（车辆工程专业论文）列车变截面道岔动力学仿真分析.pdf

嚣南交通大学硕士研究生学位论文 第1 霹 摘要 道岔丽嚣闵线路的鞋别在于：在遵岔匿内，左右钢辘的截瓤形状吾不相 同，显随着线路长度豹变化而变化。利糟这些变化的钢孰截蔼形状，建立了 菜6 眩m 钢轨1 8 号提速改进型可动心轨式单开道岔模型。 当车辆道过可动心孰式蕈开道岔时，在转辙器嚣，尖轨和基本轨、在辙 义处冀轨和心孰共圈承受井来载荷；在护轨处，轮缘背邦和护孰产生剧烈的 横向j 孛鑫，这些因素决定了轮轨之间必须采翔多点接触模蘩。 攫攥道岔的实际尺寸和平酉稚置，建立了分叉道路，考虑了车轮在一段 程短的时间肉和轨道失去接触的跳轨情况，并且仿真出护轨帮事轮轮缘背郝 之闯的横向冲击。 建立某国产主型电力枧车模型进行仿真分析，将仿真拇到的轮轨力与现 有文献中相关的仿翼结论和试验结果避行比较，验证了方法豹可裙性及模烈 的正确性。仿真结果表明：利用变截面道岔进行车辆一道岔动力学仿真分析， 可以更为真实地反映舞机车通过道岔时，轮对与尖轨和护轨的瞬辩冲击。给 出了机车侧逆向( v = 8 0 k 删和直逆向( v 宅0 0 k 州h ) 通过遵岔盼动力学晌虚。并 讨论了机车踏面步 形和道岔结构的某些参数对系统动力学性能的影响。 论文最后对于动车组铡逆向f 蕊8 0 虹晚) 通道道翁的动力学性赣进行钫 真分橱，弗将仿箕结皋和单车结暴避行比较。 美键谰：率辚工程；韵率组；机车i 道岔；护轨：动力学；轮轨关系 多点接齄 话南交通犬学硕士研究生学饿论文第l 页 1 。 选题曹景 第1 章绪论 率辆在运行过程牵，或者在进彳亍车站各种技术作业时，常常需要由一条 线路转入另一条线路、或者跨越其它线路。程这种情况下，就需要修建道岔。 遴岔是铁路轨道结构的关键部件，是一种重要盼线路设备【i j 。由予其特殊作 用，它同区间线路相比有以下几个特点： ( 1 ) 由于柱道岔范围内轨道由一股分支成魏股或者多股。使得在一定送 域内，孰道截鬣形状不同予基本轨丑髓麓线路长度的变化而变豫。如可动心 孰式道岔，在转辙嚣区和辙叉嚣，由于尖孰和萋本轨，翼轨和长短心轨之闯 相互密贴共同承受外来载葡，使褥在这些区域盎的截面形状发生了变化。 ( 2 ) 撮据遂岔的结构特点，车辆侧逆向由直股进入道岔倜殿时，在转辙 嚣处，车轮必然对转辙器的尖轨产生强烈的冲击作用。车辆运行到辙叉附近， 由于设嚣了护轨，进入护轨轮缘槽后，车轮的轮缘背部同护轨之间也会产生 攘击作用，； 起尉烈的振动，因而隈翩了车辆侦0 逆向遘岔速度，并且对道岔 的结构产生破坏”j 。 ( 3 ) 转辙器处，由于车轮从蓑本轨滚囱尖孰，然后再由尖轨滚掏基本辘， 辙叉医，车轮从翼轨滚向心轨，形成道翁区囊向结构固有不平顺p 】。 f 4 ) 由于要引导机车车辆在生线或馏线行驶，蒜要馒两撮尖辘往复摆 动，圜此只是将尖轨的根部固定在轨槐上，两边用闻隔铁或顶铁飘定。蔼嚣 间线路的钢轨则是围定穗每根轨枕上。 ( 5 ) 道岔区孰线剐度急剧变化，孰下基础的弹性不均匀。 ( 6 ) 由予道岔侧离速度、导程、线闻距等因素制约【4 j ，道赞一般不设置 缓和曲线。露导瞎线长度较短，投有足够的距离设置超高递减坡段，加之一 校孰枕上面有西条钢轨等，使得导曲线范围受到张界条件的控制，为使路构 摘忧，通常导曲线不设置外轨超高；基于上述原踊，通常道岔中不设轨底坡。 僵是，为改替钢轨的受力条件，提速道岔中设有l ：4 0 的轨璃坡或者轨顶坡。 出于道岔具有以上特点，构造非常复杂，特剐是在转辙器和辙叉处，车 轮和钢轨产生横向冲击，固定辙叉式道岔的叉心轨线中断，轨下基础的弹性 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 贾 不均匀等因素，决定了道岔存在着不可避免的、量值遥非一般医瓣线路所能 比拟静几何不平顺，从丽导致轨线段受载荷复杂，变形量大，垂向和横向的 动力学响应大。当车轮通过时将会引起剧烈的冲击与振动，致使车轮踏面伤 损加快，轴承和道岔主要部件使用寿命缩短。维修工作量加大，维修费用增 嵩。所以，长期以来，遴岔与鳇线、接头并称为轨遴结构的三大薄弱环节。 由于道岔具有帮件使用期隘矮，侧向过岔速度受隈，行车安全性低等缺 点。籍蓉列车大幅度提速，姆不可避免的加强车辆与遵岔之闻的相互作用， 特剐是在转辙器区和辙叉逸的冲击作用，遮秘 申赉和振动将成倍的恶化遵岔 的工作条 牛。有研究袭鞠1 6 】：当货车速度由6 0 如如提高刘9 0 k 耐h 时，轮 岔冲击力蜂值增大3 4 ，车轮和钢轨的振动加速度均增大6 0 左右：当客 车速度由8 0 k m m 提高到1 4 0 k m ，b 时，轮，岔冲击力将增加5 5 车轮、钢轨 和道床振动速度都将增大一倍左右。列车的提速对予主型的6 0 a t l 2 单开遣 岔来说潜伏着槽形护轨垫板折损f ”，引起车轮撩击心孰尖端的危险护轨垫 板折损的情况在重载、繁忙运输干线上将尤为严重。 随着提速和高速铁路发展的蓠要，程一些新干线和赣建的客运专线上铺 设提速道岔和离速遂岔以提高车辆通过速度，遂岔隈速及相关动力学问题必 须得到解欹。由予采用试验豹方式研究范围小，费用离，所以普遍采焉软件 仿真的方式对车辆一遂岔系统动力学进哥亍研究，本课霹拟采用多体系统动力 学软件一s t m p a c k ，利用辘道区钢轨的变截箍来仿真车辆的道岔通过。通 过仿真计算、分析与评估，希望能对我国道岔系统结构的合理设计、参数优 化、丈号码道岔的研蒯和铺设，捌车提速等提供一些有用的参考，蛆期满足 离速、大运撬条停下车辆的强度、稳定性和旅行舒适性的要求。因此，在我 国实施铁路第五次丈提速的背景下，具有非常重要豹现实意义。下箍酋先介 绍国内赡高速道岔的发展。 1 2 国内外高速遒忿的发袋 1 21 国外高速铁路道岔概况 国外离速铁路道岔在研究和使用中，比较宙代表性的国家建秘本、德国 和法国，道岔线型、结构设计各膏特煮 8 一。法闰继日本东海遒新干线之后 迅速修建速度更高韵客运专线，其特点是车站少、区间渡线多f 如巴黎一罪 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 何参数和这些参数中的一些偏蓑对于轮轨之间的动力学响应有很大影响。 此外，美国a a r 列震n u c a r s 软件对车辆通过a 】强a 2 0 号邀岔和性 能更优的2 0 号切线瓤道德的轮轨系统横向动力特性进行了研究j ，德国 b w g 在黼速铁路道岔设计中采髑动力学仿真软件对转辙器进行了动力学优 佬设计，法国在t g v 高速铁路道岔尖轨设计中对尖轨与车轮的接触关系进 行了研究。 1 3 2 国内发襞现状 国矗对于道岔进行的研究也菲常多，主要是通道自编软件和仿真工其进 行，主要的研究成莱如下； 文献 1 9 采用弹性点支撑有限元铰接粱模型分析了遒岔区阍的轮轨作 用力及其弹性傻鲢优选，僵它只考虑了系统豹垂向振动。 文献r 2 羽利用n u c a 王己s 软件对1 8 号道岔进行模 ；i 计算，考虑轮轨之问 的多点接触。车辆直向过岔时，动力响应主要集中在辙叉醒，以横向响应为 主，而车辆侧向过岔时，转辙器与辙叉透的动力响应都菲常显著，阻垂向啼 斑明显，且在导曲线半径为8 0 0 m 情况下，侧向过岔速度应控制在8 0 k m m 以下。 西南交丈士木工程学院王平等利用自编软件对列车一可动心轨式道岔 空间耦台系统动力学进行分橇，其模毅为：仿真过程中不考虑护轨的影响， 车辆采用半车模型，车轮聚用锥形踏猫，文献【2 1 2 3 中的模型将尖轨与基 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辕抗弯别度之和。圈样，将长心轨、短心轨与翼鞔 密贴区域三股钢轨视为一般，其抗弯刚度为翼轨和长心鞔、短心鞔三者之j 羊【| ， 该钢轨褫为弹性点支承基础上韵变截筒歇拉粱。道岔区内其它都分钢轨视为 弹性点支承基础上的等截面欧拉粱，研究了车辆直向和侧向通过道彷的动力 学特性。文献 2 4 ，2 5 】中的模型将共同承载的两股钢 寮理。雾i z l 黔葶穗囊4 鲁! 瓤暨套藩型i 囊蓑醯篓饕 瑷要k萼。菥薹丞器?；蠢到i重蹒；i妻奏誊薹l嗡萼i=；堕蛰耋攀鬻蚋一0 蠢i 醅饔型匿露i i 彰羹馐哩嗡裂篓婆褂i 醒羹茸海强”斟二到l ，目墓 出 褂警。 运行稳定性及运行安全性。蘸南交通大学剜牟与线路研究所任葛松等采用翥编 软件ttisim对车辅通过我国主裂遵岔6 0 k g ，m 钢轨1 2 号单开遴 岔时的勘力作填进行研究【i 2 ，2 h 。根据车辆一轨道耦含动力学理论，阻般线路轮对 与镳孰接触关系为基础， 西南变通大学领士研究生学位论文第9 页 模拭计算了转辙区和辙叉区轮对与相应辘线的接触情况，采用这种方法得到 了较为准确的尖孰横向轮轨冲击力以及系统其它噙应，并量分撬了轨道虢陷 对于系统动力学性能的影响口7 1 。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口”j 。 但是这些都是基予轮孰一点接触的前提下得到的，事实上在转辙嚣和心轨位 置，轮与轨之问完全可以发生两点接触情况。采用粱模型来处理道岔系统各 股轨线的最大优点是熬个系统计算逮度恹，并可以直接输出梁上任何一点的 振动响应。但是粱模型也有自身难以竞服的缺点一处理变截面梁变得非常豳 难，因此对其实施等截面处理，毽考虑了在密贴处的轮轨力的分配问题，翔 一位轮对下，转辙区尖轨与基本轨共i 司受载以及辙叉区心轨与翼轨共同受载 利，通过一个轮载分配系数来实现。更真实、更台理地处理强定辙叉又是 个比较妥难耱棘手的| i 习踅，在模拟计算车辆逶过强定式辙叉系统的振动情况 时仍采用爵动心孰式辙叉摸型，僵对翼辘与长、短心鞔组成的辙叉区域豹横 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 柬与抗弯情况。但是其参振质量与蛮际情况有一定的差异。此外还对道岔横 尚稳定性、侧向通过遵舷安全性指标等问题遴行了讨论【3 。，。 文献【3 1 】验证了采用a d a m s ，r 羽软件分析道岔的动力响应的可行性，文 献中道岔模型采用的是秦沈客运专线的1 8 号遂岔。 文献【3 2 】对奏沈客运专线大号码道岔线型进行分析，文献酋先介绍了簪 外铁路大号码道岔线型的发展状况及我国秦沈客运专线大号硝道岔线型的 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 岔线型的韵力学性能进行伪真眈较，得出豹结论是；秦沈窖运专线3 8 号遒 舒具有较高的乘坐舒适性，且与传统的单圜麴线线型相比，在安全性和舒适 性方两具有整体优势，可班作为我国今后大号码道裁的主要线型。 文献f 3 3 ，3 4 】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：提速道岔尖辘轨下增加弹性阻后可丈大减轻基本轨至尖轨区过渡 段轮一岔垂淘相互作用力，有效改善道岔的动力学性能，延长滑廉扳及道德 的使用寿靠。 文献 3 5 】利用车辆通过道岔时轮对与辙叉相置作用机理。建立箍化汁算 模型，应用轮孰冲赘力方法，分析了对速1 4 0 l a i l ，l l 车辆对道德的冲击影响， 并提出在1 4 0 k i l l h 的速度下，辙叉允许垂直磨耗应驻制在4 m m 以内。 文融【2 1 3 0 对我国1 2 号单开遒岔的动力学已经进行了非常详尽的分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 ( 4 ) 绘出机车以s 0 妞妇的速度懊8 逆自、2 0 0 妇姚的速度宣逆向通过 6 0 k g m 孰1 8 号提速改进型可动心轨式荤开道岔盼动力学响应。 ( 5 ) 研究车辆和道翁参数对机车通过道嵇动力学性能的影响。 ( 6 ) 辩手动车组铡逆向通过道岔的动力学性能进行仿真分析，并和机车 过岔结荣避行比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文j 堕更 第2 章道岔建模 如果要准确的仿真分析车辆一道岔动力学响应，其前提条件是建立合理 的道岔模型。国内在进行车辆一道岔动力学仿真分析时，将道岔区内各股钢 轨轨线用等截面e u l e r 梁来模拟，在转辙器区和心轨部位存在的变截面忽略 不计【2 6 ，或者将共同承载的两股钢轨台成一股，最后通过加入道岔的结 构固有不平顺来仿真道岔模型。 众所周知，道贫区域内，轨道截面形状不同于基本轨且随着线路长度j 的变化而变化，并且在辙叉附近，基本轨侧面设置护轨。国外正是利用这些 不同的截面形状来建造道岔模型【1 3 ，1 ”，这样建立的道岔称为变截面道岔或者 s 一变量轨道。结合我们的实际情况，以某6 0 k g m 钢轨1 8 号提速改进型可 动心轨右单开道岔( 如无特殊说明，论文的工作都是围绕此号道岔展开的) 为例建立道岔模型，在建立道岔模型之前，首先介绍一些道岔的基本结构。 2 1 道瓮的构造 道岔的基本形式有三种【”“】：线路的连接、交叉、连接与交叉的组台。 常用的线路连接设备有各种类型的单式道岔和复式道岔；根据用途和平面形 状，道岔有虬下几种标准类型；普通单开道岔、对称道岔、三开道岔、交分 道岔、交叉渡线等，由于仿真单开道岔，重点介绍单开道岔的内容。单开道 岔由转辙器、连接部分、辙又及护轨组成，其可动心轨式单开道岔的结构如 图2 1 所示。单开道岔以它的钢轨每米质量及辙叉号码区分其类型。目前我 国钢轨有7 5 k g m 、6 0 k m 、5 0 k g ，m 、4 5 k g m 、及4 3 k 咖等类型，道岔号数 有6 、7 、9 、1 2 、1 8 、2 4 及3 8 号等，下面介绍道岔区的各个组成部分。 转辙器 转辙器是引导机车车辆沿主线方向或侧线方向行驶的线路设备，由两根 基本轨、两根尖轨、各种连接零件及道岔转换设备组成。 基本轨由标准断面的普通钢轨制成，主股为直线。通常，道岔中不设轨 底域，为改善钢轨的受力条件，提速道岔中基本轨设有l ：4 0 的轨底坡。基 本轨除承受车轮的垂直压力外，还与尖轨共同承受车轮的横向水平力。为防 止基本轨的横向移动，可在其外侧设置轨撑。 止基本轨的横向移动，可在其外侧设置轨撑。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 贞 毫 吣 凿2 一l 可动心轨式单开道翁的组成 尖辘依靠其被镯尖的一端与萋本轨密赔，将列车引入芷线或铡线方向。 尖轨按平面形状分为直线尖轨和曲线尖轨两种。我国的大部分1 2 号及1 2 号以下的道岔，均采用直线型尖辘。优点是制造加工箍革，更换使耀方便， 左右开道岔可以互换，缺点是这釉尖孰的转辙角较大，列车对央孰的冲击力 大，尖轨尖端易于磨耗和损伤。新设计的提速遂岔和高速道岔采用曲线尖轨， 这种尖轨的抻击角较小，导血线半径大，列车进出侧向比较平稳，刹于高遂 通遥，缺点是制造复杂，蓠端剖切多，并且左右不能通用。曲线尖轨按照与 基本孰的贻靠形式可以分为：切线型、半切线型、割线型和半割线型。我国 铁路主要采用半切线型和半割线型。 为保证列车的行车安全和尖轨盼使用寿命，尖轨各部分应该有一个降低 僮p j ，如在尖轨的尖端的降低值不应大于车轮轮缘高度2 s m ，以免车轮逆 离进岔时爬上尖轨。另外还应考虑在轮缘最大蕊直磨耗1 8 m m 处，基本轨轨 顶有一定垂赢磨耗时也不会扎伤尖轨尖端。经过实践证明，尖轨尖端的降低 馕爰用2 3 m m 。尖孰各部分降低傻见文簌【4 2 】。为掇证尖轨具有承受车轮压 力豹足够刚度，规定尖轨轨头宽5 0 t 】= l n l 以后部位完全承受车轮的压力；尖轨 轨头宽2 0 r n m 以前完全由基本轨承受车轮的班力 从尖轨轨头宽2 0 s o m m 部分为率轮荷载的过渡段，共同承受车轮的压力。 辙叉及护轨 辙又由叉心、翼辘和连接零件组成。按结构类蘩分为固定辙叉和活动辙 叉两种。直线式固定辙叉又分为整铸辙叉和组合式辙叉。整铸辙叉是用高锰 鹾南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 锻浇铸的整体辙叉，把冀孰和心轨铸成个整体，其褒较高的强度、良好的 冲击韧性，整体性和稳定性空于。维舍线辙叉由长心鞔、短心辘、嚣轨及闻隔 铁、垫板蒋组成，这种结构零件多，葬护工作量大，我国正线上很少采用。 鞠定辙叉存在“囊害空问”，两校冀孰之翔的最窄娃称为辙叉咽喉：由 咽喉至安际尖端的距离，因轨线中断，攀轮在此处辩钢鞔产生尉烈狰击，此 空间称为道岔的“宥寄空间”，道岔号数愈大，辙叉角愈小，有害空间敷大。 如聚要建造固定辙叉模型，需要对“有害空间”进彳亍仿真，困“舂害空润” 对车辆动力学性躯影响较大。盎辙叉处由于存在垂向固有不平顾，为了消除 垂直不平顺，并防止心辘在其前端斯面过分削弱部分承受车轮载荷，采梢提 高翼轨定面和降低心轨前端的做法，使其保持必要的相对离度j 。 可动辙叉保证了列车过岔时轨线的连续，利糟心轨可以摇动并与翼孰紧 密贴靠的特点，来达到消除圄定辙叉上存在的“有害空间”，这种辙叉直般 可以不设置护轨，大大减少机车车辆通过时的7 申击力，提离过岔容许速度及 舒适度。并且可以提简辙叉的使用寿命，显著减小养护维修工作量，但是结 构比较复杂，其长度一般比固定辙叉长。可动辙叉可以分为：可动心轨辙叉， 可动冀轨辙叉和其它形式的辙叉型式，可动心轨辙叉霸可动翼轨辙叉通过翼 刚 蒸奉轨 畸 搏夕 护孰 l 并口鹱缓漳段平直段 缓冲段开口段 轨和长心轨，短 心轨之阕的密继 来共同承受车轮 的载蒋。 为保证车轮 安全通过固定辙 叉的“有害空 圈2 2 护轨结构悯”，必须在辙叉 相对位置的两侧基本轨的内侧设茧护轨，借以引导车轮的正确行驶方向，使 车轮轮缘进入遭当的轮缘攒，防止车轮冲击叉心尖端或袭勰土辙叉心辕失 端，对于可动心辘辙叉，巍股通掌不设置护轨，侧段设置陆磨护毓，可以防 止心轨盼侧露磨耗。蟊翦我国道岔豹护轨类垄主要有钢轨间隔铁型、h 型和 槽型三韩。 护孰由平直段、两剿缓挣段和瞬端开口毁组成，结构如图2 2 所示。护 轨平童段是实际起着防护作用莳部分，缓冲段及开嗣段起着将车轮平顺地日l 入护轨平直段的作用。经计算o q 护轨平直段轮缘槽宽度应取3 9 4 2 m m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文舅1 5 耍 缓冲段末端轮缘槽宽应为6 5 6 8 m m ，开日段外端的轮缘槽宽度一般采用 8 0 9 0 m m ，为了提高护轨的作用，h 型和槽型结构将护辘轨顶托基本轨轨 顶提高1 2 m m 。 连接部分 连接部分是转辙嚣和辙叉之闻豹连接线路，包括童股连接线和曲股连接 线，睦般连接线一般称导曲线。铁路传统道岔的导曲线平西线塑一般采罔单 圆曲线，为提高侧向通过速度，满足提逮以后舒适度的要求，国外大多数幽 家普遍采用三次抛物线作为大号码遵忿的基本线型口“，戈菡是区间渡线， 道岔采用抛物绫后，可v 藏接连接藤不用设夹直线，不仅改善了刑事运行驹动 力性能，而且解决了小间距单渡线的夹赢线问题。 在导益线上设置少譬超高 6 3 ，对防止反超燕的出现和傺持轨距以及减轻 行车摇晃等有利。但是虫予道岔导曲线较短，没有足够的超两递减距离，阏 此一般不设置翘高。有的遭岔为糕治反越高，由现场叠行设置4 8 m m 抟超 高。 设霪轨痛坡，对改善车轮与钢轨的接触条件，减少车轮对钢轨的横向搬 力及增细线路的稳定是有利的。但是在道岔上设置辘底坡将使结构变得复 杂，制造加工麓加大，所以我国“7 5 ”戮和“9 2 ”型道彷均不设轨寐坡。但 是现在的提速道岔和高速遒岔普遍设置l ：4 0 的轨底坡。 对于所采用的仿真道岔，其主要结构特点如下1 4 2 l ： ( 1 ) 尖轨为半切线型，采用1 7 8 l o m m 长的弹性可弯尖轨，用6 盯钢轨 制造，尖轨尖端为藏尖式，跟端采用限位器结构。 ( 2 ) 尖轨设3 个牵g | 点，采用分动镑型外镂翊装鬟，动程分别为1 6 弧m 、 h 8 m m 秘7 5 m m 。 f 3 ) 可动心孰辙叉采嗣钢轨缎金式，心轨采用6 0 a t 钢轨，短心轨看端 为滑动端，翼轨采用模锻翼轨与6 0 k g ，m 钢轨焊接的长翼轨以适用于跨匿间 无缝线路。 f 4 ) 心轨设3 个牵g l 点，采用钩型外锁阈裟鬟；动程分羽为n 9 m m 和 7 8 m m 。 ( 5 ) 转辙器第一、二、三牵引点后安设尖轨限位防跳装爨，辙叉心轨尖 端锻制豳防跳凸台与模锻翼轨配含防跳，翼轨轨疆安设防跳顶铁。 ( 6 ) 道岔钢轨设置l ：4 0 的轨底坡或孰顶坡。 ( 7 ) 为防止心轨侧密，可动心轨辙叉侧股设嚣防磨护轨。 西南交通大学弼 士研究生学位论文第l i 至 上篮t 霸熬 链c 奠救ts 础龇08 晖啦姆s e 皤曲u 辩c 确薛吐6 上i 姐姐姐 圉2 4 苗r 动心轨式单开道岔特征截面匿 2 。2 。2 固定辙叉式孽开遂岔的截面特征 固定辙叉式单开道翁和可动心轨式单开道岔的结构是不同的，根据上节 内容，我们知道，凋定辙叉的辙叉咽喉至实际尖端之间，有一段孰线中断的 空稼，称为道岔的“有害空润”，“有害空润”对于车辆一道岔动力学性能影 响很大【1 2 。在进行固定辙叉式道岔建模时，应该重点考虑辙叉处的结构， 确定辐癍的截面形状，馒褥建造豹道岔揍型更能够反映实际懿遘毯。且当车 轮通过较大的寄害空间时，叉心容赫受到撞击，为避免此种现象的发生，保 证车轮安全通过有害空间，还必须在其两侧设置护轨，借以引导车轮的正确 行驶方向。 由于曛定辙叉式单开道岔_ 和可动心轨式单开道岔在转辙器逸和导曲线 处的结构相阉，所以其左右钢轨的截疆掰状相圊，辙叉处的结构不潮决定了 轨道截面形状也不相同。强2 5 给出固定辙叉式 蘸南交速大学硕士研究生学位论文第1 9 页 附近豹截嚣图i “弗i 。当列车侧逆向通过固定辙叉对，承受车轮载旖的截蠲不 并是翼轨和长心轨的密贴截面及长短心孰的密骷截覆。在位置 处，左轨的 截顽形状为左右翼轨和心孰组成的截露豳( 右翼轨的形状在可动心轨式道岔 截瑶闰中没有给出) ，右轨是护孰和基本轨的截弱图，且一直持续到位置3 廷。位置2 和3 照，截面形状为翼轨和心轨的截面圈。驶离遴岔后，基本轨 完全承受外来载萄。 黧2 5 固定辙叉式邀岔平簿图及在辙叉甜近的截瓣图 当车辆鸯遵舞遴过圈窿辙叉时，此时，右轨道存在“有密空间”，左轨 道设置了护轨，所以其左右钢轨的截面形状和侧逆向通过道岔对的裁匿形状 相反，道路长度s 有所不嘲。 2 3 道镣建模的原理及过稷 2 3 ，l 道岔建模溧理 在开始建立s 一变壁轨道之前，根摆特征截面的分柝，岿颁建立一些用 来描述洽蓑线路方向上，不同位置处的特征截丽形状的数据文 孛和它们鲍孰 道文件，通过在各个轨避文件相应的轨道长度s 处调用这然截磋数据文件米 建造道静。榍 瞄两个截面之闻的部分采用线性插值得到，擐谯厩璎如图2 。6 所示。 一露 渊 。 吣 ： 吣 ， 薅南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 插馕的步骤夫体可以分为三步1 4 4 ：第一步，筐先对予任意截丽形成半 滑的三次样条曲线，得到标准恍的孤一长瘴参数u 、横彝截西坐标y 和垂囊 截丽坐标z 。每一点的弧一长度坐标值可以通过轨道截面函数 y ) ，z ( “) ，“【o ；l 】的标准参数公式得到。第二步，在轨道截髓上，根据标 准他的强一长度参数u 将三次 样条蓝线离散成等距离的点进 行插值。需要注意豹是，对于 每一个截面，痘使瑁弼一个标 准化的弧一长虞参数u 进行离 散；第三步再一次计算出个 三次样条盛线( 图2 6 中间盏 线) 衰示插值截面，对于绘定 的参数u ，计算出截蕊函数各 点苎| 皇标y 0 x z 机) ，并且把它存 赭在文件中。簿个轨道文件通 过以上处理就可以分别表示一 股变截面轨道，将所有的轨道 雷2 6 截面插僮藏理文件组合在一起就可以表示整 个遂岔，以上就是s i m p a c k 中模拟遴岔的原理。 根据1 8 号可动心轨式单开道岔豹实舔情况，直股通常不设受护孰，恻 股设置防窘护轨。列擎侧逆向通过道岔的时候，整个道岔可以考虑由2 个基 本轨，翼孰和护轨组成，建立4 个轨道文件寒仿冀列车的侧翔通过，2 个是 描述车轮的踏面，轮缘尊玎轨道接继( 左右车轮与基奉鞔的接触) ，2 个是描述 轨道的背郝和鞔遂的按触( 左，右车轮弓翼轨和护轨) ，蛊向通过时整个道岔 可以考虑由2 个变截面基本轨构成，只要前2 个轨道文件足够了。 2 3 2 数据文件的建赢 由以上的建模原理可知，在建造道岔模型的过程中，擂要两种数摄文件， 一种是描述在不同s 下轨遂特征裁嚣形状的数据文件，筠一种是建造道岔所 需要的轨道文件。 仿真道岔的过程中，簧建立攒述特征截面的数据文件，关键是要表达出 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 图2 7 尖轨顶宽2 0 m m 处实际密贴截面图 轨 图2 - 8 尖轨顶宽2 0 m m 处仿真截面图 在转辙器区和辙叉区的特征截面，主要的特征截面包括：6 0 k 咖基本轨、 刨切的基本轨、尖轨、翼轨、心轨、护轨单一截面，尖轨和基本轨、翼轨和 长心轨、长心轨和短心轨等密贴截面。利用道岔的结构和设计图纸，确定密 蕊南变通犬学硕士研究生学位论文第2 3 页 f i l n a m eo f m e a s u r e dc r o s s s e c t i o n o l2 0 。0 0 0 0 22 2 o o o 0 32 5 。5 0 0 0 4 2 7 0 0 0 0 53 1 0 0 0 s e c ll o d 砒 s e c 2 e d a 重 s e c 3l e d 甜 s e c 4l e d 靠 x 甄南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 第3 章机率模型及动力学评价指标 奉章以国内菜q ，c 。主型电力机车为基础，建立了机车车辆模型，从瓶 进行车辆一道岔动力学仿真分析。同时，介绍了离散的轨遂孰槐模型，最 后给出了相关的动力学评价指标阻便对以后的仿真结果进行分析。 3 1 祝车动力学仿囊模型 机车一系悬挂装嚣是圜弹簧加液压减摄器结构* “，每个转向架共1 2 缀 圆簧，每组圈簧壶铜篱及一个橡胶垫组成，圆簧既能承担囊囱、横向力作罐， 又能起隔离振动和降低噪音舱作用。一系钢簧豹羲向剿度较大，以控带l 轮对 的垂向动挠度，确保车轴与空心轴不发生碰撞。轴箱定位采用双扭弹性拉杆 定健，熊较好撼满足对轴箱的寇控要求。 转向架二系悬挂装置采用高强弹簧加橡胶垫的结构型式，该离阐弹簧能 提供较大的静挠度。二系悬挂的三向剐度能满足机车雏运嗣要求，使枫车在 运行中有良好的运行稳定性能，每台转向架左右各3 维高圆弹簧。同时在车 俸和转向架闽设置横向减振嚣、垂囱减搬器及抗蛇打液压减撅器。 转向槊总静挠度较大，机车采用轮对空心轴六连括驱动装蠢，牵引电动 枫全悬挂，基稿制裁装置采用独立单元式革铡制动，停车制动采用蓄能制劫， 牵 方式为取侯6 平拉杆，转商架还配有数砂装置、接地装置、轮缘润滑装置、 横向鞠垂彝i e 挡等附属部件。 杌车是一个复杂龄多体系统，在建立机车模型对，瓣车辆动力学性姥影 响较大的主要园索则尽可能按照实际情况进行模拟，而对一些次要的因索进 行楣皮的简化。轮对、构架、车体均援为涮体，轮对、构粲、车体的弹性比 悬挂系统的弹性要小得多，嚣此把轮对、构絮、车钵携为剐体是可以接受的。 需要注意的是，软件中的坐标系的定义为：z 轴以前进方向为芷，z 轴 以垂直向下为正，y 轴的正方向可以由表手定则确定出。 其体建模_ j 妻程群参考文献 4 3 】，建好的机车模型侧视强如图3 1 所示，模 型由车体、构架、电杌、轮对组成，通过一系和二系弹簧连接，车体帮每个 棚桨之间配霄垂向减振器、横向撼搌器和抗蛇行减摄器。一系悬挂配有羹封 减振嚣，车轮踏面采用磨耗型路面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 只在局部特豫地段才使震本枕。混凝枕线路单侧横向力的最大咒许值应根 据扣件横商抗力特性及铜轨倾翻限度等，通过试验并结合孰道结构强度设计 规范加以确定。欧蓑铁路根据试验，一般取04 倍轴重作为横向力的允许限 度，即要求： q o 4 ( b ，+ ，：) 式中& l 、只n 为左右侧车轮的静载荷( k n ) 。 西采用变截面道岔可以友映出车辆和钢轨豹瓣时冲击，相关文献中没有 绘出瞬时冲击值的评判标准，建议应尽快制订出相关标礁。 ( 2 ) 脱轨系数q ，p p 、口分别为作用在车轮上的垂向力和横向力； 表3 - 2 防止脱孰豹稳定性评定标准( g b 5 5 9 9 8 5 ) ( 3 ) 车体横向振动最大加速废、横向平稳性指标 豪3 3 平穗性等级评定标准( t b ，r 2 3 6 0 一9 3 ) 火 最太加速度。4 m x ( m ，j 2 ) 平稳性指标 w 垂向横向 伉24 51 4 7 2 ，7 5 其中平稳健指标由i s 0 2 6 3 l 标准求得。 f 钟减载率 轮对减载率为轮熏减载壁与乎均轮重的比值，用于评定悬浮脱轨的 可能瞧，静恋轮重减载率限僮指标毙 卸，芦o6 5第一限度 印，芦o 6第= 鞭度 对予轮轴横自力允许壤翔题，请参看文献f 4 6 1 的内容。 本章小结 根据机车的结构，建造某2 c o 主型电力机车模型，考虑了孰下垫层的设 置，即离散的轨道轨抗模型。最后给出了机车动力学评定指标，以便对后 面的仿真结果进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 9 页 第4 章轮轨间数学模型及实现 由于道岔结构复杂，决定了道岔区内特殊的轮轨接触关系，在转辙器区 和辙叉区的过渡阶段，两股钢轨共同承受外来载荷，使得在这些区域内出现 两点接触，甚至三点接触的情况，所以在仿真道岔模型时，要正确的处理变 截面中接触点的问题。 进行车辆一道岔动力学仿真分析时，处理好轮轨接触关系的同时，还应 该考虑车轮在一段很短的时间内和轨道失去接触的跳轨情况以及仿真出护 轨和车轮轮缘背部之间的横向冲击。 本章最后对于道岔区内几何不平顺进行了介绍。 4 1 轮轨接触关系 4 1 1 运动方程 要解释轮轨间接触关系，首先从描述车辆运动的闭环约束开始【“l ，当 车轮和钢轨之间为刚性接触模型时，模型如图4 1 左图。车辆的运动方程可 以根据其位置坐标p ( t ) 和车辆的运行速度坐标v ( t ) ，通过第一类拉格朗日方 程，即代数一微分方程( d i f f b r c m i a l - a l g e b r a i ce q u a t i o n s 也称d a e ) 给出， 见公式( 4 一l 4 3 ) 。 声= v( 4 - 1 ) f ( p ，r ) 矿= ，( p ，v ，五，f ) 一g 1 ( p ，r ) 且( 4 2 ) 占( b f ) = o( 4 3 ) 其中公式( 4 3 ) 为轮轨之间接触的约束条件，对于不同接触模型，可以采用适 当的代数公式表示。 f f l 为拉格朗日乘数，轮轨之问正常接触情况下，它的 大小和作用在接触点处的法向力相对应。，( p ，v ， ，f ) 为轮轨间的作用力矢 量，它的大小只是通过轮轨之间的摩擦力的拉格朗日乘数a 0 ) 确定。式中的 肘) 表示对称的质量矩阵。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 钢轨 甄4 1 轮轨闭剐性接触模型和弹性接触模型 当牟辆在运行盼过程中，在一段很短的时闻内，会出现车轮弱轨邀暂时 失去接触的情况，称梵车轮的跳动。s l m p a c k 仿箕过程中，考虑了选种特 况的发生，程序在一个特定的函数r o o t f u n c t i o n s 的帮助下完成车轮跳动的 检测。方法是通过检测车轮和钢轨之间豹法向力的大小，当擎轮和轨道之闻 的法囱应力的大小为负值时，我们认为就出现了车轮的跳动。此时轮轨之间 剐性接触模型用弹性接魉模型代替， 甄就是说，此时轮轨之间通过一例的弹 簧一阻尼结构来代替。弹性接触模型如图4 。l 右图所示。对于运动学辞式来 说，其约束条件的等式( 4 3 ) 用一个赫兹接触弹簧代替，运动方程出现了两个 等式，见式( 4 4 ) ，称为殷微分等式幕统( o r d i n 8 r yd i 脑r e n t i a le q u a t i o n s 也 称o d e ) 。 ，= 五( “ ) ，y ( p ，) 7 ( 4 _ 4 ) 4 1 2 轮轨接触模型及接触点 用d ( ，g ) 表示f 1 合曲线上，相对应的轮轨接触点之阋曩盏方向上的距 离。它由横向车轮截磷坐标s 及对于轨道坐标，相应的车轮位置矢量q 确定， 因为位蟹矢摄g q 0 ，f ) 依赖于4 1 1 节中运动学等式( 4 - 1 4 3 ) 中坐标p ，其 经典的接触条件可以罔公式( 4 - 5 ) 表示： 亭( g ) _ 哑“，g 2 0 ( 4 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 处于过渡状态，载荷由蒸本轨和尖轨或者翼轨稠长心孰、长心轨和短心孰嚣 股轨道共司承担，此时作用点有两个( 4 4 b ，4 4 c ) ，如果在两点接触的情况下， 在踏面轮缘处还有一接触点，或者与护轨接触，则称为三点接触( 4 + 4 d ) 。最 后一种情况是载荷完全由尖轨或者心轨承担，轮轨作用点也只有一个a 这4 类接触在遵岔区的发生燕随机的，不可能用一辫接触关系来处理珏，遂稚 区部分轮轨接触关系见附录1 。 2 s口0 1 5- 1 05o5 车转播咎量栅m 图4 2 接触剖面图图4 3 筚轮接触点的位置 澍湖幽淤 ( b )c ) 图4 - 4 轮轨之间可能的接触情况 4 1 1 3 轮轨接触在仿真中的实现 ( 由 国内对于轮轨接触关系的研究非常多，从车轮具有等斜度的锥形踏面开 始，过渡到把踏面近似成单一圆弧、多段圆弧，再到现阶段的任意形状的踏 匿，使得模拟化的踏 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 轮踏面和钢轨截面外形，即迹线法。国外在研究轮轨接触几何关系，也取得 很大成绩，如文献 5 0 ，5 1 ，本文重点介绍s i m p _ a c k 软件中的实现过程。 为提高软件仿真速度，通过二维样条的拟合和对称的二次方程式的插值 来求解接触条件( 4 7 ) ，接触点位置( 4 8 ) 及摩擦参数。二维样条的拟合根据相 对于轨道的车轮的横向偏移量和侧滚角进行，插值是将摇头角作为独立的参 数，从而进行插值。基于这一目的，在模型前处理阶段应该计算出拟合和插 值过程中所需要的样条系数，并且把这些值存储在一个图表中，当仿真进行 的时候，只是这些图表中的值分别计算，具体的仿真过程的实现如下【4 ”。 一般三维空间接触问题通过几何函数f 灯，摇头角p 的二次方程式的 拟合，式( 4 - 9 ) 化成两个二维的的问题： z ( y ，妒，矿) = ( 1 一( 妒仍) 2 ) z ( y ，伊，o ) + ( p 吼) 2 z ( y ，p ，仍) ( 4 - 9 ) 这里他= 只砸掘g ，摇头角的度数由接触文件中的值决定。 接触几何和摩擦参数的值根据不同的轮轨形状，由程序计算得出，获取接触 参数可以采用两种不同的接触模型。 x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 4 页 踏面和轮缘以不同的方式离散，如图4 7 ，s b o u n d 代表在这两个区域 的边界。d e l s l 和d e l s 2 是在踏面和轮缘上离散点各自之问的离散步长。 ( 推荐s b o u n d = 一00 0 2 5 ，d e l s l = o o 0 0 2 ，d e l s 2 = o 0 0 1 ) f 图4 。5 刚性接触模型车轮离散 一 f 图4 7 准弹性接触模型车轮离散 s 图4 6 旋转后的离散过程 拟合和插值 b 一样条程序通过给定函数的最小二乘法拟合。这个函数通过准一弹性 接触模型或者其它模型来平滑。用户可以通过经由参数s d e g 来选择b 一样 条曲线的次数。而且，b 一样条曲线的上的拟合的节点个数也可以选择。 n b a s l 是横向偏移的等距离节点个数。除此之外，在靠近接触点跳动处也 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 页 可以定义节点数目，由n a d d l 给出。n b a s 2 是在旋转方向上用于拟合的 等距离节点个数。 此时二维的b 一样条拟合条件见等式( 4 10 ) ： d ( 葺，) = a ( 。) 、+ ，耳：( _ ) 磷? ( 屯) ( 4 1 0 ) l ；1r 。1 在这里磷1 ) ( ) 和碰? ( 屯) 是次数为k 的多项式。对于给定的函数，系数a ，是 确定的，所以范数l 口一川= f ( 口一，) 是最小的。 输入的参数y m i n ，y m a x ，p h 讧i n 和p h i m a x 描述了函数的拟合 区域，特别的，描述的区域不能包含全部截面。用户必须确定选择了区域边 界包含了全部截面，这样拟合才能完全进行。对于摩擦参数，设置的接触文 件的第四部分的第二个标志允许拟合从b 一样条曲线拟合转换到线性插值。 在靠近不连续处，如采用b 一样条函数拟合，方法将会失效，这时对于 b 一样条函数的修正是非常必要的。修正通过最小二乘拟合的加权和和平滑 项( 通常是薄孔函数) 进行。参数a i 也g = n = 岛定义修正权数。如果是刚 性接触模型推荐采用1 0 7 ，如果是准一弹性接触模型，通常应用a r e g = 5 x l o 一，用户应该注意到既使1 0 。6 也有很明显的修正作用，修正工作通过式 子( 4 1 1 ) 解决。 i i 口一川+ i 衍 + 2 n 岛 + 虞吒 如( 4 - 1 1 ) 其值为最小而得到，对于折中来说是修正是很有必要的。 4 1 4 轮轨力 确定了接触点的位置之后，就可以计算轮轨之间的接触力。接触点位置 处的接触力分为法向力和切向摩擦力( 蠕滑力) ，根据4 1 1 节中车辆运动学 方程可知，在刚性接触模型中( d a e ) 中，法向力的大小和拉格朗日乘数2 相 一致：切向摩擦力的大 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 p f ) ，则法向轮孰力n 可由公式( 4 1 2 ) 得到： ：f 卫盟12 ) lp ( 1 ) 上式中，“1 ) 为单位法向力所产生豹弹性压缩羹，可由式 o 时，f = 岛p + 哦声 g 和d ，分别为弹簧的刚度和阻尼系数。 在弹性接触模型中，轮轨问切向力的大小为0 。 4 2 车轮和护轨的接触模型 仿粪车辆通过道岔，一个重要的模型特征就是车轮背部稚护轨之同产生 西南交通大学硕士研究生学 立论文第4 8 页 辙义区前拘架的横向加速度最大值为2 i m ，s 2 ，垂囱加速度为0 + 8 3 酬s ，可 以看出：心轨处的垂向加速度拢转辙嚣区的垂商搬速度大，后构架在转辙器 区的加速度响应比前构架要小，但是在辙叉处的加速度响应相差不大。 圈5 8 和5 一1 9 给出第一轮对横向和垂向加速度的响应，可以蔷出在尖 辘处，由于车轮私钢轨的横岛冲击，车轮的横淘加速发达型箍犬馕3 0 7 m 膨。 在辙叉处的最大垂向加速度达到1 1 1m 搿，眈转辙器区响应大。 菸 “ 筻 k k r fi 。i 。l 2 0 d o 0 1 2 0 w h 聃i 特t 1p o s m q n ( m ) 匿5 1 8 第一轮对横淘加速度圈5 1 9 第一轮对垂离加速度 论文中建立了复杂丽详尽豹机车模型将电机从耱体中分离出来，从而 研究了电规的搬动特性，第一位电枫其横向和垂岛懿捆速度摇圈s 2 0 帮慝 5 2 1 所示，波形和构架的仿真益线捅似。模向加速度时最大使为7 3 f n ，s 2 ， 出现在转辙嚣嚣，垂向加速度的最大值为1 3 耐s 2 ，出现在心轨处。 2 04 0柏1 1 w h e “8 目1p o s i b n m )一w h e 日i 聃 1p o 枷( m ) 圈s ，2 0 第一位电机横彝加速度图5 2 l 第一位电机垂商加速度 图5 - 2 2 霜s 2 3 分别给出了第一轮对下轨枕的横肉热速度和羲恳鸯丑速度 的响应曲线，可以看出：在横向方向上，转辙嚣区振动比较剧烈，轨枕加速 嚣矗暮一i蔷哥旦*霉一零篓 2 ， o 2 寄瓢毫一。口琶口繁一姜p_t b 8 4 2 o 2 4 争墨g强ltj 西南交通大学预士研究生学位论文 第4 9 页 度最大懂达到1 7 8 9 妇2 ，钢轨垂囱加速度为1 1 4 m s ：，但侔羽对闻报短。除了 在转辙器区和辙叉处，其它位置处鞔枕豹振动较小。 j l 圈5 ，2 2 辘就横向加速度瞄5 2 3 轨抚垂向招速度 最爝给出车体前后司机室的平豫性指标，如袭5 1 所示。 表5 1 车体平稳性指标 5 。2 4 横移囊 图5 。2 4 给出第一轮对的横移最曲线，当机车由钢轨直股侧向进入道髂 瑶，由于导曲线和直股之间采用螺旋线连接且车轮对尖轨产生冲击作用，致 使轮对出蠛横移，撞壹后，使得车轮向反方向偏移，但在导曲线的作焉下， 叉很快魄移向外轨并达到横移的最大德，且在圆曲线上基本维持8 7 m m 的 偏移量，当进入护轨轮缘后，由于护轨的横向冲击作用，使得轮对在很短的 距离内横移量由86 m m 减小到4 m m 孵近，最后瞬低到零，从蔼避免了轮对 冲击岔心的可能。对手车体的横移，如圈5 2 5 ，没有进入道岔时车伴没蠢 横移，只有当车体完全进入圆曲线盾，其质心横移量才能遮到最大值，即在 弧长4 5 6 5 m 处，数斌较大的横移量均是由圆曲线所g l 起豹。当车轮冲击护 轨后，使襻车轮的横移壁肉反方良偏秽。最大僮达到7 9 m m 。驶离道岔菇 横移量减小到o 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 。她n 器。如) 1 2 。 嚣，。删：。枷严 1 图s 一2 6 第一轮对脱孰荼数图5 2 7 第一轮对右轮轮熏减载率 5 3 车辆童逆向通过道岔的动力学分析 对于机车直逆向通过道岔时，育研究表明：当车辆运行速度很大时 西南交通大学硕士研究生学位论文第塑垦 道路高低不平顺对率体瓣向加速度和减载率均有显著影响面对脱轨系数的 影响较小，鞔囱不平颥对水平力、脱轨系数均有显著影响，水平不平颓对车 体减载率、车体垂直加速度均有较大影响，轨距不平顺对普通速度车辆的动 力学晦应影响较枣，但对子较高速度运行的车辆，鞔距过大时易造成车辆蛇 行运动，影响乘车舒逶度。因此耍准确的仿真车辆赢逆囱过筮性能，就赫须 添加这魑不平顺，馈这方面的资料很少，且不平顺的位置不能准确确定。在 相关文献中车辆一道岔动力学仿真时，也没青考虑这些不平顺。_ | l i 以在本论 文的仿真进程中也没有加入不平顺，以下是茁寞结