鋼軌在輪軌力作用下的垂向應(yīng)力響應(yīng)特性

焦振華，戴恒震，劉 沖，周文靜

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

無(wú)縫線路軌道因消除了大量的鋼軌接頭，具有列車行駛平穩(wěn)性好、線路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛地應(yīng)用于高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)中，這也是目前我國(guó)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的重點(diǎn)。無(wú)縫線路鋼軌因扣件和道床的約束，軸向不能自由伸縮，當(dāng)鋼軌溫度升高或降低時(shí)，鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生軸向壓力或拉力，在車輪荷載作用下，可能導(dǎo)致鋼軌脹曲或斷軌，嚴(yán)重影響行車安全［1-2］。盧耀榮［3］在環(huán)形試驗(yàn)基地進(jìn)行溫度力和列車動(dòng)載共同作用下動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)無(wú)縫線路動(dòng)態(tài)失穩(wěn)有別于靜態(tài)失穩(wěn)的特征。鋼軌的垂向應(yīng)力間接反映了動(dòng)態(tài)荷載，采集分析鋼軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)無(wú)縫線路失穩(wěn)的研究有指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼軌動(dòng)態(tài)的研究大多集中在車輛超偏載［4］和鋼軌的固有頻率與溫度力［5］的關(guān)系。目前，還沒(méi)有針對(duì)性地研究鋼軌的垂向應(yīng)力響應(yīng)與列車車輪荷載之間的關(guān)系。

本文采用Abaqus有限元軟件［6-7］建立無(wú)砟軌道的三維有限元模型，仿真分析了不同荷載作用下的鋼軌軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)，并通過(guò)輪軌力加載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了鋼軌在不同荷載作用下，軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)的分布規(guī)律。

1 輪軌力加載試驗(yàn)臺(tái)及有限元模型

1.1 輪軌力加載試驗(yàn)臺(tái)

圖1 輪軌力加載試驗(yàn)臺(tái)及控制器

輪軌力加載試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)主要由高速鐵路軌道、輪軌力加載裝置、控制器等組成。其中高速鐵路軌道是嚴(yán)格按照哈大線的施工標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)而成的一段長(zhǎng)20 m無(wú)砟軌道［8］。該無(wú)砟軌道由地基、CA砂漿、CRTSⅠ型軌道板、鐵墊板、橡膠墊、扣件、鋼軌等組成;輪軌力加載裝置主要包括電液伺服作動(dòng)器、控制器、壓力反饋傳感器和輪軌力加載頭等組成。電液伺服作動(dòng)器(型號(hào):WSNF3A050T，主要性能指標(biāo):最大靜態(tài)試驗(yàn)力為80 kN，頻率范圍為0.1～30.0 HZ)用于模擬列車車輪對(duì)鋼軌的荷載。電液伺服作動(dòng)器可通過(guò)控制器進(jìn)行程式控制，模擬列車車輪對(duì)鋼軌的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)荷載。與鋼軌接觸的輪軌力加載頭底面形狀與列車車輪的踏面類似，以模擬列車車輪與鋼軌的相互作用關(guān)系。

1.2 軌道試驗(yàn)臺(tái)有限元模型

本文按照 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，在Abaqus有限元仿真軟件中，建立了一段長(zhǎng)度為5 130 mm的無(wú)縫線路仿真模型。有限元模型如圖2所示。有限元模型車輪定義為分析剛體，其它各部件采用一階六面體減縮積分單元C3D8R進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，全局種子布置為30 mm，在鋼軌的橫截面及存在接觸部位采用局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。各部件的材料屬性如表 1 所示［9-10］。

圖2 三維輪軌接觸有限元模型

表1 無(wú)砟軌道模型各部分材料性質(zhì)

分析過(guò)程中，選用靜態(tài)通用分析步［11］。首先，在初始分析步定義好各部件之間接觸關(guān)系及邊界條件;其次，在第一分析步中定義重力場(chǎng)并在扣件上施加9 kN［12］的等效扣壓力。從第二分析步開(kāi)始，依次給車輪軸的中心參考點(diǎn)位置施加 60，80，100，120，140 和160 kN的車輪載荷，并分析鋼軌在不同荷載作用下軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)。

2 有限元結(jié)果及其分析

本文主要研究無(wú)砟軌道鋼軌在不同荷載作用下的垂向應(yīng)力分布。選用如圖2所示的坐標(biāo)系，X為橫向、Y為垂向、Z為軸向。根據(jù)坐標(biāo)軸的定義，則S22表示鋼軌的垂向正應(yīng)力。圖3至圖6分別為鋼軌的Mises綜合應(yīng)力和S22方向的正應(yīng)力云圖，車輪載荷為120 kN。從圖3和圖4中可以看出由于鋼軌的工字型的特殊結(jié)構(gòu)，在車輪載荷作用下，鋼軌的垂向應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律與采用矩形梁?jiǎn)卧M分析得到的結(jié)果［4］存在差異。相比于矩形梁?jiǎn)卧Ｐ偷姆治鼋Y(jié)果，鋼軌在不同荷載作用下，軌頭與車輪接觸區(qū)域的應(yīng)力比較集中，除軌頭與車輪接觸區(qū)域外，垂向應(yīng)力響應(yīng)的最大區(qū)域分布在鋼軌的跨中，軌腰內(nèi)側(cè)最上方。

圖3 車輪荷載作用下軌腰外側(cè)Mises應(yīng)力分布

圖4 車輪荷載作用下軌腰內(nèi)側(cè)Mises應(yīng)力分布

圖5 車輪荷載作用下軌腰外側(cè)S22應(yīng)力分布

圖6 車輪荷載作用下軌腰內(nèi)側(cè)S22應(yīng)力分布

由于鋼軌的軌頭及軌底剛度較大，在車輪荷載作用下，軌腰處腹板區(qū)域的Mises主應(yīng)力大約成45°分布在車輪荷載位置正下方的兩側(cè)。鋼軌軌腰處的垂向應(yīng)力最大區(qū)域分布在車輪荷載處軌腰最上方，如圖5和圖6所示。

選擇車輪荷載當(dāng)前作用跨，對(duì)一跨鋼軌軌腰內(nèi)側(cè)上、中、下和軌腰外側(cè)上、中、下的垂向應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖7所示。從圖中可以看出，在軌底以上部分，軌腰內(nèi)側(cè)的垂向應(yīng)力明顯大于軌腰外側(cè);在鋼軌的同一側(cè)，軌腰上方的垂向應(yīng)力響應(yīng)大于軌腰下方。

圖7 軌腰內(nèi)側(cè)和軌腰外側(cè)S22正應(yīng)力分布

根據(jù)圖7中的分析結(jié)果，分別從模型中選取車輪荷載作用跨的跨中，軌腰內(nèi)側(cè)距離軌底平面高度分別為60，82，100，120 mm 處的4個(gè)位置點(diǎn)，分析鋼軌的垂向應(yīng)力與輪軌力之間的關(guān)系。如圖8所示，圖中4條曲線分別表示以上選取的4個(gè)位置處的垂向應(yīng)力與車輪荷載大小之間的關(guān)系。從圖8可以看出，在不同荷載作用下，鋼軌的垂向應(yīng)力響應(yīng)與荷載大小基本成線性關(guān)系;在同一荷載作用下，鋼軌垂直方向的同一橫截面內(nèi)，從鋼軌的軌腰上側(cè)至下側(cè)，垂向應(yīng)力響應(yīng)變小。

圖8 不同荷載作用下軌腰內(nèi)側(cè)垂向應(yīng)力

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證以上有限元模型的分析結(jié)果，本文利用輪軌力加載試驗(yàn)臺(tái)對(duì)鋼軌進(jìn)行加載試驗(yàn)，模擬列車車輪對(duì)鋼軌的荷載作用。試驗(yàn)前，在輪軌力加載頭的下方，軌腰內(nèi)側(cè)粘貼“共和”應(yīng)變片，應(yīng)變片的安裝位置選擇在鋼軌的跨中，距離鋼軌底部平面的高度分別為120，100，82和60 mm的位置。應(yīng)變片安裝完成后，利用無(wú)線傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變片按照惠斯通半橋接法，采集頻率為500 Hz，采集方式設(shè)置為實(shí)時(shí)采集。

試驗(yàn)前將荷載大小設(shè)置為0，對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)也清零后，分別按照 30，40，50，60，70，80 kN 的順序依次給鋼軌施加車輪荷載，記錄鋼軌軌腰內(nèi)側(cè)4個(gè)位置處應(yīng)變片采集到的應(yīng)變值大小。利用應(yīng)變與應(yīng)力和彈性模量之間的關(guān)系，將以上試驗(yàn)采集到的4個(gè)位置點(diǎn)的垂向應(yīng)變轉(zhuǎn)換成應(yīng)力，與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。圖中實(shí)線為試驗(yàn)結(jié)果，虛線為仿真計(jì)算結(jié)果。從圖9可知，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的結(jié)果吻合較好，誤差在5%以內(nèi)，垂向應(yīng)力大小與鋼軌所受車輪荷載基本成線性關(guān)系。

圖9 輪軌力作用下的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立無(wú)砟軌道的三維有限元模型，分析了鋼軌在輪軌力荷載作用下軌腰處的垂向應(yīng)力分布，并通過(guò)輪軌力加載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論:

1)在車輪荷載作用下，軌頭與軌底之間的腹板區(qū)域的Mises主應(yīng)力大約呈45°分布在荷載兩側(cè)。

2)無(wú)縫鋼軌在不同荷載作用下，軌頭與車輪接觸區(qū)域的垂向應(yīng)力最大;在軌腰處，垂向應(yīng)力最大區(qū)域分布在鋼軌跨中軌腰最上方。

3)在平行于鋼軌底面的同一平面內(nèi)，軌腰內(nèi)側(cè)垂向應(yīng)力大于軌腰外側(cè)。

4)不同荷載作用下，軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)與荷載大小基本成線性關(guān)系。

［1］練松良．軌道工程［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［2］劉興漢．鋼軌溫度和溫度應(yīng)力［J］．西鐵科技，2002(3):30-32．

［3］盧耀榮．無(wú)縫線路動(dòng)態(tài)失穩(wěn)特征的分析研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，1993(3):77-83．

［4］張昭，蔡志勤．有限元方法與應(yīng)用［M］．大連:大連理工大學(xué)出版社，2011．

［5］曹玉，黃志輝，李屹罡，等．鋼軌在動(dòng)載荷作用下的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特性分析［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013(2):36-41．

［6］羅雁云，朱劍月，馮奇．不同溫度力下無(wú)縫線路鋼軌振動(dòng)特性分析［J］．力學(xué)季刊，2006(2):279-285．

［7］莊茁，張帆，岑松，等．ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

［8］趙國(guó)堂，李昌寧，鐘海江．CRTSⅠ型軌道板張拉與水養(yǎng)順序問(wèn)題的探討［J］．鐵道建筑，2010(11):123-125．

［9］康熊．鐵路計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［10］雷曉燕．鐵路軌道結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1998．

［11］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元實(shí)例詳解［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［12］王其昌．無(wú)砟軌道鋼軌扣件［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2006．