梯形軌枕尺寸對車輛-軌道系統(tǒng)動力性能的影響

江萬紅,樊 卿,蔡成標(biāo)

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,成都 610031)

引言

梯形軌枕軌道是一種低振動、低噪聲的新型城市軌道系統(tǒng)，屬于縱向軌枕的一種[1]。梯形軌枕軌道由兩根預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁通過鋼管橫向連接而成，既有良好的軌距保持能力，又可提高軌道分散動荷載的性能。軌枕以一定間距支撐在減振材料之上，構(gòu)成輕量化質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，具有良好的減振降噪性能[2-6]。梯形軌枕制造工藝相對簡單，施工速度快，養(yǎng)護維修方便[7]，在國內(nèi)外得到大量應(yīng)用。

梯形軌枕軌道具有良好的減振降噪效果，國內(nèi)外諸多學(xué)者對此開展了研究。齊琳等[8]通過車輛-軌道-構(gòu)造物系統(tǒng)化減振的論證，驗證了梯形軌枕具有主動減振特性，可以減少車輛軌道系統(tǒng)維修成本，是一種較理想的減振軌道系統(tǒng)。江小州等[9]建立梯形軌枕軌道三維有限元模型，通過與普通軌道對比發(fā)現(xiàn)梯形軌枕具有良好的減振性能。李霞等[10]分析了梯形軌枕軌道波磨的成因，研究發(fā)現(xiàn)車輛通過梯形軌枕時容易引起鋼軌相對軌枕的垂橫向彎曲振動，從而加劇輪軌粘滑振動。葛輝等[11]對比梯形軌枕軌道和普通長枕整體道床軌道結(jié)構(gòu)在地鐵車輛行車速度為120 km/h工況下時域振動加速度實測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)梯形軌枕軌道減振效果優(yōu)于普通長枕整體道床結(jié)構(gòu)，且可以降低中高頻的噪聲。馬蒙等[12]對浮置式梯形軌枕進行室內(nèi)動態(tài)試驗，采用自動落錘系統(tǒng)進行模態(tài)試驗，結(jié)果表明梯形軌枕的第一固有頻率為33 Hz。楊曉璇等[13]發(fā)現(xiàn)車輛在通過梯形軌枕軌道時極易激發(fā)輪對的1階彎曲模態(tài)，某地鐵線路大量使用梯形軌枕軌道成為車輪多邊形磨損現(xiàn)象頻發(fā)的環(huán)境誘因。劉麗等[14]通過對北京地鐵某線梯形軌枕道床現(xiàn)場動位移和加速度測試，評價梯形軌枕軌道工作性能。金浩等[15]討論了梯形軌枕減振墊不同鋪設(shè)方式對其振動特性的影響。

目前對梯形軌枕減振性能及減振墊剛度、間距等方面的研究較多，而鮮有梯形軌枕尺寸對車輛-軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)影響分析。厚度為0.17 m的梯形軌枕通常用于高架線，厚度為0.22 m的梯形軌枕常用于地下線[16]，由此可見，不同厚度的梯形軌枕用途也不盡相同。馬俊[17]在研究中發(fā)現(xiàn)，隨著軌枕厚度的減小，靜力分析中道床頂面和路基頂面的豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力、垂向位移和動力分析中的加速度都會有明顯的提高。梯形軌枕的長度與現(xiàn)場運輸和施工難易程度有著直接聯(lián)系。因此有必要研究梯形軌枕的厚度和長度對車輛和軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。本文基于ANSYS有限元軟件對不同厚度和長度的梯形軌枕進行模態(tài)分析，應(yīng)用車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，仿真分析5種厚度梯形軌枕和2種長度梯形軌枕對車輛-軌道系統(tǒng)動力性能的影響。

1 車輛-梯形軌枕軌道動力性能分析模型

1.1 梯形軌枕有限元模型

根據(jù)成都某地鐵線實際軌道參數(shù)(圖1)，建立梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)ANSYS有限元模型。模型考慮鋼軌、扣件、梯形軌枕和減振墊。鋼軌采用梁單元BEAM188模擬，扣件系統(tǒng)及減振墊采用彈簧阻尼單元COMBIN14模擬，梯形軌枕采用實體單元SOLID45單元模擬。減振墊間距為1.2 m，彈簧阻尼單元布置在圖1中減振墊所在位置的幾何中心。減振墊彈簧阻尼單元底部采用6自由度約束，軌枕兩端縱向采用對稱約束。為方便建模，同時避免不規(guī)則網(wǎng)格影響網(wǎng)格質(zhì)量，將橫向連接混凝土與縱向軌枕之間圓弧角采用直角連接代替。梯形軌枕軌道的有限元模型如圖2所示，主要參數(shù)見表1。

圖1 成都某地鐵線梯形軌枕平面(單位：mm)

圖2 梯形軌枕有限元模型

表1 梯形軌枕主要參數(shù)

1.2 車輛-梯形軌枕軌道耦合動力學(xué)模型

基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論[18]，建立車輛與梯形軌枕軌道空間動力學(xué)模型，如圖3所示。車輛視為由車體、二系懸掛、構(gòu)架、一系懸掛、輪對組成的多剛體系統(tǒng)。車輛部分考慮車體、前后構(gòu)架和4條輪對的垂向、橫向、點頭、側(cè)滾、搖頭共35個自由度。鋼軌視為彈性點支撐基礎(chǔ)上的Euler梁，支撐點按實際扣件間距布置，鋼軌考慮垂向、橫向和轉(zhuǎn)動自由度。梯形軌枕的預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁與鋼軌模型類似，同樣等效為彈性點支撐基礎(chǔ)上的Euler梁模型，考慮其垂向和橫向自由度。將枕下基礎(chǔ)按照扣件節(jié)點間距離散為剛體，考慮垂向自由度。車輛與軌道通過輪軌接觸關(guān)系聯(lián)系起來，輪軌法向接觸力由Hertz非線性彈性接觸理論確定，輪軌切向接觸力由Kalker線性蠕滑理論確定。動力學(xué)方程與積分求解方法詳見文獻[19-20]。

圖3 車輛-軌道耦合模型示意

車輛類型為CRH6，軸重17 t，運行速度為160 km/h。線路不平順激勵選取美國六級軌道譜。

2 梯形軌枕軌道模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性。通過模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而可以分析或預(yù)測結(jié)構(gòu)受外部振源激勵時的響應(yīng)。本文借助ANSYS有限元軟件分別對不同厚度和不同長度梯形軌枕進行模態(tài)分析。

2.1 不同厚度梯形軌枕的模態(tài)分析

分別取厚度為0.17，0.26，0.37，0.45，0.50 m的梯形軌枕作為研究對象，軌枕的長度均為5.9 m，有限元模型按照圖1(a)平面布置建立，分析厚度對梯形軌枕固有頻率的影響。固有頻率隨梯形軌枕厚度變化情況如圖4所示。

圖4 不同厚度梯形軌枕固有頻率

由圖4可以看出，梯形軌枕的厚度對軌枕前3階固有頻率影響較小，1階頻率隨厚度的增大而減小，說明厚度增大可有效削弱梯形軌枕的橫向轉(zhuǎn)動。第6階以后，頻率隨軌枕厚度增大而增大。增加軌枕厚度，會顯著增大高階頻率。

2.2 不同長度梯形軌枕的模態(tài)分析

取長度為3.5 m和5.9 m的梯形軌枕作為研究對象，軌枕厚度為0.17 m，分析長度對梯形軌枕固有頻率的影響。根據(jù)圖1所示平面布置建立有限元模型。兩種長度的軌枕，均設(shè)置3處橫向連接，減振墊布置間距相同。固有頻率隨梯形軌枕長度變化情況如圖5所示。

圖5 不同長度梯形軌枕固有頻率

由圖5可見，軌枕長度由3.5 m增加到5.9 m，梯形軌枕相應(yīng)的固有頻率均會降低，且高階頻率降低幅度更大。因此，增加軌枕的長度可以有效降低軌枕的固有頻率，對降低高階頻率的效果更好。

2.3 振型分析

振型是結(jié)構(gòu)固有的振動形式，軌枕長度為5.9 m，厚度為0.17 m的前10階振型如圖6所示(因篇幅有限，本文僅給出標(biāo)準(zhǔn)尺寸梯形軌枕的前10階振型圖)。

由圖6可以看出，標(biāo)準(zhǔn)尺寸梯形軌枕的1階振型為軌枕繞軌枕縱向中心的轉(zhuǎn)動，2階和4階振型為軌枕垂向彎曲振動，8階振型為橫向彎曲振動。其中，第3階、第5階、第7階、第10階振型與軌道中心線呈反對稱，這也同時說明取半結(jié)構(gòu)建模討論梯形軌枕模態(tài)的方法容易忽略此類振型。通過對比不同工況的振型圖發(fā)現(xiàn)，梯形軌枕長度和厚度的變化對振型均有較大影響。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)尺寸梯形軌枕前10階振型

3 車輛-梯形軌枕軌道系統(tǒng)動力性能分析

運用車輛-梯形軌枕軌道耦合動力學(xué)模型，分別計算不同厚度和不同長度梯形軌枕軌道的工況，列車為6節(jié)編組CRH6，運行速度160 km/h。

3.1 不同厚度梯形軌枕的動力性能分析

梯形軌枕長度取5.9 m，分別計算軌枕厚度為0.17，0.26，0.37，0.45，0.50 m五種工況，動力學(xué)仿真結(jié)果如表2所示。圖7～圖13為梯形軌枕厚度0.37 m仿真結(jié)果的時程曲線。

表2 不同軌枕厚度下的動力學(xué)仿真結(jié)果

圖7 軌枕厚度為0.37 m的第一位輪對輪軌垂向力

圖8 軌枕厚度為0.37 m的第一位輪對輪軌橫向力

圖9 軌枕厚度為0.37 m的車體加速度

圖10 軌枕厚度為0.37 m的鋼軌和軌枕垂向位移

圖11 軌枕厚度為0.37 m的鋼軌垂向加速度

圖12 軌枕厚度為0.37 m的軌枕垂向加速度

圖13 軌枕厚度為0.37 m的軌枕橫向加速度

由表2可見，隨梯形軌枕厚度的增加，輪軌垂向力、輪軌橫向力、車體垂向加速度、車體橫向加速度、Sperling指標(biāo)、鋼軌垂向加速度變化不明顯，鋼軌和軌枕的垂向位移和軌枕的加速度變化較大。因此，梯形軌枕厚度的增大不會對車輛運行平穩(wěn)性造成較大影響，且有利于減小鋼軌和軌枕的垂向位移，梯形軌枕的減振性能可以得到提高。以厚度0.17 m仿真結(jié)果為基準(zhǔn)，隨軌枕厚度增加軌下各項指標(biāo)的減小率曲線如圖14所示。

圖14 各項指標(biāo)隨軌枕厚度增大的減小率

由圖14可以看出，梯形軌枕厚度的增加，可以有效減小鋼軌和軌枕的垂向位移。這是因為增大梯形軌枕的厚度可以提高軌枕的抗彎剛度。增大梯形軌枕厚度的同時也增加了質(zhì)量-彈簧減振系統(tǒng)的質(zhì)量，有利于降低軌枕的加速度。當(dāng)線路對減振要求較大時，在滿足軌道高度的情況下可以考慮適當(dāng)增大梯形軌枕的厚度。

3.2 不同長度梯形軌枕的動力性能分析

梯形軌枕厚度取0.17 m，分別計算軌枕長度為3.5 m和5.9 m兩種工況，動力學(xué)仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同軌枕長度下的動力學(xué)仿真結(jié)果

由表3可以看出，梯形軌枕長度的變化，對輪軌作用力和車輛運行平穩(wěn)性影響較小。梯形軌枕長度的增加會使鋼軌和軌枕的垂向位移增加，軌枕的垂向振動加速度略微增大，橫向振動增大較明顯。這是板長由3.5 m增加到5.9 m，橫向連接個數(shù)沒有改變，即5.9 m軌枕橫向連接的間距增大導(dǎo)致的?？傮w看來，軌枕長度對車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)性能影響較小。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS有限元軟件建立梯形軌枕軌道有限元模型，結(jié)合車輛-梯形軌枕軌道耦合動力學(xué)理論建立車軌耦合動力學(xué)模型，分析了不同厚度和長度梯形軌枕對自振頻率、振型和輪軌系統(tǒng)的動力響應(yīng)。通過對不同尺寸梯形軌枕軌道的模態(tài)分析和動力性能分析，得出以下結(jié)論。

(1)梯形軌枕厚度增加對低階固有頻率影響較小，對高階頻率影響較大。第六階模態(tài)以后，頻率隨軌枕厚度增大而增大。梯形軌枕長度增加，相應(yīng)的固有頻率會隨之減小，對降低高階頻率的效果更好。

(2)梯形軌枕厚度和長度的變化對軌枕的振型影響均較明顯。

(3)梯形軌枕厚度和長度的增大對輪軌作用力和車輛運行平穩(wěn)性影響均較小。

(4)梯形軌枕厚度的增大，可以減小鋼軌和軌枕的垂向位移，降低軌枕的垂向和橫向加速度，提高軌道結(jié)構(gòu)的減振性能。

(5)梯形軌枕長度的增大，會使鋼軌和軌枕垂向位移增大，對軌枕橫向振動影響較明顯。