敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線動(dòng)力仿真研究

王文博

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000)

《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)規(guī)定，橋上應(yīng)避免采用反向曲線。同一座橋梁如設(shè)在反向曲線上，列車過橋時(shí)，由一曲線進(jìn)入另一曲線，擺動(dòng)劇烈，運(yùn)行不夠安全，對(duì)橋梁受力也不利。另外，由于線路養(yǎng)護(hù)撥道不易準(zhǔn)確就位，梁上產(chǎn)生偏心，尤其是明橋面橋超高更難調(diào)整，故對(duì)于各類型橋面的橋上均應(yīng)避開反向曲線。如不得已而設(shè)在反向曲線上時(shí)，應(yīng)該采用道砟橋面，還應(yīng)設(shè)置較長的夾直線，并進(jìn)行充分的論證。實(shí)際上受地形等諸多因素限制，有時(shí)橋梁不可避免地設(shè)置在反向曲線上。敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋曲線半徑小，局部地段形成了S形曲線，且夾直線較短。對(duì)此，本文運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)車車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，研究客車通過時(shí)的輪軌相互作用性能，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全評(píng)估分析，為工程實(shí)際提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，也為敦格鐵路安全運(yùn)營提供理論依據(jù)和參考。

1 模型的建立

1.1 機(jī)車車輛選取

本次動(dòng)力仿真分析選用的機(jī)車車輛類型有兩種:①韶山7E，軸重21 t，計(jì)算代號(hào)SS7E;②提速客車，軸重16 t，計(jì)算代號(hào)T-120。

曲線通過時(shí)的設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為120 km/h，計(jì)算時(shí)客車最高速度為120 km/h。因此，客車速度分別為80，100，120 km/h 三個(gè)等級(jí)。

1.2 橋梁孔跨及線路平縱斷面設(shè)置

肅北2號(hào)特大橋?yàn)?7×32 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋。橋梁全長2 880.60 m，起訖里程DK141+822.7—DK144+703.3。線路平面如圖1，縱斷面設(shè)置如圖2。

圖1 線路平面

圖2 線路縱斷面設(shè)置(單位:m)

1.3 輪軌系統(tǒng)激擾輸入類型

由于敦格鐵路客運(yùn)最高速度為160 km/h，又兼顧貨運(yùn)(最高目標(biāo)速度為120 km/h)，上述反向曲線的軌道均為有砟道床，因此，其運(yùn)用狀態(tài)及條件與我國既有提速鐵路的狀態(tài)相接近。據(jù)此，選用我國既有提速鐵路的軌道幾何不平順作為輪軌系統(tǒng)輸入。

1.4 車輛—軌道耦合模型

應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件TTISIM建立車輛—軌道耦合模型予以分析?？蛙囓囕v由車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和兩系懸掛組成。

車輛子模型中，轉(zhuǎn)向架中央懸掛模型包括彈簧(或空氣彈簧)提供的三個(gè)方向剛度及阻尼，橡膠塊提供的橫向止擋，抗蛇行減振器、橫向減振器及垂向減振器提供的阻尼;軸箱懸掛模型包括軸箱彈簧提供的三個(gè)方向剛度，軸箱定位裝置提供的水平剛度。一系垂向阻尼則由懸掛在軸箱彈簧外側(cè)的一系垂向減振器提供。假設(shè)車體、構(gòu)架及輪對(duì)均為剛體，每個(gè)剛體具有橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭5個(gè)方向自由度，整個(gè)車輛子系統(tǒng)共有35個(gè)自由度。選取的剛度及阻尼參數(shù)見表1。

表1 剛度及阻尼參數(shù)

軌道模型采用了文獻(xiàn)［1］中車輛—軌道垂向統(tǒng)一模型中軌道子系統(tǒng)模型。將左右兩股鋼軌均視為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的無限長Euler梁，并考慮鋼軌的垂向、橫向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng);軌枕視為剛性體，軌枕與鋼軌之間以及軌枕與道床之間在垂向和橫向用線性彈簧和黏性阻尼連接，并考慮軌枕的垂向和橫向振動(dòng)及剛體轉(zhuǎn)動(dòng);道床離散為剛性質(zhì)量塊，道床塊之間由剪切剛度和剪切阻尼組件相連，道床與下部結(jié)構(gòu)之間用線性彈簧和阻尼組件連接，且只考慮道床的垂向振動(dòng)。

2 旅客列車通過時(shí)的性能分析

2.1 輪軌動(dòng)態(tài)安全性能

當(dāng)旅客列車以80～120 km/h速度通過敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道時(shí)，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率等安全性指標(biāo)最大值列于表2。一般而言，第一位輪對(duì)下的動(dòng)力性能指標(biāo)值均最大，因此僅給出了第一位輪對(duì)下指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果(下同)。

由表2可知:

1)SS7E機(jī)車以80～120 km/h速度通過敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道時(shí)，隨著速度的提高，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均增加，當(dāng)速度為100 km/h及以下時(shí)，所有指標(biāo)值均滿足安全要求。當(dāng)速度為120 km/h時(shí)，輪軸橫向力最大值為99.66 kN，超出限值(80 kN);脫軌系數(shù)最大值為1.19，超出限值(1.0);輪重減載率最大值為0.81，略大于限值(0.8)。因此，機(jī)車以120 km/h速度通過該反向曲線時(shí)，安全性指標(biāo)不滿足要求。

2)對(duì)于提速客車，以80～120 km/h速度通過敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道時(shí)，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均隨著速度的提高而增加，最大值分別為48.30，0.76，0.54 kN，出現(xiàn)在速度為120 km/h條件下，均滿足安全要求。

2.2 車體振動(dòng)加速度及其平穩(wěn)性指標(biāo)

當(dāng)旅客列車以不同速度通過敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道時(shí)，車體橫向加速度、垂向加速度、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)等安全性指標(biāo)最大值列于表3。

表3 旅客列車通過時(shí)的舒適性指標(biāo)

由表3可知:

1)SS7E機(jī)車以80～120 km/h速度通過敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道時(shí)，隨著速度的提高，車體橫向振動(dòng)加速度先減小后增加，在速度為100 km/h時(shí)橫向加速度值最小(0.09g)，由此表明100 km/h速度最為接近曲線通過的均衡速度。橫向振動(dòng)加速度最大值為0.16g，出現(xiàn)在120 km/h速度條件下，屬良好等級(jí)。從垂向振動(dòng)來看，隨著速度提高，垂向振動(dòng)加速度增加，最大值為0.11g，屬優(yōu)級(jí)。就平穩(wěn)性指標(biāo)而言，隨著速度的提高，橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均增加，最大值分別為2.55和2.06，出現(xiàn)在120 km/h速度條件下，屬優(yōu)級(jí)。

2)提速客車通過敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道時(shí)，80，100，120 km/h速度條件下的車體橫向振動(dòng)加速度最大值分別是0.09g(良好級(jí))、0.07g(良好級(jí))、0.12g(合格級(jí))，隨著速度提高，加速度值先減小后增加，在速度為100 km/h時(shí)加速度值最小(0.07g)，由此亦表明100 km/h速度最為接近曲線通過的均衡速度。從垂向振動(dòng)來看，隨著速度提高，垂向振動(dòng)加速度略有增加，最大值為0.06g，屬良好級(jí)。就平穩(wěn)性指標(biāo)而言，隨著速度的提高，橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均增加，最大值分別為 1.81和1.49，出現(xiàn)在120 km/h速度條件下，均屬優(yōu)級(jí)。

3 結(jié)論

旅客列車以80～120 km/h速度通過敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道(半徑均為800 m)，對(duì)于SS7E機(jī)車，當(dāng)速度為100 km/h及以下時(shí)，所有安全性指標(biāo)與舒適性指標(biāo)均滿足要求，當(dāng)速度為120 km/h時(shí)，輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率超出合格限值，不滿足要求;對(duì)于提速客車，在80～120 km/h速度范圍內(nèi)，所有指標(biāo)均滿足行車要求。從行車安全性與舒適性角度，對(duì)于敦格鐵路肅北2號(hào)特大橋反向曲線軌道，旅客列車(SS7E機(jī)車與提速客車編組)通過時(shí)，最高速度不宜超過100 km/h。

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