30 t轴重12号重载道岔交叉渡线轮轨力学行为及安全性研究

30 t轴重12号重载道岔交叉渡线轮轨力学行为及安全性研究侯博文;高亮;崔日新;何雪峰

【摘要】The turnouts designed for 30 t axle-load wagon have been used on central and southern heavy haul railway corridor in Shanxi province. However, no study has ever been conducted on auxiliary scissors crossover for heavy haul railway. Based on vehicle-turnout coupled dynamics, a No.

12 scissors crossover coupled dynamic model for 30 t axle-load wagon is established with multi-body dynamics software SIMPACK. The influences of wagons passing though scissors crossover, wagon speed and rail cant on wagon running safety indexes are analyzed. Reasonable recommendations are proposed for the design of the scissors crossover for 30 t axle-load heavy haul railway.%30 t轴重重载道岔已在山西中南部通道正线上投入使用，但对配套重载交叉渡线的研究尚属空白。基于车辆道岔耦合动力学，采用多体动力学分析软件SIMPACK建立30 t重载货车12号交叉渡线动力仿真模型，分析重载列车过岔方式、过岔速度及轨底坡设计对行车安全性的影响，为30 t轴重重载铁路交叉渡线的设计提供合理建议。

【期刊名称】《铁道标准设计》

【年(卷),期】2016(060)008

【总页数】5页(P12-16)

【关键词】重载铁路;交叉渡线;动力响应;轨底坡

【作者】侯博文;高亮;崔日新;何雪峰

【作者单位】北京交通大学，北京 100044;北京交通大学，北京 100044;北京交

通大学，北京 100044;中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055

【正文语种】中文

【中图分类】U213.6

随着国家经济的快速发展及社会的不断进步，重载铁路在满足大宗货物运输中的作用日益突出。重载铁路已成为铁路货运现代化的重要标志与发展目标。我国铁路“十二五”发展规划中将华中地区煤运通道、山西中南部通道、张唐铁路等多条重载线路列为重点任务，其中山西中南部通道是国内第一条30 t轴重标准的重载铁路，目前已建成投入运营。

道岔是引导车辆由一股线路转到另一股线路的重要轨道结构。交叉渡线作为道岔的配套结构，可有效方便站场设计，节省工程投资。山西中南部通道正线上的单开道岔已全部采用重载道岔[1-4]，但由于没有配套的重载交叉渡线产品，共有5组交

叉渡线仍采用提速道岔，需限速运行。与单开道岔相比，交叉渡线的结构更为复杂，轨道结构不平顺所引起的轮轨相互作用更加剧烈。当30 t轴重的列车开行经过时，对交叉渡线结构安全性、轮轨磨耗的考验更是前所未有。而目前对交叉渡线的研究均集中于基于行车舒适性的客运交叉渡线设计[5-7]及交叉渡线无缝化研究[8-11]，而对重载铁路交叉渡线的研究尚属空白。

结合山西中南部重载铁路交叉渡线研究的迫切需求，本文基于车辆-道岔耦合动力学，采用多体动力学分析软件SIMPACK建立30 t重载货车-12号交叉渡线动力

仿真模型，对重载列车过岔方式、过岔速度及轨底坡设计对行车安全性的影响进行分析，为30 t轴重重载铁路交叉渡线的设计提供合理建议。

1.1 货车模型

基于多体动力学，依据30 t轴重货车设计参数[12]，结合车辆的结构形式和振动

特点，建立了包含车体、转向架、摇枕、轮对的11体39自由度货车整车模型。

其中车体、各轮对考虑沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动；传统三大件转向架结构考虑侧架的纵向、横移和摇头运动及摇枕的摇头运动。此外，模型中还考虑了摇枕、心盘、楔块及旁承等结构的非线性因素作用。

1.2 12号交叉渡线模型

交叉渡线模型根据60 kg/m钢轨12号道岔5.0 m间距交叉渡线的设计图纸建立(图1)。该交叉渡线由4组转辙器，2组6号钝角辙叉、2组6号锐角辙叉、4组

单开12号固定辙叉以及各辙叉区对应的护轨组成。建模时首先按照12号交叉渡

线的道岔实际尺寸和各股钢轨的空间布置提取道岔的若干典型截面坐标信息，生成SIMPACK可调用的钢轨截面文件。在SIMPACK中调用各关键位置的典型钢轨截面，并在每两个截面中进行线性插值以形成完整的轨道。

1.3 轮轨接触模型

交叉渡线钢轨截面持续变化，轮轨接触方式多变。根据岔区车辆运行轨迹，轮轨接触处理时常考虑单点接触、踏面及轮缘的两点接触、踏面上的两点接触以及轮背与钢轨接触4种情况(图2)。计算时，首先对轨面和踏面形状进行离散，进而用迹线法动态确定轮轨空间接触几何关系。轮轨法向力根据Hertz非线性弹性接触理论

计算，轮轨蠕滑作用采用Kalker线性理论计算[13]。当轮轨间出现两点接触时，

轮轨法向力按照公式(1)计算

式中，N1、N2为两接触点处轮轨法向力；δ(N1)、δ(N2)为两接触斑的法向弹性

压缩量；p(l)为轮轨接触常数，由公式(2)确定

式中，E为杨氏弹性模量；σ为轮轨材料泊松比；λ为轮轨接触椭圆长、短轴之比。由于轮背与钢轨的接触时间非常短，因此轮背与钢轨接触的法向力可采用公式(3)

所示的弹性接触模型进行计算

式中，kG为护轨横向刚度值；δ1为轮轨间间隙量；d为轮缘设计厚度；yG为护