普速鐵路有砟軌道扣件組裝疲勞試驗荷載參數(shù)研究

閆子權，張　歡，李子睿，李彥山(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　100081)

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普速鐵路有砟軌道扣件組裝疲勞試驗荷載參數(shù)研究

閆子權，張歡，李子睿，李彥山
(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:通過對目前機車車輛結構、扣件剛度及線路運營條件下的輪軌力進行理論計算和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，確定了普速有砟軌道線路在軸重25 t、曲線半徑300 m條件下的輪軌力，并對扣件單節(jié)點所承受的垂向力、橫向力及傾翻力矩進行了理論分析。根據(jù)分析結果，建議將《扣件組裝疲勞試驗方法》( TB/T 2491—94)標準中的疲勞荷載參數(shù)修訂為垂向疲勞荷載75 kN，橫向疲勞荷載60 kN，試驗軌高120 mm。

關鍵詞:扣件組裝疲勞垂向疲勞參數(shù)橫向疲勞參數(shù)疲勞試驗軌高

扣件疲勞試驗是評判扣件長期使用性能的重要試驗項目，合理的參數(shù)選取是扣件疲勞試驗的關鍵［1-2］。扣件組裝的疲勞試驗參數(shù)主要包括垂向荷載、橫向荷載和試驗軌高3個參數(shù)，垂向和橫向荷載模擬現(xiàn)場實際扣件承受的垂向力和橫向力，試驗軌高參數(shù)主要是為了在保證橫向和垂向荷載的同時模擬現(xiàn)場扣件承受的傾翻力矩。1994年原鐵道部批準實施了《扣件組裝疲勞試驗方法》( TB /T 2491—94)，規(guī)定了最大軸重25 t、曲線半徑≥250 m條件下的扣件組裝疲勞試驗參數(shù)［3］。但經(jīng)過20多年的發(fā)展，機車車輛轉向架結構及線路條件均有較大程度的改進，因此，為了能夠真實模擬現(xiàn)場扣件受力情況，需結合我國目前線路運營條件、扣件剛度及大量現(xiàn)場實車測試數(shù)據(jù)對扣件組裝疲勞試驗荷載參數(shù)進行深入研究。

1　輪軌力的確定

列車運行過程中，車輪給鋼軌施加的荷載主要包括垂向力、橫向力和縱向力。在扣件組裝疲勞試驗時，主要模擬單個扣件節(jié)點所分擔的輪軌垂向力和橫向力，因此確定輪軌力是研究扣件組裝疲勞試驗參數(shù)的前提條件。輪軌力主要是根據(jù)現(xiàn)場實車測試數(shù)據(jù)并結合理論分析計算確定。

1. 1理論分析

根據(jù)彈性扣件軌道結構特點，運用車輛—軌道空間耦合動力學原理，建立如圖1所示的車輛—軌道空間力學分析模型［4-6］。

圖1車輛—軌道動力學分析模型

模型中，左右兩股鋼軌視為離散彈性點支承基礎上的無限長歐拉梁;鋼軌支承點按扣件節(jié)點間距布置;扣件和有砟道床簡化為均布的線性彈簧和黏滯阻尼;混凝土支承基礎視為剛性。Mc，Mt，Mw分別表示車體、轉向架和輪對的質量，kg; Icx，Icy分別是車體側滾和點頭運動慣量; Itx，Ity分別是轉向架側滾和點頭運動慣量; mr是單位長度鋼軌的質量，kg; EI為鋼軌抗彎剛度，N·m2; Ksy，Ksz分別是轉向架一側二系懸掛橫向和垂向剛度，N/m; Csy，Csz分別是轉向架一側二系懸掛橫向和垂向阻尼，N·s/m; Kpy，Kpz分別是每軸箱一系懸掛橫向和垂向剛度，N/m; Cpy，Cpz分別是每軸箱一系懸掛橫向和垂向阻尼，N·s/m; Kpv，Kph分別是扣件組裝和道砟提供的橫向和垂向剛度，N/m; Cpv，Cph分別是扣件組裝和道砟提供的橫向和垂向阻尼，N·s/m; X，Y，Z分別表示縱向、橫向和垂向位移變量，m。

計算參數(shù)根據(jù)室內及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)選取。扣件組裝垂向動剛度180 kN/mm，有砟道床垂向剛度120 kN/mm，扣件組裝橫向剛度150 kN/mm。線路不平順采用朔黃線實測不平順數(shù)據(jù)，線路曲線半徑取300 m進行分析，曲線超高采用均衡超高，列車速度65 km/h。

采用圖1所示的車輛—軌道動力學分析模型，并將朔黃線實測不平順譜作為輪軌系統(tǒng)的激勵輸入，經(jīng)計算所得的最大輪軌垂向力為157 kN，最大輪軌橫向力為68 kN。

1. 2現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對朔黃線曲線半徑400 m處地面測點的軸重25 t導向軸輪軌力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將機車與車輛數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計，如圖2～圖5所示。

圖2機車輪軌垂向力統(tǒng)計分析

圖3機車輪軌橫向力統(tǒng)計分析

圖4車輛輪軌垂向力統(tǒng)計分析

圖5車輛輪軌橫向力統(tǒng)計分析

由現(xiàn)場輪軌力測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，25 t軸重、400 m曲線半徑運營條件下的最大輪軌垂向力為180. 1 kN，最大輪軌橫向力為112. 8 kN。由于扣件組裝疲勞試驗主要是模擬現(xiàn)場經(jīng)常作用的荷載而非極限荷載，因此選取滿足98. 5%的荷載(即累計百分比為1. 5%處的荷載)，可滿足扣件組裝疲勞試驗要求，即垂向荷載165 kN，橫向荷載80 kN。

根據(jù)理論計算及現(xiàn)場輪軌力測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可確定輪軌垂向力為165 kN，輪軌橫向力為80 kN。

2　扣件節(jié)點受力分析

為了系統(tǒng)分析扣件節(jié)點所受的垂向力、橫向力及傾翻力矩，建立如圖6所示的力學分析模型，模型中鋼軌為60 kg/m標準斷面鋼軌，支點垂向剛度以軌底垂向均勻布置彈簧模擬，橫向剛度以軌底橫向彈簧模擬。輪軌垂向力施加在60 kg/m鋼軌軌距角R13 mm圓弧中心處，輪軌橫向力施加在軌頂以下16 mm處。

圖6力學分析模型

為了消除邊界條件影響，同時考慮輪軌垂向力和輪軌橫向力的影響范圍，鋼軌模型長度方向取10個扣件節(jié)點間距，即6 m，將中間扣件節(jié)點標記為0，并以此為原點，左側扣件節(jié)點依次標記為－1，－2，－3，－4，－5;右側扣件節(jié)點依次標記為1，2，3，4，5。橫向力施加位置及扣件節(jié)點編號如圖7所示。

圖7扣件節(jié)點編號及橫向力施加位置

根據(jù)圖6力學分析模型和圖7橫向力施加位置，建立有限元分析模型［7］，其中鋼軌用實體單元模擬，垂向剛度和橫向剛度以相應的彈簧模擬。

2. 1扣件節(jié)點垂向疲勞荷載分析

根據(jù)文獻［8-9］，扣件承受的最大垂向力Rmax為式中: Rmax為扣件最大垂向力; PV為輪軌垂向荷載; a為鋼軌支承間距; u為鋼軌基礎彈性模量; EI為鋼軌垂向抗彎剛度。

而扣件單節(jié)點垂向力分配系數(shù)

在計算扣件單節(jié)點垂向力分配系數(shù)時，將鋼軌支點剛度考慮成扣件組裝垂向動剛度與有砟道床剛度串聯(lián)后的剛度，由式( 1)和式( 2)計算可得，輪軌垂向力為165 kN時，扣件節(jié)點最大垂向力為72. 6 kN，分配系數(shù)為0. 44?？紤]室內試驗的可操作性，將室內扣件節(jié)點垂向疲勞試驗荷載取為75 kN。

2. 2扣件節(jié)點橫向疲勞荷載分析

根據(jù)有限元分析模型和80 kN輪軌橫向力分析了扣件單節(jié)點的橫向力及其分配系數(shù)。圖8為長鋼軌橫向變形情況。通過有限元分析，作用在長鋼軌上輪軌橫向力為80 kN時，單扣件節(jié)點所承受的橫向力為56 kN，分配系數(shù)為0. 70?？紤]室內試驗的可操作性，將室內扣件節(jié)點橫向疲勞試驗荷載取為60 kN。

圖8長鋼軌橫向變形1

3扣件節(jié)點疲勞試驗軌高分析

疲勞試驗軌高主要模擬現(xiàn)場扣件的抗傾翻能力，根據(jù)有限元分析模型和165 kN輪軌垂向力、80 kN輪軌橫向力分析了扣件單節(jié)點承受的傾翻力矩及其分配系數(shù)［10］。此時，鋼軌垂向支點剛度不再考慮有砟道床剛度的影響，通過有限元分析可知，扣件節(jié)點承受的傾翻力矩為4 408 N·m，分配系數(shù)為0. 48。

鋼軌傾翻力矩計算原理示意如圖9所示。鋼軌扭矩M為

圖9鋼軌傾翻力矩計算原理示意

式中: PL為橫向荷載; PV為垂向荷載; h為橫向荷載位置與軌底的距離; e為垂向荷載偏心距。

根據(jù)鋼軌傾翻力矩計算原理及式( 3)，可計算得出自軌底中心點起鋼軌高度為117 mm?？紤]室內試驗的可操作性，將室內扣件節(jié)點疲勞試驗用軌高取為120 mm。

4　結論及建議

現(xiàn)行的普速鐵路扣件疲勞試驗是按照原鐵道部頒布的TB /T 2491—94實施的，該標準規(guī)定了最大軸重25 t、曲線半徑≥250 m條件下的扣件組裝疲勞試驗參數(shù)。但經(jīng)過20多年的發(fā)展，機車車輛轉向架結構、扣件結構及線路條件均有較大程度的改進，現(xiàn)場扣件受力情況也有了較大改變，因此，為了能夠真實模擬現(xiàn)場扣件受力情況，結合我國目前的線路運營條件、扣件剛度及大量現(xiàn)場實車測試數(shù)據(jù)等對扣件組裝疲勞試驗荷載參數(shù)進行了深入研究，得出以下主要結論及建議:

1)將TB /T 2491—94標準中的疲勞荷載參數(shù)由原來的垂向疲勞荷載70 kN，橫向疲勞荷載70 kN，試驗軌高100 mm，修訂為垂向疲勞荷載75 kN，橫向疲勞荷載60 kN，試驗軌高120 mm。

2)建議對研究所得的疲勞荷載參數(shù)進行室內試驗，以驗證其合理性。

參考文獻

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(責任審編周彥彥)

Research on load parameters in fatigue test for fastening assemblies of ballast track on conventional railway

YAN Ziquan，ZHANG Huan，LI Zirui，LI Yanshan
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Based on theoretical calculation and field test data statistical analysis of the current vehicle structure，fastener stiffness and wheel rail force under line operation condition，the wheel rail force in condition of 25 t axle load and 300 m curve radius on common ballast track was determined，and the vertical force，lateral force and tilting moment bore by fastener single node was analyzed．T he analysis results showed that fatigue load parameters in Standard for Test Methods of Fastening Assemblies Fatigue( TB /T 2491—94) should be revised as follows: 75 kN for vertical fatigue load，60 kN for lateral fatigue load，and 120 mm for test rail height．

Key words:Fastening assemblies fatigue; Vertical fatigue parameter; Lateral fatigue parameter; Rail height for fatigue test

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0076-04

中圖分類號:U213．2

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．16

作者簡介:閆子權( 1985—)，男，助理研究員，博士。

基金項目:中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目( 2014G002-B)

收稿日期:2015-11-15;修回日期: 2015-12-11