高速鐵路有砟軌道對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能影響分析

關(guān)金發(fā),于素芬,孔 勇,張 毅

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610097； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司電化通號(hào)設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

目前國(guó)內(nèi)350 km/h高鐵普遍采用無砟軌道，采用有砟軌道國(guó)內(nèi)還沒有成熟的應(yīng)用先例。為發(fā)展有砟軌道，需論證其對(duì)高速鐵路相關(guān)專業(yè)的影響，因此，有必要開展高速鐵路有砟軌道對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響，從弓網(wǎng)關(guān)系角度論證有砟軌道的高速適用性。

從事機(jī)車動(dòng)力學(xué)研究的方法主要是利用計(jì)算機(jī)仿真模擬。文獻(xiàn)[1-2]利用計(jì)算機(jī)仿真，建立車輛與軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，得到高速列車車體、懸掛、軌道各部分的振動(dòng)響應(yīng)，但計(jì)算模型并未考慮弓網(wǎng)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3-12]利用計(jì)算機(jī)仿真，分別建立了不同的受電弓與接觸網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，得到受電弓和接觸網(wǎng)各部分的振動(dòng)響應(yīng)，但計(jì)算模型忽略車體振動(dòng)。文獻(xiàn)[13-18]利用計(jì)算機(jī)仿真，分別建立了不同的受電弓與接觸網(wǎng)、車輛與軌道、軌道與線路之間大系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究車輛與無砟軌道對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)行為的影響，但對(duì)于有砟軌道對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力性能的影響尚未見有關(guān)研究。

基于此，針對(duì)中國(guó)高鐵典型弓網(wǎng)系統(tǒng)，利用離線計(jì)算方法，建立有砟軌道-車輛-弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析不同運(yùn)行速度高速動(dòng)車組通過有砟軌道接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能，研究有砟軌道對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響程度，為高速鐵路有砟軌道應(yīng)用以及有砟軌道下弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 仿真建模及輸入

1.1 有砟軌道-車輛-弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型

基于動(dòng)力學(xué)理論，建立了有砟軌道-車輛-弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 有砟軌道-車輛-弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型

有砟軌道-車輛-弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型由接觸網(wǎng)子系統(tǒng)、弓與車輛子系統(tǒng)、軌道子系統(tǒng)、弓網(wǎng)關(guān)系和輪軌關(guān)系五個(gè)部分構(gòu)成。

接觸網(wǎng)子系統(tǒng)由承力索、接觸線、彈性吊索、吊弦和定位器組成。線索為連續(xù)質(zhì)量的非線型索單元，定位器為連續(xù)質(zhì)量梁?jiǎn)卧?/p>

弓與車輛子系統(tǒng)由受電弓、車體、構(gòu)架和輪對(duì)等10個(gè)剛體構(gòu)成，其中受電弓考慮弓頭、上框架和下框架等3個(gè)垂向自由度，車體和構(gòu)架考慮浮沉、橫移、點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾等5個(gè)自由度，輪對(duì)考慮浮沉、橫移、搖頭、側(cè)滾和旋轉(zhuǎn)等5個(gè)自由度，車輛子系統(tǒng)共計(jì)41個(gè)自由度。

有砟軌道子系統(tǒng)由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌枕、道床構(gòu)成。鋼軌模擬為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的無限長(zhǎng)歐拉梁，具有垂向、橫向和扭轉(zhuǎn)自由度。對(duì)于有砟軌道子系統(tǒng)，軌枕模擬為具有垂向、橫向和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的剛體，道床離散為具有垂向自由度的剛性質(zhì)量塊，鋼軌與軌枕、軌枕與道床塊，以及道床塊與路基之間均用彈簧和阻尼元件連接。

弓網(wǎng)關(guān)系作為連接接觸網(wǎng)子系統(tǒng)和弓與車輛子系統(tǒng)的紐帶，采用非線性接觸模型進(jìn)行模擬，其中弓網(wǎng)接觸力按照罰函數(shù)法計(jì)算。

輪軌關(guān)系作為連接車輛子系統(tǒng)和軌道子系統(tǒng)的紐帶，采用輪軌空間動(dòng)態(tài)耦合模型進(jìn)行模擬，其中輪軌法向力按照赫茲非線性彈性接觸理論計(jì)算，輪軌蠕滑力按照Kalker線性理論計(jì)算并進(jìn)行非線性修正。

考慮受電弓質(zhì)量比車體質(zhì)量小得多，弓網(wǎng)振動(dòng)對(duì)車輛振動(dòng)的影響幾乎可以忽略，因此，采用了離線計(jì)算的方法，首先進(jìn)行軌道-車輛動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算，得到受電弓底座的振動(dòng)位移，再輸入到弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算，最終得到弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。

1.2 有砟軌道-車輛參數(shù)輸入

考慮高速鐵路多為橋梁結(jié)構(gòu)，故線路輸入考慮為直線橋梁。橋梁段有砟軌道不平順樣本根據(jù)Q/CR 508—2016《高速鐵路有砟軌道不平順譜》[19]反演得到，如圖2所示。

選取CRH380B型動(dòng)車組為研究對(duì)象，考慮250，300，350，385 km/h和420 km/h五個(gè)速度等級(jí)，車輛運(yùn)行距離為2 000 m。計(jì)算結(jié)果提取前、后帶弓車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

CRH380B型動(dòng)車組以不同速度在路基段有砟軌道上運(yùn)行時(shí)前、后帶弓車受電弓底座處垂車體位移時(shí)域波形如圖3所示，車體垂向最大位移為15 mm。以此作為受電弓底座的垂向振動(dòng)位移，輸入到弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型中。

圖2 有砟軌道不平順樣本

圖3 不同速度等級(jí)有砟軌道車體垂向振動(dòng)曲線

1.3 弓網(wǎng)參數(shù)輸入

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]相關(guān)要求，以京張高鐵350 km/h速度等級(jí)接觸網(wǎng)為例，接觸網(wǎng)的仿真技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

受電弓選用DSA380型，等效為三質(zhì)量-剛度-阻尼模型，其參數(shù)如表2所示[21]。受電弓數(shù)量為2架，弓間距為200 m。受電弓的靜態(tài)接觸力按70 N計(jì)算，氣動(dòng)抬升力按0.000 97v2計(jì)算，其中v為受電弓運(yùn)行速度(單位為km/h)。

表2 受電弓模型參數(shù)

2 有砟軌道弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能

CRH380B動(dòng)車組以不同運(yùn)行速度通過有砟軌道，經(jīng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，得到有砟軌道條件下弓網(wǎng)接觸力，如圖4所示。隨著運(yùn)行速度的增加，雙弓接觸力的波動(dòng)逐漸增加，后弓接觸力比前弓波動(dòng)大。統(tǒng)計(jì)雙弓接觸力如表3所示。350 km/h及以下雙弓接觸力所有指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。385 km/h和420 km/h單弓除接觸力最大值大于350 N外，其他接觸力指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。385 km/h后弓通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)接觸力最小值為0，但在錨段中部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。420 km/h后弓接觸力最大值和0.3Fm-σ指標(biāo)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 不同速度等級(jí)有砟軌道雙弓接觸力曲線

表3 不同運(yùn)行速度有砟軌道雙弓接觸力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 與理想工況下弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

不考慮有砟軌道和車輛對(duì)弓網(wǎng)的影響，受電弓底座位移為0，經(jīng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，得到理想工況下弓網(wǎng)接觸力，統(tǒng)計(jì)雙弓接觸力如表4所示。350 km/h及以下雙弓接觸力所有指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 不同運(yùn)行速度理想工況下弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)比有砟軌道和理想工況的雙弓0.3Fm-σ，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)兩者非常接近，說明有砟軌道-車輛對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響非常小，在計(jì)算弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能時(shí)可忽略軌道-車輛的影響。

圖5 不同速度等級(jí)有砟軌道與理想工況雙弓0.3Fm-σ

4 結(jié)論

根據(jù)有砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立有砟軌道-車輛-弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算不同運(yùn)行速度下的弓網(wǎng)接觸力，結(jié)論如下。

(1)隨著運(yùn)行速度的增加，有砟軌道-車輛-雙弓接觸力的波動(dòng)逐漸增加，后弓接觸力比前弓波動(dòng)大；350 km/h及以下CRH380B型動(dòng)車組通過有砟軌道接觸網(wǎng)的雙弓接觸力所有指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)有砟軌道和理想工況的雙弓接觸力指標(biāo)非常接近，有砟軌道-車輛對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響非常小，在計(jì)算弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能時(shí)可忽略軌道-車輛的影響。