400 km·h-1高速道岔号码选型与结构优化

基于中国高速铁路进一步提升运营速度的需求，系统研究了400 km·h^-1高速道岔号码选型与结构优化方法；基于车辆-道岔耦合动力学仿真，分析了道岔号码与平顺性的关系，并给出了号码选型建议；研究了道岔线型对动力学性能的影响，并考虑既有岔枕通用原则，提出了线型优化方案；建立了客专线18号道岔尖轨转换原型试验平台，研究了尖轨不足位移的影响因素与影响机制，提出了尖轨不足位移的控制方法；基于有限元理论，建立了道岔区轨道刚度计算模型，结合岔区钢轨动位移现场实测数据，提出了岔区轨道刚度目标取值与均匀化方案。研究结果表明：在现有车站布置方案条件下，400 km·h^-1高速道岔仍建议选择18号道岔；将400 km·h^-1高速道岔相离值增大至28 mm,可显著提升耐磨性能与使用寿命，也可实现岔枕通用；综合考虑系统匹配设计、制造工艺、工电结合要求等多方面因素，建议将第三牵引点至固定端距离减小600 mm,可减小尖轨不足位移，同时最小轮缘槽和第三牵引点牵引力符合规范要求；建议改进高速道岔辙叉结构设计方法，根据实际受力确定心轨弹性变形状态，在此基础...     

高速铁路道岔设计关键技术

基于道岔轮轨多点接触关系,建立了高速道岔动力分析理论,并设计出适合我国高速道岔的相离式半切尖轨平面线型、心轨水平藏尖结构、尖轨短过渡顶面轮廓和弹性均匀的岔区轨道刚度.为解决无缝道岔转换卡阻问题,在考虑长大轨件纵横向协调变形的基础上,研发了适应大伸缩量的转换锁闭机构、既可有效传递纵向力又可保持道岔平顺性的尖轨及心轨跟端结构和适用于有砟和无砟轨道基础的扣件系统.为控制长大轨件转换不足位移,确保道岔的高平顺性和锁闭可靠性,运用有限单元法进行长大轨件及双肢弹性可弯心轨结构的转换设计,研制出新型辊轮滑床台,并优化了转换牵引点布置及其动程设计.     

高速道岔尖轨矫直的有限元分析

采用三维实体有限单元法,建立了高速道岔尖轨矫直有限元模型,为高速道岔尖轨矫直提供理论指导.分析了加载支距、加载方式和加载量对尖轨矫直塑性变形、应力及尖轨线形的影响.结果表明：在加载量相同的情况下,随加载支距增大,尖轨产生的塑性变形减小,尖轨矫直从过量逐渐变为不足;在加载支距相同的情况下,随加载量增大,尖轨产生的塑性变形增大,尖轨矫直从不足逐渐变为过量;采用竖向加载并水平约束轨底两侧的矫直方式能明显改善尖轨的线形.最后,建议尖轨矫直采用大支距、小加载量并约束轨底两侧的方式.     

高速道岔转换锁闭结构力学特性

为指导高速道岔转换锁闭结构的优化设计,根据道岔区轮轨系统耦合动力学理论和有限元方法,建立了转换锁闭结构动态受力计算模型;以60 kg/m钢轨客运专线18号单开道岔转辙器外锁闭装置为例,研究了列车过岔速度、尖轨不足位移和顶铁离缝等对转换锁闭结构力学特性的影响.研究结果表明:列车过岔速度对转换锁闭结构力学特性有显著影响,当过岔速度为250 km/h时,其受力及变形到达最大;存在一定的尖轨转换不足位移,有利于改善转换锁闭结构的受力状态;顶铁离缝的增加使转换锁闭结构的受力几乎呈线性增加,在道岔运营过程中应尽量避免顶铁离缝出现.      

42号高速道岔转辙器区钢轨磨耗规律的预测分析

为了弥补42号高速道岔钢轨磨耗规律理论研究的不足，建立了高速道岔钢轨磨耗发展的理论预测模型. 基于Archard材料磨损理论和车辆-道岔耦合动力学仿真分析进行钢轨磨耗深度分布计算；采用了一种自适应步长算法对岔区各特征位置钢轨型面进行更新，可有效减少误差累积、改善数值模型稳定性；基于理论预测模型研究了42号高速道岔尖轨和基本轨的磨耗分布和发展规律. 研究的主要结论如下:1） 直向过岔时，轮载过渡发生于35.0～50.0 mm断面之间；在轮载过渡前磨耗发展缓慢加快，轮载过渡区段磨耗发展迅速加剧，轮载过渡完成后磨耗发展有所减缓. 2） 侧向过岔时，列车进岔后很快就开始贴靠曲尖轨运行，9.1 mm断面即出现侧磨；随着曲尖轨逐渐加宽，尖轨轨肩始终存在较严重磨耗，直基本轨虽主要承担轮载，但磨耗相对曲尖轨要小得多；轮载过渡开始后曲尖轨磨耗分布变宽，轨肩磨耗显著减小，至全断面后曲尖轨磨耗再次显著减小；曲基本轨磨耗均主要分布于轨头中部，轮载过渡前磨耗发展逐渐加快，过渡开始后磨耗发展减缓.      

制动力作用下桥上道岔区纵连无砟轨道受力与位移

为系统分析纵连无砟轨道与桥上无缝道岔在制动力作用下的受力与变形规律,以武汉—广州客运专线雷大桥铺设博格纵连式无砟道岔为例,将客专18号渡线、纵连式无砟轨道、桥梁和墩台视为整体,建立了岔-板-梁-墩一体化计算模型,分析制动力作用下道岔、道床板、桥墩的受力和变形规律.分析结果表明:在制动力作用下,基本轨制动附加力及位移随道床板伸缩刚度的减小而增大,但板轨相对位移未超过1 mm;限位器和间隔铁的纵向力及心轨、尖轨处板轨相对位移受无砟轨道结构的影响较小,限位器未贴靠,间隔铁力最大未超过13 kN;道床板制动附加力随伸缩刚度的降低而减小,减小量最大达到3 832.9 kN,位移则增大,最多达到17.4 mm;道床板伸缩刚度和滑动层摩擦因数减小对桥墩受力不利;当滑动层摩擦因数μ≤0.2时,取消固结机构,桥墩纵向力减小值接近500 kN.     

6号对称道岔脱轨机理及影响因素

编组场内使用的主型6号对称道岔发生多起脱轨事故，其安全问题一致未得到有效解决. 为探索脱轨原因、提出合理应对措施，首先基于准静态轮轨接触理论分析道岔区轮轨接触特征，进而建立车辆-道岔耦合动力学模型，以车轮动态抬升量为评价指标分析车辆、轨道、道岔结构参数对爬轨性能的影响特性. 结果表明:轮缘贴靠尖轨尖端时接触角仅为53°，脱轨系数临界值不足0.73，是导致6号对称道岔脱轨风险较高的根本原因；尖轨顶宽5 mm处降低值由14 mm减至10 mm、转辙角由1.1° 降至0.9°、无轨撑扣件的垫板刚度由150 kN/mm降至50 kN/mm等措施，均可使得车轮抬升量保持在3 mm以下；道岔前端设置长度不小于3 m直线段、保持良好的轴箱定位状态、尖轨侧面摩擦系数保持在0.3以下也有利于防止脱轨事故发生.      

高速道岔弹性铁垫板刚度劣化规律及对提速的影响

对高速道岔弹性铁垫板的伤损发展及刚度演变过程进行了跟踪试验；基于实测数据，建立了车辆-道岔耦合动力学计算模型，分析了弹性铁垫板刚度劣化对车辆-道岔动力性能的影响，研究了刚度劣化状态下高速道岔对进一步提升运营速度的适应性。研究结果表明:随着高速道岔弹性铁垫板的长期使用，出现橡胶老化、开裂、分离、脱落，铁件锈蚀等伤损；有砟、无砟道岔铁垫板动静刚度比变化均较小，但静刚度均有所增大，有砟道岔铁垫板静刚度初期即有明显变化，上道3年增幅可超60%；普通地带无砟道岔铁垫板静刚度最大可增加30%，刚度变化小于有砟道岔；高寒、多风沙地带无砟道岔铁垫板静刚度变化较快；高速道岔弹性铁垫板刚度的逐渐劣化会对动力性能产生影响；刚度劣化状态下岔区钢轨变形减小，轮轨动力冲击作用增大，安全性参数均有提高；车辆和轮对的运动轨迹基本不变，但轮对振动加剧，车体振动也有加剧的趋势；高速道岔弹性铁垫板刚度劣化状态下，运营速度的提升会导致车辆-道岔系统动力性能进一步劣化，安全和疲劳性能裕量进一步减小，刚度劣化会使高速道岔对提速的适应性下降。扩大提速范围须重点关注道岔区弹性铁垫板刚度劣化情况，对弹性铁垫板进行适当更换，确保行车安全平稳。      

CRTSⅢ型板式无砟轨道减振过渡段动力特性分析

针对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道减振地段与非减振地段的刚度过渡段进行研究,基于车辆-轨道耦合动力仿真分析,在各级过渡段减振垫刚度按双倍递减的情况下,讨论过渡段范围每一级过渡长度和过渡级数对轮轨动力响应的影响。研究结果表明:当过渡级数一定,每一级过渡长度采用3块轨道板长度(约15 m),轮轨力幅值、过渡段与减振地段交界面板缝两侧扣件下压力差值、车体垂横向加速度幅值、脱轨系数及轮轨减载率均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;当每一级过渡长度一定时,过渡级数采用3级,轮对垂向位移突变值、轮轨力幅值、钢轨挠曲变化率幅值、板缝两侧扣件下压力、过渡段与非减振地段交界面板缝两侧的错台量和扣件下压力差值均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;过渡段范围内,列车在经过轨道板缝时存在较大的轮轨冲击作用,尤其在各级过渡段的交界面,轮轨冲击作用更加显著,建议加强对板缝、各级过渡段交界面附近扣件系统的养护和核查。     

锚杆支护对土质隧道围岩位移影响的数值分析

采用离散元法模拟了锚杆支护对土质隧道围岩位移的影响，分析了锚杆不同长度、不同间距时隧道上方围岩竖向位移的变化情况。结果表明：固定锚杆间距，锚杆越长在其加固范围内的隧道上方围岩竖向位移越小，但其加固范围以外的隧道上方围岩竖向位移反而略有增大；固定锚杆长度，随其间距的增大隧道上方围岩竖向位移始终有增大的趋势，且拱顶围岩竖向位移大体呈对数曲线增大的趋势；锚杆最优间距随其总长度的增加而减小。     

列车荷载下桥上CRTS Ⅲ型板式无砟轨道挠曲力与位移

针对中国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道在运营阶段的受力变形问题, 以梁-板-轨相互作用原理为基础, 考虑钢轨、轨道板、自密实混凝土层及底座板等细部结构的空间尺寸与力学属性, 运用有限元法建立了高速铁路桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型; 计算了列车荷载作用下轨道及桥梁结构的挠曲力与位移, 分析了不同列车荷载作用长度、桥上扣件纵向阻力及墩台顶固定支座纵向刚度对挠曲力与位移的影响。研究结果表明: 在全桥加载情况下, 多跨简支梁桥上钢轨挠曲力在支座处表现为拉力, 跨中表现为压力, 大跨连续梁主桥上钢轨挠曲力在两侧边跨表现为拉力, 中间跨表现为压力, 单线加载时2种桥上有载侧钢轨挠曲力分别达到了38、53 kN, 约为双线加载时的1/2;轨道、桥梁结构纵向力与位移最大值不同时出现在同一工况下, 需要根据不同的检算部件选取最不利的列车荷载作用长度, 并将ZK活载中的集中力设置在跨中位置; 采用小阻力扣件可以改善钢轨受力与变形, 简支梁桥和连续梁桥上钢轨最大挠曲力分别减小了35%和22%, 钢轨纵向位移分别减小了7%和5%, 但轨板相对位移分别增大了26%和30%, 需加强观测以控制钢轨的爬行; 从轨道及桥梁结构的安全性与耐久性角度考虑, 建议将墩台顶纵向刚度控制在设计值的1.0~1.5倍范围内。      

6号对称道岔区防脱轨装置的作用机理

为防止6号对称道岔脱轨事故发生,阐述了迎轮护轨和新型防脱轨装置的结构特征及工作原理,并建立了车辆-道岔动力学模型,分析了迎轮护轨和防脱轨装置对道岔区动力学响应的影响规律.研究结果表明:迎轮护轨和新型防脱装置均可明显有效约束轮对通过道岔时的横移量,改变轮对运动轨迹,分别使轮缘在距尖轨尖端0.493 m和0.705 m处接...     

高速铁路道岔系统理论与工程实践研究综述

为了促进高速道岔行业的发展,系统梳理了各国高速铁路道岔领域(包括部件选型与结构设计理念、高速列车/道岔耦合动力分析理论、不同线下基础道岔无缝化设计方法、合理刚度及均匀化设计方法、长大轨件转换计算理论、关键联结部件动静力强度分析、动力学性能测试技术、道岔侧股平面线型与结构设计、制造与铺设、维护与管理等)的学术研究现状、存在问题、具体对策及发展趋势.要适应未来轨道交通技术的发展,高速道岔仍面临着严峻的技术挑战,例如,更高速度的下一代高速道岔在复杂环境下的适应性、全寿命周期设计、轮轨匹配与车/岔动态性能优化、新材料和结构的研发与应用、状态实时获取与性能评估、健康管理及故障预测、能效保持等问题,需要深度融合先进材料与制造、智能与自动化、大数据与云计算、精密测控与效能提升等前沿技术,着力提升我国高速铁路道岔技术领域的原始创新能力.通过现状剖析、问题导向,以期为铁道工程学科的学术研究与技术创新提供新的视角和基础资料.      

道岔区轮轨系统空间耦合振动模型及其应用

基于道岔结构主要特点，并将其理想化，建立了道岔区内轮轨相互作用的空间耦合振动模型，以我国１２号提速道岔为例，分析了可动心轨式道岔与固定辙叉式道岔动力性能的差别，探讨了客货车对可动心轨道岔的适应性以及尖轨冲击角对轮轨间横向动力作用的影响。     

铺设锁定轨温差对无缝道岔受力与变形的影响

为了更好地指导无缝道岔的设计、施工和维护，探讨了不同线路间存在铺设锁定轨温差时，铺设锁定轨温差对无缝道岔受力和变形的影响以及与道岔联结型式、道岔号码、辙叉型式和道床纵向阻力的关系．结果表明，当无缝道岔与相邻线路或相邻道岔间存在铺设锁定轨温差时，传递至无缝道岔上的纵向力增大，导致无缝道岔受力与变形增大．     

小阻力扣件桥上无缝线路附加力

在铁路桥梁上铺设无缝线路，为了降低梁跨结构和钢轨之间的相互作用力，往往采用小阻力扣件。在有碴桥上无缝线路采用小阻力扣件，在钢轨、轨枕及梁跨结构三者之间将产生较明显相对位移，以往的计算模型没有考虑轨枕和钢轨相对位移的影响，与有碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路工况存在较大偏差。在吸收国内外研究成果的基础上，建立了一种能综合考虑钢轨、轨枕、梁体三者相互作用的有碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路附加力计算力学模型，给出了算例，对不同力学模型计算结果作了对比。计算结果表明，新模型计算结果要小于既有模型，对于柔性墩台结构，差分尤其明显。不考虑轨枕位移，该模型也适用于无碴轨道小阻力扣件桥上无缝线路附加力计算，相比有碴桥，小阻力扣件无碴桥上无缝线路附加力有较大幅度增加。     

提速道岔辙叉翼轨的加高值方案优化

为研究固定辙叉结构不平顺对列车过岔动力特性的影响,基于岔区轮轨系统动力学及轮轨接触关系理论,以12号提速道岔固定辙叉为例,分别建立了翼轨不同加高设计方案下的辙叉模型以及CRH2型车车辆模型,在此基础上,深入分析了翼轨加高设计对列车过岔动力特性、过岔速度以及行车平稳性的影响规律. 结果表明:列车过岔时,随着翼轨向外弯折,其轮轨接触区域开始外移,并由此造成辙叉区轮对质心垂向位置的降低;通过设置合理的翼轨加高值,可有效降低辙叉区轨道的竖向结构不平顺,进而抑制轮对质心垂向位置的降低,提高列车过岔的平稳性及旅客乘车舒适度;固定辙叉翼轨加高设计,可有效改善列车直向过岔动力特性,但对侧向过岔效果有限;当加高值设置为3 mm时,翼轨加高优化的效果最佳,与无加高设计相比,加高后列车直向过岔第一轮对横向和垂向轮轨力最大幅值分别降低了45.8%和30.3%,车体横向及垂向加速度则分别降低了42.2%和26.1%;随着列车运行速度的提高,过岔时的轮轨动力响应也开始逐渐加剧,合理的翼轨加高设计将有利于提高列车的过岔速度. 研究成果可为我国铁路线路道岔固定辙叉的结构优化设计提供理论参考.