CN103696330A - 一种固定型辙叉轮轨关系设计评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其步骤包括：A、净差值评价，通过特征断面轨顶轮廓不同特征点的差值与车轮踏面相应特征点差值的比较，判断轨顶轮廓设计的合理性，初步确定轨顶轮廓；B、拟合评价，通过车轮踏面与轨顶实际轮廓的拟合，找出车轮与踏面先行接触点的位置、大小与分布状态，对轨顶轮廓局部优化调整。本发明的有益效果是：用于铁路线路道岔中固定型辙叉设计，可充分实现列车车轮和辙叉轨顶踏面的相似拟合，提高列车运行的平顺性，减少车轮轮形与轨顶面轮廓因差异较大对道岔设备造成的伤损。

Description

一种固定型辙叉轮轨关系设计评价方法

技术领域

本发明涉及一种固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，属于铁路路轨的设计计算方法技术领域。

背景技术

道岔是使机车车辆实现由一条线路进入或越过另一条线路的连接与交叉设备。辙叉是铁路线路实现列车交叉运行的关键设备，是使车轮由一股钢轨越过另一股钢轨的设备。由于车轮走行的要求，使锐角辙叉形成两侧为翼轨，中间为心轨的特殊结构形式。列车的运行依靠车轮在轨面上的滚动而实现，道岔的运行状况、轮缘踏面与车轮的接触状况等影响着列车过岔的平顺性、安全性及各交叉部件的使用寿命。

在传统的固定型整铸辙叉的轨顶踏面的设计中（图1、图2），辙叉的轨顶轮缘踏面普遍采用1:20的简单斜面形式与车轮接触。如此设计，理论上在叉心心轨工作边圆弧上部出现1.5mm高的干涉（9），也就是实际状况是该凸起部位首先接触车轮踏面。由于出现干涉部位的接触面积较小，迫使叉心心轨与车轮接触中发生金属流动现象，造成工作边形成肥边即工作边的直线性局部呈折线状。当肥边形成如打磨不及时，在列车车轮的不断挤压下易发生肥边撕裂，从而造成辙叉该部分轮缘踏面金属剥落掉块现象。而车轮踏面的末端与翼轨接触的顶面空线即车轮与轨顶间间隙较大，也说明翼轨堆积高的高度不足，如此更加重叉心心轨的载力，导致心轨磨耗严重。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有固定型辙叉轨顶踏面的设计弊端，探索轮轨关系评价方法，从而改进设计。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：这种固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其步骤包括：

A、净差值评价，通过特征断面轨顶轮廓不同特征点的差值与车轮踏面相应特征点差值的比较，判断轨顶轮廓设计的合理性，初步确定轨顶轮廓；

B、拟合评价，通过车轮踏面与轨顶实际轮廓的拟合，找出车轮与踏面先行接触点的位置、大小与分布状态，对轨顶轮廓局部优化调整。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤A所述的净差值评价方法包括：

1）选择特征断面：选择心轨实际尖端、20mm断面、30mm断面、40mm断面和50mm断面作为特征点取值断面；

2）选择心轨特征点位置：工作边到心轨特征点水平距离L1=b/2，b为心轨断面宽度;

3）选择翼轨特征点位置：心轨特征点到翼轨特征点水平距离L2=b/2+t+c，其中c是特征点到翼轨工作边的距离，选择c=8mm，b、心轨断面宽度，t、轮缘槽宽度；

通过辙叉心轨和翼轨轨顶轮廓的实际净差值与车轮踏面相应位置心轨和翼轨理论净差值的比较，评价重点是轮廓设计的合理性。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤A所述的辙叉心轨和翼轨实际净差值确定方法包括：

A-1、按照轨顶轮廓确定实际净差值：δ=h1+h2，其中：

h1是心轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以下为正；

h2是翼轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以上为正。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤A所述的车轮踏面相应位置心轨和翼轨理论净差值确定方法包括：

A-2、按照车轮踏面确定理论净差值Δ=H₁+H₂,其中：

H₁是心轨中心处踏面相对于计算基线的高度，低于计算基线的为正;

H₂是翼轨计算基点处即L₂确定的位于翼轨处的相对于计算基线的高度，高于计算基线的为正。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤A所述的实际净差值与理论净差值的比较方法包括：

A-3、绝对值评价法：通过对各特征断面的理论净差值和实际净差值的比较，评价翼轨堆积高的设计可行性，若δ>Δ说明翼轨先于心轨受力，反之则心轨先于翼轨受力；

A-4、受力比例评价法：通过特征断面的理论净差值与实际净差值的比例δ/Δ，评价心轨、翼轨的受力分配，从而确定翼轨堆积高，比值大于1则表明翼轨先于心轨受力，反之心轨先于翼轨受力；

A-5、通过不同特征断面高差比值的排列，初步判断轮载过渡的正确性和合理性；

步骤A评价原则包括：

1）在心轨20mm断面前应保持δ>Δ；

2）在心轨50mm断面实现Δ>δ为宜；

3)在心轨20mm断面前δ/Δ应大于1

4)δ/Δ越接近1表明平顺性越好；

5)从心轨实际尖端开始各特征断面δ/Δ宜逐渐减小；

6)依据线路运营特点选择侧重点：

6-1)重载侧重于寿命，以保护薄弱断面为主，可尽量缩短心轨、翼轨共同受力范围，可使δ/Δ大于1范围延至35mm断面，可使δ/Δ小于1的起始断面提前至35mm断面；

6-2)客车侧重于平稳，以提高轮载过渡平缓性为主，可尽量延长心轨、翼轨共同受力范围，可使心轨16mm断面至心轨50mm断面之间δ/Δ保持在1.1～0.9之间。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤B所述的轮轨接触拟合评价方法包括：

B-1、基线拟合法：以车轮踏面与设计轨顶轮廓的基线重合为基础，将车轮踏面与实际轨顶轮廓相叠加，观测拟合效果，判断轨顶轮廓设计的合理性；

B-2、先行接触拟合法：模拟车轮与轨顶轮廓现实情况，分析在各关键的特征断面车轮垂向移动轨迹，比较垂向冲击的大小，判断设计的合理性。

步骤B评价原则包括：

1）心轨工作边圆弧不宜先行接触车轮；

2）心轨薄弱断面20mm断面前，以翼轨先行接触为宜；

3）心轨40mm或50mm以后心轨先行接触为宜；

4）心轨20mm～50mm断面之间属于过渡区域；

5）轮载过渡尽量平缓，各特征断面车轮基点位置相对于辙叉理论高度基面的距离g应逐渐过渡，不应形成突变；

6）重载侧重于寿命，以保护薄弱断面为主；客车侧重于平稳，以提高轮载过渡平缓性为主。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤B-1所述的基线拟合法包括：

1）确定拟合基点位置：

以距工作边距离d为基准，找出轨顶轮廓和车轮踏面相同位置的交点，确定拟合基点，其中d为钢轨轨头宽度的一半；

2）以拟合基点重叠的方式使轨顶轮廓和车轮踏面两轮廓叠加，形成拟合图。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤B-2所述的先行接触拟合法包括：在轨顶轮廓工作边和车轮踏面相应位置L₀重合的情况下，找出车轮踏面与轨顶轮廓最先接触位置，并加以重叠拟合。

所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，步骤B-2所述的先行接触拟合法的评价原则包括：通过拟合找出车轮基点位置相对于辙叉理论高度基面的距离g，通过多个特征断面的拟合，模拟车轮垂向运动轨迹，通过轨迹的变化规律判断轨顶踏面设计的合理性，各点高差越大、越突然合理性越差。

本发明用于铁路线路道岔中固定型辙叉设计，可充分实现列车车轮和辙叉轨顶踏面的相似拟合，提高列车运行的平顺性，减少车轮轮形与轨顶面轮廓因差异较大对道岔设备造成的伤损。

附图说明

图1  现有的固定型辙叉轨顶轮廓示意图

1、翼轨，1-1、翼轨堆积高：即翼轨实际顶面与标准轨高间形成区域；

1-2、翼轨工作边；1-3、轨顶轮廓在翼轨上的特征点位置；

1-4、翼轨工作边圆弧,

2、辙叉理论高度基面，

3、轨距线基面，是与辙叉理论高度基面的平行面，是辙叉设计及实际测量中高度方向的基准。

4、心轨，4-1、心轨工作边，4-2、心轨工作边圆弧，

4-3、轨顶轮廓在心轨上的特征点，一般与辙叉中心线横向位置重合

5、辙叉心轨中心线，6、轨顶轮廓，

b、心轨断面宽度，

t、轮缘槽宽度（心轨工作边与翼轨工作边之间的距离）

c、翼轨特征点位置，距翼轨工作边8mm。

图2现有车轮踏面与辙叉轨顶轮廓接触示意图

7、翼轨特征点位置车轮踏面与翼轨顶面间间隙，8、车轮踏面，

9、车轮踏面与轨顶轮廓在心轨上接触部位；10、车轮。

图3轨顶轮廓图,

L₁、工作边到心轨特征点水平距离；

L₂、心轨特征点到翼轨特征点水平距离；

h₁、心轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以下为正；

h₂、翼轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以上为正。

图4车轮踏面图，

11、车轮踏面基线，

L₀、轮背到辙叉工作边的距离，

H₁、心轨特征点位置车轮踏面与车轮踏面基线平面的距离，

H₂、翼轨特征点位置车轮踏面与车轮踏面基线平面的距离。

图5基线拟合法示意图，

12、中心接触点，

e、车轮踏面与翼轨间隙，

f、车轮踏面侵入心轨深度，干涉深度。

图6先行接触法示意图，

13、车轮基点，

g、车轮基点位置相对于辙叉理论高度基面的距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，具体步骤是先进行净差值评价，通过设计的辙叉轮廓心翼轨高差值与车轮踏面在相同对应位置的心翼轨高差值的比较，评价辙叉的踏面总轮廓是否合理；再进行拟合评价，评价设计完成的辙叉总轮廓与车轮的接触状况即轮轨先行接触点和车轮垂向位移的规律，进而评价辙叉总轮廓的局部合理性。

净差值的概念：又分为实际净差值和理论净差值，指在特征断面位置，心轨特征点处4-3高差值H₁（理论）或h₁（实际）和对应的翼轨特征点处1-3的高差值H₂（理论）或h₂（实际）之和。

实际净差值：实际净差值是实际辙叉设计断面轮廓在各特征点的心轨、翼轨高低位置关系，δ=h₁+h₂如图3所示。

理论净差值：是在车轮踏面位置确定的前提下，车轮踏面在各特征点的心轨、翼轨高低位置关系，Δ=H₁+H₂，如图4所示。

确定净差值的方法包括：

1）选择特征断面：是为了比较轮轨关系而在轮轨转移区（心轨实际尖端至50mm断面范围）内截取的断面位置，设计者可自由选取，本发明选择心轨实际尖端、20mm断面、30mm断面、40mm断面和50mm断面作为特征点取值断面；

2）选择心轨特征点位置4-3：心轨工作边到心轨特征点水平距离L1=b/2，b为心轨断面宽度;

3）选择翼轨特征点位置1-3：心轨特征点到翼轨特征点水平距离L2=b/2+t+c，其中c是特征点到翼轨工作边的距离，选择c=8mm，b、心轨断面宽度，t、轮缘槽宽度；

A-1、确定实际净差值：按照实际轨顶轮廓（图3中粗实线）确定实际净差值：δ=h1+h2，其中：

h1是心轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以下为正；

h2是翼轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以上为正；

A-2、确定理论净差值：按照车轮踏面确定理论净差值Δ=H₁+H₂,其中：

H₁是心轨中心处踏面相对于计算基线的高度，低于计算基线的为正;

H₂是翼轨计算基点处即L₂确定的位于翼轨处的相对于计算基线的高度，高于计算基线的为正。其中：

车轮踏面（图4粗实线）是一切轮轨关系的基础，针对不同线路，不同运营状态可以从设计手册选择。图4中引L₀，是轮背到辙叉工作边的距离，取值为查照间隔减去最大轮背距，其中查照间隔从设计手册中选取，最大轮背距可从机车、车辆参数中选取。

实际净差值与理论净差值的比较评价方法包括绝对值评定法、受力比例评定法和高差比值的排列法三种：

A-3、绝对值评定法：通过对各特征断面的理论净差值和实际净差值的比较，评定翼轨堆积高的设计可行性，若δ>Δ说明翼轨先于心轨受力，反之则心轨先于翼轨受力。

在不同特征断面翼轨与心轨受力的先后，体现设计理念的不同，一般在心轨薄弱断面（断面宽度小于20mm）前应该翼轨先行受力，以保护心轨；心轨40mm（或50mm）断面后应保持心轨先于翼轨受力，以保护翼轨后端，避免尖韧状局部受力过大而引起的材料破坏而导致的伤损；心轨20mm-50mm断面间处于轮载过渡区，心轨、翼轨接近共同承载，起到互相保护的作用，同时保证列车运行的平稳性。

A-4、受力比例评定法：通过特征断面的理论净差值与实际净差值的比例δ/Δ，评定心轨、翼轨的受力分配，从而确定翼轨堆积高，比值大于1则表明翼轨先于心轨受力，反之心轨先于翼轨受力。翼轨堆积高是指为了满足车轮踏面与辙叉实体接触，增加受力面积而在远离车轮轮缘部位使辙叉实体较标准轨理论高度增加部分。

A-5、通过不同特征断面高差比值的排列，初步判断轮载过渡的正确性和合理性。

进行净差值评定辙叉踏面总轮廓的合理性之后，再通过车轮踏面与轨顶实际轮廓的拟合，找出车轮与踏面先行接触点的位置、大小与分布状态，对轨顶轮廓局部优化调整。

B、轮轨接触拟合评定方法包括基线拟合法和先行接触拟合法两种方法：

B-1、基线拟合法：以车轮踏面与设计轨顶轮廓的基线重合为基础，将车轮踏面与实际轨顶轮廓相叠加，观测拟合效果，判断轨顶轮廓设计的合理性。

1）确定拟合基点中心接触点位置12：

以距工作边距离d为基准，找出轨顶轮廓和车轮踏面相同位置的交点，确定拟合基点，其中d为钢轨轨头宽度的一半；

2）以拟合基点12重叠的方式使轨顶轮廓和车轮踏面两轮廓叠加，形成拟合图。

轮轨接触拟合评定方法还包括：

B-2、先行接触拟合法：模拟车轮与轨顶轮廓现实情况，分析在各关键的特征断面车轮垂向移动轨迹，比较垂向冲击的大小，判断设计的合理性。

在轨顶轮廓工作边和车轮踏面相应位置L₀重合的情况下，找出车轮踏面与轨顶轮廓最先接触位置，并加以重叠拟合。

先行接触拟合法的评价原则包括：通过拟合找出车轮基点位置13相对于辙叉理论高度基面的距离g，通过多个特征断面的拟合，模拟车轮垂向运动轨迹，通过轨迹的变化规律判断轨顶踏面设计的合理性，各点高差越大、越突然合理性越差。

Claims (9)

1.一种固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其步骤包括：

A、净差值评价，通过特征断面轨顶轮廓不同特征点的差值与车轮踏面相应特征点差值的比较，判断轨顶轮廓设计的合理性，初步确定轨顶轮廓；

B、拟合评价，通过车轮踏面与轨顶实际轮廓的拟合，找出车轮与踏面先行接触点的位置、大小与分布状态，对轨顶轮廓局部优化调整。

2.根据权利要求1所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤A所述的净差值评价方法包括：

1）选择特征断面：选择心轨实际尖端、20mm断面、30mm断面、40mm断面和50mm断面作为特征点取值断面；

2）选择心轨特征点位置（4-3）：工作边到心轨特征点水平距离L1=b/2，b为心轨断面宽度;

3）选择翼轨特征点位置（1-3）：心轨特征点到翼轨特征点水平距离L2=b/2+t+c，其中c是特征点到翼轨工作边的距离，选择c=8mm，b、心轨断面宽度，t、轮缘槽宽度；

通过辙叉心轨和翼轨轨顶轮廓的实际净差值与车轮踏面相应位置心轨和翼轨理论净差值的比较，评价重点轮廓设计的合理性。

3.根据权利要求2所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤A所述的辙叉心轨和翼轨实际净差值确定方法包括：

A-1、按照轨顶轮廓确定实际净差值：δ=h1+h2，其中：

h1是心轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以下为正；

h2是翼轨特征点位置轨顶轮廓与辙叉理论高度平面的距离，轨顶面在辙叉理论高度以上为正。

4.根据权利要求2所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤A所述的车轮踏面相应位置心轨和翼轨理论净差值确定方法包括：

A-2、按照车轮踏面确定理论净差值Δ=H₁+H₂,其中：

H₁是心轨中心处踏面相对于计算基线的高度，低于计算基线的为正;

H₂是翼轨计算基点处即L₂确定的位于翼轨处的相对于计算基线的高度，高于计算基线的为正。

5.根据权利要求2所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤A所述的实际净差值与理论净差值的比较方法包括：

A-3、绝对值评定法：通过对各特征断面的理论净差值和实际净差值的比较，评定翼轨堆积高的设计可行性，若δ>Δ说明翼轨先于心轨受力，反之则心轨先于翼轨受力；

A-4、受力比例评定法：通过特征断面的理论净差值与实际净差值的比例δ/Δ，评定心轨、翼轨的受力分配，从而确定翼轨堆积高，比值大于1则表明翼轨先于心轨受力，反之心轨先于翼轨受力；

A-5、通过不同特征断面高差比值的排列，初步判断轮载过渡的正确性和合理性；

步骤A的评价原则包括：

1）在心轨20mm断面前应保持δ>Δ；

2）在心轨50mm断面实现Δ>δ为宜；

3）在心轨20mm断面前δ/Δ应大于1

4）δ/Δ越接近1表明平顺性越好；

5）从心轨实际尖端开始各特征断面δ/Δ宜逐渐减小；

6）依据线路运营特点选择侧重点:

6-1)重载侧重于寿命，以保护薄弱断面为主，可尽量缩短心轨、翼轨共同受力范围，可使δ/Δ大于1范围延至35mm断面，可使δ/Δ小于1的起始断面提前至35mm断面；

6-2)客车侧重于平稳，以提高轮载过渡平缓性为主，可尽量延长心轨、翼轨共同受力范围，可使心轨16mm断面至心轨50mm断面之间δ/Δ保持在1.1～0.9之间。

6.根据权利要求1所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤B所述的轮轨接触拟合评定方法包括：

B-1、基线拟合法：以车轮踏面与设计轨顶轮廓的基线重合为基础，将车轮踏面与实际轨顶轮廓相叠加，观测拟合效果，判断轨顶轮廓设计的合理性；

B-2、先行接触拟合法：模拟车轮与轨顶轮廓现实情况，分析在各关键的特征断面车轮垂向移动轨迹，比较垂向冲击的大小，判断设计的合理性；

步骤B的评价原则包括：

1）心轨工作边圆弧（4-2）不宜先行接触车轮；

2）心轨薄弱断面20mm断面前，以翼轨先行接触为宜；

3）心轨40mm或50mm以后心轨先行接触为宜；

4）心轨20mm～50mm断面之间属于过渡区域；

5）轮载过渡尽量平缓，各特征断面车轮基点位置相对于辙叉理论高度基面的距离g应逐渐过渡，不应形成突变；

6）重载侧重于寿命，以保护薄弱断面为主；客车侧重于平稳，以提高轮载过渡平缓性为主。

7.根据权利要求6所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤B-1所述的基线拟合法包括：

1）确定拟合基点位置：

以距工作边距离d为基准，找出轨顶轮廓和车轮踏面相同位置的交点，确定拟合基点，其中d为钢轨轨头宽度的一半；

2）以拟合基点重叠的方式使轨顶轮廓和车轮踏面两轮廓叠加，形成拟合图。

8.根据权利要求6所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤B-2所述的先行接触拟合法包括：在轨顶轮廓工作边和车轮踏面相应位置L₀重合的情况下，找出车轮踏面与轨顶轮廓最先接触位置，并加以重叠拟合。

9.根据权利要求6所述固定型辙叉轮轨关系设计评价方法，其特征在于：步骤B-2所述的先行接触拟合法的评价原则包括：通过拟合找出车轮基点位置（13）相对于辙叉理论高度基面的距离g，通过多个特征断面的拟合，模拟车轮垂向运动轨迹，通过轨迹的变化规律判断轨顶踏面设计的合理性，各点高差越大、越突然合理性越差。

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