（道路与铁道工程专业论文）客运专线车辆—道岔动力特性研究.pdf

摘要 随着我国十一五高速铁路、客运专线、快速客货混跑铁路和城市轨道交通的 大规模建设与发展，对客运专线车辆一道岔动力特性研究，为道岔设计、车辆设 计提供理论基础已成为当前的迫切需要。本文全面总结和概述了国内外铁路道岔 和车辆一道岔动力学的发展状况，分析了车辆高速直向通过1 8 号可动心轨道岔的 动力学特性。 本文在前人已有工作的基础上，首次采用a b a q u s 有限元软件建立了客运专 线车辆一道俞有限元计算模型。本文以客运专线车辆一道岔耦合系统为研究对象， 以车辆动力学、轨道动力学、有限元法为基础，以轮轨关系为联系纽带，将机车 车辆、道岔作为一个整体大系统，应用计算机数值仿真来研究高速行车条件下车 辆及道岔的动力特性、行车的安全性和舒适性。 本文建立了比较完善的高速铁路四轴机车车辆的动力学分析模型。模型中将 机车车辆视为多刚体系统，充分考虑车体、构架、轮对的横向、垂向、侧滚、摇 头、点头自由度，车辆悬挂系统的非线性特性，极大地提高了计算分析的效率。 本文在前人已有的基础上建立了较为详细的道岔区轮轨系统空间耦合振动分 析模型。该模型全面考虑了转辙器部分、连接部分、辙叉部分的振动；考虑了竖 向与横向耦合的振动；考虑了可动式心轨结构型式的道岔；考虑了尖轨及心轨的 截面变化、轨下基础支承弹性随岔枕长度的变化；考虑了顶铁、间隔铁等特殊部 件的参振等。 应用车辆一道岔振动理论体系，探讨了速度、轴重与轨道系统的部分动力参 数( 如扣件垂向刚度) 等因素对车辆一道岔系统动力性能的影响，这对我国高速 道岔结构的设计和养护维修将具有重要的参考价值。 关键词：客运专线；车辆；道岔；有限元；动力特性 分类号：u 2 1 3 6 a b s t r a c t a st h el a r g e 。s c a l ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a y , r a i l w a y l i n ef o rp a s s e n g e rt r a f f i c ，t h em i x e dp a s s e n g e ra n df r e i g h tr a i l w a ya n du r b a nt r a c k t r a f f i cd u r i n gt h e1lt hf i v e - y e a rp l a n ，i t sa l lu r g e n tn e e dt od or e s e a r c ho nd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft u r n o u ta n dt op r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rd e s i g no ft u r n o u ta n d v e h i c l e i nt h i s p a p e r , t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fv e h i c l e t u r n o u td y n a m i c si s s u m m a r i z e d ，a n dr e s e a r c hi sd o n eo nd 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 e t u r n o u tw h e n t h et r a i ni sp a s s i n gt h r o u g hn o 18t u r n o u tm a i n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k t h em o d e lo fc o u p l i n gv e h i c l e t u m o u t w i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sb u i l tu pb ya b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rt h ef i r s t t i m e i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hi sd o n eo nd 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 e t u m o u t c o u p l i n gs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nv e h i c l ed y n a m i c s ，t r a c kd y n a m i c sa n df i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h i sr e s e a r c hw o r ki sa l s or e l a t e dw i t hr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw h e e la n d r a i l t a k i n gv e h i c l ea n dt u r n o u ta saw h o l el a r g e s c a l es y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s u s e dt os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t r a f f i cs a f e t ya n dc o m f o r tp r o p e r t i e so ft h e t u r n o u t su n d e rh i g h s p e e dr u n n i n gc o n d i t i o n a r e l a t i v e l yc o m p l e t ed y n a m i cm o d e lo f4 - a x i sh i g h s p e e dr a i l w a yv e h i c l ei s e s t a b l i s h e d i nt h i sm o d e l ，v e h i c l ei s r e g a r d e da sm u l t i - b o d ys y s t e m ，g i v i n gf u l l c o n s i d e r a t i o nt ob o d ya n db o g i e ，s u c ha st h ed e g r e e so ff r e e d o mo fl a t e r a l ，v e r t i c a l ， r o l l i n g , y a w i n ga n dn o d d i n g ，n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l 6s u s p e n s i o ns y s t e m ， t h u st h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yc a nb ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r , ar e l a t i v e l yd e t a i l e dw h e e l r a i ls p a t i a lc o u p l i n gm o d e li nt u r n o u t s e c t i o ni se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sw o r k i nt h i sm o d e l ，t h ef o l l o w i n g f a c t o r sa r ec o n s i d e r e d ：v i b r a t i o n so fs w i t c h ，j o i n i n gp a r ta n df r o g ；v e r t i c a la n dl a t e r a l c o u p l i n gv i b r a t i o n ；t h et u r n o u tw i t hm o v a b l e - n o s ef l o g ；t h ec r o s ss e c t i o nv a r i a t i o no f s w i t c hr a i la n dm o v a b l ep o i n tf r o g ；t h ev i b r a t i o no fj a c k i n gb l o c ka n ds p a c e rb l o c k a c c o r d i n gt ow h e e l r a i lc o u p l i n gv i b r a t i o ns y s t e m ，s t u d yi sd o n eo ni n f l u e n c i n gf a c t o r s o ns y s t e m a t i cd 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 e t u r n o u tc a u s e d b ys o m ed y n a m i c p a r a m e t e r s ( s u c ha sv e r t i c a ls t i f f n e s so ff a s t e n e r ) r e l a t e dt os p e e d ，a x l el o a da n dt r a c k s y s t e m i ti so fr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e s i g na n dm a i n t e n a n c eo fh i g h s p e e ds w i t c hi n o u rc o u n t r y v k e y w o r d s ：r a i l w a yl i n ef o rp a s s e n g e r , v e h i c l e ；t u r n o u t s ；f i n i t ee l e m e n t ； d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s c l a s s n 0 ：u 2l3 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 首先要感谢我的导师高亮教授，本论文是在高老师的悉心指导、帮助和鼓励 下完成的。高老师严谨的治学态度、渊博的学识、科学的工作方法和卓越的才智 给了我极大的帮助和影响，特别是两年来高老师潜移默化的影响和谆谆教诲必将 使我终生受益，在此向高老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 硕士研究生学习期间，我得到了北京交通大学土建学院交通与环境研究所各 位老师的悉心指导，使我顺利地完成了研究生的学习，在此向交环所的各位老师 表示衷心的感谢。 此外，陈鹏师兄、郝建芳师姐、曲建军师姐、曲村师兄、陶凯师兄、辛涛博 士、陈文、常卫华、郭积程等我的师弟师妹们对我论文中的全部研究工作给与了 热情帮助，在此一并表示感谢。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。 最后感谢各位专家和老师对我论文的评阅和建议! 刘景军 2 0 0 8 年1 2 月 于北京交通大学 1 1 研究的背景和意义 1 绪论 随着我国十一五高速铁路、客运专线、快速客货混跑铁路和城市轨道交通的 大规模建设与发展，在一些新建的客运专线上铺设提速道岔或高速道岔以提高车 辆通过速度，道岔限速及相关动力学问题必须得到解决。对车辆一道岔动力学特 性研究，为道岔设计、车辆设计提供理论基础已成为当前的迫切需要。 我国目前对道岔静力方面研究课题很多，但从动力仿真的角度来全面考虑车 辆一道岔耦合相互作用却不太多。通过建立车辆一道岔系统空间耦合动力学分析 模型，弄清列车高速过岔时的动态特性及列车运行安全性与平稳性( 脱轨系数、 轮重减载率等) 。因此，车辆一道岔耦合系统动力学的研究，对我国高速道岔的设 计，确保高速列车过岔时的安全性与平稳性，高速道岔的养护维修工作，以及为 适应我国大规模建设高速铁路、客运专线和城市轨道交通具有重要的理论意义和 现实意义。 本文在北京交通大学现有的无缝道岔垂横向有限元计算方法的基础上，首次 采用a b a q u s 有限元软件建立了客运专线车辆一道岔有限元计算分析方法。使用 该方法建立的模型可以计算垂向车辆荷载作用下车辆及道岔的力学特性。本文以 客运专线车辆一道岔耦合系统为研究对象，以车辆动力学、轨道动力学、有限元 法为基础，以轮轨关系为联系纽带，将机车车辆、道岔作为一个整体大系统，应 用计算机数值仿真来研究高速行车条件下车辆及道岔的动力特性、行车的安全性 和舒适性。 1 2 国内外铁路道岔的发展现状 1 2 1 国外铁路道岔发展状况 国外高速铁路道岔在研究和使用中，比较有代表性的国家是日本、德国和法 国，道岔线型、结构设计各有特点。法国继日本东海道新干线之后迅速修建速度 更高的客运专线，其特点是车站少、区间渡线多( 如巴黎一里昂东南线全长4 2 7 k m ， 设置1 8 对t 9 0 0 2 1 8 渡线) ，高速线间或高速与既有线的连接采用t 9 0 0 1 5 4 道岔。 德国的高速铁路客货混运，货车最高运行速度达1 3 0 k m h ，其线路道岔在设计、制 造、铺设运营、动力学测试等方面均达到很高的水平。 道岔是线路铁路轨线的特殊部件，它限制着列车通过的速度。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 都能高速运行。下面对一些主要国家高速道岔的结构和通过速度作简单介绍。 表l - i 法国、德国和日本高速铁路道岔的主要几何特征 国 道岔号数 道岔侧线线型道岔全长容许速度 别 t g o 0 6 5 4 圆曲线，半径8 2 0 m5 3 5 3 0 0 、8 0 ( 1 1 5 3 ) 法 t g o 0 2 1 8圆曲线，半径3 0 0 0 ( 3 5 5 0 ) m + 三次 1 3 6 9 ( 1 3 6 7 )3 0 0 1 6 0 ( 1 7 0 ) 国( 1 4 6 )抛物线 t g o 0 1 5 4圆曲线，半径6 7 2 0 ( 7 3 5 0 ) + - - 次 3 0 0 2 2 0 1 3 9 4 ( 1 3 9 7 ) ( 1 6 5 )抛物线( 2 3 0 ) 1 ：1 8 5 圆曲线，半径1 2 0 0 m 6 4 83 0 0 1 0 0 德 1 ：2 6 5 半径4 8 0 0 + 2 4 5 0 的复心圆曲线 9 4 33 0 0 1 3 0 国1 ：4 2三次抛物线。半径1 0 0 0 0 m1 4 5 6 53 0 0 1 6 0 1 ：4 2 半径7 0 0 0 + 6 0 0 0 的复心圆曲线 1 5 4 3 0 0 2 0 0 7 1 32 7 0 8 0 日1 8圆曲线，半径1 1 0 6 m 6 4 2 9 5 7 0 本 3 8 半径8 4 0 0 + 4 2 0 0 m 的复型圆曲线 1 3 4 8 2 4 0 1 6 0 日本新干线中间站正线与到发线的连接一般采用1 8 号道岔，1 8 号道岔全长 7 1 3 4 9 m ，前端长3 2 8 9 m ，后端长3 8 m 。目前新干线只有一组3 8 号道岔，铺设在 上越新干线高崎站新泻方向3 3 k i n 处，为北陆新干线的出岔点。 道岔全长1 3 4 7 9 r n ，欠超高允许值9 0 m m ，欠超高时变率：8 5 r n s ，离心加速 度时变率：o 5 7 9 s 。日本新干线夜间停运，形成自然“天窗 ，各种修理作业对运 输不存在干扰的问题，因此不设区间渡线( 车站的渡线无高速列车侧向通过的要 求) 。法国和德国则根据高速列车进人和驶出道岔侧线停车与否选择不同的辙叉号 数，侧线线型根据欠超高及时变率等参数规定，以要求的侧向通过速度优化，目 前趋向于在大号码道岔中设置缓和曲线。 表1 2 列出了法国、德国、日本等国道岔的主要结构特征。由表l - 4 可看出， 2 其共同特点是道岔全长及主要部件长度较大；采用可动心轨辙叉尖轨及可动心轨 多点牵引；预应力混凝土岔枕( 日本板式) 基础；弹性扣件( 轨下及金属挚板下 设橡胶垫层) ；道岔区钢轨全部焊接。 道岔轨下 国别转辙器辙义注 轨型基础 z u l - 6 0 藏尖式可弯尖可动心轨辙叉，预应可动心轨辙叉区 轨，带l ：2 0 轨底坡轨v o l - 6 0 特种断面与力混不设护轨，心轨有 德国 u i c 6 0( 轨项坡) ，尖轨分动，标准轨焊接心轨， 凝土 双弹性肢及侧股 多点牵引转换，有外锁 标准轨制造翼轨岔枕 斜接头2 种种型 闭装置，弹性滑床板式 u i c 6 0 a 藏尖式可弯尖 可动心辙叉，预应可动心轨辙叉区 轨，带1 ：4 0 轨底坡( 轨u i c 6 0 a 组合心轨，力混直侧向均设置护 法国 u i c 6 0 顶坡) ，尖轨联动，多点高锰钢铸造并与标凝土轨，心轨双弹性肢 牵引转换，有外锁闭装准轨焊接岔枕 装置 9 0 s 藏尖式可弯尖轨，可动心轨辙叉，高板式可动心轨辙辙，侧 带1 ：4 0 轨底坡( 轨顶锰钢铸造翼轨及心基础向设防磨护轨，心 日本 6 0 坡) ，尖轨联动，多点牵轨及标准轨制造翼轨股斜接头滑动 引转换，内锁闭装置轨+ 9 0 s 轨焊接心轨端 此外：前苏联自1 9 6 2 年起开始生产1 1 8 号和1 2 2 号等大号码道岔，侧向通 过速度分别为8 0 k m h 及1 2 0 k m h ，直向通过速度均为3 0 0 k m h 。1 9 6 8 年研制的高 锰钢辙叉和跟部间隔铁夹板连接并带可弯尖轨的道岔己成功地得到应用。线路上 己铺了许多p 6 5 和p 7 5 型道岔，p 6 5 型l 1 1 号道俞的辙叉有连续踏面，正线通行 速度为2 0 0 k m h 及以上时用可动心轨。侧线的运行速度为4 0 - - 5 0 k m h 。1 11 号可动 心轨道岔全长为3 9 7 1 7 m ，l 1 8 号的全长5 7 5 1 9 m ，1 2 2 号全长7 1 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 k m h ，侧向通过速度为8 0k m h ，道岔全长5 3 3 l m 。1 4 0 r e 轨1 2 4 号对称型道 岔，可弯型尖轨，通过速度为1 4 2k m h ，全长6 3 m 。 英国b s l l 0 轨s g l 2 8 号单开道岔直向通过速度为1 6 0k n h ，侧向通过速度 为9 6 k m h ，用于渡线g 1 2 8 号道岔直向通过速度为1 6 0k m h ，侧向通过速度为 ll2 k m h 。组合式辙叉和夹板接头己分别被整铸锰钢辙叉和焊接接头代替。新设计 的1 3 4 号的可动心轨道岔，侧向容许速度为1 6 0 k m h ，直向通过速度为3 0 0 k m h 。 侧向通过速度为9 6k m h 。 法国铁路一般使用的道岔有t a n 0 1 1 ( 1 9 ) 、t a n 0 0 8 5 ( 1 1 5 ) 、t a n 0 0 5 ( v 2 1 ) 、 t a n 0 0 3 4 ( 1 2 9 ) 均为锰钢固定叉心。1 2 9 号单开道岔直向通过速度为2 5 0l 【1 1 讹，侧 向通过速度为1 3 0 k m h ，全长1 0 3 1 9 5 m ，对称道岔通过速度为1 6 0 k l n h ，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，直向速度为2 6 0k m h ，侧 向为2 2 0k m h ，全长2 2 0 m 。t a n 0 0 2 1 8 ( v 4 1 ) 号道岔，侧向通过速度为1 6 0 k m h ，同 时允许用于渡线。 德国采用u i c 6 0 轨，1 1 2 号道岔直向通过速度为2 0 0 k m h ，侧向通过速度 6 0 k m h ；1 1 4 道岔侧向容许速度为8 0k m h ，1 1 8 5 号道岔直向容许速度为 2 5 0 k m h ，侧向通过速度为1 0 0 k m h ，道岔全长6 4 8 1 8 m ，1 2 6 5 号道岔侧向通过 速度为1 3 0 k m h ，道岔全长9 4 3 3 m 。以上道岔均为曲线型辙叉，有固定式和可动 心轨式。 日本在高速铁路上使用的道岔有1 1 2 、1 1 4 、1 1 6 、1 1 8 和1 3 0 号道岔等，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 0k m h ( 可动心 轨式辙叉) ，侧向通过速度为7 0 k m h 。 u i c 推荐了一种选定标准轨距、侧股允许速度为1 0 0 k m h 、1 3 0 k m h 和1 6 0k m h 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。 1 2 2 我国铁路道岔发展状况 我国铁路道岔的发展从种类上大致主要经历4 个阶段，分别以7 5 型道岔、9 2 型道岔、提速型道岔和9 9 型道岔为代表。 建国初期，新中国接管旧有铁路铺设的钢轨类型复杂，有各国生产的约6 0 余 种，道岔号数不统一，道岔结构薄弱，严重影响了铁路运能，制约了国民经济的 恢复和发展。随着设计的不断改进和提高，新型道岔不断替换旧型道岔。如2 0 世 纪5 0 年代设计研制的“5 5 型”、“5 7 型”道岔，由于技术陈旧，于6 0 年代停止生 产和铺设，并用“6 2 型”道岔替代。“6 2 型”道岔包括3 8 、4 3 、5 0 k g m 钢轨，9 号、1 2 号各类型道岔。1 9 6 4 年经过铁道部批准，在铁路上广泛铺设运营。 上世纪7 0 年代，为适应我国铁路运输和铁路建设事业日益发展的需求，设计 人员不断深入调查研究道岔原材料的性能和制造工艺，总结历年道岔铺设运营情 况和养护维修经验，向世界先进技术学习，逐步改进完善设计，研制了“7 5 型” 道岔。该道岔包括4 3 、5 0 k g m 钢轨，9 号、1 2 号各类型道岔，1 9 7 6 年铁道部批准 实施。 4 l7 5 型道岔 “6 2 型 道岔及“7 5 型”道岔平面型式为直线尖轨、直线辙叉。其结构形式 为转辙器采用普通钢轨爬坡式组合尖轨，跟端为间隔铁式活接头。7 5 型及其以前 的各型道岔均为单一固定型道岔。尖轨采用普通钢轨刨切而成，轨腰增设补强板， 与基本轨贴靠段改基本轨切底为尖轨爬坡式结构，尖轨跟端为活接头方式。道岔 侧股平面线形为割线型，尖轨尖端存在轨距加宽，最大加宽l o - - - 1 5 m m ，辙叉采用 高锰钢整铸，使用寿命一般为通过总重4 0 0 0 万 - 5 0 0 0 万吨。岔枕采用木枕，扣件 为钩头道钉，后来有的改为刚性扣板式扣件。 29 2 型道岔 9 2 型道岔的尖轨采用矮型特种断面钢轨制造，尖轨的长度加长，取消了尖轨 跟端的活接头。道俞侧股平面线型采用半切线型，尖轨尖端的加宽值大大减小， 同时把园曲线半径由3 3 0 m 改为3 5 0 m ，加大了道岔后部的实际长度。高锰钢整铸 辙叉从化学成分、铸造工艺等方面进行了优化。护轨采用h 型或槽型断面。扣件 采用刚性扣板式扣件。9 2 型道岔的平顺性以及结构强度与7 5 型道岔相比有了很大 的改善和加强。但9 2 型道岔的直、侧向过岔速度仍分别限制在1 2 0 k m h 和4 5 k m h 之内。 1 9 9 5 年底，为适应铁路提速的需要，针对我国既有繁忙干线7 5 型、9 2 型6 0 k g m 钢轨1 2 号单开道岔在设计、制造、养护中存在的问题，以及与国外同类道岔存在 的差距，设计中引入我国高速道岔前期研究的技术，特别是广深线6 0 k g m 钢轨1 2 号可动心轨辙叉单开道岔的设计及使用经验，提出了新型道岔的设计原则和技术 标准。这种优化了尖轨、心轨的断面和线型设计，采用了预应力混凝土岔枕，调 整了道岔的加工工艺，提高了制造精度，基本适应了提速到1 6 0 k m h 的需要。 3 提速道岔 提速道岔有以下特点： ( 1 ) 保留道岔中心和辙叉理论交点位置不变的前提下，对道岔的平面布置进 行了适当调整，道岔侧股平面线型由半切线型改为切线型； ( 2 ) 尖轨由1 1 3 m 改为1 3 8 8 m ，固定辙叉长5 9 9 2 m ，可动心轨辙叉长1 3 2 9 6 m ； ( 3 ) 直、侧向护轨不等长，直向护轨长6 9 m ，固定辙叉侧向护轨长4 8 m ， 可动心轨辙叉道翁侧向护轨长5 4 m ； ( 4 ) 从轮轨关系考虑，道岔设置了1 4 0 的轨底坡； ( 5 ) 岔枕采用木枕和预应力混凝土枕两种，并垂直于道岔直股布置，间距均 为6 0 m m ： 5 ( 6 ) 扣件采用与区间正线相同的i i 型或i i i 型弹条扣件； ( 7 ) 尖轨尖端没有构造加宽，轨距均为1 4 3 5 m m ，固定型道岔全长3 7 8 0 m ， 可动心轨道岔全长4 3 2 0 m 。 随后又采用与提速6 0 k g m 钢轨1 2 号道岔相同的设计原则，研制了提速6 0 k g m 钢轨1 8 号、6 0 k g m 钢轨3 0 号可动心轨道岔。 提速道岔的研制成功，为我国铁路的提速工程发挥了重要作用。提速道岔汇 集了我国道岔多年来的科研成果，代表了当时我国铁路道岔的最高水平。但在运 营中也发现了一些问题。例如，大量使用的6 0 k g m 钢轨1 2 号道岔，顺向岔位的 曲尖轨侧磨严重：尖轨固定端扣件扣压力不足；钢轨岔枕下道床难以密实且顺线 路方向爬行导致卡阻；可动心轨辙叉的翼轨采用普通断面钢轨制造，由于轨底有 切削，降低了结构强度，不得不采用栓接补强板，同时心轨牵引点处采用了4 0 m m 厚的补强桥板，桥板占用了电务设备的安装空间，使心轨转换不能采用与尖轨相 同的钩型外锁闭机构，高速行车时心轨开口量难以控制。 1 9 9 6 年铁道部实施主要干线提速战略，由此我国道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岔产品。 在此阶段，道岔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n 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 0k 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 5k m 年。 从1 9 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， 道岔直向容许通过速度就由1 1 0k m h 提高n 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 号道岔的8 0k m h ，提高到3 8 号道 岔的1 4 0k m h 。 在道岔提速阶段，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 号道衍的研制中开始被突破。首次采用圆曲线+ 缓和曲线的线型，突破了在 区间设置单渡线对二道岔间夹直线长度的限制。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面线型接轨。 ( 2 ) 6 0k g m 钢轨提速道俞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 g m 钢轨提速道岔及客运专线道岔 已经形成系列。其中干线6 0 k g m 钢轨主型1 2 号提速道岔系列中，又分三个型号( 见 表1 3 ) 。 6 1 a b l e1 表1 36 0k g m 钢轨1 2 号提速道岔系列 道岔型号容许通过速度( k m h ) 直向侧向 6 伊一1 2 一i 2 0 0 5 0 6 伊一1 2 一i i 1 6 0 5 0 6 伊一1 2 - 一i1 2 0 5 0 6 0 k g mr a i l 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提速区段对 道岔的需求。 ( 3 ) 特种断面翼轨开发成功 特种断面翼轨技术不仅可实现翼轨与区间轨道等强，并且在轨底下部为电务 钩型外锁闭机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 合金钢辙又是一种可以提高固定辙叉使用寿命的新的辙叉结构型式，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有所突破 跨区间无缝线路就是将区间长轨与车站道岔焊联，从而取消缓冲区。由此可 大幅度提高线路的平顺性和轨道整体强度，是轨道结构现代化的发展方向。 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， 无缝道岔计算理论与设计方法取得了阶段性成果，其中包括：无缝道岔计算模型的 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 些理论研究成果对无缝道岔的研制起到了有力的推动作用。 ( 6 ) 道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。在提速道岔和 秦沈客运专线道岔中，已全面推广使用，取得良好的效果。 ( 8 ) 推进道岔设计由“静态模式向“动态”模式的转换 ( 9 ) 钢辙叉整体技术已达到国际先进水平 49 9 型道贫 9 9 型道岔是在提速道岔的基础上，针对提速道岔存在的问题，对结构设计进 行了多方面的优化，并采用了许多新的工艺研制成功的。9 9 型1 2 号道岔分为3 类： i 型为可动心轨道岔，适应直向过岔速度2 0 0 k m h 的要求，这就是俗称的“3 2 5 道岔；l i 型和i i i 型道岔是以预应力混凝土枕取代木枕的道岔，两者结构和平面布 置完全相同，区别在于i i 型道岔采用外锁闭方式，有轨底坡，适用于直向过岔速 7 度1 6 0 k m h 的区段，俗称“3 3 0 ”道岔；i i i 型道岔采用内锁闭方式，无轨底坡，适 用于直向过岔速度1 2 0 k m h 的区段。 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n l o 万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人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岔的研制过程中，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，目前已有的研究成果不能 完整地指导高速道岔的设计。 ( 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 ) 道岔电务转换锁闭机构，国内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差不齐。 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。 总的来说，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。 从年代上，大体可划分成三个阶段： 第一阶段：5 0 年代呻o 年代初，基础建设阶段 第二阶段：1 9 9 6 年- 2 0 0 3 年，道岔提速阶段 第三阶段：2 0 0 3 年以后，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 4 。 表l _ 4 我国铁道道岔的发展状况及代表技术特征 t a be1 - 4t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u so ft u r n o u t si no a rc o u n t r y 年代容许通过速度 发展 道岔 设计 道岔电务转 ( 型道岔平面线形 道岔结构 直向侧向 阶段 号数方法监控换锁闭 号) s 伊击o 切底式、爬坡式尖轨 单圆曲线直线93 5一机多点内钶 ( 5 5 ，5 7 组合同定辙叉钩头静态无 尖轨直线辙叉 1 28 04 5闭 型)道钉式木岔枕 7 0 ( 7 5单圆曲线直线爬坡式尖轨锰钢固定 91 0 03 5 一机多点内 l 静态无 型)尖轨直线辙叉辙叉刚性扣件木岔枕 1 2l o o4 5锁闭 8 0 单圆曲线直a t 尖轨锰钢固定辙叉、 9l l o3 5 一机多点内 ( 9 2线、曲线尖 单肢可动心轨辙叉1 21 1 05 0静态无 锁闭 型) 轨直线辙叉刚性扣件混凝土俞枕 1 81 1 0 8 0 91 2 03 5 9 6单圆曲线a t 尖轨锰钢固定辙叉，静态+ 1 21 2 0 2 0 05 0 多机多点 ( 提速 曲线尖轨单肢可动心轨辙叉弹性部分无 1 82 0 08 0外锁闭 道岔)直线辙又扣件混凝土岔枕 动态 3 02 0 01 2 0 2 2 0 0 2 圆曲线+ 缓和a t 尖轨单脚可动静态+部分 年1 82 5 0 8 0 多机多点 曲线曲线尖心轨辙叉弹性扣件部分测点 秦沈客运 3 82 5 01 4 0外锁闭 轨曲线辙又混凝土岔枕动态( 试验) 争线道信】 2 0 0 3 ( 高速 圆曲线+ 缓和a t 尖轨单肢、双肢1 83 5 08 0多测点多机多点 全部 3道岔曲线曲线尖可动心轨辙叉弹性 4 33 5 01 6 0 状态联或一机多 动态 方案轨曲线辙叉扣件混凝土岔枕 5 83 5 02 2 0网监控点外锁闭 阶段) 9 j k 星至通五生亟堂焦盐奎 图卜l 无碴轨道宴体道岔局部图 f i g 1 - 1p a r t - g r a p ho f t v m o u t i n b a l l a s t l e 啦h a c k 1 3 车辆一道岔动力学发展现状 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 对道静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岔的受力状况，减小轮、岔冲击，进而提高车辆过 岔速度，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【2 6 】。 单歼道岔由转辙器、连接线路、辙叉及护轨、岔枕等组成。有直股和侧股四条钢 轨，与其下正交或斜交的俞枕构成空间交叉粱系统。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) 股一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( 晟多处有7 根轨线，最少处只有2 根) ，间隔铁、 顶铁及螺栓锁固的存在，进一步增大了道岔系统的复杂程度，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粱或弹性点支承连续梁 ( 如图1 2 ) 理论计算弯矩、位移、反力等外，针对道岔区特点，还建立了一些道 龠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、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。 ( a ) 连续弹性地基梁模型 ( a ) m o d e lo fc o n t i n u o u se l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m ( b ) 连续弹性点支承梁模型 ( b ) m o d e lo fb e a mo i ld i s c r e t ee l a s t i cs u p p o r t s 图1 2 道岔计算的两种基本模型 f i g 1 - 2t w om o d e l so ft u r n o u tc a l c u l a t i o n l 、辙叉薄壁模型 由前苏联学者提出的一种褶皱薄壳( 即板梁系) 模型。它采用近似有限元方法， 将辙叉划分为等截面的板和梁，并通过节点相互联结，再将未知变形量分解成三 角级数，求解板粱系方程组得出各截面内力值。这种方法由于受划分区段的数量 限制，计算结果精度值偏高1 0 左右，因而现在计算中几乎不再采用。 2 、等效集总参数轨道模型 等效集总参数模型是依据一定等效性原则，把一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自振频率推算等效质量和 等效弹簧刚度，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量时，要求弹性基础梁分布质量的动能与集总质量 的动能相等，而在确定等效弹簧刚度时，要求荷载作用点下弹性基础梁的静挠度 与集总参数模型的静挠度相等。该模型具有较大的局限性，一般只能用于定性分 析轮轨系统动力学问题。 3 、辙叉竖向耦合振动模型 车辆一轨道耦合动力学的发展，为建立车辆一道岔竖向耦合振动模型创造了 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、右两股钢轨具有不对称性的车辆一道岔竖向相互作用模型【2 】o 利用该模 型，文酬1 2 j 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，提出橡胶垫层的静刚度维持在5 0 9 0 m n 加比较合适。 4 、有限元连续梁模型 有限元已成为道岔动力学计算、研究的重要方法之一。王平【2 8 1 、任尊松都运 用有限元法来研究了道岔区间的轮轨系统动力学问题。文献【2 8 】建立了功能强、通 用性好的道岔区轮轨系统竖向与横向空间耦合振动分析模型，并对道岔区轮轨系 统动力学问题给予了较为详细地研究：但是模型中采用了锥形车轮踏面，车辆侧向 过岔时轮对完全贴靠于外侧导曲线上，导致得到的轮轨横向力比较大；再者，由 于车辆为半车模型，所以其计算结果也不尽能完全反映车辆进、出道岔区间时系 统的振动特性，并且文献中车辆的正常侧向过岔速度( 4 5 k m h ) 低于道岔的侧向容许 通过速度( 5 0k m h ) 。 1 3 1 国外发展现状 国外对道岔动力学的研究起步较早，开发了许多轮轨计算模型。以前的很多 模型都属于静力学的范畴，与实际情况差别较大。过去对于道岔的分析主要停留 在静力设计阶段，无法满足道岔结构的等强度、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，两者是相互耦合、相互影响的。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 车辆一道岔动力学特性，必须采用车辆一道岔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岔动力学进行了研究， 下面逐一进行介绍。 目前，如德国开发的s i m p a c k 软件和北美铁道协会开发的n u c a r s 软件是 国外道岔动态研究水平的体现，均能够从动力学角度实现对道岔进行线性分析、 结构优化和动态评估。它们在研究列车经过道岔的动力特征时，均运用了轮轨接 触几何关系，能够充分考虑到轮轨多点接触问题。其中，n u c a r s 软件已成为法 国、德国高速铁路道岔动力评估的主要工具。北美铁道学会利用n u c a r s 软件开 发了一