高速動車組在不同無砟軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的動力學(xué)響應(yīng)分析

袁玄成　田國英　王開云

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室　四川成都　610031)

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高速動車組在不同無砟軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的動力學(xué)響應(yīng)分析

袁玄成田國英王開云

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室四川成都610031)

摘要：以某型高速動車組在CRTSⅡ板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道上的直線運(yùn)行工況為例，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，分析高速鐵路不同軌道結(jié)構(gòu)的輪軌動力學(xué)性能之差異。研究結(jié)果表明，該型高速動車組在不同無砟軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行時均具有良好的安全性和平穩(wěn)性，動力學(xué)響應(yīng)雖然存在差異，但差異很小。

關(guān)鍵詞：CRTSⅡ板式無砟軌道雙塊式無砟軌道高速動車組動力學(xué)響應(yīng)

由于無砟軌道具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、連續(xù)性和高平順性等優(yōu)點，能夠保證高速列車高速、安全、平穩(wěn)舒適地運(yùn)行，因而被廣泛應(yīng)用于高速鐵路。我國高速鐵路采用的無砟軌道結(jié)構(gòu)分為板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道兩類。新建高速鐵路在軌道結(jié)構(gòu)選型時會結(jié)合沿線地質(zhì)、氣候、環(huán)境等多方面因素對不同軌道結(jié)構(gòu)的施工性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行綜合評估，最終決定采用一種或多種軌道結(jié)構(gòu)[1]。因此，不同的線路所采用的軌道結(jié)構(gòu)通常是不一樣的。

隨著我國規(guī)劃的“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)逐步建成，高速動車組跨線運(yùn)行越來越普遍，這意味著高速動車組需要在不同的軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。盡管不同軌道結(jié)構(gòu)都可以保證高速列車運(yùn)行的基本要求，但是由于結(jié)構(gòu)和參數(shù)上的差異，車輛的動力學(xué)響應(yīng)也勢必會有差異。已有的研究多以軌道結(jié)構(gòu)為研究對象，且多采用有限元分析方法，將車輛荷載作為外界激勵作用于軌道結(jié)構(gòu)，對比分析不同軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)[2-4]。文獻(xiàn)[5]雖然考慮了軌道整體剛度和阻尼對車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響，但不能分析不同軌道結(jié)構(gòu)對車輛動力學(xué)性能影響的差異。

本文以應(yīng)用較為廣泛的CRTSⅡ板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道為例，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論[6]，通過動力學(xué)仿真，比較我國某型高速動車組在不同軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行時動力學(xué)響應(yīng)的差異，以期為高速動車組的動力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1動力學(xué)模型

研究表明[6]，軌道結(jié)構(gòu)的振動會對車輛的動力學(xué)響應(yīng)造成巨大影響，而經(jīng)典的車輛動力學(xué)將軌道視為剛性的，不考慮軌道系統(tǒng)振動對車輛系統(tǒng)的動態(tài)影響，因此無法客觀描述車輛在軌道上運(yùn)行的狀態(tài)。車輛-軌道耦合動力學(xué)理論[6]將車輛和軌道視為相互作用、相互耦合的整體大系統(tǒng)，二者通過輪軌相互作用聯(lián)系在一起，因而可以分析軌道結(jié)構(gòu)的彈性(阻尼)對車輛動力學(xué)響應(yīng)的影響。圖1和圖2分別為車輛與板式無砟軌道、雙塊式無砟軌道的耦合動力學(xué)模型側(cè)視圖。

圖1　車輛-板式無砟軌道耦合動力學(xué)模型側(cè)視圖

圖2　車輛-雙塊式無砟軌道耦合動力學(xué)模型側(cè)視圖

本文以某型高速動車組的拖車為例。該車采用“三無結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)向架，車體通過空氣彈簧支承在構(gòu)架上，二系懸掛由橫向減振器、抗蛇行減振器和二系垂向減振器提供阻尼。輪對采用轉(zhuǎn)臂式軸箱定位方式，一系懸掛由螺旋鋼彈簧、轉(zhuǎn)臂橡膠關(guān)節(jié)和垂向減振器來提供剛度和阻尼。

車輛子系統(tǒng)模型由車體、構(gòu)架、輪對共7個剛體組成，每一個剛體考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭、點頭5個自由度，共計35個自由度(表1)。

表1　車輛子系統(tǒng)模型自由度

CRTS Ⅱ板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層、支承層(或底座)組成，相鄰軌道板通過螺紋鋼筋實現(xiàn)縱連。水泥乳化瀝青砂漿層作為軌道板和底座之間的調(diào)整層，主要起填充支撐、承力傳力以及提供適當(dāng)?shù)膭偠群蛷椥缘淖饔谩?/p>

對于板式無砟軌道，軌道振動主要體現(xiàn)在鋼軌和軌道板的振動上。建模時，左右兩股鋼軌均視為離散彈性點支承基礎(chǔ)上的無限長Euler梁，并考慮其垂向、橫向及扭轉(zhuǎn)自由度。軌道板的垂向振動按彈性地基上的等厚度矩形薄板考慮，而橫向可視為剛體運(yùn)動。

雙塊式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、支承層等部分組成。雙塊式無砟軌道的振動主要體現(xiàn)在鋼軌的振動上，建模時左右兩股鋼軌均視為離散彈性點支承基礎(chǔ)上的無限長Euler梁，并考慮其垂向、橫向及扭轉(zhuǎn)自由度。

根據(jù)京滬、武廣、京津等多條高速鐵路的不平順實測數(shù)據(jù)整理得到了中國高速鐵路無砟軌道不平順譜，該不平順譜的表達(dá)式及相關(guān)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[6]。將中國高速鐵路無砟軌道不平順譜施加于動力學(xué)分析模型，可以分析車輛在隨機(jī)不平順激擾下的動力學(xué)響應(yīng)。

2動力學(xué)響應(yīng)對比分析

分別計算某型高速動車組在CRTSⅡ 板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道上以200，250，300，350 km/h速度沿直線運(yùn)行時的動力學(xué)響應(yīng)，并選取脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體垂向加速度、車體橫向加速度、輪軌垂向力和輪軌橫向力作為評價指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

圖3展示了高速動車組在兩種軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行時各項動力學(xué)響應(yīng)隨車速變化的情況。從變化規(guī)律上可以看出，該高速動車組在這兩種軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的動力學(xué)響應(yīng)變化趨勢是一致的，即都隨著車速的提高而增大。下面以高速動車組在CRTSⅡ板式無砟軌道上運(yùn)行時的動力學(xué)響應(yīng)為例進(jìn)行說明。從圖3(a)和圖3(b)可以看出，當(dāng)車速為200 km/h時，脫軌系數(shù)約為0.074，輪重減載率約為0.13，當(dāng)車速為350 km/h時，脫軌系數(shù)增大至0.098左右，輪重減載率增大至0.34左右；脫軌系數(shù)增幅約為32.4%，輪重減載率增大了約1.6倍。脫軌系數(shù)和輪重減載率作為安全性指標(biāo)，均遠(yuǎn)低于相關(guān)規(guī)范[7]規(guī)定的0.8的安全限值，即車輛運(yùn)行均處于安全范圍之內(nèi)。從圖3(c)和圖3(d)可以看出，隨著車速從200 km/h增大至350 km/h，車體垂向加速度從0.0124g增大至0.0256g，增大了1倍左右；車體橫向加速度先增大，隨后變化趨于平穩(wěn)，最小值為0.0165g，最大值為0.0230g。車體垂向加速度和車體橫向加速度也遠(yuǎn)低于規(guī)范規(guī)定的2.5 m/s2，表明該型高速動車組在這兩種軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行均較平穩(wěn)。據(jù)圖3(e)和圖3(f)可知，在車速從200 km/h提高到350 km/h的過程中，輪軌垂向力從81 kN左右增大至96 kN，增大了18.5%；輪軌橫向力增長先快后緩，從5.3 kN左右增大至7.7 kN左右，增大了27.4%。隨著車速提高，車輛與軌道之間的動力作用也隨之增強(qiáng)。

表2進(jìn)一步給出了二者差異的百分比。由表2可以發(fā)現(xiàn)，大部分動力學(xué)響應(yīng)的差異都在1%以下，差異最大的也不超過3%。例如：當(dāng)車速為300 km/h時，輪重減載率的差異達(dá)到2.8%；當(dāng)車速為350 km/h時，輪重減載率的差異為2.19%，脫軌系數(shù)的差異為2.37%。由此說明，該型動車組對CRTSⅡ板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道都具有良好的適應(yīng)性，無需針對某一種軌道結(jié)構(gòu)對車輛的動力學(xué)性能進(jìn)行特殊優(yōu)化。

圖3　高速動車組在不同軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的動力學(xué)響應(yīng)對比

動力學(xué)指標(biāo)速度/km·h-1CRTSⅡ雙塊式差異動力學(xué)指標(biāo)速度/km·h-1CRTSⅡ雙塊式差異脫軌系數(shù)2000.07390.07420.42%2500.08980.09060.99%3000.09140.09110.37%3500.09830.09602.37%輪重減載率2000.13080.13140.52%2500.18140.18210.36%3000.25980.26712.80%3500.34440.35202.19%車體垂向加速度/g2000.01240.01240.10%2500.01760.01770.45%3000.02350.02350.01%3500.02560.02560.09%車體橫向加速度/g2000.01650.01640.62%2500.02470.02470.20%3000.02310.02310.21%3500.02300.02320.67%輪軌垂向力/kN20080.9281.070.19%25084.5184.670.20%30089.9090.490.65%35096.0196.180.17%輪軌橫向力/kN2005.345.320.35%2506.606.580.29%3007.457.351.33%3507.727.700.27%

3結(jié)論

(1)某型高速動車組在CRTSⅡ板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道上運(yùn)行的各項動力學(xué)響應(yīng)具有相同的變化規(guī)律，均隨著車速的提高而增大。CRTSⅡ板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道條件下的高速動車組輪軌動力學(xué)性能有一定的差異，但是差異很小。

(2)該型高速動車組的動力學(xué)設(shè)計滿足在CRTSⅡ板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道上運(yùn)行的要求，該型高速動車組對這兩種類型軌道結(jié)構(gòu)均具有良好的適應(yīng)性。

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Dynamic Response Analysis of High-speed EMU Running on

Different Non-ballasted Track Structures

YUAN Xuan-cheng, TIAN Guo-ying, WANG Kai-yun

(TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:This article takes the working conditions that a kind of high-speed EMU running on CRTSⅡ slab track as well as double-block non-ballasted track along the straight line as examples, the differences that wheel-rail dynamic performance on different high-speed railway track structures are analyzed according to the Vehicle-Track Coupled Dynamics. The research results indicate that this kind of high-speed EMU has superior qualities of safety and stability while running on different non-ballasted track structures. Though there are differences between dynamic responses on different non-ballasted track structures, they are proved to be very small.

Key words:CRTSⅡ slab track; Double-blocknon-ballasted track; High-speed EMU; Dynamic response

中圖分類號：U231.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-8755(2015)04-0001-05

作者簡介:袁玄成(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為鐵路大系統(tǒng)動力學(xué)。E-mail: yuanxch@foxmail.com

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究973課題(2013CB036206)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題(2014G010-H)。

收稿日期：2015-07-01