梯形軌道-普通整體道床過渡段布置方式研究

江萬紅,任娟娟，解　鵬,劉　歡,歐陽明

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都　610031；

2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都　610031；

3.廣州鐵路(集團(tuán))公司廣州大型養(yǎng)路機(jī)械運用檢修段,廣州　511487)

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梯形軌道-普通整體道床過渡段布置方式研究

江萬紅1,任娟娟2，解鵬2,劉歡2,歐陽明3

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都610031；

2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都610031；

3.廣州鐵路(集團(tuán))公司廣州大型養(yǎng)路機(jī)械運用檢修段,廣州511487)

摘要：梯形軌道與普通整體道床的過渡部分,由于兩種軌道結(jié)構(gòu)形式的軌下基礎(chǔ)剛度存在差異,從而影響行車平穩(wěn)性和鋼軌使用壽命。采用線性增加梯形軌道縱向軌枕下減振膠墊個數(shù),作為梯形軌道-普通整體道床過渡段設(shè)置方式,建立車輛與過渡段軌道耦合動力學(xué)模型,分析不同過渡段設(shè)置方式鋼軌垂向位移和車體垂向加速度的變化。計算表明,在兩種軌道形式連接處梯形軌道的縱向軌枕下,采9個減振膠墊,以等間距0.625 m布置的過渡段設(shè)置方式較為合理。

關(guān)鍵詞：梯形軌道；過渡段；軌道剛度；動力計算

梯形軌道由鋼軌、梯形軌枕、支承塊構(gòu)成，具有減振降噪、少維修等特點[1-2]，近年來在我國北京、上海等地的地鐵中有所應(yīng)用[3]。對于梯形軌道與普通整體道床的過渡部分，在列車駛經(jīng)兩種軌道結(jié)構(gòu)連接處時，由于軌下基礎(chǔ)剛度相差較大，鋼軌垂向位移和車體垂向加速度將發(fā)生急劇變化，嚴(yán)重影響行車的平穩(wěn)性和鋼軌的使用壽命，因此須在兩種軌道間設(shè)置過渡段[4-5]。為此，采用車輛-軌道耦合動力學(xué)分析方法，對梯形軌道-普通整體道床合理過渡段設(shè)置方式進(jìn)行研究。

1梯形軌道-普通整體道床過渡段布置方式

圖1　梯形軌道-普通整體道床過渡段不同設(shè)置方式(單位：mm)

參考貴陽城市軌道交通1號線相關(guān)設(shè)計研究資料，梯形軌道-普通整體道床過渡段布置方式共分4種，采用線性改變2種軌道連接處一塊縱向軌枕下減振膠墊數(shù)量，改變減振膠墊間距，以調(diào)整梯形軌道剛度，從而實現(xiàn)梯形軌道與普通整體道床的合理過渡。第一種過渡段布置方式，過渡段部分采用6個減振膠墊等間距布置(1.0 m)；第二種過渡段布置方式，過渡段部分采用7個減振膠墊，第一和第二個減振膠墊間距為1.0 m，其余減振膠墊采用等間距布置(0.8 m)；第三種過渡段布置方式，過渡段部分采用8個減振膠墊，第一和第二個減振膠墊間距為0.8 m，其余減振膠墊采用等間距布置(0.7 m)；第四種過渡段布置方式，過渡段部分采用9個減振膠墊等間距布置(0.625 m)。不同的過渡段布置方式如圖1所示。

2模型及計算參數(shù)

2.1車輛與過渡段軌道耦合動力學(xué)模型

本文運用大型通用有限元軟件Ansys進(jìn)行計算，模型總長度取100 m，其中梯形軌道長度取50 m，整體道床軌道長度取50 m。當(dāng)車輛走行經(jīng)過過渡段部分時，計算研究鋼軌和車體垂向的變化。考慮到與扣件彈性相比，將普通整體道床簡化為剛性基礎(chǔ)是合理的，故過渡段模型不考慮基底剛度影響，將其視為固端約束[6]。

其中，鋼軌采用3D梁單元模擬，縱向軌枕采用2D平面板單元模擬，扣件、減振墊層和緩沖墊層采用非線性彈簧單元模擬；車輛采用地鐵B型車，以一節(jié)列車作為研究對象，簡化為具有一、二系懸掛的由車體、構(gòu)架及輪對組成的多剛體系統(tǒng)；出于安全余量等因素考慮，行車速度設(shè)計為160 km/h。動力學(xué)模型[7-8]見圖2。

圖2　車輛與過渡段軌道耦合動力學(xué)模型示意

2.2有限元模型計算參數(shù)

梯形軌道-普通整體道床過渡段軌道結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表1。

地鐵B型車的計算參數(shù)見表2。

表1　梯形軌道-整體道床過渡段軌道結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

表2　地鐵B型車基本參數(shù)

3梯形軌道-普通整體道床過渡段動力學(xué)計算

通過模擬車輛在鋼軌上的走行，研究過渡段部分垂向響應(yīng)[9-10]。運用大型通用有限元計算軟件Ansys，考慮到邊界條件的影響，故模型兩邊各預(yù)留12.5 m不作為研究范圍，所成圖形中，橫坐標(biāo)原點表示不同軌道結(jié)構(gòu)交界處，橫坐標(biāo)負(fù)半軸表示梯形軌道部分距離坐標(biāo)原點的距離，橫坐標(biāo)正半軸表示普通整體道床部分距離坐標(biāo)原點的距離。

3.1相同過渡長度情況下的不同過渡段布置方式對比分析

(1)鋼軌垂向位移及位移變化率

以2種軌道結(jié)構(gòu)形式連接處一個縱向軌枕長度作為過渡部分，劃分5種工況計算，即：不設(shè)置過渡段、第一種過渡方式、第二種過渡方式、第三種過渡方式和第四種過渡方式。鋼軌垂向位移曲線和鋼軌垂向位移變化率曲線如圖3、圖4所示。

圖3　鋼軌垂向位移曲線

圖4　鋼軌垂向位移變化率

從圖3中可得，當(dāng)過渡長度相同時，不同的過渡段設(shè)置方式對鋼軌的最大垂向位移值影響較大。不設(shè)置過渡段鋼軌最大垂向位移為2.119 mm，第一種過渡方式比不設(shè)置過渡段的最大鋼軌垂向位移值增加0.433 mm；第三種過渡方式和不設(shè)置過渡段的最大鋼軌垂向位移值相差不大；第二種過渡方式比不設(shè)置過渡段的最大鋼軌垂向位移值減小0.2 mm，減小幅度10%左右；第四種過渡方式比不設(shè)置過渡段的最大鋼軌垂向位移值減小0.31 mm，減小幅度15%左右。

由圖4可知，當(dāng)車輛由梯形軌枕軌道一側(cè)駛?cè)脒^渡段時，由于軌道剛度的改變，引起鋼軌垂向位移變化率值的增加，但增加幅度不大；當(dāng)車輛由過渡段部分駛?cè)胝w道床一側(cè)時，鋼軌垂向位移變化率因軌道剛度劇烈改變而明顯增加。在梯形軌道與普通整體道床過渡的臨界位置，鋼軌垂向位移變化率值達(dá)到最大。不設(shè)置過渡段最大鋼軌垂向位移變化率為1.07 mm/m，設(shè)置過渡段以后，最大鋼軌垂向位移變化率值比不設(shè)置過渡段時有所減小，其中第二種、第三種和第四種設(shè)置方式最大鋼軌垂向位移變化率值相差不大，相應(yīng)的最大鋼軌垂向位移值分別為0.94、0.90 mm/m和0.95 mm/m。綜上所述，相同過渡長度下第四種過渡段設(shè)置方式的鋼軌垂向位移值和鋼軌垂向位移變化率值最小。

(2)車體垂向加速度

評價車輛的舒適性最直接的標(biāo)準(zhǔn)就是車體振動加速度，我國車體垂向振動加速度的舒適度標(biāo)準(zhǔn)可取為0.13g[11]。車輛走行時，相同過渡長度不同過渡段布置方式所引起的車體垂向振動加速度隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5　車體垂向加速度曲線

由此可得，不布置過渡段、第一種過渡布置方式和第三種布置過渡方式車體最大垂向加速度值相對較大，其數(shù)值分別為0.152、0.199 m/s2和0.143 m/s2；第二種過渡布置方式和第四種過渡布置方式車體最大垂向加速度值相對較小且相差不大，對應(yīng)數(shù)值為0.102 m/s2和0.090 m/s2?？梢钥闯觯谒姆N過渡布置方式的車體最大垂向加速度值為最優(yōu)，對比不設(shè)置過渡段車體最大垂向加速度值減小0.062 m/s2，減小幅度約為41%。

(3)輪軌力及減載率

我國《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》(GB 5599—85)規(guī)定車輛的輪重減載率應(yīng)符合以下條件：≤0.65(第一限度，合格標(biāo)準(zhǔn))，≤0.6(第二限度，增大安全余量的標(biāo)準(zhǔn))[12]。按照增大安全余量的標(biāo)準(zhǔn)，本文取第二限度。經(jīng)計算5種工況下的最大輪重減載率均符合規(guī)范要求，具體數(shù)值見表3。

表3　不同過渡設(shè)置方式的最小輪軌力和最大輪重減載率

3.2相同過渡段布置方式情況下的不同過渡長度對比分析

圖6　鋼軌垂向位移

圖8　車體垂向加速度

以第四種過渡段設(shè)置方式作為研究對象，針對不同的過渡段長度進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算分析。分別取1個梯形軌枕、2個梯形軌枕和3個梯形軌枕長度作為梯形軌道和整體道床的過渡部分，計算得出鋼軌垂向位移值、鋼軌垂向位移變化率值和車體垂向加速度值的變化情況，如圖6～圖8所示。計算表明，分別以1個梯形軌枕、2個梯形軌枕和3個梯形軌枕長度作為梯形軌道與整體道床的過渡部分，相應(yīng)的鋼軌最大垂向位移值為1.806、1.806 mm和1.807 mm，鋼軌最大垂向位移值變化不大；相應(yīng)的鋼軌最大垂向位移變化率分別為0.959、0.954 mm/m和0.950 mm/m，鋼軌最大垂向位移變化率值改變不明顯；相應(yīng)的車體最大垂向加速度分別為0.090 5、0.089 1 m/s2和0.095 2 m/s2，車體最大垂向加速度值變化幅度很小。綜上所述，過渡段長度的改變對鋼軌垂向位移值、鋼軌垂向位移變化率值和車體垂向加速度值無明顯影響。從施工方便和經(jīng)濟(jì)節(jié)約方面考慮，結(jié)合貴陽城市軌道交通1號線實際設(shè)計資料，取1個梯形軌枕長度作為梯形軌道-普通整體道床的過渡部分較為合適。

4結(jié)論

(1)普通整體道床與梯形軌道的軌下基礎(chǔ)剛度差異較大，應(yīng)當(dāng)設(shè)置過渡段，設(shè)置過渡段可以改善軌道結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)。

(2)當(dāng)過渡段長度相同時，對比不同過渡段布置方式的鋼軌垂向位移圖、鋼軌垂向位移變化率圖和車體垂向加速度圖可得?？紤]到施工便利性，第四種過渡方式是較為合理的梯形軌道與普通整體道床過渡形式。

(3)以第四種過渡方式為例，過渡段長度變化對鋼軌最大垂向位移值、鋼軌最大垂向位移變化率值和車體最大垂向加速度值影響很小。所以，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，當(dāng)采用同種過渡段設(shè)置方式時，梯形軌道-普通整體道床過渡段長度取1個梯形軌枕范圍即可。

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Study on Setting-up of Transition Section between Ladder Track and Monolithic roadbedJIANG Wan-hong1, REN Juan-juan2, XIE Peng2, LIU Huan2, OU Yang-ming3

(1.China Railway Eyuan Group Co., Ltd., Chengdu 610031; 2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 3.Heavy Machinery Road Maintenance Division, Guangzhou Railway Group Corporation, Guangzhou 511487)

Abstract：Owing to the stiffness differences of foundations under ladder track and monolithic roadbed, the train running smoothness and service life of rail are deeply affected. The paper establishes the coupling dynamics model of“vehicle-rail”, sets up the transition section by linear increase of the number of the damping rubber pad under the ladder track, and investigates the change pattern of the vertical displacement of rail and acceleration of vehicle in different settings of transition section. The result shows that it is more reasonable to install nine damping rubber pads with equal spacing of 0.625m under longitudinal sleepers of ladder track at the joint of the two track structures.

Key words：Ladder track; Transition section; Track stiffness; Dynamic calculation

中圖分類號：U213.2+41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.016

文章編號：1004-2954(2015)05-0074-04

作者簡介：江萬紅(1982—)，男，工程師，工學(xué)碩士，E-mail:214035258@qq.com。

收稿日期：2014-08-22； 修回日期：2014-08-30