冰雪條件下高速鐵路道砟飛濺發(fā)生機(jī)理及影響研究

遲義浩，肖宏，張智海，郄錄朝，張立軍

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京，100044；2. 北京交通大學(xué) 軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100044；3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京，100081；4. 中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司運(yùn)輸部，甘肅 蘭州，730000)

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)的跨越式發(fā)展，在綜合交通運(yùn)輸體系中占有重要地位，極大地推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步[1]。具有適應(yīng)性強(qiáng)、成本低廉、易于維修等優(yōu)勢(shì)的有砟軌道[2]，在武九、長(zhǎng)常、銀西等設(shè)計(jì)速度為250 km/h 的高速鐵路上均大量鋪設(shè)，約占我國(guó)高速鐵路總和的43%。在嚴(yán)寒地區(qū)，高速列車車體轉(zhuǎn)向架位置常會(huì)出現(xiàn)冰塊附著的現(xiàn)象，隨外界溫度的變化，在高速運(yùn)行的動(dòng)力荷載以及空氣動(dòng)力效應(yīng)的耦合作用下，冰塊脫落擊打道床的情況容易發(fā)生，這會(huì)引起道床表面道砟發(fā)生飛濺現(xiàn)象，擊打車體結(jié)構(gòu)，對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成危害[3]。冰雪飛濺問(wèn)題是我國(guó)高速有砟鐵路在冰雪條件下遇到的關(guān)鍵問(wèn)題，嚴(yán)重影響嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等手段，針對(duì)道砟飛濺的機(jī)理、影響因素及防治措施等進(jìn)行了研究。在試驗(yàn)研究方面，IDO等[4-5]開(kāi)展了道砟飛濺風(fēng)洞及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要研究了轉(zhuǎn)向架附近位置的流場(chǎng)特性并開(kāi)發(fā)了一種導(dǎo)流板裝置，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)強(qiáng)度與車底光滑程度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。KWON等[6]開(kāi)展了道砟顆粒形狀對(duì)道砟飛濺的影響研究，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，道砟顆粒質(zhì)量與表面積之比越大(如扁平狀道砟顆粒)，對(duì)風(fēng)載越敏感，發(fā)生飛濺的概率越高。SOPER等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性以及振動(dòng)特征進(jìn)行了測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)不同列車類型對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)特征影響較小，對(duì)流場(chǎng)特性影響較大。PREMOLI等[8]開(kāi)展了有砟道床的實(shí)尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)道砟飛濺數(shù)量與道床密實(shí)度呈負(fù)相關(guān)，與道床表面高度呈正相關(guān)，并指出軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)會(huì)加劇道砟飛濺現(xiàn)象。KAWASHIMA 等[9]采用空氣炮進(jìn)行冰雪飛濺試驗(yàn)研究，給出了飛濺的道砟數(shù)量、質(zhì)量等與碰撞速度之間的關(guān)系。郄錄朝等[10]在京滬高鐵開(kāi)展有砟軌道列車底部空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并結(jié)合仿真計(jì)算，對(duì)列車底部至軌道道床頂面之間的空氣流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。

在數(shù)值模擬方面，DENG 等[11]依托FRA 和AAR 提供的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)工程方法，利用可靠度進(jìn)行冰雪飛濺機(jī)理量化分析，采用半定量分析方法來(lái)評(píng)估冰雪飛濺危害和相應(yīng)限速標(biāo)準(zhǔn)。DING等[12]基于不連續(xù)變形方法(DDA 方法)對(duì)冰雪飛濺的機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨列車速度增大，激起的道砟顆粒數(shù)目和道砟顆粒運(yùn)動(dòng)的最大位移增大；入射角對(duì)道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)方向的影響較大；冰塊的形狀影響道砟飛濺的數(shù)量和范圍。LOPONEN等[13]采用基于黏附力的簡(jiǎn)化平衡方程，研究了列車底架位置冰塊脫落所需的激勵(lì)量，發(fā)現(xiàn)冰塊脫落需要(20～2 000)g的加速度振幅。林建等[14]建立了列車風(fēng)-軌枕-道床一體化耦合模型，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，提出了冰雪飛濺防治措施主要為線路結(jié)構(gòu)優(yōu)化、車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、站線除雪、接觸網(wǎng)除冰。蓋杰等[15]基于計(jì)算流體力學(xué)理論，構(gòu)建了CRH5型高速列車模型，研究了冬季冰雪環(huán)境下運(yùn)行工況和冰雪堆積對(duì)道床表面壓力和道砟飛濺的影響，發(fā)現(xiàn)在交匯工況下，道床表面壓力波動(dòng)更為劇烈，且隨冰雪層厚度增加，最大負(fù)壓增大明顯。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)道砟飛濺開(kāi)展了相關(guān)研究，但關(guān)于冰雪條件下道砟飛濺的研究較少，特別是對(duì)高速列車通過(guò)時(shí)，冰塊脫落擊打散體道床引起道砟飛濺力學(xué)行為和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征的建模理論及分析方法的研究更少，而揭示道砟飛濺運(yùn)動(dòng)軌跡及動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以更好地制定防治措施?；诖?，本文作者采用離散元法(DEM)、多體動(dòng)力學(xué)(MBD)與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)三者相耦合的方式，建立高速列車-有砟軌道冰雪飛濺精細(xì)化仿真模型，揭示高速列車運(yùn)營(yíng)條件下的有砟軌道流場(chǎng)分布特征，探究列車運(yùn)行速度對(duì)冰雪飛濺行為的影響，探明列車風(fēng)載及風(fēng)振耦合下的冰雪飛濺動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，以期為嚴(yán)寒地區(qū)冰雪飛濺數(shù)值模型建立及防治提供參考。

1 高速列車-有砟軌道冰雪飛濺模型建立及驗(yàn)證

1.1 耦合仿真模型的建立

本文利用離散元法-多體動(dòng)力學(xué)-計(jì)算流體力學(xué)(DEM-MBD-CFD)耦合分析的方法模擬道砟顆粒在冰雪作用下的運(yùn)動(dòng)及冰塊脫落擊打過(guò)程，精確考慮有砟道床的散粒體特性，以實(shí)現(xiàn)列車動(dòng)力荷載的有效施加，真實(shí)還原高速列車-有砟軌道氣動(dòng)環(huán)境的流場(chǎng)特性。

1.1.1 有砟軌道離散元建模

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]確定有砟軌道模型尺寸，如表1所示。

表1 有砟軌道模型尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of ballast track model

有砟道床是有砟軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分[17]，道砟顆粒的幾何特征對(duì)道床的剛度、累積變形等力學(xué)特性具有顯著影響，對(duì)道砟真實(shí)輪廓的還原重構(gòu)是實(shí)現(xiàn)有砟道床精確模擬的關(guān)鍵[18-19]。為表征道砟粗糙表面及棱角特征，本文利用三維激光掃描還原了12 個(gè)具有典型特征的道砟顆粒的真實(shí)外形，并將球單元填充至重建的道砟顆粒三維廓形中，構(gòu)建道砟顆粒的離散元模型。當(dāng)?shù)理娜S廓形的填充率達(dá)到90%以上時(shí)，再增加球單元的數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果的影響程度很小[20]，故綜合考慮計(jì)算效率與仿真精度，本文選用12～16個(gè)球單元黏結(jié)來(lái)模擬單個(gè)道砟顆粒，如圖1所示。

圖1 12個(gè)道砟顆粒模型Fig. 1 Models of 12 ballast particles

根據(jù)TB/T 2140－2018《鐵路碎石道砟》[21]中的特級(jí)級(jí)配要求，繪制道砟顆粒級(jí)配曲線，如圖2所示。表1所示為模型尺寸參數(shù)，采用“落雨法”建立有砟道床，利用SolidWorks 軟件建立60 kg/m 鋼軌和III 型混凝土軌枕幾何仿真模型，并導(dǎo)入有砟道床模型中。綜合考慮列車轉(zhuǎn)向架軸距及計(jì)算效率，建立包含4根軌枕的有砟軌道模型，如圖3所示。考慮邊界效應(yīng)的影響，主要對(duì)中間位置的2根軌枕及3個(gè)枕空區(qū)域進(jìn)行分析。

圖2 道砟顆粒級(jí)配曲線Fig. 2 Grading curves of ballast particles

圖3 有砟軌道離散元模型Fig. 3 Discrete element model of ballast track

1.1.2 列車荷載施加

在高速列車荷載作用下，有砟軌道中不同位置軌枕對(duì)列車荷載有不同的分擔(dān)比例。一般認(rèn)為列車荷載由車輪下方的5根軌枕承擔(dān)，其分擔(dān)比依次為0.1:0.2:0.4:0.2:0.1[22-23]，可采用高斯函數(shù)對(duì)列車荷載進(jìn)行擬合，同時(shí)考慮對(duì)多跨軌枕同時(shí)加載時(shí)存在荷載作用時(shí)間差現(xiàn)象，最終確定采用式(1)所示的多體動(dòng)力學(xué)程序施加列車荷載函數(shù)p(v,t)：

式中：P0為列車軸重力；m和n分別為車廂數(shù)量和每節(jié)車廂的輪對(duì)數(shù)量；v為行車速度；t為時(shí)間；xij為車輪位置與車頭的距離，考慮轉(zhuǎn)向架軸距為2.5 m，車輛定距為17.375 m，車廂平均長(zhǎng)度為25 m，選取列車車頭位置為原點(diǎn)x0，故x11=2.562 5 m，x12=5.062 5 m，x13=19.937 5 m，x14=22.437 5 m；d為兩跨軌枕間距，取為0.6 m；k為與模型第1根跨軌枕相隔的軌枕數(shù)。

1.1.3 流場(chǎng)分析模型建立

本文以銀西高鐵上主要運(yùn)行的CRH380B 型動(dòng)車組列車為例，根據(jù)CRH380B 型列車三視圖及相關(guān)參數(shù)，采用SolidWorks 三維建模軟件建立列車模型。由于轉(zhuǎn)向架位置易存在冰雪附著現(xiàn)象，因此，需重點(diǎn)關(guān)注軌道與車底之間的流場(chǎng)特征，綜合考慮仿真效果及計(jì)算效率，采用頭車-中間車-尾車的3節(jié)編組形式[24-25]，精確模擬列車底部結(jié)構(gòu)如轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)，忽略列車表面存在的受電弓、車窗等多處凸起[26]及轉(zhuǎn)向架的彈簧、墊片等細(xì)部結(jié)構(gòu)，建立高速列車幾何模型，如圖4 所示。圖4中，列車總長(zhǎng)度為76.525 m。

圖4 高速列車幾何模型Fig. 4 Geometric model of high-speed train

采用基于滑移網(wǎng)格技術(shù)的分析方法模擬列車運(yùn)行，建立高速列車移動(dòng)計(jì)算域和有砟軌道固定計(jì)算域，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道流場(chǎng)的真實(shí)還原?；凭W(wǎng)格的基本原理為通過(guò)在2 個(gè)區(qū)域的交界面位置設(shè)置interface 單元，實(shí)現(xiàn)滑移運(yùn)動(dòng)中2 個(gè)區(qū)域之間的數(shù)據(jù)傳遞，通過(guò)滑移網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)列車與軌道結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

考慮到計(jì)算量、流場(chǎng)充分發(fā)展和模擬的真實(shí)性，經(jīng)過(guò)試算得到計(jì)算域尺寸，其中高速列車移動(dòng)計(jì)算域長(zhǎng)度為400 m，寬度為5 m，高度為5 m。有砟軌道固定計(jì)算域長(zhǎng)度為200 m，寬度為60 m，高度為30 m。初始時(shí)刻，列車頭車鼻尖距離軌道水平方向距離為20 m，沿軌道線路中心線正方向行駛。高速列車-有砟軌道流場(chǎng)分析計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 高速列車-有砟軌道流場(chǎng)分析模型Fig. 5 Field analysis model of high-speed train-ballast track flow

利用ICEM軟件進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分時(shí)，為保證計(jì)算精度同時(shí)提高計(jì)算效率，在靠近列車及軌道結(jié)構(gòu)位置采用八叉樹(shù)算法劃分四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離列車的流場(chǎng)區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過(guò)共節(jié)點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行不同網(wǎng)格間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)對(duì)車體表面、鋼軌、軌枕等軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行6層邊界層設(shè)置，生成的網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格模型Fig. 6 Model of grid

考慮到多面體網(wǎng)格可以在保證精度的情況下顯著降低網(wǎng)格數(shù)量，大幅提高計(jì)算效率[27-28]，因而，利用ICEM導(dǎo)出生成的網(wǎng)格，在Fluent里轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格進(jìn)行求解計(jì)算，最終共生成約3 000萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。

將所有入口和出口邊界(即高速列車移動(dòng)計(jì)算域和有砟軌道固定計(jì)算域的前后截面)均設(shè)置為壓力出口邊界；有砟軌道固定計(jì)算域的流場(chǎng)頂面，左右側(cè)界面均設(shè)置為對(duì)稱邊界；將各計(jì)算子域之間的滑移網(wǎng)格交界面設(shè)置為interface邊界；混合網(wǎng)格交界面設(shè)置為內(nèi)部面interior。此外，高速列車模型表面以及鋼軌、軌枕、道床等軌道結(jié)構(gòu)表面均設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界。

本文列車最大運(yùn)行速度為350 km/h，馬赫數(shù)小于0.3，故認(rèn)為空氣是不可壓縮的，采用RNGk-ε湍流模型，利用SIMPLEC 壓力速度耦合算法以提高計(jì)算效率和精度[29-30]，設(shè)定計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s，時(shí)步內(nèi)迭代次數(shù)為30次。

1.1.4 冰塊擊打過(guò)程模擬

采用CFD-DEM單向耦合以及DEM-MBD雙向耦合的方式進(jìn)行冰塊擊打過(guò)程的模擬計(jì)算，具體模擬過(guò)程如下。

1) 采用計(jì)算流體力學(xué)軟件，進(jìn)行高速列車-有砟軌道流場(chǎng)分析模型的瞬態(tài)計(jì)算，在計(jì)算完成后，編寫UDF 程序，提取流場(chǎng)中各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置的速度。由于流場(chǎng)分析模型的長(zhǎng)度遠(yuǎn)比有砟軌道離散元模型的長(zhǎng)度大，且在每個(gè)固定時(shí)步內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生流場(chǎng)數(shù)據(jù)文件，即頭車前轉(zhuǎn)向架附近區(qū)域的軌道流場(chǎng)強(qiáng)度及波動(dòng)特征較為顯著[31-32]，利用Matlab編制函數(shù)，只提取該區(qū)域內(nèi)的軌道流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2) 采用API 編譯“場(chǎng)力模型”，導(dǎo)入過(guò)程1)中提取的軌道流場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)有砟道床道砟顆粒單元及冰雪顆粒施加“場(chǎng)力”作用，與此同時(shí)，基于DEM-MBD 耦合分析方法，將列車荷載直接施加在軌枕上，依托“wall”單元實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

3) 基于現(xiàn)場(chǎng)拍攝的車廂位置處的冰塊形狀，建立冰塊離散元模型，冰塊質(zhì)量約為0.3 kg，如圖7所示，將其導(dǎo)入有砟軌道離散元模型中。假設(shè)冰塊從中間車第一轉(zhuǎn)向架后的車廂中部位置上掉落，在預(yù)設(shè)位置建立正方形顆粒工廠，采用cubic方法設(shè)置冰塊的精確位置，并給定冰塊初速度與列車運(yùn)行速度相同，最終建立基于DEM-MBDCFD耦合的高速列車-有砟軌道冰雪飛濺模型，如圖8 所示，圖中藍(lán)色區(qū)域表示軌道流場(chǎng)速度分布范圍。

圖7 冰塊離散元模型的建立Fig.7 Establishment of models of ice block discrete element

圖8 基于DEM-MBD-CFD耦合的冰雪飛濺模型Fig. 8 Ice and snow splash model based on DEM-MBD-CFD coupling

1.2 接觸模型及參數(shù)

顆粒與顆粒之間、顆粒與幾何體之間的接觸均采用Hertz-Mindlin 接觸模型，可由式(2)和式(3)計(jì)算兩者之間的相互作用力，包括法向接觸力Fn和切向接觸力Ft：

式中：Ea、νa、Ga和Ra分別為顆粒與顆粒間接觸的彈性模量、泊松比、剪切模量以及半徑；Eb、νb、Gb和Rb分別為顆粒與幾何體間接觸的彈性模量、泊松比、剪切模量以及半徑；α為法向重疊量；δ為切向重疊量。

冰塊在風(fēng)場(chǎng)影響下受到的曳力F的計(jì)算公式為

式中：Cdrag為曳力系數(shù)；Ap為顆粒投影面積；ρf為流體密度；vrel為相對(duì)速度。曳力系數(shù)計(jì)算公式與雷諾數(shù)Re有關(guān)：

式中：d為特征長(zhǎng)度；μ為流體動(dòng)力黏度。

曳力系數(shù)的計(jì)算公式如下。

1) 當(dāng)Re≤0.5時(shí)，

2) 當(dāng)0.5

3) 當(dāng)Re>1 000時(shí)，Cdrag=0.44。

模型參數(shù)主要包括基本物理屬性參數(shù)以及接觸參數(shù)，材料基本屬性主要通過(guò)參考文獻(xiàn)[2，17，19-20，33]進(jìn)行擬定；為保證接觸參數(shù)的可靠性，參考文獻(xiàn)[12，34]中數(shù)據(jù)并通過(guò)控制變量法進(jìn)行大量試算后擬定，耦合仿真模型在計(jì)算過(guò)程中所涉及的主要參數(shù)如表2所示。

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證耦合模型的準(zhǔn)確性，采用風(fēng)壓傳感器在銀西高鐵實(shí)測(cè)列車通過(guò)時(shí)道床表面的空氣動(dòng)力效應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片如圖9所示。在提取冰雪條件下，當(dāng)列車運(yùn)行速度不同時(shí)道床表面中心測(cè)點(diǎn)(道心)正壓及負(fù)壓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制試驗(yàn)與仿真條件下的道心正壓、負(fù)壓隨車速的變化規(guī)律，如圖10所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片F(xiàn)ig. 9 Photoes of testing on spot

圖10 風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig. 10 Comparisons of field test and simulation results of wind pressure

由圖10 可知：道心正壓、負(fù)壓隨車速變化的仿真值與試驗(yàn)值差距不大，道心正壓試驗(yàn)值和仿真值相對(duì)誤差平均為5%左右，道床負(fù)壓試驗(yàn)值和仿真值相對(duì)誤差平均為10%左右，誤差較小。從變化規(guī)律可知，道床正壓、負(fù)壓試驗(yàn)值與仿真值隨車速變化規(guī)律大致相同。

為進(jìn)一步對(duì)模型的接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，驗(yàn)證冰塊擊打過(guò)程的可靠性，參考KAWASHIMA 等[9]的空氣炮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立顆粒床離散元模型，模擬一個(gè)同等大小的速度為100 km/h 的長(zhǎng)×寬為600 mm×85 mm的冰塊的碰撞行為，并將碰撞擊打室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖11所示。

圖11 碰撞擊打室內(nèi)試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig. 11 Comparisons of indoor test and simulation results of collision striking

由圖11 可知：碰撞擊打室內(nèi)試驗(yàn)離散元仿真值較好地顯示出與試驗(yàn)觀察到的相似的道砟飛濺現(xiàn)象，驗(yàn)證了道砟顆粒與冰塊碰撞時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。綜上可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，本文建立的模型是可靠的，可用于后續(xù)的冰塊擊打引起道砟飛濺的計(jì)算分析。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 風(fēng)壓特征分析

當(dāng)高速列車通過(guò)有砟軌道模型正上方時(shí)，高速鐵路-有砟軌道流場(chǎng)風(fēng)壓云圖如圖12所示。

圖12 車體及軌道結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布云圖Fig. 12 Cloud maps of wind pressure distribution on surface of train body and track structure

由圖12 可知：風(fēng)壓主要呈現(xiàn)出“正壓—負(fù)壓—負(fù)壓—正壓”的分布特征，車頭前方存在以車頭前端為圓心的較大的圓形正壓區(qū)域。車頭后方存在明顯的負(fù)壓區(qū)域，大致位于前轉(zhuǎn)向架附近位置。車尾與車頭大致呈對(duì)稱分布，但其幅值明顯比車頭的低，且分布范圍較小。從整體看，在列車中部轉(zhuǎn)向架區(qū)域和車廂間隙連接處也存在一定的風(fēng)壓變化，這些結(jié)構(gòu)不平順部位容易引起流場(chǎng)急劇變化，形成復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)。在嚴(yán)寒地區(qū)，風(fēng)中攜帶的雪花顆粒易受氣流擾動(dòng)的影響，流入并逐漸附著在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)表面，進(jìn)而當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，在列車動(dòng)力荷載和空氣動(dòng)力效應(yīng)的耦合作用下，列車高速通過(guò)時(shí)易引起冰雪飛濺問(wèn)題。

為探究軌道流場(chǎng)特征隨列車通過(guò)的變化情況，以列車運(yùn)行速度為350 km/h 為例，列車運(yùn)行長(zhǎng)度總長(zhǎng)為296.525 m，運(yùn)行時(shí)間約為3.05 s，提取道床表面中心測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓，得到風(fēng)壓時(shí)程曲線，如圖13所示。

圖13 道床表面中心測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程曲線Fig. 13 Time-history curves of wind pressure at the central measuring point on surface of ballast bed

由圖13 可知：在列車運(yùn)行過(guò)程中，道床表面中心存在2 個(gè)較為顯著的壓力波動(dòng)：

第一個(gè)主要壓力波動(dòng)產(chǎn)生在車頭前端區(qū)域，最大正壓為2 004.5 Pa，而后方存在正負(fù)壓交替的現(xiàn)象，壓力梯度非常大，最大負(fù)壓產(chǎn)生于頭車前轉(zhuǎn)向架位置附近，為-1 520.4 Pa。這是由于空氣在流動(dòng)時(shí)，受到車體的阻滯作用而產(chǎn)生的高速氣流沖向道床和車體與道床間隙中引起的。

第二個(gè)主要壓力波動(dòng)產(chǎn)生于車尾后端區(qū)域，當(dāng)車尾后轉(zhuǎn)向架通過(guò)監(jiān)測(cè)位置時(shí)，道床表面出現(xiàn)顯著的負(fù)壓波動(dòng)，當(dāng)車尾鼻端通過(guò)監(jiān)測(cè)位置時(shí)，道床表面出現(xiàn)顯著的正壓波動(dòng)，最大正壓為1 096.2 Pa，最大負(fù)壓為-1 059.9 Pa。因此，在對(duì)高速列車-有砟軌道冰雪飛濺模型進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注頭車前轉(zhuǎn)向架位置的流場(chǎng)速度。

2.2 不同行車速度影響研究

本節(jié)僅考慮在列車空氣動(dòng)力荷載作用下，冰塊脫落發(fā)生擊打道床造成道砟飛濺的行為，探究不同行車速度下列車風(fēng)載對(duì)冰雪飛濺行為的影響。列車運(yùn)行速度從150 km/h 遞增至350 km/h，以50 km/h遞增。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，CRH380B 型車的車廂底板距離鋼軌頂面的高度為275 mm，設(shè)置道砟飛濺的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，區(qū)域長(zhǎng)×寬×高為2 600 mm×1 500 mm×275 mm，包含中間2 根軌枕和3 個(gè)枕空區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)域底面與鋼軌頂面平齊，如圖14所示。

圖14 道砟飛濺監(jiān)測(cè)區(qū)域Fig. 14 Monitoring area of ballast flight

提取不同列車運(yùn)行速度下，冰塊脫落擊打道床激起道砟飛濺的數(shù)量，其隨時(shí)間的變化曲線如圖15所示。

圖15 不同速度下道砟飛濺時(shí)程曲線Fig. 15 Time-history curves of ballast flight at different speeds

由圖15 可知：當(dāng)?shù)袈涞谋鶋K進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域與道砟發(fā)生碰撞擊打時(shí)，冰塊會(huì)迅速發(fā)生反彈，并使與之接觸的道砟顆粒發(fā)生飛濺，道砟顆粒在與冰塊碰撞后獲得初速度，在碰撞作用及列車風(fēng)載影響下運(yùn)動(dòng)。

圖16 所示為列車風(fēng)載下，冰雪飛濺道砟數(shù)量與行車速度的關(guān)系。由圖16 可知：列車運(yùn)行速度是誘發(fā)冰雪條件下道砟飛濺的主要影響因素之一；隨列車運(yùn)行速度提高，飛濺道砟數(shù)量顯著增加；道砟飛濺擊打列車底板的臨界速度為250 km/h，當(dāng)行車速度從150 km/h 提升至350 km/h 時(shí)，飛濺道砟數(shù)量從1個(gè)最多增至16個(gè)；當(dāng)行車速度從250 km/h提升至350 km/h時(shí)，擊打列車底板的道砟數(shù)量從3個(gè)最多增至6個(gè)。

圖16 列車風(fēng)載下冰雪飛濺道砟數(shù)量與行車速度的關(guān)系Fig. 16 Relationship between number of ballast in snow flight and driving speed with train wind load

進(jìn)一步提取不同行車速度下，列車底板受到的沖擊力，如表3所示。

表3 列車底板受到的沖擊力Table 3 Impact force on train floor

由表3可知：當(dāng)行車速度為150 km/h和200 km/h時(shí)，未發(fā)生因道砟飛濺造成列車底板受擊打現(xiàn)象；當(dāng)行車速度為250 km/h 時(shí)，沖擊力為2.80 kN，而當(dāng)行車速度為300 km/h時(shí)，沖擊力增大為7.22 kN，增大了4.42 kN，增長(zhǎng)約157.9%；當(dāng)行車速度為350 km/h時(shí)，沖擊力增大為14.60 kN，較300 km/h時(shí)增大了7.38 kN，增長(zhǎng)約102.2%，由此可看出，沖擊力受行車速度的影響極大，當(dāng)行車速度超過(guò)250 km/h時(shí)，沖擊力隨車速增長(zhǎng)而成倍增加。

2.3 風(fēng)振耦合影響研究

本節(jié)綜合考慮列車風(fēng)載和列車動(dòng)力荷載的共同作用，結(jié)合CRH380B 型車運(yùn)行實(shí)際，對(duì)軌枕施加軸質(zhì)量為17 t，編組為8 的列車荷載函數(shù)。繪制不同列車運(yùn)行速度時(shí)風(fēng)振耦合條件下的冰雪飛濺道砟數(shù)量與行車速度的關(guān)系，如圖17所示。

圖17 風(fēng)振耦合下冰雪飛濺道砟數(shù)量與行車速度的關(guān)系Fig. 17 Relationship between number of ballast in snow flight and driving speed with wind-vibration coupling

由圖17 可知：在風(fēng)振耦合作用下，飛濺道砟數(shù)量、道砟飛濺最大位移以及擊打列車底板的道砟數(shù)量均明顯提升；當(dāng)行車速度達(dá)到200 km/h時(shí)，冰塊擊打引起的道砟就能夠擊打到列車底板，究其原因是在風(fēng)振耦合作用下，道床振動(dòng)加劇，使得道床表層道砟顆粒之間接觸點(diǎn)的數(shù)量減少，導(dǎo)致表層道砟顆粒之間排布變松，穩(wěn)定性減弱，冰塊擊打下飛濺的道砟數(shù)量增加，且一旦道砟顆粒飛離道床，在列車風(fēng)載作用下，顆粒會(huì)在負(fù)壓的作用下進(jìn)一步加速吸起，擊打車廂底板結(jié)構(gòu)，影響行車安全。

對(duì)比列車風(fēng)載和風(fēng)振耦合條件時(shí)，在不同行車速度下，列車底板受到的沖擊力關(guān)系如圖18所示。

圖18 列車底板受到的沖擊力對(duì)比Fig. 18 Comparison of impact force on train floor

由圖18 可知：當(dāng)僅考慮列車風(fēng)載作用時(shí)，冰雪飛濺擊打列車底板的臨界速度為250 km/h，隨行車速度不斷增大，擊打時(shí)對(duì)列車底板的沖擊力成倍數(shù)增大。在風(fēng)振耦合共同作用下，臨界速度降低為200 km/h，且沖擊力隨行車速度增大呈二次多項(xiàng)式分布遞增，可由式(9)擬合得到。最大沖擊力約為僅考慮列車風(fēng)載情況下的2.2倍。從兩者間的對(duì)比可看出，列車動(dòng)力荷載可加劇冰雪飛濺程度。

式中：y為列車底板受到的沖擊力；x為列車運(yùn)行速度。

3 結(jié)論

1) 以CRH380B 型車為例，通過(guò)DEM-MBDCFD耦合分析方法，構(gòu)建高速列車-有砟軌道冰雪飛濺精細(xì)化仿真模型，實(shí)現(xiàn)了冰塊脫落擊打道床，引起道砟飛濺過(guò)程的有效模擬，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2) 在冰雪條件下高速列車運(yùn)行過(guò)程中，道床表面中心風(fēng)壓呈“正壓—負(fù)壓—負(fù)壓—正壓”的波動(dòng)特征，且頭車引起的正壓和負(fù)壓幅值均顯著比尾車的幅值高；轉(zhuǎn)向架位置處負(fù)壓較大，流場(chǎng)波動(dòng)明顯，易使得冰雪在氣流擾動(dòng)的影響下，積聚附著在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)表面。

3) 列車運(yùn)行速度是誘發(fā)冰雪條件下道砟飛濺的主要影響因素之一。飛濺道砟數(shù)量與列車運(yùn)行速度呈正相關(guān)，在列車風(fēng)載作用下，當(dāng)行車速度從150 km/h提升至350 km/h時(shí)，道砟飛濺數(shù)量從1個(gè)增長(zhǎng)至最多16個(gè)，且基本呈線性增加關(guān)系。

4) 在風(fēng)振耦合作用下，道砟飛濺擊打到車廂底板的臨界行車速度從僅在列車風(fēng)載作用下的250 km/h降低到200 km/h，飛濺道砟總數(shù)量增長(zhǎng)了約56.5%，列車底板受到的最大沖擊力提升了118.6%，列車荷載顯著加劇冰雪飛濺現(xiàn)象。因此，建議，在冰雪嚴(yán)重的高速鐵路線上，為減少道砟飛濺擊打車體底部，在不采取任何防治冰雪飛濺措施的條件下，運(yùn)營(yíng)速度應(yīng)低于200 km/h。