Ⅱ型軌枕和Ⅲ型軌枕軌道動力響應特性分析

王 豪，李成輝

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

軌道結構是承受列車運行的基礎設備，它的作用是引導機車車輛運行。軌道結構在機車車輛荷載的反復作用下的振動是導致軌道破壞的主要原因之一，并直接影響列車運行平穩和安全。特別是應用混凝土軌枕和重型鋼軌增加了軌道的剛度，使輪軌間的沖擊和振動更為加劇。Ⅲ型枕作為目前有砟軌道上使用較多的一類混凝土枕，它在改善軌道結構減振性能方面的作用就顯得尤為重要。Ⅲ型軌枕是從1988年開始研制的，分有擋肩和無擋肩兩種形式。為適應不同線路的需要，長度有2.6 m和2.5 m兩種，其結構強度相同。設計參數采用機車最大軸重23 t、最高速度160 km/h、軌枕配置1 760根/km。

Ⅲ型枕有以下優點:①結構合理，強化了軌道結構，由于軌枕長度增加到2.6 m，并適當加寬了枕底，使枕下支承面積約增加了17%，端側面積約增加20%，軌枕質量約增加31%，有效地提高了道床的縱向和橫向阻力，減緩了重載運輸所產生的道床累積變形，提高了線路的穩定性;②軌下和中間截面的設計承載力，較Ⅱ型軌枕分別提高了約43%和65%，提高了軌枕的強度;③采用的無螺栓扣件的扣壓力能保持線路穩定，無縱向和橫向移動，有利于保持軌道的幾何形位，減少養護維修工作量。

作為有砟軌道上的主型枕，國內對Ⅲ型枕減振性能的研究較少，因此，本文分別對Ⅱ型枕和Ⅲ型枕進行諧響應分析，希望選出一種更能改善有砟軌道減振性能的軌枕。

1 計算模型

1.1 軌道模型

根據已有的研究資料，參照傳統軌枕的力學模型，建立車輛荷載—鋼軌—軌枕的模型進行動力學分析。為了消除邊界條件的影響，軌排共建了21跨軌枕，只對中間跨進行分析。Ⅱ型枕和Ⅲ型枕簡化為實體，主要受道砟豎向支承作用、橫向和縱向阻力作用，這三種作用力簡化為三向線形彈簧。扣件也簡化為三向線性彈簧。鋼軌是普通的60 kg/m，模型中簡化為梁。J-2型混凝土枕和有擋肩Ⅲ型枕如圖1所示。

1.2 荷載模型

車體用簡諧力P=peiωt來代替，即在鋼軌的中間位置處加幅值p為100 kN、頻率ω為0～2 000 Hz的簡諧力。整體力學模型如圖2所示。

2 計算結果及分析

2.1 計算理論

諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦規律變化的荷載時的穩態響應的一種分析方法。分析的目的是計算出結構在一定頻率范圍下的響應并得到響應值對頻率的曲線。從這些曲線上可以找到“峰值”響應，并進一步觀察峰值頻率對應的應力。需要注意的是該技術只計算結構的穩態受迫振動，而不考慮發生在激勵開始時的瞬態振動。諧響應分析可以用來檢驗結構在受迫振動下能否克服共振、疲勞以及其它有害影響。

圖1 Ⅱ型枕和Ⅲ型軌枕(單位:cm)

圖2 力學模型(部分)

2.2 計算結果

在力學分析的基礎上，利用有限元方法進行計算。首先建立軌道系統枕的有限元模型，其中，軌枕采用實體單元來模擬，扣件和道床采用三向線性彈簧單元來模擬，鋼軌采用梁單元來模擬，本著保證長寬高方向的比例協調的原則進行網格劃分。有限元模型計算參數見表1。

所建的有限元模型，在ANSYS有限元軟件分析平臺上，采用完全法進行諧響應分析求解，在第11跨軌枕處鋼軌的中間施加簡諧力，兩股鋼軌各施加幅值是100 kN、頻率為0～2 000 Hz的簡諧力，計算的載荷步數為200步，即每10 Hz為一個步長，計算得到了Ⅱ型枕和Ⅲ型枕軌道的諧響應曲線即頻率—位移曲線，如圖3所示。經過數據處理，由頻率—位移曲線分別得到鋼軌和軌枕的頻率—加速度曲線如圖4所示。

2.3 結果分析

由圖3(a)可以看出，分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，鋼軌位移變化不大，只在140～400 Hz之間，有較小差別，Ⅱ型枕有砟軌道鋼軌最大位移為0.222 mm，發生在200 Hz附近;Ⅲ型枕有砟軌道鋼軌最大位移為0.248 mm，發生在180 Hz附近。由圖3(b)可以看出，分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，軌枕位移變化也不大，只在140～600 Hz之間，有較小差別，Ⅱ型枕有砟軌道軌枕最大位移為0.145 mm，發生在200 Hz附近;Ⅲ型枕有砟軌道鋼軌最大位移為0.168 mm，發生在180 Hz附近。總體看來，分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，軌道結構的位移變化不明顯，可忽略不計。

表1 諧響應分析計算參數

圖3 鋼軌和軌枕頻率—位移曲線

圖4 鋼軌和軌枕頻率—加速度曲線

由圖4(a)可以看出，鋼軌加速度隨頻率變化趨勢較明顯，即頻率越大，鋼軌加速度越大。分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，曲線整體一致，但在1 300～1 410 Hz之間，兩者也有較大區別。在此區間，Ⅱ型枕最大鋼軌加速度為3 214.537 m/s2，而Ⅲ型枕最大鋼軌加速度為2 362.609 m/s2。由圖4(b)可以看出，軌枕加速度整體上是隨頻率的增大而增大，分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，曲線整體一致，但是在1 300～1 400 Hz之間時，兩者有較大區別。在此區間，Ⅱ型枕最大軌枕加速度為1 600.985 m/s2，而Ⅲ型枕最大軌枕加速度為696.176 m/s2。總體看來，分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，鋼軌、軌枕加速度整體保持一致，但在1 250～1 450 Hz之間時，Ⅲ型枕較Ⅱ型枕能更好地降低軌道結構的振動加速度。

3 結論

本文通過Ⅱ型枕和Ⅲ型軌枕軌道進行諧響應分析，并對其頻率—位移曲線和頻率—加速度曲線進行對比，分析比較結果表明，分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，軌道結構位移變化趨勢基本保持一致，而對振動加速度進行對比發現，分別使用Ⅱ型枕和Ⅲ型枕時，在1 250～1 450 Hz之間時，Ⅲ型枕能更好地改善軌道的振動特性，降低軌道的振動加速度，從這個角度來看，Ⅲ型枕更適合用于有砟軌道。

［1］李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學出版社，2005.

［2］馬娜.橋上梯形軌枕軌道動力特性分析［D］.成都:西南交通大學，2009.

［3］楊新文.高速鐵路輪軌噪聲理論計算與控制研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［4］趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［5］練松良，楊文忠，劉揚.不同類型軌枕軌道結構動力性能試驗研究［J］.鐵道學報，2010，32(2):131-136.