路基上合成軌枕有砟軌道動力學(xué)特性研究

常 征

(中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710000)

目前，鋼筋混凝土軌枕應(yīng)用非常廣泛。鋼筋混凝土軌枕具有使用壽命長、養(yǎng)護工作量小等特點。但是，鋼筋混凝土軌枕同時具有自重大，生產(chǎn)時污染環(huán)境等問題。針對這些問題，國外研究出一種新型合成軌枕。合成軌枕的主要優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度高、施工方便、使用壽命長、可循環(huán)使用[1-3]。

合成軌枕在國外有砟軌道上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但是國內(nèi)對有砟軌道上合成軌枕的研究尚不充分[4,5]，因此本文展開對路基上合成軌枕有砟軌道的研究十分必要。

本文基于有限單元法與多體動力學(xué)理論，根據(jù)合成軌枕在有砟軌道上實際應(yīng)用情況建立車輛—軌道耦合動力學(xué)模型，對時速200 km/h路基上合成軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)計算分析，重點研究合成軌枕密度變化對系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律[6-9]。本文對有砟軌道上合成軌枕的設(shè)計、施工以及維護有一定的指導(dǎo)意義。

1 車輛—軌道動力學(xué)仿真模型的建立

1.1 車輛仿真模型的建立

本文選取CRH5型列車建立車輛模型，將車輛簡化為多剛體動力學(xué)模型，車輛模型由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、一系懸掛、二系懸掛等組成。

1.2 合成軌枕仿真模型的建立

本次研究以在日本新干線廣泛使用的纖維增強發(fā)泡聚氨酯(Glass Filament Foamed Urethane，簡稱FFU)合成軌枕為研究對象。

1.3 有砟軌道仿真模型的建立

本次研究采用ANSYS有限元軟件中的三維實體單元(Solid45)來模擬有砟軌道道床與路基。

1.4 車輛—軌道耦合仿真模型的建立

為了實現(xiàn)多剛體車輛與柔性軌道的耦合，本次研究采用ANSYS有限元軟件與SIMPACK多體動力學(xué)軟件的接口程序FEMBS生成柔性體仿真時所需要的SID文件[10,11]。

2 車輛—軌道耦合動力學(xué)分析計算結(jié)果

本文建立車輛—軌道耦合動力學(xué)模型，對時速200 km/h路基上合成軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)計算分析，計算結(jié)果如圖1，圖2所示。

圖1為脫軌系數(shù)時程變化曲線，通過分析計算結(jié)果可知，脫軌系數(shù)極值為0.12，滿足TB/T 2360—93鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)中對脫軌系數(shù)小于0.8的要求。圖2為輪重減載率時程變化曲線，通過分析計算結(jié)果可知，輪重減載率極值為0.38，滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中對輪重減載率的要求。

圖3為車體垂向加速度時程曲線，對計算結(jié)果進行分析得出車體垂向加速度極值為0.26 m/s2；圖4為車體橫向加速度時程曲線，通過分析計算結(jié)果可知車體橫向加速度極值為0.15 m/s2。車輛加速度滿足規(guī)范要求。

表1 系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)計算結(jié)果

我國《高速試驗列車動力車強度及動力學(xué)性能規(guī)范》中要求輪軌垂向力極值小于170 kN，參考歐美鐵路的相關(guān)試驗，取橫向力極值小于0.4倍的靜輪載，本文靜輪載為160 kN，故本文橫向力極值小于64 kN，通過對表1分析可知，輪軌垂向力和橫向力滿足要求。

根據(jù)國外高速鐵路的經(jīng)驗，我國提出高速鐵路有砟軌道鋼軌最大變形的合理范圍為1.5 mm～2.5 mm，通過分析計算結(jié)果可知，本次研究鋼軌垂向位移滿足要求。

合成軌枕垂向位移的極值為0.88 mm，合成軌枕的垂向位移明顯小于鋼軌的垂向位移。

3 合成軌枕密度對系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響

在研究合成軌枕密度對路基上合成軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)的影響時，分別選取680 kg/m3,740 kg/m3,800 kg/m3,860 kg/m3四種不同合成軌枕密度，其他材料參數(shù)保持不變。

通過對圖5和圖6分析可知，當(dāng)合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，脫軌系數(shù)由0.22減小到0.06；輪重減載率由0.45減小到0.33。通過分析計算結(jié)果，四種不同合成軌枕密度下的脫軌系數(shù)與輪重減載率均滿足規(guī)范要求，同時脫軌系數(shù)與輪重減載率隨著合成軌枕密度的增大均表現(xiàn)出減小的趨勢，可見，增大合成軌枕密度有利于提高車輛運行的安全性。

通過對圖7和圖8分析可知，當(dāng)合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，車體的垂向加速度由0.19 m/s2增加到0.35 m/s2；車體的橫向加速度由0.17 m/s2減小到0.12 m/s2。通過分析計算結(jié)果可知，隨著合成軌枕密度的增大，車體垂向加速度呈現(xiàn)出增大的趨勢，而車體橫向加速度呈現(xiàn)出減小的趨勢。

通過對圖9和圖10分析可知，當(dāng)合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，輪軌垂向力由79.56 kN變化到78.96 kN；輪軌橫向力由7.05 kN減小到3.26 kN?？梢姡壵砻芏鹊脑龃?，輪軌垂向力變化不明顯，輪軌橫向力有明顯降低。

通過對圖11和圖12分析可知，當(dāng)合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，鋼軌垂向位移由1.66 mm減小到1.61 mm；合成軌枕垂向位移基本不變。

通過對圖13和圖14分析可知，當(dāng)合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，鋼軌的垂向加速度由610.23 m/s2增加到880.85 m/s2；合成軌枕的垂向加速度由239.14 m/s2減小到100.89 m/s2。故增大合成軌枕密度能夠使鋼軌垂向加速度增大，合成軌枕垂向加速度減小。

4 結(jié)語

本文建立了車輛—軌道耦合動力學(xué)模型，對時速200 km/h工況下路基上合成軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)計算分析，重點研究了合成軌枕密度的變化對車輛—軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)在200 km/h工況下計算得出的脫軌系數(shù)、輪重減載率、鋼軌垂向加速度及垂向位移、合成軌枕垂向加速度及垂向位移等均在合理區(qū)間，故本文建立的車輛—軌道耦合動力學(xué)模型是正確的，能夠用于路基上合成軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)的模擬計算。

2)當(dāng)合成軌枕密度增大時，車體的垂向加速度增大，而車體橫向加速度減小。

3)當(dāng)合成軌枕密度增大時，輪軌垂向力變化不大，輪軌橫向力顯著減小?？梢姡龃蠛铣绍壵砻芏饶軌蛟鰪娷壍澜Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4)當(dāng)合成軌枕密度增大時，鋼軌的垂向位移變化不大，垂向加速度顯著增大。

5)當(dāng)合成軌枕密度增大時，合成軌枕的垂向位移變化不大，垂向加速度顯著減小。

6)當(dāng)合成軌枕密度增大時，脫軌系數(shù)和輪重減載率顯著減小。為了保證有砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性，同時考慮到合成軌枕的經(jīng)濟性，可以適當(dāng)增加合成軌枕的密度。