輪軌垂向沖擊力地面測(cè)試方法適用性研究

畢瀾瀟，趙坪銳，王森榮,4，熊 飛，劉學(xué)毅，郭利康

(1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.邛崍市審計(jì)局 政府投資建設(shè)項(xiàng)目審計(jì)中心，四川 邛崍 611530；4.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

當(dāng)車輪通過(guò)低接頭、錯(cuò)牙接頭、接頭軌縫及軌面剝離時(shí)，車輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的改變會(huì)使車輪對(duì)軌道產(chǎn)生垂直向下的沖擊速度，從而產(chǎn)生沖擊荷載[1]。輪軌沖擊荷載可達(dá)正常輪載3～4倍，嚴(yán)重影響行車安全及車輪、軌道使用壽命。20世紀(jì)六七十年代，英國(guó)鐵路Derby技術(shù)中心為防止和整治鋼軌接頭區(qū)病害，對(duì)輪軌相互作用力進(jìn)行了大量的理論與試驗(yàn)研究，提出輪軌沖擊時(shí)存在兩個(gè)峰值力，即P1、P2力。Jenkins等[2]在理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出P1、P2的近似計(jì)算公式，其研究成果是軌道垂向荷載理論的重要發(fā)展。輪軌間垂向沖擊力問(wèn)題一直是鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究課題，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輪軌沖擊力與軌道結(jié)構(gòu)各參數(shù)間的關(guān)系做了相關(guān)研究，針對(duì)激擾類型的不同建立如接頭軌縫、低接頭、車輪不圓等情況下的輪軌沖擊力分析模型，基本明確了輪軌沖擊力的影響因素，所進(jìn)行的理論研究可為線路的養(yǎng)護(hù)維修提供指導(dǎo)[3-7]。

相比于日趨完善的理論分析工作，對(duì)輪軌高頻沖擊力地面測(cè)量的研究相對(duì)較少?，F(xiàn)有的地面測(cè)試研究主要集中在在靜載或移動(dòng)靜載作用下分析鋼軌應(yīng)變響應(yīng)范圍而優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置方案，以及動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)結(jié)果的處理問(wèn)題[8-10]。高頻沖擊力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果往往直接使用，但對(duì)其可用性、準(zhǔn)確性都很少提及。2017年我國(guó)頒布的TB/T 2489—2016《輪軌橫向力和垂向力地面測(cè)試方法》[11]輪軌力測(cè)量推薦標(biāo)準(zhǔn)代替原標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2489—94《輪軌橫向力和垂向力地面測(cè)試方法》[12]，文獻(xiàn)[12]中明確指出“本標(biāo)準(zhǔn)適用于鐵路現(xiàn)場(chǎng)鋼軌粘貼應(yīng)變片以測(cè)試具有準(zhǔn)靜態(tài)特性的輪軌水平力和垂直力”。文獻(xiàn)[11]去除了對(duì)“準(zhǔn)靜態(tài)特性”的描述，新規(guī)范測(cè)試方法是否適用于輪軌高頻沖擊力的測(cè)量并未明確指出。早期理論研究所用輪軌沖擊力現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)多基于準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試方法等到，但高頻沖擊力持續(xù)時(shí)間短、衰減快，準(zhǔn)靜態(tài)方法是否適用于高頻輪軌力識(shí)別、測(cè)試結(jié)果能否反應(yīng)輪軌力真實(shí)值都有待研究，難以對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的對(duì)比驗(yàn)證[5，8-10，13-14]。

為完善輪軌沖擊機(jī)理研究工作、建立統(tǒng)一有效的輪軌沖擊力測(cè)試方法，明確不同測(cè)試方法對(duì)輪軌沖擊力測(cè)量的適用性是十分必要的。本文以落軸沖擊模擬輪軌沖擊過(guò)程，采用LS-Dyna動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)落軸沖擊及軌道沖擊后的響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算，在分析對(duì)比不同測(cè)試方法的前提下，選擇適用于高頻沖擊力測(cè)量的方法。并結(jié)合室內(nèi)實(shí)尺試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)仿真進(jìn)行驗(yàn)證，探究現(xiàn)有測(cè)試方法對(duì)軌道輪軌高頻沖擊力測(cè)量的可行性和適用性，研究結(jié)果可以指導(dǎo)輪軌沖擊力測(cè)量工作。

1 模型建立

當(dāng)輪軌發(fā)生沖擊時(shí)，參與沖擊鋼軌的質(zhì)量一般為轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量，將不同不平順引起的輪軌沖擊轉(zhuǎn)化為落軸高度能有效模擬輪軌沖擊過(guò)程。室內(nèi)落軸試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制且易于完成，因此選用該方法對(duì)地面測(cè)試方法進(jìn)行研究。

采用LS-Dyna動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)落軸沖擊及軌道沖擊后的響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。LS-Dyna能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問(wèn)題，特別適合求解二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性振動(dòng)沖擊問(wèn)題，在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包。與試驗(yàn)的無(wú)數(shù)次對(duì)比證實(shí)了其計(jì)算的可靠性，可以較為準(zhǔn)確的模擬輪軌沖擊過(guò)程。

模型依據(jù)CRTSⅢ板式無(wú)砟軌道建立，鋼軌、軌道板、自密實(shí)混凝土、底座板等軌道部件采用實(shí)體單元，各部件物理參數(shù)見(jiàn)表1。扣件系統(tǒng)由彈性軌下膠墊實(shí)體單元與模擬彈簧扣壓效應(yīng)的彈簧單元共同組成，扣件剛度為40 kN/mm。地基采用具有等效地基剛度的彈簧進(jìn)行模擬，地基剛度為190 MPa/m。輪對(duì)質(zhì)量為1 040 kg，落軸高度取為20 mm。模型長(zhǎng)度為三塊軌道板約15 m，取中間板進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模型見(jiàn)圖1。

圖1 落軸模型示意

表1 模型參數(shù)

采用LS-Dyna軟件模擬落軸沖擊，沖擊力為接觸區(qū)域內(nèi)各單元接觸應(yīng)力的積分，其值依靠網(wǎng)格劃分質(zhì)量，在一定條件下趨于穩(wěn)定。為得到真實(shí)有效的仿真結(jié)果，在分析前，確定接觸網(wǎng)格劃分對(duì)模擬結(jié)果的影響，見(jiàn)圖2。

圖2 不同網(wǎng)格輪軌力示意

如圖2所示，改變接觸網(wǎng)格大小所得的輪軌沖擊力結(jié)果差別主要存在于高頻力P1的增長(zhǎng)階段。隨著網(wǎng)格加密，軌頂表面形狀逐漸與實(shí)際情況近似，赫茲彈簧剛度不斷提高，計(jì)算所得到的沖擊力及沖擊力頻率會(huì)隨接觸剛度的提高而增加。相比于接觸網(wǎng)格長(zhǎng)度為5 mm，網(wǎng)格長(zhǎng)度0.5 mm時(shí)P1力峰值提高8%。P1力增長(zhǎng)時(shí)間ΔT由0.75 ms減小至0.50 ms，以此作為1/4周期來(lái)計(jì)算P1頻率，其頻率由340 Hz提高到500 Hz[13]。當(dāng)網(wǎng)格長(zhǎng)度小于1 mm時(shí)，其輪軌沖擊力增長(zhǎng)過(guò)程及峰值基本沒(méi)有變化，與相應(yīng)輪軌接觸力仿真模擬研究文獻(xiàn)中結(jié)果一致[14]，即有限元輪軌接觸分析時(shí)，1 mm網(wǎng)格已能滿足輪軌接觸分析精度要求。由于計(jì)算能力允許，為保證仿真模擬的準(zhǔn)確性，文中選取0.5 mm為輪軌接觸區(qū)域的網(wǎng)格密度大小。

2 測(cè)量方法選擇

目前輪軌力測(cè)試基本為“當(dāng)量校核”的方法，即在動(dòng)態(tài)條件下測(cè)得某一部件的響應(yīng)當(dāng)量，然后再在相同的加載條件下施加靜荷載進(jìn)行標(biāo)定，以此得到當(dāng)量值。測(cè)量輪軌力時(shí)的受測(cè)部件可以是輪對(duì)、鋼軌等，本文主要對(duì)以鋼軌為測(cè)量部件的地面檢測(cè)方法進(jìn)行歸納總結(jié)。

現(xiàn)有的輪軌垂向力測(cè)試方法主要有撓度法、加速度法、剪應(yīng)力法、彎矩法、軌腰壓縮法、支撐反力法等。撓度法假設(shè)撓度與荷載成正比，但撓度變化相對(duì)緩慢，無(wú)法檢測(cè)輪軌間的高頻沖擊力；支撐反力法將壓力傳感器安裝在軌下支撐部件上，由于衰減的原因也無(wú)法測(cè)得高頻沖擊力；加速度法雖可以通過(guò)加速度計(jì)測(cè)得很高的響應(yīng)頻率，但其標(biāo)定困難，難以將測(cè)試結(jié)果與沖擊力準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。應(yīng)力波的傳遞速度快，容易捕捉到輪軌沖擊時(shí)的實(shí)時(shí)信號(hào)，且基于應(yīng)變的測(cè)試方法具有識(shí)別能力強(qiáng)、易于校準(zhǔn)和標(biāo)定的特點(diǎn)。在以往的沖擊力測(cè)量中，輪軌高頻力的測(cè)量均基于應(yīng)變測(cè)量方法，英國(guó)在鋼軌接頭螺栓孔周邊45°方向貼片，我國(guó)也曾在鋼軌接頭區(qū)對(duì)軌頭及軌縫內(nèi)端斷面的垂向應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試[8]。近年來(lái)國(guó)外對(duì)鋼軌接頭處的高頻輪軌力的測(cè)試使用剪應(yīng)力法[12]。基于應(yīng)變測(cè)量輪軌力的方法主要有剪應(yīng)力法、軌腰壓縮法、彎矩法等。為了解所測(cè)輪軌力的真實(shí)性，利用仿真模型，對(duì)比不同方法測(cè)得的應(yīng)變當(dāng)量值與仿真所得輪軌力值。

文獻(xiàn)[11]建議剪應(yīng)力法應(yīng)變片布設(shè)間距在16～24 cm，文獻(xiàn)[12]將布設(shè)間距設(shè)置為22 cm。在仿真對(duì)比分析時(shí)，剪力法測(cè)點(diǎn)間隔設(shè)置為22 cm。軌腰壓縮法測(cè)點(diǎn)設(shè)置在輪軌沖擊點(diǎn)正下方中和軸處。彎矩法測(cè)量軌底處縱向應(yīng)變，一定間隔的設(shè)置在軌底處[8]。在進(jìn)行測(cè)點(diǎn)選取時(shí)，為使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，仿真模型中安裝應(yīng)變片部位的網(wǎng)格大小根據(jù)試驗(yàn)中相應(yīng)應(yīng)變片標(biāo)距確定。

不同測(cè)試方法測(cè)得的應(yīng)變當(dāng)量值和輪軌力值對(duì)比見(jiàn)圖3。應(yīng)變當(dāng)量是不同測(cè)試方法輸出的應(yīng)變測(cè)量值，通過(guò)對(duì)應(yīng)變當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定得到輪軌力。即前文提到的在動(dòng)態(tài)條件下測(cè)得某一部件的響應(yīng)當(dāng)量，然后再在相同的加載條件下施加靜荷載進(jìn)行標(biāo)定，以此得輪軌力的當(dāng)量值。以應(yīng)變當(dāng)量標(biāo)定得到的輪軌力當(dāng)量值不一定能準(zhǔn)確的反映輪軌接觸力，不同測(cè)試方測(cè)得的輪軌力大小因此也存在差異。通過(guò)對(duì)比有限元模擬中計(jì)算輪軌力及應(yīng)變當(dāng)量推算的輪軌力來(lái)評(píng)價(jià)各種方法在實(shí)際運(yùn)用中，實(shí)際輪軌力與測(cè)試得到輪軌力的差別。P2為準(zhǔn)靜態(tài)荷載，作為標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)使P2應(yīng)力當(dāng)量值和P2對(duì)應(yīng)，來(lái)比較應(yīng)變當(dāng)量值同高頻力P1的關(guān)系。左側(cè)豎向坐標(biāo)為輪軌接觸力，右側(cè)坐標(biāo)為不同方法測(cè)得當(dāng)量應(yīng)變。

圖3 應(yīng)變當(dāng)量與輪軌力對(duì)應(yīng)圖

由圖3可知，各方法對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)力P2測(cè)量均滿足要求，當(dāng)峰值對(duì)應(yīng)時(shí)，持續(xù)時(shí)間和過(guò)程曲線對(duì)應(yīng)良好，但不同方法所測(cè)得的高頻力P1存在差異。用剪應(yīng)力法測(cè)得的輪軌接觸力P1應(yīng)變當(dāng)量值小于輪軌接觸力，誤差約為15%。軌腰壓縮測(cè)試方法測(cè)得的輪軌接觸力應(yīng)變當(dāng)量值同輪軌力對(duì)應(yīng)情況良好。彎矩法對(duì)于高頻力P1的測(cè)量存在很大誤差，此外，彎矩法在軌底貼應(yīng)變片，需要在鋼軌安裝前進(jìn)行貼片，在已完成線路并不適用，因此不作為分析重點(diǎn)。從仿真結(jié)果看，基于應(yīng)變當(dāng)量測(cè)量的剪應(yīng)力法、軌腰壓縮法可以對(duì)高頻沖擊力進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)軌腰壓縮法經(jīng)標(biāo)定測(cè)得的輪軌力更接近輪軌沖擊力，而剪應(yīng)力法測(cè)得的高頻沖擊力比實(shí)際值略小。

3 適用性分析及結(jié)果驗(yàn)證

3.1 適用性分析

剪應(yīng)力法、軌腰壓縮法可以識(shí)別輪軌高頻沖擊力，為探討兩種測(cè)試方法的適用性，對(duì)仿真結(jié)果鋼軌應(yīng)變分布情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。在鋼軌中和軸處連續(xù)設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，觀察鋼軌在沖擊荷載作用下各應(yīng)變當(dāng)量分布情況。

在沖擊落軸過(guò)程中，距跨中沖擊點(diǎn)不同距離(即軌腰中性軸上應(yīng)變片粘貼處距輪軌接觸中心的水平距離)鋼軌中和軸處的剪應(yīng)變和垂向應(yīng)變值分別見(jiàn)圖4(a)、圖4(b)。圖4中兩個(gè)平面坐標(biāo)分別為沖擊的時(shí)間歷程和測(cè)點(diǎn)距沖擊點(diǎn)的距離。由于沖擊點(diǎn)在跨中，沖擊點(diǎn)兩側(cè)測(cè)得的應(yīng)力值基本對(duì)稱，故只選取一端表示。

圖4 距沖擊點(diǎn)不同位置應(yīng)力當(dāng)量與輪軌力對(duì)應(yīng)圖

圖4(a)中剪切應(yīng)變先隨測(cè)點(diǎn)距離的增加而增加，在距接觸點(diǎn)8 cm外已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定，有很高的辨識(shí)度，當(dāng)距離超過(guò)16 cm后呈逐漸下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯，在20 cm處仍相對(duì)穩(wěn)定。這種剪切應(yīng)變分布特性也是文獻(xiàn)[11]中剪應(yīng)力法應(yīng)變片可以在一定范圍內(nèi)布設(shè)的原因。圖4(b)為中性軸垂向應(yīng)變，其值隨測(cè)試點(diǎn)距離增大而迅速減小，無(wú)穩(wěn)定的區(qū)域。說(shuō)明輪軌沖擊時(shí)，沖擊力對(duì)中和軸垂向應(yīng)變的影響范圍較小，在測(cè)量時(shí)只能將垂向應(yīng)變片安裝在沖擊點(diǎn)正下方。

落軸試驗(yàn)輪軌力測(cè)量與列車行駛時(shí)的輪軌力測(cè)量有一定區(qū)別，落軸試驗(yàn)在輪軌沖擊過(guò)程中輪軌力可視為僅作用于一點(diǎn)，列車向前行駛時(shí)車輪在軌道上移動(dòng)輪軌力作用點(diǎn)在鋼軌上移動(dòng)沖擊。當(dāng)所用的應(yīng)變測(cè)量方法影響范圍較小時(shí)，所測(cè)量的應(yīng)變當(dāng)量同沖擊狀態(tài)關(guān)系很大。如早年的輪軌沖擊力測(cè)量選用的軌腰壓縮法，測(cè)量時(shí)應(yīng)變片貼在接頭下方，在車輪行駛過(guò)接頭時(shí)，P1最大值出現(xiàn)在輪軌沖出點(diǎn)是已知的，但貼片很難在其正下方，接頭正下方貼片由于接頭的影響，實(shí)際上是失真的。測(cè)量P2時(shí)由于車輪行駛一定距離位置是未知的，遠(yuǎn)離了應(yīng)變片安裝點(diǎn)，很難捕捉到P2最大值，所測(cè)量的P2力應(yīng)變當(dāng)量會(huì)小于實(shí)際值，引起數(shù)據(jù)結(jié)果的不真實(shí)。由于中性軸處垂向壓應(yīng)變受沖擊荷載時(shí)的影響范圍過(guò)小，通過(guò)軌腰壓縮法標(biāo)定的受載時(shí)的垂向應(yīng)變只能代表應(yīng)變片安裝正上方處的輪軌接觸力，即只能監(jiān)測(cè)鋼軌某一點(diǎn)與輪對(duì)接觸時(shí)的輪軌力。因此軌腰壓縮法不適應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試移動(dòng)輪載條件下的沖擊力。

剪應(yīng)力法的基本原理是假定在鋼軌中和軸上沒(méi)有垂向和縱向的正應(yīng)力，只有剪應(yīng)力。只有滿足這一點(diǎn)時(shí)用應(yīng)變片測(cè)得的中性軸處45°方向的主應(yīng)力才等于剪應(yīng)力。結(jié)合圖4可知，距沖擊點(diǎn)8～20 cm處剪切變形相對(duì)穩(wěn)定且中性軸處垂向壓縮應(yīng)力小，利用剪應(yīng)力法在該范圍內(nèi)布設(shè)測(cè)量點(diǎn)所測(cè)得P1、P2差別不大,測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，這與規(guī)范推薦的布設(shè)范圍相比略大。農(nóng)漢彪[9]早期靜力仿真模擬所得結(jié)果也推薦將應(yīng)變片對(duì)稱布置于距跨中位置8～20 cm的中性軸上。

在對(duì)跨中某點(diǎn)施加靜輪載或動(dòng)輪載時(shí)，鋼軌中性軸處的剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。根據(jù)剪應(yīng)力分布的穩(wěn)定情況，將劃分為穩(wěn)定可安裝區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域。距加載點(diǎn)8～20 cm距離安裝的應(yīng)變片均可以較為準(zhǔn)確的測(cè)得跨中一點(diǎn)處的輪軌力。

圖5 中和軸處剪應(yīng)變分布圖

荷載在跨中移動(dòng)時(shí)，根據(jù)加載的剪應(yīng)力分布特性，可安裝穩(wěn)定區(qū)域會(huì)發(fā)生變化。如圖6所示，假設(shè)跨中4 cm范圍內(nèi)存在較為明顯的鋼軌缺陷，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的輪軌沖擊力進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要擬測(cè)量加載區(qū)域左右兩邊界均滿足測(cè)試值相對(duì)穩(wěn)定的要求。因此應(yīng)變片需要安裝在兩響應(yīng)曲線均超過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)的部分。應(yīng)變片的測(cè)量穩(wěn)定區(qū)域?yàn)榫嗫缰?～19 cm處，穩(wěn)定可安裝區(qū)域較單點(diǎn)測(cè)量時(shí)減小。

剪應(yīng)力法應(yīng)變片布設(shè)間隔與可測(cè)試有效區(qū)域關(guān)系見(jiàn)圖7，右側(cè)豎向坐標(biāo)表示的跨中兩側(cè)的位置范圍，測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定內(nèi)外邊界重合區(qū)域用陰影表示，陰影區(qū)域代表不同布設(shè)間隔所對(duì)應(yīng)的可測(cè)區(qū)段范圍?？蓽y(cè)區(qū)段長(zhǎng)度線對(duì)應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)，表示布設(shè)間隔與測(cè)試區(qū)域長(zhǎng)度的關(guān)系。如當(dāng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)間隔為28 cm時(shí)，可以測(cè)量輪對(duì)行駛過(guò)程中在鋼軌跨中兩側(cè)各6 cm范圍內(nèi)的輪軌沖擊力，測(cè)量區(qū)段總長(zhǎng)度為12 cm。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果及結(jié)論的正確性，采用三塊標(biāo)準(zhǔn)CRTSⅢ板式無(wú)砟軌道建立室內(nèi)實(shí)尺軌道模型，軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與有限元模型相同。落軸質(zhì)量為1 040 kg，落軸高度為20 mm，測(cè)試方法為剪應(yīng)力法、軌腰壓縮法，采用MIC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，驗(yàn)證兩種方法對(duì)高頻沖擊力測(cè)試的可行性。

由有限元分析結(jié)果可知，軌腰壓縮法可以監(jiān)測(cè)任意點(diǎn)上的輪軌垂向力，其應(yīng)力當(dāng)量同高頻力P1、準(zhǔn)靜態(tài)力P2可以準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，但是影響范圍較小。在沖擊點(diǎn)下鋼軌中和軸處安裝多組應(yīng)變片測(cè)量垂向應(yīng)變，在沖擊點(diǎn)兩側(cè)以2 cm為間隔各均勻布設(shè)2組應(yīng)變片(d、e為備用組)，共5組，以加載點(diǎn)1處為沖擊點(diǎn)，見(jiàn)圖8。

圖8 應(yīng)變片安裝位置(單位：cm)

對(duì)于剪應(yīng)力法的驗(yàn)證重點(diǎn)在能否測(cè)試出穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的輪軌高頻沖擊力，且測(cè)量的應(yīng)力當(dāng)量能否正確反映輪軌沖擊力。A組應(yīng)變花布設(shè)間隔為28 cm，以A1-A2表示。B組應(yīng)變花布設(shè)間隔為20 cm，以B1-B2表示。通過(guò)有限元分析，應(yīng)變片間隔為28 cm間隔的穩(wěn)定測(cè)量區(qū)間為12 cm。加載點(diǎn)1選取跨中中點(diǎn)處，加載點(diǎn)2選取跨中節(jié)點(diǎn)偏移5 cm。以此驗(yàn)證布設(shè)間隔對(duì)測(cè)量穩(wěn)定區(qū)域的影響。

運(yùn)用標(biāo)定裝置對(duì)軌道跨中施加垂向荷載，建立荷載與鋼軌應(yīng)變間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。軌腰壓縮法以c應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)。標(biāo)定后所得輪軌沖擊力如圖9所示，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真分析結(jié)果誤差不大于10%，利用動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)輪軌沖擊接觸行為仿真是可行的。

在加載點(diǎn)1處沖擊時(shí)，應(yīng)變片安裝在不同位置運(yùn)用軌腰壓縮法所測(cè)得的輪軌沖擊力，見(jiàn)圖9(a)。1-c表示在加載點(diǎn)1處沖擊應(yīng)變片c所得到的結(jié)果，其他結(jié)果表示方法相同。由于只對(duì)跨中加載進(jìn)行校核并以c應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)，a應(yīng)變片處測(cè)得的應(yīng)變小于c處，應(yīng)變片a所測(cè)得的輪軌力明顯小于安裝在加載點(diǎn)正下方的輪軌力值。應(yīng)變片b和c所得結(jié)果基本一致，其原因可能為加載點(diǎn)位置存在偏差，輪軌沖擊發(fā)生在兩點(diǎn)中間。軌腰壓縮法除非貼片足夠密集，且分別進(jìn)行標(biāo)定，否則很難捕捉到在移動(dòng)過(guò)程中的輪軌沖擊力最大值。

剪應(yīng)力法與軌腰壓縮法綜合對(duì)比見(jiàn)圖9(b)。1-A、1-B其測(cè)量結(jié)果基本相同，說(shuō)明剪應(yīng)力法不同設(shè)置間隔所得輪軌力當(dāng)量值相同，可以在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)安裝應(yīng)變片。軌腰壓縮法測(cè)得的結(jié)果1-c其高頻沖擊荷載P1峰值更大，且沖擊頻率高(ΔT小)更為接近真實(shí)的輪軌沖擊，即軌腰壓縮法測(cè)量定點(diǎn)高頻沖擊力時(shí)較剪應(yīng)力法更為真實(shí)。當(dāng)改變沖擊加載點(diǎn)位置時(shí)，剪應(yīng)力法測(cè)得輪軌力2-A與其他結(jié)果基本相同。說(shuō)明，在應(yīng)變片布置得當(dāng)?shù)那闆r下剪應(yīng)力法可以實(shí)現(xiàn)高頻沖擊力的“范圍測(cè)量”。

圖9 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

本文運(yùn)用LS-Dyna動(dòng)力學(xué)軟件建立軌道結(jié)構(gòu)落軸沖擊模型，對(duì)軌道沖擊后鋼軌的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析對(duì)比不同測(cè)試方法對(duì)輪軌高頻沖擊力測(cè)量的適用性，并結(jié)合室內(nèi)實(shí)尺試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)仿真進(jìn)行驗(yàn)證，并得出以下結(jié)論：

(1)剪應(yīng)力法、軌腰壓縮法等基于應(yīng)變當(dāng)量測(cè)量的方法能有效的識(shí)別輪軌沖擊高頻力，彎矩法對(duì)高頻沖擊力的識(shí)別能力較差。

(2)垂向壓縮法對(duì)“定點(diǎn)測(cè)量”靈敏度較高，對(duì)P1峰值捕捉較為準(zhǔn)確。但由于鋼軌的垂向壓縮應(yīng)變只在加載點(diǎn)下很小范圍內(nèi)穩(wěn)定，其測(cè)試穩(wěn)定范圍小，不適合測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)縱向移動(dòng)荷載。在室內(nèi)測(cè)量落軸試驗(yàn)輪軌沖擊力推薦使用軌腰壓縮法。

(3)剪應(yīng)力法可以測(cè)量一定區(qū)域內(nèi)的輪軌力峰值，較適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但其高頻沖擊力P1值較實(shí)際輪軌沖擊力值低10%～15%。當(dāng)布設(shè)間距為28 cm時(shí)最大可以對(duì)約12 cm范圍內(nèi)局部不平順引起的輪軌力進(jìn)行測(cè)量。為穩(wěn)定測(cè)得,移動(dòng)荷載條件下移動(dòng)接觸區(qū)域的輪軌沖擊力，布設(shè)間隔推薦使用24～32 cm。