嵌入式軌道鋼軌焊接不平順安全限值研究*

鄧永權(quán) 凌 亮 肖新標(biāo) 金學(xué)松

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,610031,成都∥第一作者,博士研究生)

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嵌入式軌道鋼軌焊接不平順安全限值研究*

鄧永權(quán) 凌 亮 肖新標(biāo) 金學(xué)松

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,610031,成都∥第一作者,博士研究生)

為調(diào)查嵌入式軌道的槽型軌焊接不平順的安全控制限值及焊接不平順現(xiàn)代對有軌電車及嵌入式軌道動力作用的影響,建立現(xiàn)代有軌電車/嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型。計算模型中,現(xiàn)代有軌電車簡化為多剛體動力系統(tǒng)，嵌入式槽型軌被視為連續(xù)彈性支承基礎(chǔ)上的Timoshenko梁,整體道床用三維實體有限元單元模擬,鋼軌填充材料用三維粘彈性彈簧-阻尼單元模擬,嵌入式道床板底部的致密混凝土底座及路基簡化為等效的彈簧-阻尼單元。基于動力學(xué)仿真計算,以GB 5599-1985規(guī)定的車輛動力學(xué)性能指標(biāo)為評定準(zhǔn)則,對槽型軌焊接不平順的安全限值進行詳細(xì)分析。計算結(jié)果表明,對于短波波長小于0.2 m的焊接不平順,1 m范圍內(nèi)槽型軌軌頂面容差的建議控制限值為0.2 mm;對于短波波長大于0.2 m的焊接不平順,1 m范圍內(nèi)槽型軌軌頂面容差的建議控制限值為0.3 mm。

現(xiàn)代有軌電車; 嵌入式軌道; 焊接不平順; 軌道不平順; 控制限值

Author′s address State key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

隨著我國城市規(guī)模和人口的急劇膨脹,現(xiàn)代有軌電車已成為國內(nèi)部分城市解決交通堵塞的一種重要的綠色公共交通工具。有軌電車一般行駛于市區(qū)內(nèi),部分線路區(qū)段與道路車輛共享路權(quán),通過采用裝有槽型軌的嵌入式軌道結(jié)構(gòu),實現(xiàn)與道路交通共享路權(quán)。

新型嵌入式軌道的槽型軌與道床的連接方式不同于傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)中的離散扣件連接方式,它是在混凝土整體道床中設(shè)置一個凹槽,鋼軌放置在凹槽內(nèi),以高分子彈性材料敷設(shè)至鋼軌的軌頭下方將鋼軌固定。這一方面大大降低了由于傳統(tǒng)離散支承的不平順性引起的軌道結(jié)構(gòu)振動,另一方面實現(xiàn)了與道路交通的共用路面,因此特別適用于城市有軌電車線路軌道[1-2]。由于現(xiàn)代有軌電車工程在我國剛剛起步,國內(nèi)針對現(xiàn)代有軌電車與嵌入式軌道結(jié)構(gòu)相互作用及動力特性的研究幾乎是空白?；诖?結(jié)合我國的工程實際,研究適用于現(xiàn)代有軌電車及其軌道工程相關(guān)的重要技術(shù)及制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對現(xiàn)代有軌電車在我國的快速發(fā)展非常重要。

鋼軌焊接不平順是一種常見的軌道幾何不平順,嚴(yán)重的焊接不平順會引發(fā)較大的輪軌沖擊作用力,影響車輛與軌道部件的疲勞壽命,甚至可能威脅到車輛的運行安全。國內(nèi)外學(xué)者針對鋼軌焊接不平順的形成和發(fā)展機理及防治措施進行了許多有意義的研究工作[3-6]。

到目前為止,國內(nèi)外鋼軌焊接接頭平直度驗收標(biāo)準(zhǔn)大多是以1 m范圍限制最大容差[7-9],比如《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》限制1 m范圍內(nèi)鋼軌軌頂面最大容差為0.3 mm,鐵建設(shè)13號《京滬高速鐵路設(shè)計暫行、高速鐵路軌道施工暫行規(guī)定》、TB/T 163.2《焊接接頭第一部分：通用技術(shù)條件》、法國TGV、韓國京釜高速鐵路均建議1 m直尺范圍內(nèi)鋼軌軌頂面容許容差為0.2 mm。但上述標(biāo)準(zhǔn)均未對焊接區(qū)0 m以下短波不平順的限值進行規(guī)定。

大量的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),鋼軌焊接區(qū)的鋼軌傷損現(xiàn)象仍然大量存在(特別是在城市地鐵線路上)。焊接區(qū)同時也伴隨劇烈的輪軌沖擊、扣件彈條斷裂、軌下膠墊壓潰老化、軌枕和軌道板斷裂等問題[5]。

此外,目前國內(nèi)還缺少針對槽型軌焊接不平順的控制限值標(biāo)準(zhǔn)。嵌入式軌道的結(jié)構(gòu)形式及其所承載的列車載荷與傳統(tǒng)的有砟軌道或板式軌道均有較大的差異,故其動力特性及軌道不平順控制標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)有所差別。

本文基于現(xiàn)代有軌電車/嵌入式軌道耦合動力學(xué)計算,以GB5599—1985規(guī)定的車輛動力學(xué)性能指標(biāo)為評定準(zhǔn)則,對嵌入式軌道中的槽型軌焊接不平順的安全限值進行分析,以供嵌入式軌道幾何不平順控制標(biāo)準(zhǔn)制定的參考。

1 動力學(xué)計算模型

基于車輛/軌道耦合動力學(xué)理論及有限元分析方法[10-11],建立剛?cè)狁詈系默F(xiàn)代有軌電車/嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型,如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代有軌電車/嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型

圖1模型中,三車鉸接的現(xiàn)代有軌電車簡化為多剛體動力系統(tǒng),由3個車體、3個轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、2個搖枕、4個傳統(tǒng)輪對、2個獨立輪組及4個獨立車輪共18個剛體組成。每個車體、構(gòu)架和傳統(tǒng)輪對考慮縱向、橫向、豎向、側(cè)滾、點頭(旋轉(zhuǎn))和搖頭6個方向的自由度。每個搖枕僅考慮搖頭自由度,每個軸橋輪組考慮7個自由度,其中2個獨立車輪與軸橋共用縱向、橫向、豎向、側(cè)滾和搖頭5個方向的自由度,而獨立車輪的旋轉(zhuǎn)自由度是獨立的,整個車輛子系統(tǒng)共有76個獨立自由度。

車間鉸接機構(gòu)采用動力學(xué)約束建模,車間減振器采用空間非線性阻尼單元模擬。嵌入式軌道由槽型軌、高分子填充材料、軌道板及路基組成。

槽型軌被視為連續(xù)彈性支承基礎(chǔ)上的Timoshenko梁,整體道床用三維實體有限元單元模擬,鋼軌與軌道板間的高分子填充材料用均勻分布的三維粘彈性彈簧-阻尼單元模擬,嵌入式道床板底部的致密混凝土底座及路基簡化為等效的彈簧-阻尼單元。

車輛與鋼軌間通過非線性的輪軌關(guān)系耦合,輪軌空間動態(tài)接觸幾何關(guān)系的求解采用一種新型輪軌空間接觸幾何關(guān)系計算模型[10]。

輪軌法向力的計算采用Hertz非線性彈性接觸理論求解;而輪軌蠕滑力的計算,先以Kalker線性蠕滑理論計算,輪軌間蠕滑達到飽和后,采用Shen-Hedrick-Elkins理論進行非線性修正[12]。車輛/軌道耦合界面激勵模式采用“跟蹤窗戶”模型[13]。

2 數(shù)值計算與結(jié)果分析

鋼軌連續(xù)焊接有效地降低了接頭處的輪軌沖擊力,從而延長了車輪和鋼軌的使用壽命。但由于焊接接頭處的焊接材料強度、硬度和微觀結(jié)構(gòu)與母材間存在一定的差別,加上焊接鋼軌前兩端鋼軌未對齊,以及手工打磨焊接部分不平所引起的鋼軌表面不平順等原因,線路的焊接接頭部分仍然是鋼軌表面不平順的主要形式。

根據(jù)日本鐵路(JR)對新干線的統(tǒng)計調(diào)查以及我國原鐵道部科學(xué)研究院對焊縫不平順的觀察[7],鋼軌焊接區(qū)普遍存在如圖2所示的焊接接頭不平順形式,其特點是由三段余弦函數(shù)構(gòu)成,可表示為如下位移函數(shù):

(1)

式中:

t——車輛通過不平順?biāo)脮r間；

v——車輛運行速度；

δ1,δ2——分別為鋼軌焊接接頭長波和短波波深,長波波長為1 m；

λ——焊接接頭短波不平順的波長。

為分析嵌入式鋼軌焊接不平順的安全控制限值,首先分析焊接接頭不平順波長及幅值對現(xiàn)代有軌電車/嵌入式軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響。車輛經(jīng)過鋼軌焊接不平順位置時,輪軌沖擊主要由圖2所示短波鋼軌焊接不平順引起,故此處主要分析鋼軌焊接接頭短波不平順的波長及幅值對現(xiàn)代有軌電車動力學(xué)性能的影響。

圖2 焊接不平順輸入模型

計算中車輛和軌道主要參數(shù)詳見表1[14]和表2。鋼軌采用59R2槽型軌,軌面預(yù)設(shè)有1∶40軌底坡,軌距為1435 mm?？紤]直線軌道結(jié)構(gòu),線路計算長度為300 m,焊接不平順位于線路標(biāo)100 m處。焊接不平順長波波長設(shè)為1 m,幅值選為0.1 mm,考慮短波波長λ=0.01～0.50 m,波深δ2=-0.5～+0.5 mm,波深為負(fù)值表示上凸型焊接不平順,波深為正值表示下凹型焊接不平順;取現(xiàn)代有軌電車最高運行速度v=70 km/h,不考慮常規(guī)軌道幾何隨機不平順的影響。

表1 車輛基本參數(shù)

表2 軌道基本參數(shù)

圖3～圖6給出了輪軌橫向力、輪軌豎向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率四項安全性指標(biāo)隨焊接接頭波長及和波深的變化規(guī)律。由于焊接接頭不平順主要表現(xiàn)為軌面短波幾何不平順,其對車輛的運行平穩(wěn)性及乘坐舒適性影響不大,故此處未給出車輛運行平穩(wěn)性指標(biāo)隨焊接接頭波長及和波深的變化規(guī)律結(jié)果。由圖3～圖6可知:

圖3 鋼軌焊接不平順短波波長和波深對輪軌橫向力的影響

圖4 鋼軌焊接不平順短波波長和波深對輪軌豎向力的影響

圖5 鋼軌焊接不平順短波波長和波深對脫軌系數(shù)的影響

圖6 鋼軌焊接不平順短波波長和波深對輪重減載率的影響

(1) 隨著焊接接頭不平順波長的不斷增加,輪軌橫、豎向作用力及脫軌系數(shù)和輪重減載率兩項車輛運行安全性指標(biāo)均迅速減小。特別是當(dāng)焊接接頭波長小于0.3 m時,上述四項動力響應(yīng)指標(biāo)隨波長的變化尤為明顯。由此可知,在鋼軌焊接接頭現(xiàn)場施工和打磨焊接接頭時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)波長小于0.3 m的焊接接頭不平順。

(2) 焊接不平順波深對輪軌相互作用及車輛運行安全性影響明顯,焊接接頭波長較短時(小于0.3 m),輪軌橫向力、輪軌豎向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率四項動力響應(yīng)指標(biāo)與鋼軌焊接接頭波深呈現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系;波長較長時,焊接接頭不平順?biāo)鸬妮嗆墰_擊載荷及安全性指標(biāo)響應(yīng)隨波深的增加而幾乎成線性增大。

(3) 車輛參數(shù)對焊接不平順激勵下有軌電車動力學(xué)響應(yīng)影響顯著,動車和拖車動力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)隨鋼軌焊接不平順波長和波深的變化規(guī)律差異明顯;由于動車軸重高于拖車,故動車的輪軌力響應(yīng)較拖車大,而拖車的安全指標(biāo)響應(yīng)明顯低于動車。

(4) 嵌入式鋼軌焊接不平順對車輛減載影響最為顯著,四項安全性指標(biāo)中,輪重減載率對鋼軌接頭波長和波深變化最為敏感。當(dāng)焊接不平順短波波深大于0.4 mm時,最大輪重減載率達到1.0,即出現(xiàn)輪軌分離現(xiàn)象。由此可知,嵌入式鋼軌焊接不平順的安全控制限值可由輪重減載率的動態(tài)響應(yīng)及其安全限值確定,如圖6所示。

由圖3～圖6的分析可知,在當(dāng)前考慮的鋼軌焊接不平順波長和波深范圍內(nèi),只有輪重減載率的最大值超過其安全限值(GB 5599—1985規(guī)定的允許限度值為0.6),而輪軌橫向力、輪軌豎向力、脫軌系數(shù)三項動力響應(yīng)指標(biāo)均未超出各自的安全限值[15]。上述結(jié)果也表明,焊接不平順作用下,現(xiàn)代有軌電車動力響應(yīng)指標(biāo)中輪重減載率對鋼軌不平順波長和波深變化最為敏感,嵌入式鋼軌焊接不平順的安全控制限值可由輪重減載率的動態(tài)響應(yīng)及其安全限值確定。

由圖7可知,對于短波波長λ=0.1～0.2 m的下凹型復(fù)合焊接不平順,現(xiàn)代有軌電車拖車輪重減載率響應(yīng)所確定的安全限值約為0.2 mm;對于短波波長λ=0.3 m的下凹型復(fù)合焊接不平順,現(xiàn)代有軌電車拖車輪重減載率響應(yīng)所確定的安全控制限值約為0.34 mm。

基于圖7所示方法,可確定任意波長下嵌入式軌道鋼軌焊接不平順的安全控制限值,如表3所示。

圖7 鋼軌焊接不平順安全控制限值分析

表3 不同波長下焊接不平順建議控制限值

表3中,波深為+表示下凹型焊接不平順,波深為-表示上凸型焊接不平順。值得注意的是,表3的建議值也考慮了不同的車輛載重狀態(tài)(重載和空載)、不同的行車速度、不同車輛參數(shù)(動車和拖車)、焊接不平順控制限值工程應(yīng)用的可行性及數(shù)值計算的誤差等因素的影響。

3 結(jié)論

基于車輛/軌道耦合動力學(xué)理論及有限元分析方法,建立了一種現(xiàn)代有軌電車/嵌入式軌道耦合動力學(xué)模型?；趧恿W(xué)仿真計算,對嵌入式軌道焊接不平順激勵下現(xiàn)代有軌電車的動力響應(yīng)進行系統(tǒng)分析。其主要結(jié)論如下:

(1) 焊接不平順波長和波深及車輛參數(shù)均對現(xiàn)代有軌電車的動力學(xué)響應(yīng)影響顯著。

(2) 現(xiàn)代有軌電車動力響應(yīng)指標(biāo)中,輪重減載率對鋼軌接頭波長和波深變化最為敏感,嵌入式軌道焊接不平順的安全控制限值可由輪重減載率的動態(tài)響應(yīng)及其安全限值確定。

(3) 針對本文計算的嵌入軌道結(jié)構(gòu)及車輛參數(shù),對于不同短波波長的焊接不平順,給出了1 m范圍內(nèi)槽型軌軌頂焊接不平順的安全限值。

值得注意的是,基于動力學(xué)性能的焊接不平順控制限值與車輛和軌道的參數(shù)密切相關(guān),而本文計算所得的嵌入式焊接不平順安全限值僅僅基于本文所考慮的計算條件。對于嵌入式軌道焊接不平順控制標(biāo)準(zhǔn)的制定,則需考慮眾多的現(xiàn)代有軌電車車輛類型、嵌入式軌道類型及不同的線路條件。本文所提出的焊接不平順控制限值計算方法可為今后制定槽型軌焊接不平順控制標(biāo)準(zhǔn)時提供一種理論參考方法及技術(shù)手段。

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On the Safety Criterion of Welding Irregularities on the Embedded Rail TrackDENG Yongquan, LING Liang, XIAO Xinbiao, JIN Xuesong

In order to investigate in the safety criterion of rail welding irregularities on the embedded rail track and its effects on the dynamics of tram and embedded rail track, a coupling tram vehicle-embedded rail track dynamic model is established. In this model,the tram vehicle is simplified as a multi-rigid-body system with nonlinear suspension characteristics, the grooved rail are modelled as Timoshenko beams with continuous support, while the slabs are modelled with 3D solid finite elements, the filling material that connects the rail and slabs and the elastic subgrade beneath the slabs are assumed to be uniformly viscoelastic elements. The detailed dynamics simulation makes an investigation into the safety criterion of rail welding irregularities on the embedded rail track based on the national railway vehicle dynamics standards (GB5599-85).The numerical analysis shows that the safety limit value of the grooved rail welding irregularities is 0.2 mm in 1m when its wavelength is less than 0.2 m, and the safety limit value is 0.3 mm when its wavelength ranges from 0.2 m to 1 m.

modern tram; embedded rail track; rail welding irregularities; safety criterion

U 213.2+13

10.16037/j.1007-869x.2016.05.007

2014-06-19)

*中央高校基本科研業(yè)務(wù)資助(2682013BR009)