 道龠工、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 ) 与道龠相关的制造业，各专业的技术水平参差不齐。以上因素决定了， 我国高速道俞应该走引进、消化吸收再国产化的技术路线。我国铁路客运专线 市场潜力巨大，现阶段在“技术引进”的同时可少量进口国外高速道岔，但最 终必须实现国产化。 1 2 2 国外高速道岔发展 道佾高速化是目前世界各国道岔发展的共同趋势。些铁路运输比较发达 的国家比如法、同、德、英、美、俄等国在高速道岔这个课题上，己有了较为 完整的设计方案；它们的经验和一些设计规则值得认真总结、学习与吸收，这 一点在铁道部制定的设计原则中己有明确规定。 同本最早开始于1 9 6 4 年前后研制高速1 8 号道龠，1 9 9 0 年研带t j 3 8 号道俞( 历 4 第l 章引言 时6 年) ，其直向试验速度和侧向试验速度分别为2 4 0 k m h 和18 0 k m h ，目前两种 道岔均进行了较大的技术改进。 法国于1 9 7 5 年开始高速道岔的设计和制造，1 9 8 1 年设计和制造了第一代木 岔枕高速道俞的线型( 4 6 号和6 5 号，圆曲线加单肢三次抛物线) ，实现直向2 7 0 k m h 的旅行速度。第二代道岔的改进主要是采用混凝土岔枕，1 9 9 0 年创造了5 0 1 k m h 直向过岔的世界纪录。目前法铁在巴黎至马赛的线路上普遍应用的是第三 代道分，直向行车速度达多j 3 0 0 k m h 。第四代道俞主要是在第三代的基础上采用 了n i c r 减磨镀层和可调滚轮，并计划推广应用至速度3 3 0 k m h 以上的新线上。到 目前为止，在世界各国应用的科吉富公司( e o g i f e r ) 的高速道俞大约有1 0 0 0 组。 法国高速道翁经过了上万次的试验，虽然最高试验速度达到5 0 1 b 讹，但综 合各方面因素确定了目前的经济运营速度为3 0 0 k m h 。当然，随着线路和车辆条 件的改善，也计划将第四代道岔的直向速度提高至3 3 0 k m h 以上。 德国b w g 公司是专业生产道俞的公司，其产品除本国使用外，还大量出口 至西班牙、荷兰、中国台湾等国家和地区。该公司每年可以生产2 5 0 0 组道岔， 并拥有1 0 0 多项专利。 德国道贫8 0 年代中期研制的高速道俞采用复合圆曲线组合线型，有碴道床。 随着使用经验的积累，以及研究、试验和道俞动力仿真分析的深入发展，从最 初发现锁闭装置有问题后发展了滚轮的减磨措施，同时固定心轨跟端，零部件 也不断更新。由于发现采用大半径+ 小半径的复合圆曲线方案尖轨磨耗严重， 从1 9 9 6 年开始，逐步采用了缓圆缓的线型方案。初期未采用高弹性挚板的有碴 道床的道岔道碴粉化，经常进行捣固，在5 年内更换了道碴，鉴于此研究开发了 技术含量非常高的高弹性橡胶挚板系统。高弹挚板适应于有碴道床或无碴道床， 但从整个系统考虑，德方推荐采用整体道床，以满足3 0 年不会有大的维修改造 量。德铁采用的整体道床道俞，运营1 5 年除打磨维修外，几乎没有其它的养护 维修作业。因此b w g 公司道龠的发展方向就是不断完善整体道床道分的技术， 这一技术在世界上也是最先进的，为西班牙设计的高速道佾据介绍能满足 3 5 0 k m h 的行车条件。目前b w g 公司有8 5 0 余组高速道龠应用或即将应用在各国 ( 地区) 高速铁路。 第1 章引言 1 2 3 国外高速遒岔高速道岔设计理念 一、 国外高速道岔结构特征 ( 1 ) 转辙器部分 法国和德国高速道龠的尖轨均采用整根a t 轨加工制造，日本3 8 号道俞的尖 轨采用中间焊接的方法。各国道岔尖轨尖端均采用藏尖结构，藏尖深度均为 3 m m 。 德国在尖轨尖端附近采用了轨距加宽1 5 m m 的处理技术，目的是改善尖轨范 围内的动力不平顺，减少蛇行摆动，加厚尖轨从而延长使用寿命。法国采用动 力学理论优化轨底坡设计以减缓轮对蛇行运动，建议高速道岔中采用1 ：2 0 轨底 坡。 德国和法国在尖轨跟端都采用了窄小的弹性扣件。德国在尖轨跟端设置多 个限位器，以减缓尖轨跟端位移。法国不设，认为尖轨伸缩时，在限位器处产 生扭矩，易造成尖轨变形。中国、日本、德国成型段均为6 0 0 m m ( 1 5 0 + 4 5 0 ) ， 法国不低于5 4 0 m m ，各国均对成型段进行各种方式的探伤。 法国规定高速道龠不足位移应小于l m m ，极高速道俞( v ，2 5 0 k m h ) 的不 足位移应小于0 5 m m 。为了消除尖轨的不足位移，两国做了大量的工作，首先从 理论上采用有限单元法模拟尖轨转换后的线型，若存在不足位移，则采取以下 措施，予以消除：采用减摩装置，降低转换阻力；增加牵引点数，缩短最后一 牵引点与尖轨跟端的距离，牵引点可设置在竖切点后部一定距离：法国和同本 靠两尖轨问的连杆保持线型，德国靠多机多点间的动程控制线型。 随着道岔号码增大，尖轨长度增大，相应的转换阻力也提高了，因此各国 都开发了尖轨或心轨减摩的措施，采用滑床板滚轮方式最为合理，不仅减少了 转换阻力，还降低了尖轨在滑床板上的振动。 ( 2 ) 辙叉部分 法国大号码道岔可动心轨采用双肢弹性可弯、高锰钢铸造翼轨结构，长短 心轨为嵌入拼接式，短心轨始端在长心轨约5 0 m m 断面处，可减短整个心轨的长 度。法国长心轨尖端。两心轨间拼接段用哈克螺栓紧固，跟端为长间隔铁( 2 0 0 0 m m ) ；心轨与翼轨每n 3 块间隔铁，防松螺栓联结，不用胶结。心轨可动段 1 1 米左右，最后一个牵引点距固定点仅3 米多。 德国辙叉结构用u i c 6 0 普通轨制作翼轨，第一牵引点翼轨轨底不切削。辙叉 6 第l 章引言 的心轨尖端为整体结构，心轨拼接分开点为2 5 0 - - 2 7 0 m m 断面。辙叉跟端下部为 很长的大垫板，心轨心轨、翼轨心轨间长大间隔铁通过螺栓与大垫板联接，同 时还有横向螺栓联接。 日本的翼轨与法国类似，采用高锰钢整铸框架式翼轨，心轨也是长短心轨 一体高锰钢铸造，稳定性较好，属单弹性肢，短心轨后部是滑动接头。 总之，德法都解决了转换时心轨的不足位移问题，都能有效固定心轨跟端， 保证心轨伸缩不大于1 0 m m 。 二、国外高速道岔扣件系统 同本道岔主要采用刚性扣板，通过高弹弹簧垫圈实现有限弹性扣压。 法国道俞扣件种类较多，以n a b l a 、v o s s l o h 、p a n d r o l 扣件为主，扣件系统较 为简单，前两种扣紧方式挚板宽度较小。 德国道龠的弹性扣压件主要采用v o s s l o h 弹条扣件，扣压力也为1 0 - 1 2 k n ，扣 件与钢轨间也不调距，以保证钢轨方向稳定。调距主要通过铁垫板钉孔内的偏 心块实现。 法国道俞区钢轨为双层挚板，板下为6 m m 厚n i t r i l 挚层，基本轨轨下为4 5 m m 橡胶挚层，转辙器滑床台采用弹性扣压件扣压基本轨一侧，分枕以整体式为主。 道俞区在转辙器部分及辙叉部分所采用轨下橡胶挚层的静态刚度为 2 0 0 , - - , 2 5 0 k n m m 。俞区及与区间线路轨道刚度的过渡在5 m 内完成。 德国道俞扣件系统的刚度规定，当速度v 小于1 6 0 k m h 时，道贫区仅轨下胶 垫提供弹性，不采用弹性基板( 硫化橡胶垫层) ；当速度1 6 0 、 v 2 2 0 k m h 时， 刚度为3 0 k n m m ；当v 2 2 0 k m h 时，无论有碴道床还是整体道床，刚度均为 1 7 5 k n m m ，均采用弹性基板提供弹性。弹性基板的轨下挚板6 m m ，铁挚板下通 过整体硫化技术将橡胶件和钢板组合。 三、 国外高速道俞区轨下基础 德法两国的道俞基础可分为两大类：有碴道床混凝土俞枕基础和整体道床 基础。法国以有碴道床混凝土甜枕基础为主，德国有碴道床混凝土龠枕基础和 整体道床基础共同发展。 法国高速铁路上全部采用了混凝土龠枕，混凝土龠枕应有足够的刚度、强 度和良好的稳定性，大多为整体式。法国特制混凝土岔枕以放置道俞转辙机及 其杆件，有些杆件是放在两根混凝土岔枕之间的，当大机捣固时，将影响捣固 的杆件拆卸，待捣固完毕后再装上。 7 第1 章引言 德国在列车运营速度大于2 2 0 k m h 的线路上，重点发展整体道床基础，其中 采有用r h e d a 2 0 0 0 整体道床的道岔轨下基础是主要的发展方向，钢筋混凝土板联 结于桩基上，然后以r e h d a 轨道形式联结于混凝土板上。为便于运输，混凝土岔 枕在3 2 m 长度以上采用铰接式结构。德国也有较多高速道岔铺设于有碴轨道上， 便于运输及减少长岔枕对有碴道床的拍打作用，大多采用铰接式龠枕。德国主 要是采用钢贫枕来放置转辙机，为增加钢岔枕的稳定性，在钢俞枕下面贴了橡 胶垫，并且通过合理设置挚板下胶垫刚度，降低钢岔枕的振动，保持了道床的 稳定。同时不影响大型捣固机的作业。 四、国外高速道俞电务转换设备系统和道俞监控系统 电务转换设备系统和道俞监测系是道俞的重要组成部分，德法两国拥有适 合各自道俞系统，且成熟可靠的转换和监测设备。 德国采用多机多点牵引，尖轨分动，由控制电路实现同步，转辙连杆置于 钢俞枕中，安装调整容易，维修工作量少，采用多点锁闭安全性高，采用s 7 0 0 k 型转辙机，转换力小于6 0 0 0 n ，锁闭力大于9 0 k n 。采用h r s 钩型外锁，适应尖轨 伸缩量为3 0 r a m ，适应心轨伸缩量为1 0 m m 。 法国采用一机多点牵引，尖轨联动，在第一牵引点部位设置外锁闭以增加 锁闭的可靠性，其它牵引点无外锁闭装置。机械同步易实现，且行程可调，设 备少，费用低，因转辙机数量少，故障点少，该牵引方式已使用多年，也是安 全可靠的，维修工作量仅是销轴润滑，法国采用m c e m 9 1 型转辙机，转换力 7 0 0 0 n ，锁闭保持力为5 2 0 0 n 。在尖轨处采用v c c 拐肘型外锁，适应尖轨伸缩量 为5 5 m m ，安置在轨枕上，不影响捣固作业；在心轨处采用v p m 拐肘型外锁， 均能自动适应尖轨心轨伸缩，不会发生卡阻。 德国监测系统采用r o d a m a s t e r 2 0 0 0 道俞监测系统，该系统安装与道龠没有机 械连接装置，不会影响道岔j 下常使用，道龠的监测数据通过网络传送到维护中 心。法国使用s u r v a i g 道龠监测系统，该系统监测道翁的各种数据及道俞的环 境数据，为道佾维修提供依据。 总的来看，德、法两国道岔中的许多先进技术，需在今后技术引进和消化 吸收基础上，不断深化研究，才能逐步转化为我国技术人员所能掌握的实用技 术，经再创新后才能研发出新一代具有中国品牌的高速道俞。 第l 章引言 1 3 国内外道岔动力学研究现状 国内外对于道岔计算所采用的模型【2 l ，其中主要有辙叉薄壁模型、集总参数 模型、连续弹性基础梁模型、有限元连续梁模型等。过去对于道岔的分析主要 停留在静力设计阶段，无法满足道龠结构的等强度、等寿命的设计要求。其实， 车辆系统和道岔系统并非孤立系统，两者是相互摇合、相互影响的1 3 j 。例如，在 转辙器区和护轨处车轮和钢轨之间进行横向冲击，固定辙叉存在“有害空间”， 将直接影响车辆的行车安全。这些冲击作用是采用静力分析无法得到的。要想 真实的反映车辆道俞动力学特性，必须采用车辆一道分耦合系统动力学进行分 析，得到较为准确的冲击力和系统动力学响应。国内外有很多文献对道俞动力 学进行了研究，下面逐一进行介绍。 1 3 1区间轨道动力学发展 对于区间轨道动力学，国内外学者开展了大量的研究工作，首先是1 8 6 7 年 w i n k l e r 提出的弹性地基梁理论成为建立轨道力学分析模型的基础，此后2 0 世纪 5 0 年代n 6 0 年代，美国、法国、德国、同本等国家对列车在轨道上运行时的临 界速度以及由于车轮扁疤和钢轨接头引起的轮轨动力作用问题进行研究1 4 】。2 0 世纪7 0 年代初，英匡i d e r b y 铁路技术研究中心对钢轨接头处的轮轨动作用力问题 进行了更深入的理论与试验研究，定义了轮轨动力冲击过程中的高频作用力p l 和中低频响应力p 2 ，同时由d l y o n 和h h j e n k i n s 等建立了轮轨动力分析的基本 模型伶】。1 9 8 2 年，r a c l a r k 等采用弹性点支撑梁模型模拟轨道，并分析了车辆在 波磨轨上运行时的动力作用问题，由于考虑了轨枕的影响，使模型更接近实际 轨道。r 本和美国的学者等采用了“半车轨道”集总参数模型来定性研究轮轨 动力效应1 6 7 j 。为了模拟新干线的板式轨道，r 本学者佐藤裕和佐藤吉彦随后又 提出t x 叹层连续弹性基础上无限长梁的轨道模型瞄j 。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术的快速发展，使得系统全面地研究机 车车辆与轨道之间的相互作用问题成为可能。李成辉教授建立了车辆轨道竖向 耦合振动频郁分析模型，提出了道床参振质量的计算方法，对车辆和轨道的频 域振动特性进行分析，并研究了轮轨不平顺激励下的轨道振动特性传递函数和 轨道临界速度p j 。翟婉明教授提出并开展了“车辆轨道垂向耦合动力学”的研 究，建立了整车轨道相互作用的详细模型并将其应用于高速重载铁路的轮轨作 9 第1 章引言 用分析，相继发表了系列学术论文。1 9 9 5 年，b r i p k e 和k k n o t h e 从车辆和轨道 整体系统的角度，采用车辆轨道相互作用模型，研究了车辆轨道高频相互作用 问题【l0 1 。1 9 9 7 年，j o s c a r s s o n 和t d a h l b e r g 等将钢轨视为t i m o s h e n k o 梁，建立了 车辆轨道道床动态相互作用模型，并首次进行了根据实测的频响函数确定轨道 模型参数的研究【l 。2 0 0 1 年，o s c a r s s o n 在车辆轨道模型中将钢轨挚层刚度、道 床刚度、道床及路基的参振质量、轨枕间距等处理为随机变量，引入了轨道结 构参数的随机特性i l 引。 自1 9 9 5 年起，国内众多铁路科研单位也陆续开展了车辆一轨道耦合动力学 领域的理论与应用研究，李德建采用车辆一轨道耦合动力学方法，建立了车辆 一直线轨道空间耦合振动分析模型，其特点在于将轨道离散成3 0 自由度的空间 轨道单元段【l 引。金玉云采用有限元方法建立了机车车辆一轨道耦合动力学模型， 分析了轮对和轨道各部件在列车通过时的应力和变形1 4 】。刘学毅教授应用车辆 轨道耦合模型研究了钢轨波形磨耗的动力学作用问题【l 引。陈果、王开云等应用 车辆一轨道耦合动力学模型对轮轨的随机振动及蛇行运动稳定性进行了研究 【1 6 l 。王其昌、罗强、雷晓燕、蔡成标、王于等也应用车辆一轨道耦合动力学模 型，研究了高速、快速或提速铁路中路桥过渡段的动力学问题、为路桥过渡段 的路基加固、变形控制及合理长度的确定等提供了合理依据【1 7 】。综合来看，在 机车车辆与轨道动态相互作用研究中，车辆的模型经历了集中模型、单轮对或 多轮对模型、转向架模型、半车模型以及整车模型的演变过程，轨道模型也经 历了集总参数模型、不考虑轨下基础结构振动的单层连续弹性支撑模型、考虑 轨下基础振动的多层连续弹性支撑梁模型、全面考虑钢轨、轨枕、道床、路基 的离散弹性点支承梁模型或有限元模型的演变过程。 1 3 2国外道岔动力学发展现状 奥地利的r s c h r n i d 在文献 1 8 】中仿真了二轴车辆转向架通过道衍的动力学 性能，在仿真的过程中，考虑了钢轨截面的形状，用数学公式描述了尖轨和基 本轨各个截面，构建出道岔，从而仿真出所需要的结果。德国g u n t e rs c h u p p 等 在文献 1 9 q 阡u m s i m p a c k 软件模拟了s 1 0 0 2 踏面形状，在u i c 6 0 轨道上，侧向通 过e w 6 0 3 0 0 1 ：9 固定辙叉式单开道佾的动力学响应。在s i m p a c k 中，侧逆向过 岔时，用户首先建立一些可用的数据文件来描述不同线路长度下的横截面形伏 l o 第1 章引言 和它们的4 个轨道文件，4 个轨道文件分别构造2 个基本轨，护轨和翼轨。通过这 4 个轨道文件构造出整个道岔，从而进行仿真分析，文章重点研究了轮轨接触点 的问题。 y a s u os a t o 对车辆直向通过道岔时，车轮对护轨横向冲击进行了试验研究和 仿真分析【2 0 1 。文章首先给出试验结果，在试验结果的基础上确定车轮和护轨之 问的等效刚度，仿真出车轮对护轨的横向冲击力大小，并且分析了车轮横移量、 车辆速度以及轮缘槽间隙量及护轨横向刚度对横向力的影响。g u r u l e s t a n 等在多 体仿真程序n u c a r s 软件的w h e e l r a i l 模块中仿真了道岔和轮缘背部的接触及 道岔这样特殊的道路工程【2 l 】。讨论了方法的局限性，并给出软件为提高仿真特 殊道路工程j 下在进行的改进措施，华沙科技大学d r o z d z i e l 7 等在文献【2 2 】中分析 了道龠几何参数及选取参数的偏差对系统动力学的影响。文章首先给出了道龠 的一些缺陷，主要包括正常形状和标准值之间的几何偏差，这些偏差通过标准 道岔形状和车辆轮对描述出来。为了评估这些缺陷对于车辆和轨道之间的动力 作用的影响，建立了精确的数学模型，采用仿真软件和m a t l a b s m u l i n k 环 境相结合，利用轮轨力给出了缺陷的动力学响应。分析结果表明：道龠的一些特 殊的几何参数和这些参数中的一些偏差对于轮轨之间的动力学响应有很大影 响。此外，美国a a r 利用n u c a r s 软件对车辆通过a r e a 2 0 号道龠和性能更优的 2 0 号切线型道佾的轮轨系统横向动力特性进行了研究【z 引。德国b w g 在高速铁路 道岔设计中采用动力学仿真软件对转辙器进行了动力学优化设计，法国在t g v 高速铁路道佾尖轨设计中对尖轨与车轮的接触关系进行了研究。 1 3 3 国内道岔动力学发展现状 国内对于道佾进行的研究也非常多，主要是通过自编软件和仿真工具进行， 主要的研究成果如下： 王平等利用自编软件对列车一可动心轨式道龠空问耦合系统动力学进行分 析，其模型为：仿真过程中不考虑护轨的影响车辆采用半车模型，车轮采用锥 形踏面，文献 2 4 2 6 q h 的模型将尖轨与基本轨共同承受列车荷载处，假定两者 钢轨位移相同，将该处两钢轨视为一股，其抗弯刚度为尖轨与基本轨抗弯刚度 之和。同样，将长心轨、短心轨与翼轨密贴区域三股钢轨视为一股，其抗弯刚 度为翼轨和长心轨、短心轨三者之和，该钢轨视为弹性点支承基础上的变截面 第1 章引言 欧拉梁。道岔区内其它部分钢轨视为弹性点支承基础上的等截面欧拉梁，研究 了车辆直向和侧向通过道岔的动力学特性。文献 2 7 ，2 8 1 e ? 的模型将共同承载的两 股钢轨分开，考虑轮载在尖轨与基本轨、翼轨与可动心轨密贴区域内的过渡分 布，两钢轨上所承受的轮载之和为总轮载，两轮轨接触点处的竖向位移差可由 轮轨之间的几何关系确定应用此模型研究了车辆在道俞中的蛇行运动、运行稳 定性及运行安全性。西南交通大学列车与线路研究所任尊松等采用自编软件 t t i s i m 对车辆通过我国主型道俞6 0 k g f m 钢轨1 2 号单开道岔时的动力作用进行研 究 2 9 , 3 0 1 根据车辆一轨道耦合动力学理论，以一般线路轮对与钢轨接触关系为基 础，考虑转辙区尖轨与基本轨之间以及翼轨与心轨之间的空间结构和平面布置， 模拟计算了转辙区和辙叉区轮对与相应轨线的接触情况，采用这种方法得到了 较为准确的尖轨横向轮轨冲击力以及系统其它响应，并且分析了轨道缺陷对于 系统动力学性能的影响。轮轨接触几何关系的在线计算，可以非常容易地获得 动态的轮轨间隙量，并利用它得到了护轨的横向冲击情况p l 豫】但是这些都是基 于轮轨一点接触的前提下得到的，事实上在转辙区和心轨位置，轮与轨之问完 全可以发生两点接触情况。采用梁模型来处理道岔系统各股轨线的最大优点是 整个系统计算速度快，并可以直接输出梁上任何一点的振动响应。但是梁模型 也有自身难以克服的缺点一处理变截面梁变得非常困难，因此对其实施等截面 处理，但考虑了在密贴处的轮轨为的分配问题，同一位轮对下，转辙区尖轨与 基本轨共同受载以及辙叉区心轨与翼轨共同受载时，通过一个轮载分配系数来 实现。更真实、更合理地处理固定辙叉又是一个比较困难和棘手的问题，在模 拟计算车辆通过固定式辙叉系统的振动情况时仍采用可动心轨式辙叉模型，但 对翼轨与长、短心轨组成的辙叉区域的横向与垂向约束刚度有所加强，这样处 理后使其尽可能地接近固定式辙叉的约束与抗弯情况，但是其参振质量与实际 情况有一定的差异。文献【3 3 】对秦沈客运专线大号码道岔线型进行分析，文献首 先介绍了国外铁路大号码道俞线型的发展状况及我国秦沈客运专线大号码道俞 线型的设计参数，利用a d a m s 软件对传统单圆曲线线型和秦沈客运专线3 8 号道 贫线型的动力学性能进行仿真比较，得出的结论是：秦沈客运专线3 8 号道岔具有 较高的乘坐舒适性，且与传统的单圆曲线线型相比，在安全性和舒适性方面具 有整体优势，可以作为我国今后大号码道俞的主要线型。文献 3 4 ，3 5 分析了尖轨 轨下采用弹性滑床板对轮轨动力学性能的影响。结果表明：提速道岔尖轨轨下增 加弹性以后可大大减轻基本轨至尖轨区过渡段轮一俞垂向相互作用力，有效改 1 2 第l 章引言 善道俞的动力学性能，延长滑床板及道岔的使用寿命。文献 3 6 】利用车辆通过道 岔时轮对与辙叉相互作用机理，建立简化计算模型，应用轮轨冲击力方法，分 析了时速1 4 0 k m h 车辆对道佾的冲击影响，并提出在1 4 0 k m h 的速度下，辙叉允 许垂直磨耗应限制在4 m m 以内。文献 3 7 ，3 8 对我国1 2 号单开道岔的动力学已经进 行了非常详尽的分析，随着铁路提速的需要和新客运专线的建立，很多更大号 码的道俞j 下在被越来越多的使用。现阶段，国内外对于车辆一道岔动力学仿真 分析所采用的车辆模型都是基于半车模型或者单车模型而得到的。而动车组的 动力学计算及其通过道岔的动力学仿真分析在国内外研究较少。随着铁路的大 提速，动车组的动力学仿真分析变得同益重要。高速道贫的轨道刚度影响着其 在列车动载作用下的动力学性能，对高速道岔轨道刚度进行研究，道岔动力学 分析是主要手段。道岔动力学是区间轨道动力学的基础上发展而来的。 1 4 国内外轨道刚度研究现状 1 4 1 轨道刚度计算和试验研究现状 刚度分为轨道整体刚度和轨道部件刚度，轨道整体刚度为轨面刚度，即轨 头上某点发生单位位移时，该点所承受的车轮集中作用力，整体刚度由钢轨及 轨下基础刚度组成：轨道部件刚度则是轨道组成部件的弹性反映，主要有钢轨 抗弯刚度、轨下胶挚刚度、道床刚度、路基刚度。 轨道结构刚度值的理论计算是研究轨道刚度问题的基础，国内外轨道刚度 计算和试验方法方面做了大量工作。1 8 6 7 年w i n k l e r 提出了弹性地基梁理论，并 建立了连续弹性支承梁铁路轨道模型，成为轨道力学分析模型的基础，该模型 中就涉及了轨道整体刚度【5 2 1 。欧洲的高速铁路采用允许变形的方法来确定轨道 整体刚度【5 3 j ，即假设车辆轴z 重2 0 0 k n 情况下，轨道允许变形不超过1 2m m 。 同本等铁路发达国家提出了高速铁路轨道整体刚度值应控制在5 0 1 0 0 k n m m 。 我国在轨道刚度计算方面也做了很多工作，其中基于弹性地基梁的方法己 列入行业标m j 。 关于部件刚度的计算，文献【3 把道床作为一个参振整体，应用载荷向下作 锥体分布的假设，建立道床模型，并据此计算出道床刚度和路基刚度。练松良 第1 章引言 教授应用弹性地基梁理论，根据钢轨基础弹性系数和钢轨的抗弯刚度计算出轨 道整体刚度，把扣件和胶垫刚度并联计算出第一层的支承刚度，考虑了道床单 层和多层两种情况，分别算出单层和分层情况下道床的刚度值，应用土力学理 论，把路基看成半无限弹性地基，计算出路基刚度【5 5 1 。赵国堂运用四种不同的 方法确定了轨道整体刚度和部件刚度1 5 6 。 在试验测试方面，我国做的工作不是很多。其中的重大进展是铁道科学研 究院铁道建筑研究所1 9 9 4 年开发研制了新型轨道弹性检测车【57 1 ，该车能够测试 轨道的整体刚度，而且是动态刚度。上海铁道大学铁道建筑工程系主要针对钢 轨垫板和道床进行了动力参数的试验研究，测试了不同型式、厚度的轨下胶垫， 得到了静刚度、动刚度和阻尼的分布范围、分布规律及温度特性、时变特性； 基于室内实尺道床模型试验，研究了道床动力与静力参数的测试方法，测试了 我国i 级、n 级道碴道床的静刚度、动刚度和阻尼，统计出它们的分布范围、分布 规律，基于大型动三轴试验设备，研究了道床弹性的主要影响因素【5 8 】。 1 4 2 轨道刚度不平顺的动力作用研究现状 对于轨道刚度不平顺的研究，国内外已经做了较多工作。1 9 8 5 年长沙铁道 学院随机振动研究室将轨道不平顺分为弹性不平顺和几何不平顺，弹性不平顺 也即是轨道刚度不平顺【5 w 。翟婉明教授对轨道动力型刚度不平顺做了系统研究 p j ，初步给出了轨道过渡段刚度不平顺、道俞区刚度不平顺、轨下基础变化( 轨 枕空吊、道床暗坑、道床板结等) 刚度不平顺的数值模拟。蔡成标研究员对两种 轨下基础刚度不同的轨道结构的过渡区段动力学特性做了进行了大量的研究， 分析了有碴轨道及无碴轨道的典型过渡段的刚度特性，运用车辆一轨道耦合动 力学理论，建立了多种不同轨下基础连接的过渡段动力学模型【6 0 训】。南非的 f r o h l i n g 在研究重载铁路轮轨相互作用时，考虑轨道刚度的非线性特性，最初建 立了车辆一轨道垂向单层模型，车辆考虑为一个刚体系统，计算了车辆一轨道 在轨道刚度不平顺作用下的动力响应，得出轨道刚度不平顺对车辆的运行品质 影响不大，但是会对轨道产生附加动力，是轨道破坏的重要原因的结论，稍后 建立了更为详细的车辆一轨道垂向模型，考虑了车辆的悬挂特性，引入了轨道 破坏预测模型，预测轨道的道床沉降，并把仿真结果和实测数据进行对比分析， 得出了轨道沉降和轨道刚度变化的初步关系，能够预测轨枕空吊等轨道病害， 1 4 第1 章引言 取得了较好的效梨6 2 螂】。2 0 0 1 年，j o s e a r s s o n 建立了车辆一轨道离散点支承模型， 在模型中将钢轨垫层刚度、道床刚度、道床和路基的参枕质量轨枕间距等参数 作为随机变量，把轨下胶垫刚度、道床刚度考虑为i f 态分布，利用摄动方法和 随机振动的方法，以轮轨粗糙度谱为几何不平顺输入，得出了轮轨作用力、轨 枕位移、轮对加速度最大值的均值和标准差，这是首次引入轨道结构参数的随 机特性【6 4 1 。雷晓燕也建立过类似的轨道振动分析模型【6 5 南7 1 ，仅仅考虑单轮对在 弹性基础上的运动，并求出了轨道结构动力响应的解析解，计算了轨道刚度突 变的情况，研究结果表明，存在轨道几何不平顺作用的情况下，轨道刚度突变 对轨道振动产生了较大的影响。同济大学在刚度不平顺方面也做了很多工作， 练松良教授【6 引讨论了轨道刚度变化对轮轨冲击荷载的动力影响，结果表明轨道 刚度变化对低频冲击荷载影响较大，刘富【