2001年9月铁 道 工 程 学 报
Sep tem ber 2001
第3期(总71)
JOU RNAL O F RA I LWA Y EN G I N EER I N G SOC IET Y N o .3(Ser .71)
文章编号:1006-2106(2001)03-0038-04
33
Ξ
方法学任尊松31 翟婉明2 缪龙秀1 孙守光1
(1.北方交通大学机电学院，北京100044;2.西南交通大学列车与线路研究所，四川成都610031)
提 要：护轨对确保车辆顺利通过道岔起着重要的作用。在车辆2道岔空间耦合振动模型[1]的基础上， 以12号单开提速道岔为例，利用轮缘槽和动态轮轨间隙量，给出了计算道岔护轨横向冲击力的方法，模拟计算了车辆侧向过岔时护轨的冲击振动情况。主题词：护轨；道岔；冲击振动；模拟计算中图分类号:U 213 文献标识码: A 在既有道岔中，护轨在控制车轮运行方向和防止心轨过度磨耗，确保车辆顺利通过道岔和延长道岔使用寿命等方面起著十分重要的作用。目前我国铁路干线车辆运行速度加快，这对主型的60A T 钢轨12号单开道岔来说，具有护轨横向受力增大、潜伏着车轮撞击心轨尖端的危险[2]。因此，正确确定车轮对护轨的冲击力具有非常重要的现实意义。虽然文献[3]曾作过这方面研究工作，但它主要是针对高速客车直向过岔问题。本文拟从动态轮轨接触几何关系出发，利用较为精确的轮轨间隙量，模拟计算车辆侧向过岔时护轨横向冲击力及其相关振动响应，而忽略其纵向冲击情况。
在计算道岔系统振动特征时，作者建立了实用而又较为详细的车辆2道岔系统空间耦合振动模型[1]。对于客车模型，车体和轮对考虑了横移、沉浮、侧滚、点头和摇头，构架则包含了它们的所有6个自由度，这样客
车共有37个自由度；对于货车模型，车体和轮对同样
考虑了横移、沉浮、侧滚、点头和摇头，侧架则考虑了横移、沉浮和点头以及整个构架的摇头和菱形变形，所以货车共有41个自由度。
另外，在车辆2道岔系统空间耦合振动模型中考虑中空间轮轨接触几何关第，从而实现了轮轨接触几何参数计算与车辆、轨道振动响应计算的一致性与同步性。因此，任何时刻左、右轨的接触点位置可以很容易地得到，进而可以确保获得轮对中心和轨道中心相对于左右轮轨接触点的距离以及轮缘间隙量。
1 护轨横向冲击力计算方法
将护轨视为两端自由的等截面E luer 梁，基本轨、护轨及心轨与轮对之间有如图1所示的轮轨运行关系(图1(a )中,
所标数字表示轮缘槽宽度及护轨各段长
(a )护轨冲击示意图 (b )轮缘槽轮轨间隙计算图示
图1 轮对、基本轨、护轨及心轨相互关系图
收稿日期 2001-07-12 任尊松 博士后 男 1969年出生33 本课题受霍英东教育基金、铁道部科技研究开发项目(97G15)资助
度，单位为mm )。下面以轮对左侧为例来详细推算车辆运行时轮轨之间的间隙量∆l (m )。
如图1(b )所示，设基本轨轨头上接触点到轨下16mm 的横向距离为Λl (m )，那么有下式成立:Λl =Y L R -D 0-y L R
(1)而∆l =Y LW -L 0-d -Λl
(2)
将式(1)代入(2)中可以求得:
∆l =Y LW -Y L R -L 0-D 0-y L R -d
(3)式(1)～(3)中,Y LW 、Y L R 分别是轮对中心和轨道中心到左侧轮轨接触点的横向距离(m ),L 0为轮对内侧距之
半(m ),D 0为轨距之半(m ),d 是轮缘设计厚度(m ),
y L R 为左轨的动态位移(m )；如果轮对内侧距、轨距和轮缘设计厚度都取正常值(1.353m 、1.435m 和0.032
m )，式(3)可简化成:安贞医院体检中心
∆l =Y LW -Y L R +y L R +0.009
(4)
从这里可以看出，在初始或标准状态下(轮对中心线与轨道中心线重合，且此时有Y LW =Y L R ,y L R =0)，轮轨之间的间隙量依据型面和轨头设计应为9.0mm 。如无任何外界激扰，轮对将不会与护轨发生冲
击，但是在车辆侧逆向通过道岔时，对于12号固定式单开道岔，虽然护轨起点位于导曲线(R =350m )终点外0.165m ，但轮对在离开导曲线后其横移量不可能在这样短的距离内下降到零位置附近，以至轮对在轮缘槽内∆l 将大于9mm ；而对于12号可动式心轨单开道岔，其护轨起点则位于圆曲线终点内部0.945m 处。所以此时轮对在轮缘槽内必然与护轨发生横向冲击作用；由此可以看出，道岔区导曲线及欠超高的存在是侧向过岔时轮对与护轨发生横向冲击的直接原因
。
图2 心轨区轮对与护轨接触情况
图3 轮对与护轨横向作用力示意图
图2反映了轮对与护轨的接触情况，图3则显示了此时作用于护轨的横向冲击力的求解方式。由此，作用于护轨上的横向力F G 将通过式(5)来求得:F G =0 (∆1+d -y G -∃Φ0)
F G =k G (∆1+d -y G -∃) (∆1+d -y G -∃>0)
福楼拜是怎样的老师(5)
上式中,k G 是护轨横向刚度值,y G 为护轨横向动态位移,∃是轮缘槽各处宽度。
2 护轨冲击力及相关振动响应
本文以12号可动式心轨提速道岔侧向护轨作为模拟计算对象，得到了C 62货车和准高速客车均以50km h 的速度侧逆向通过道岔时护轨的有关振动特性(轮对内侧距、轨距以及轮缘设计厚度均取正常设计
值，护轨横向刚度值一般取14～16M N m [3]，系统其它参数选取与文献[4]一致)。
图4和图5分别是客车侧逆向通过道岔、四位轮
对依次通过护轨时，每位轮对与护轨的横向冲击力与作用时间之间的关系以及与轮对位置相对应的护轨横移响应(图中数字表示轮轴号)，图6和图7则是货车过岔时护轨受到的横向冲击力和护轨动态横移响应。图4和图6与文献[4]中的测试结果在波形上吻合得比较好。从这里可以看出，轮对作用于护轨的横向力表现为冲击力形式，并且第1、3位轮对与护轨之间的冲击力要比第2、
4位轮对的冲击力大；第3位轮对与护轨之间的冲击力又较第1位轮对的稍大，这可能是当第3位轮对与护轨之间发生冲击作用时，护轨受前面两位轮对的影响已处于动态振动状态所致。由于货车轴距较短、轴重较大，使得其轮对与护轨的冲击力峰值较客车的大，作用时间较客车的长，护轨的横移量也较客车的大。保师附小在线校园
图4 护轨冲击力响应(客车)
从图6中还可以看出，由于货车轴距较短，其前一位轮对与护轨之间的冲击力还未完全消失，后一位
轮对与护轨的冲击力就已发生，此时货车冲击力的最大值为76.8kN 。在各个设计值均取正常值且车辆进岔
9
3 第3期任尊松等：护轨横向冲击振动模拟计算
时处于静平稳状态中，冲击起点一般发生在护轨缓冲段轮缘槽宽48mm 处，而最大值则在护轨缓冲段轮缘槽宽42.2mm 位置[4]。从图7中也可以看到此时护轨的最大动态横移量为1.3mm 左右，并在转向架前位轮对与护轨发生横向作用时，与其后位轮对位置对应的护轨将向反方向横移
。
图5 护轨动态横移量(客车
)
图6 护轨横向冲击力响应(货车)
图7 护轨动态横移响应(货车)
虽然12号可动心轨式单开道岔侧向设置防磨护轨将使得轮对冲击护轨、引起系统的附加振动，但护轨
的设置对减缓心轨磨耗、防止轮对冲击心轨，具有非常明显的作用。图8显示了此时第1位轮对外侧(虚线)、内侧(实线)轮轨间隙变化情况。该图表明，当发生轮对冲击护轨后，横向冲击力将迫使轮对向内侧主轨方向横移，轮对横移量很快减小(在0.5m 距离之内)，心轨一侧的轮轨间隙将从0.5mm 附近增加到6.5mm 左右，而另一侧的轮轨间隙则从18.5mm 减小到12mm 左右，使得轮对外侧轮缘根部远离心轨顶面，从而达到减小心轨冲击与磨耗的目的。
图9反映了货车过岔时第3位轮对下护轨平直段轮缘槽宽度动态量。该量是轮缘槽设计宽度、护轨横移和内侧主轨横移的动态合成。从这里可以发现平直段内轮缘最大宽度位置在其开口处，其值为42.4mm 。
图10反映了客、货车以不同的速度通过道岔时护轨所受的横向冲击力峰值变化情况。从该图中可以看到，过岔速度与护轨冲击力峰值几乎呈线性关系，当货车过岔速度从40km h 提高到60km h 时，冲击力最大值也从72kN 增加到81kN 。过大的冲击力将不可避免地造成轮对损伤和护轨构件折损。因此
，这也是严格限制列车侧向过岔速度的原因之一
纳吉。
图
8 轮轨间隙变化量
图9 轮缘槽宽度动态变化量
图10 护轨最大横向冲击力
3 结论
利用轮轨接触几何和轮轨相互作用关系，能够很方便地求出轮缘间隙与轮缘槽宽度之间的关系，借助它可以得出求解护轨冲击力的表达式，从而得到护轨冲击力及其相关振动响应。仿真计算结果及分析表明:
(1)正确确定护轨所受的冲击力值具有很重要的
04铁 道 工 程 学 报2001年9月
意义，它为护轨的合理设计提供了保证。
(2)过岔速度对护轨冲击力有较大影响，为了减轻护轨冲击、延长其使用寿命，有必要严格限制车辆侧向过岔速度。
(3)虽然护轨的设置将影响到车辆过岔的动力特性，无论是轮对受到的横向力还是轮轨间隙等都无一例
外地受到护轨冲击力的影响。但设置护轨却可以有效地减轻轮缘磨耗心轨、防止轮对冲击心轨端部，于行车安全十分有利。
参考文献
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究[J ].铁道学报,2000,22(4):28—33.
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中国铁道科学,1992,13(12):52—68.
[3] Yasuo Sato .Characteristics of lateral fo rce acting at
guardrail on turnout [J ].Q R of R TR I ,1988,29(2),62—66.
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大学,2000.
SI M ULAT I ON OF LATERAL I M PACT V IBRAT I ON OF GUARD RA I L
REN Zun -song 1,ZHA IW an -m i ng 2,M I AO L ong -x iu 1,SUN Shou -guang
1 1M echan ical &E lectrical Engineering Co llege ,N o rthern J iao tong U n iversity ,B eijing 100044; 2T rain &T rack R esearch In stitu te ,Sou thw est J iao tong U n iversity ,Chengdu 610031
Abstract : T he guard rail p lays an i m po rtan t ro le of en su ring the veh icle passing th rough the tu rnou t zone suc 2cessfu lly .B ased on a veh icle tu rnou t sp atial in teracti on m odel ,setting the N o .12sp eed 2raised single 2w ay tu rnou t as an exam p le ,a m ethod w h ich the flangew ay clearance and the w heel 2rail dynam ical clearanec are con 2sidered ,is p resen ted in th is paper to calcu late the lateral i m pact fo rce acting on the guard rail ,and the dynam ic respon ses of guard rail are si m u lated w h ile the veh icle passing th rough the tu rnou t zone .Key words : guard rail ;tu rnou t ;i m pact vib rati on ;si m u lati on
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4 第3期任尊松等：护轨横向冲击振动模拟计算
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