扣件彈性失效對(duì)車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響研究

趙靈健，譚大正

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院，天津 300142）

1 研究背景

由于軌道交通帶來的諸多便利，其迅猛發(fā)展的同時(shí)，隨之產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲對(duì)周圍環(huán)境影響問題變的愈發(fā)突出。通常，從振源處進(jìn)行主動(dòng)減振[1]是較為經(jīng)濟(jì)有效的辦法，其中，對(duì)軌道系統(tǒng)進(jìn)行減振處理的措施居多?？奂鳛檐壍澜Y(jié)構(gòu)重要組成部件，通常是使用減振扣件或設(shè)置減振性能的扣件墊板來獲得對(duì)應(yīng)的支承剛度[2]。然而，隨著軌道交通線路的長期運(yùn)營，在高強(qiáng)度、高密度的動(dòng)態(tài)力作用下，軌道結(jié)構(gòu)的軌下基礎(chǔ)受到很大的沖擊和振動(dòng)，導(dǎo)致扣件的松脫，甚至失效。與此同時(shí)，提供彈性的橡膠墊板的耐久性、抗拉壓性隨時(shí)間有著不同程度的降低。

近年來，多數(shù)學(xué)者對(duì)于不同軌下支承狀態(tài)的動(dòng)力性能進(jìn)行了一定研究[3-7]，通過建立各種動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬仿真分析。其對(duì)于軌下支承更多關(guān)注的是軌枕懸空狀態(tài)下的系統(tǒng)響應(yīng)，且研究對(duì)象以軌道結(jié)構(gòu)的影響變化居多。然而隨著地鐵無砟軌道的大范圍鋪設(shè)，有必要針對(duì)地鐵扣件支承失效狀態(tài)下車輛-軌道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化做進(jìn)一步的研究。本文為了弄清扣件彈性失效對(duì)車輛-軌道體系的影響規(guī)律，借助SIMPACK的輪軌模塊和ANSYS有限元軟件，為更準(zhǔn)確反映實(shí)際情況，從剛?cè)狁詈系慕嵌冉④?軌耦合仿真模型，進(jìn)一步利用仿真模型，分析扣件支承失效對(duì)包括地鐵車輛和軌道基礎(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，旨在為扣件的設(shè)計(jì)及相應(yīng)維護(hù)提供理論參考。

2 車輛-軌道垂向耦合振動(dòng)仿真模型

以前述分析模型為框架，本文根據(jù)車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)[8]，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為車輛、軌道兩個(gè)子系統(tǒng),以Hertz非線性接觸理論作為輪軌力計(jì)算的基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)車輛子系統(tǒng)和軌道子系統(tǒng)的耦合，建立車輛-軌道相互作用的垂向振動(dòng)模型。車輛采用地鐵A型車的相關(guān)參數(shù)，由彈簧阻尼器相連的多剛體模擬，充分考慮車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等影響，整車模型共31個(gè)自由度。軌道系統(tǒng)模型將鋼軌視為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支撐的Euler梁，扣件及軌下橡膠墊板通過線性理想彈簧和粘性阻尼模擬，軌道板視作柔性可變形實(shí)體，采用實(shí)體單元solid45模擬。軌道板與基礎(chǔ)間采用線性彈簧和粘性阻尼連接。由于目前國內(nèi)外還沒有針對(duì)地鐵建立的軌道不平順譜，而過去的理論計(jì)算都普遍采用美國軌道譜，本文采用美國軌道譜進(jìn)行軌道不平順的模擬仿真。

3 計(jì)算模型參數(shù)

本文結(jié)合某地鐵一號(hào)線軌道結(jié)構(gòu)形式給定整體道床的計(jì)算參數(shù)，鋼軌采用三維梁?jiǎn)卧①x予60軌截面屬性，整體道床單塊板長度為12.5m，總跨長為25m，材料采用C40混凝土，考慮車輛總長及前輪駛?cè)牒筝嗰偝黾澳Ｐ椭熊壍篱L度參數(shù)的影響[8]，模擬軌道總長為100m?？奂跋鹉z墊采用彈簧阻尼單元進(jìn)行模擬，僅考慮軸向拉壓，扣件間距為0.6m，因地下線常用DTIII2、DTVI2型扣件，其扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度分別為21kN/mm～25kN/mm、20kN/mm～40kN/mm，故考慮剛度Ks 取25kN/mm。CA砂漿層簡(jiǎn)化為均勻分布在道床與地基間的彈簧阻尼系統(tǒng)，面剛度取0.04N/mm3，面阻尼為104N·s/m。

考慮模型軌道扣件支承完全失效情形，即以扣件剛度Ks=0和阻尼Cs=0模擬扣件松脫失效。行車速度分別取20km/h、40km/h、60km/h，扣件彈性失效具體計(jì)算工況模擬如圖2。

輪軌系統(tǒng)各部件動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果 表1

4 計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)車輛運(yùn)行速度為60km/h時(shí)，彈性扣件為25kN/mm失效情況下列車滿載時(shí)輪軌動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)位置的動(dòng)力特性。

4.1 單個(gè)扣件支承失效動(dòng)力響應(yīng)

圖4及表1為單個(gè)扣件失效狀態(tài)下，輪軌系統(tǒng)各部件的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

由上圖可以看出，工況一情形下，失效扣件處鋼軌位移最大值相較正常情形下增大了78.99%，鋼軌垂向加速度最大值增大了98.73%。與之對(duì)應(yīng)的車體和轉(zhuǎn)向架垂向加速度變化相對(duì)較小，即對(duì)于行車舒適性近乎無影響。在扣件彈性失效處，輪軌垂向力變化并不明顯。而相鄰扣件節(jié)點(diǎn)支反力變化值由正常工況下的25.58kN增加到42.34kN增大了65.52%。

4.2 不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)

圖4、圖5、圖6、圖7分別為扣件彈性失效的各種工況下對(duì)應(yīng)的鋼軌垂向位移、垂向加速度及轉(zhuǎn)向架垂向加速度、相鄰扣件節(jié)點(diǎn)支反力的變化情況。

從上圖可以看出，鋼軌垂向位移（工況一、二、四）分別增大80.4%、在工況三情形下劇烈增大為原來的155.78%，與之對(duì)應(yīng)的扣件彈性失效點(diǎn)處鋼軌的垂向加速度增大了3.49倍，達(dá)到了289.91m/s2。工況一、二、四轉(zhuǎn)向架垂向加速度最大值較正常情形下相對(duì)變化為原來的1.22倍，而在相鄰兩扣件同時(shí)失效即工況三的情形下增大了74.13%。同時(shí)，轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)加速度在工況三情形下增大為原來的1.74倍。而相鄰扣件節(jié)點(diǎn)支反力在工況一、二情況下變化相對(duì)增加較少，扣件的連續(xù)失效導(dǎo)致相鄰節(jié)點(diǎn)支反力的急劇增大，較正常情形下增大了108.13%。工況四下扣件間隔彈性失效，雖然未失效節(jié)點(diǎn)正常工作，但其支反力較正常狀態(tài)增大了1.8倍。

輪軌系統(tǒng)各部件動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可以看出，車體與扣件彈性失效處的軌道板垂向加速度最大值近乎不變，即對(duì)行車平穩(wěn)性影響及軌道板的影響較小。但扣件彈性失效意味著所在點(diǎn)鋼軌垂向位移及振動(dòng)的增大，其加劇了軌道的線路不平順，尤其是當(dāng)扣件連續(xù)的彈性失效，其增大了對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的損害，導(dǎo)致相應(yīng)位移及振動(dòng)的顯著增加。

4.3 不同速度下的動(dòng)力響應(yīng)

圖 8、9、10 分 別 為 20km/h，40km/h 及60km/h下扣件彈性為25MN/m下各個(gè)工況下鋼軌及相鄰扣件支反力的動(dòng)力響應(yīng)。

由此可見，隨著速度的增加，鋼軌振動(dòng)加速度隨著速度的增加而增加。而各個(gè)工況狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的相鄰扣件支反力變化幅值在列車低速運(yùn)行情況下變化不大，即在低速下，速度對(duì)于相鄰彈性失效扣件支反力變化幅值相對(duì)于各個(gè)單獨(dú)工況下的影響相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

輪軌系統(tǒng)各部件動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果 表2

本文在車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，借助ANSYS和SIMPACK聯(lián)合仿真求解車輛-軌道耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究了扣件彈性失效不同分布狀態(tài)下對(duì)車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，得到以下結(jié)論。

①扣件的彈性失效，加劇了鋼軌、相鄰失效扣件及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，但對(duì)于輪軌相互作用、車體振動(dòng)響應(yīng)及行車平穩(wěn)性的影響不大。

②扣件的彈性失效破壞了前后毗鄰的正常支承的軌道結(jié)構(gòu)，特別是支承連續(xù)失效的情況，相應(yīng)軌道位移、振動(dòng)及扣件節(jié)點(diǎn)反力急劇增大，加速了軌道幾何形位變化，且軌道振動(dòng)程度隨著速度的增大而增大。

③扣件失效在列車低速運(yùn)行狀態(tài)下，各個(gè)相應(yīng)工況狀態(tài)下的相鄰扣件支反力變化幅值在變化不大，即相鄰扣件支承狀態(tài)對(duì)于速度變化并不敏感。

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