垂向沖擊條件下鐵路路基的響應(yīng)及優(yōu)化

吳衛(wèi)民,馬大為,朱忠領(lǐng),姚 琳

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

垂向沖擊條件下鐵路路基的響應(yīng)及優(yōu)化

吳衛(wèi)民,馬大為,朱忠領(lǐng),姚 琳

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

針對(duì)垂向沖擊載荷對(duì)鐵路路基產(chǎn)生較大影響的問(wèn)題，提出將轉(zhuǎn)向架的二系懸掛用空氣彈簧代替，并且在液壓支腿的輔助下實(shí)現(xiàn)混合支撐的方案?；诶〕⒎皆囼?yàn)設(shè)計(jì)方法以及響應(yīng)面(RSM)的建模方法，建立具有塑性應(yīng)變損傷本構(gòu)關(guān)系的鐵路路基近似模型，分析垂向沖擊載荷對(duì)鐵路路基動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)的影響。通過(guò)仿真分析結(jié)果表明，在受到垂向沖擊載荷時(shí)混合支撐方式可以有效地減少對(duì)鐵路路基的影響，并且空氣彈簧的使用可以提高重載貨車行駛的穩(wěn)定性。

垂向沖擊載荷；鐵路路基響應(yīng)；混合支撐；空氣彈簧

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路高速的發(fā)展，尤其是高鐵實(shí)現(xiàn)了四縱四橫，鐵路的安全問(wèn)題更為突出。如果重載貨車受到垂向強(qiáng)沖擊載荷，由于鐵路路基具有較高的應(yīng)變率，將會(huì)產(chǎn)生較大的變形，鐵路路基內(nèi)部的相互擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力作用使得各個(gè)材料產(chǎn)生不同程度的破壞，對(duì)鐵路安全埋下隱患[1]。目前我國(guó)研究的路基垂向載荷主要和輪軌沖擊力有關(guān)，如列車速度、軌道不平順等。賈晉中等[2]研究了重載鐵路路基動(dòng)載荷特性。

為了減輕當(dāng)重載貨車受到垂向沖擊載荷時(shí)對(duì)鐵路路基的影響，采用在液壓支腿的輔助下，轉(zhuǎn)向架與液壓支腿混合支撐的方案。結(jié)合目前公路場(chǎng)坪研究的進(jìn)展，研究方法主要為顯式動(dòng)態(tài)計(jì)算[3]，這種方法建模難度較大，計(jì)算消耗時(shí)間較長(zhǎng)。

1 模型的建立

目前在我國(guó)最常用的重載貨車轉(zhuǎn)向架為ZK6型轉(zhuǎn)向架，一系懸掛和二系懸掛系統(tǒng)都是通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)的，其三維示意圖如圖1所示。

圖1 ZK6轉(zhuǎn)向架

1.1 鐵路路基模型的建立

路基從上往下依次為鐵軌、軌枕、道床、基床表層、基床底層、基床以下路堤和地基。隨機(jī)性和非線性是其受力的基本特征，若采用線彈性模型則難以滿足其計(jì)算要求。當(dāng)處于動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)為提高其計(jì)算精度和效率，各層之間采用連續(xù)的形式進(jìn)行模擬，而非連續(xù)層之間的力學(xué)特性則不予考慮。根據(jù)重載設(shè)計(jì)規(guī)范[4]得知路基各層材料的參數(shù)如表1所示。

表1 各層材料的物理力學(xué)參數(shù)

由于模型比較復(fù)雜，近似模型正確建立可以提高計(jì)算精度和減少計(jì)算時(shí)間，選擇路基位移響應(yīng)的位移峰值作為所建立的近似模型的輸出參數(shù)。為了在較短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)得到更精確的近似模型，在建立近似模型前，先采用拉丁超立方設(shè)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。由于重載貨車存在自身的質(zhì)量，使得鐵路路基受到穩(wěn)態(tài)的載荷，故應(yīng)給予初始應(yīng)力場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)重載貨車受到垂向沖擊載荷對(duì)路基進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真。路基模型如圖2所示。

圖2 貨車及路基模型

1.2 對(duì)路基的影響

當(dāng)重載貨車受到垂向沖擊載荷時(shí)，貨車處于停止?fàn)顟B(tài)，所以重載貨車只受到了垂向的沖擊，而且重載貨車直接作用在軌道上，其受力示意圖如圖3所示。

圖3 受垂向沖擊示意圖

通過(guò)有限元仿真分析得知，當(dāng)受到垂向沖擊時(shí)，對(duì)鋼軌產(chǎn)生較大的變形，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 第一組轉(zhuǎn)向架處位移響應(yīng)

圖5 第二組轉(zhuǎn)向架處位移響應(yīng)

通過(guò)位移響應(yīng)得知，受到垂向沖擊載荷時(shí)，由于貨車對(duì)鋼軌作用力，使得鋼軌有較大的變形，對(duì)路線上貨車的運(yùn)行安全埋下隱患。

2 優(yōu)化

為了減輕對(duì)鋼軌和鐵路路基的影響，以及確保行駛的安全，可以在貨車受到垂向沖擊時(shí)改變支撐方式，其中可行性最高的為混合支撐方式。

混合支撐是指在貨車底架增加液壓支腿，在貨車運(yùn)行時(shí)收起液壓支腿不影響貨車運(yùn)行；在受到垂向沖擊載荷時(shí)將液壓支腿支撐在道床上，同時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)向架的剛度，使轉(zhuǎn)向架和液壓支腿共同支撐。但是由于ZK6型轉(zhuǎn)向架的剛度不可調(diào)節(jié)，而空氣彈簧的剛度與載荷成正比[5]，即載荷越大，其剛度也越大。故此將轉(zhuǎn)向架的二系懸掛用剛度可調(diào)節(jié)的空氣彈簧代替。其示意圖如圖6、圖7所示。

圖6 行駛時(shí)的示意圖

2.1 空氣彈簧垂向剛度理論計(jì)算

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)可知[6]：

(1)

式中：W為外加載荷；F為空氣彈簧有效承載面積；Po為空氣彈簧在設(shè)計(jì)位置時(shí)的內(nèi)壓力；Pa為大氣壓力；Vo為空氣彈簧在設(shè)計(jì)位置時(shí)的容積；m為多變指數(shù)；V為空氣彈簧高度變化x后的容積；空氣彈簧計(jì)算垂向剛度為

(2)

(3)

空氣彈簧的垂向剛度[7]是計(jì)算垂向剛度和橡膠垂向剛度的總和。即

KC=KCJ+KCX

(4)

式中：KC是空氣彈簧的垂直剛度；KCX是橡膠囊的垂直剛度。由式(3)和式(4)可得出：

(5)

圖7 混合支撐示意圖

2.2 空氣彈簧模型的建立

根據(jù)吳興文等[8]以及高紅星等人對(duì)空氣彈簧模型的研究[9]可知，當(dāng)列車在直線上行駛時(shí)應(yīng)該優(yōu)先使用空氣彈簧的線性模型。由氣體多變方程得出節(jié)流孔及管路氣體質(zhì)量流量線性化方程，略去高階無(wú)窮小量。空氣彈簧的線性模型[10]如圖8所示。

圖8 空氣彈簧線性模型

圖8中各剛度值和阻尼值計(jì)算如下

(6)

式(6)中：k1是空氣彈簧本體剛度；k2是附加空氣室剛度；k3是有效面積變化率剛度；k4是串聯(lián)橡膠堆的垂向剛度，與使用的材料有關(guān)，由材料特性決定；d2是節(jié)流孔或者連接管路的等效阻尼；d3是空氣彈簧本體的橡膠阻尼；d4是串聯(lián)橡膠堆的垂向阻尼；z0是空氣彈簧總的變形量；z1是附加室氣體變形與串聯(lián)橡膠堆的變形之和；z2是串聯(lián)橡膠堆的變形量。

3 軟件仿真結(jié)果

通過(guò)動(dòng)力學(xué)軟件Simpack和有限元軟件Abaqus仿真得出空氣彈簧在貨車行駛和受沖擊載荷時(shí)對(duì)貨車和路基的影響。

3.1 動(dòng)力學(xué)仿真

當(dāng)重載貨車在軌道普等級(jí)為AAR5，并且以80 km/h的速度在直線上行駛，通過(guò)Matlab與Simpack聯(lián)合仿真[11]，流程如圖9所示。

圖9 動(dòng)力學(xué)仿真流程

SIMPACK動(dòng)力學(xué)仿真得出，安裝空氣彈簧對(duì)行駛安全沒(méi)有影響，而且其輪軌的垂向力和垂向加速度的峰值均有所減少，對(duì)行駛的穩(wěn)定性有一定的提高，結(jié)果如圖10所示。

3.2 有限元分析結(jié)果

當(dāng)重載貨車受到垂向沖擊時(shí)，貨車處于停止?fàn)顟B(tài)，輔助液壓支腿支撐到道床上實(shí)現(xiàn)混合支撐。通過(guò)Abaqus與Matlabe聯(lián)合仿真[12]得出對(duì)軌道和道床及以下路基的影響，轉(zhuǎn)向架處的位移響應(yīng)結(jié)果如圖11、圖12所示；路基的最大下沉量如圖13所示。

通過(guò)縱向分析對(duì)比可知，在轉(zhuǎn)向架處鋼軌的位移響應(yīng)明顯降低并且路基的最大下沉量也有所降低。通過(guò)橫向?qū)Ρ确治隹芍?，在混合支撐方式下，路基的下沉量大于轉(zhuǎn)向架處鋼軌的下沉量。對(duì)受到垂向沖擊時(shí)路基的響應(yīng)有一定的優(yōu)化。

圖10 動(dòng)力學(xué)仿真

圖11 第一組轉(zhuǎn)向架處位移響應(yīng)

圖12 第二組轉(zhuǎn)向架處位移響應(yīng)

圖13 路基最大下沉量

4 結(jié)論

1) 垂向沖擊對(duì)鐵路路基有較大的影響，對(duì)行駛安全產(chǎn)生隱患；

2) 為了減少對(duì)鐵路路基的影響，將空氣彈簧運(yùn)用到轉(zhuǎn)向架二系懸掛系統(tǒng)。在受到垂向沖擊時(shí)，調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度，在液壓支腿的輔助下實(shí)現(xiàn)混合支撐；

3) 通過(guò)對(duì)比可以得知:在受到垂向沖擊時(shí)，使用空氣彈簧的轉(zhuǎn)向架位移響應(yīng)小于ZK6轉(zhuǎn)向架的位移響應(yīng)，并且第一組轉(zhuǎn)向架處位移響應(yīng)大于第二組轉(zhuǎn)向架處位移響應(yīng)。

[1] 賈晉中.重載鐵路路基動(dòng)載荷特征[J].鐵道建筑,2014(7):89-91.

[2] 劉青春.CRTS-Ⅲ型無(wú)砟軌道的垂向動(dòng)力學(xué)分析[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2012.

[3] 江見(jiàn)鯨,陸新征,葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[4] TB 10625—2017,重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 李芾，付茂海.車輛空氣彈簧動(dòng)力學(xué)參數(shù)特性研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2003,24(5):91-95.

[6] 戚壯,李芾,黃運(yùn)華,等.基于AMESIM平臺(tái)的軌道車輛空氣彈簧系統(tǒng)氣動(dòng)力學(xué)仿真模型研究[J]．中國(guó)鐵道科學(xué)，2013,34(3):79-86.

[7] 周永清,朱思洪.帶附加空氣室空氣彈簧動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2006,28(1):12-15.

[8] 吳興文，池茂儒,朱旻昊.空氣彈簧模型對(duì)鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].交通運(yùn)輸工程報(bào),2013,13(2):54-59.

[9] 高紅星,池茂儒.空氣彈簧模型研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(4)：108-115.

[10] 羅仁,曾京,鄔平波.空氣彈簧對(duì)車輛曲線通過(guò)性能的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2007,7(5):15-18.

[11] LIUH,LEEJC.Model development and experimental researchonan air spring with auxiliary reservior[J].Internstional Journal of Automotive Technology,2011,12(6):839-847.

[12] 甘亮亮.某重型卡用膜式空氣彈簧剛度特性有限元仿真及實(shí)驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

(責(zé)任編輯唐定國(guó))

TheResponseandOptimizationofSubgradeUndertheVerticalImpactCondition

WU Weimin, MA Dawei, ZHU Zhongling, YAO Lin

(School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)

In view of the great influence of vertical impact load on the railway subgrade, the suspension of the two frame of the bogie is replaced by air spring, and the hybrid support scheme is realized under the assistance of the hydraulic support leg. Based on the method of Latin hypercube design and response surface model (RSM), the railway roadbed approximation model with plastic strain damage constitutive relation is established. Using the model, the influence of vertical impact load on the dynamic displacement response of railway subgrade is analyzed. The simulation results show that under vertical impact load when the mixed support can effectively reduce the influence to railway subgrade, and the use of air spring can improve the stability of heavy truck.

vertical impact load; subgrade response; hybrid support; air spring

2017-07-04；

2017-07-30

國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目“鐵路機(jī)動(dòng)安全評(píng)估技術(shù)”(B2620116005)

吳衛(wèi)民(1991—)，男，碩士研究生、主要從事強(qiáng)沖擊條件下貨車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及優(yōu)化研究； 馬大為(1953—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事發(fā)射系統(tǒng)控制與仿真技術(shù)研究。

機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.032

本文引用格式：吳衛(wèi)民,馬大為,朱忠領(lǐng)，等.垂向沖擊條件下鐵路路基的響應(yīng)及優(yōu)化[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):146-150.

formatWU Weimin, MA Dawei, ZHU Zhongling, et al.The Response and Optimization of Subgrade Under the Vertical Impact Condition[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):146-150.

TH226

A

2096-2304(2017)11-0146-05