路基上合成軌枕有砟軌道動力學特性研究

常 征

(中聯西北工程設計研究院有限公司,陜西 西安 710000)

目前，鋼筋混凝土軌枕應用非常廣泛。鋼筋混凝土軌枕具有使用壽命長、養護工作量小等特點。但是，鋼筋混凝土軌枕同時具有自重大，生產時污染環境等問題。針對這些問題，國外研究出一種新型合成軌枕。合成軌枕的主要優點是質量輕、強度高、施工方便、使用壽命長、可循環使用[1-3]。

合成軌枕在國外有砟軌道上的應用已經相當廣泛，但是國內對有砟軌道上合成軌枕的研究尚不充分[4,5]，因此本文展開對路基上合成軌枕有砟軌道的研究十分必要。

本文基于有限單元法與多體動力學理論，根據合成軌枕在有砟軌道上實際應用情況建立車輛—軌道耦合動力學模型，對時速200 km/h路基上合成軌枕有砟軌道結構進行動力學計算分析，重點研究合成軌枕密度變化對系統動力學響應的影響規律[6-9]。本文對有砟軌道上合成軌枕的設計、施工以及維護有一定的指導意義。

1 車輛—軌道動力學仿真模型的建立

1.1 車輛仿真模型的建立

本文選取CRH5型列車建立車輛模型，將車輛簡化為多剛體動力學模型，車輛模型由車體、轉向架、輪對、一系懸掛、二系懸掛等組成。

1.2 合成軌枕仿真模型的建立

本次研究以在日本新干線廣泛使用的纖維增強發泡聚氨酯(Glass Filament Foamed Urethane，簡稱FFU)合成軌枕為研究對象。

1.3 有砟軌道仿真模型的建立

本次研究采用ANSYS有限元軟件中的三維實體單元(Solid45)來模擬有砟軌道道床與路基。

1.4 車輛—軌道耦合仿真模型的建立

為了實現多剛體車輛與柔性軌道的耦合，本次研究采用ANSYS有限元軟件與SIMPACK多體動力學軟件的接口程序FEMBS生成柔性體仿真時所需要的SID文件[10,11]。

2 車輛—軌道耦合動力學分析計算結果

本文建立車輛—軌道耦合動力學模型，對時速200 km/h路基上合成軌枕有砟軌道結構進行動力學計算分析，計算結果如圖1，圖2所示。

圖1為脫軌系數時程變化曲線，通過分析計算結果可知，脫軌系數極值為0.12，滿足TB/T 2360—93鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準中對脫軌系數小于0.8的要求。圖2為輪重減載率時程變化曲線，通過分析計算結果可知，輪重減載率極值為0.38，滿足《鐵路技術管理規程》中對輪重減載率的要求。

圖3為車體垂向加速度時程曲線，對計算結果進行分析得出車體垂向加速度極值為0.26 m/s2；圖4為車體橫向加速度時程曲線，通過分析計算結果可知車體橫向加速度極值為0.15 m/s2。車輛加速度滿足規范要求。

表1 系統動力學響應計算結果

我國《高速試驗列車動力車強度及動力學性能規范》中要求輪軌垂向力極值小于170 kN，參考歐美鐵路的相關試驗，取橫向力極值小于0.4倍的靜輪載，本文靜輪載為160 kN，故本文橫向力極值小于64 kN，通過對表1分析可知，輪軌垂向力和橫向力滿足要求。

根據國外高速鐵路的經驗，我國提出高速鐵路有砟軌道鋼軌最大變形的合理范圍為1.5 mm～2.5 mm，通過分析計算結果可知，本次研究鋼軌垂向位移滿足要求。

合成軌枕垂向位移的極值為0.88 mm，合成軌枕的垂向位移明顯小于鋼軌的垂向位移。

3 合成軌枕密度對系統動力學響應的影響

在研究合成軌枕密度對路基上合成軌枕有砟軌道結構的影響時，分別選取680 kg/m3,740 kg/m3,800 kg/m3,860 kg/m3四種不同合成軌枕密度，其他材料參數保持不變。

通過對圖5和圖6分析可知，當合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，脫軌系數由0.22減小到0.06；輪重減載率由0.45減小到0.33。通過分析計算結果，四種不同合成軌枕密度下的脫軌系數與輪重減載率均滿足規范要求，同時脫軌系數與輪重減載率隨著合成軌枕密度的增大均表現出減小的趨勢，可見，增大合成軌枕密度有利于提高車輛運行的安全性。

通過對圖7和圖8分析可知，當合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，車體的垂向加速度由0.19 m/s2增加到0.35 m/s2；車體的橫向加速度由0.17 m/s2減小到0.12 m/s2。通過分析計算結果可知，隨著合成軌枕密度的增大，車體垂向加速度呈現出增大的趨勢，而車體橫向加速度呈現出減小的趨勢。

通過對圖9和圖10分析可知，當合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，輪軌垂向力由79.56 kN變化到78.96 kN；輪軌橫向力由7.05 kN減小到3.26 kN。可見，軌枕密度的增大，輪軌垂向力變化不明顯，輪軌橫向力有明顯降低。

通過對圖11和圖12分析可知，當合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，鋼軌垂向位移由1.66 mm減小到1.61 mm；合成軌枕垂向位移基本不變。

通過對圖13和圖14分析可知，當合成軌枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3時，鋼軌的垂向加速度由610.23 m/s2增加到880.85 m/s2；合成軌枕的垂向加速度由239.14 m/s2減小到100.89 m/s2。故增大合成軌枕密度能夠使鋼軌垂向加速度增大，合成軌枕垂向加速度減小。

4 結語

本文建立了車輛—軌道耦合動力學模型，對時速200 km/h工況下路基上合成軌枕有砟軌道結構進行動力學計算分析，重點研究了合成軌枕密度的變化對車輛—軌道耦合系統動力學響應的影響規律，得出以下結論：

1)在200 km/h工況下計算得出的脫軌系數、輪重減載率、鋼軌垂向加速度及垂向位移、合成軌枕垂向加速度及垂向位移等均在合理區間，故本文建立的車輛—軌道耦合動力學模型是正確的，能夠用于路基上合成軌枕有砟軌道結構的模擬計算。

2)當合成軌枕密度增大時，車體的垂向加速度增大，而車體橫向加速度減小。

3)當合成軌枕密度增大時，輪軌垂向力變化不大，輪軌橫向力顯著減小。可見，增大合成軌枕密度能夠增強軌道結構的穩定性。

4)當合成軌枕密度增大時，鋼軌的垂向位移變化不大，垂向加速度顯著增大。

5)當合成軌枕密度增大時，合成軌枕的垂向位移變化不大，垂向加速度顯著減小。

6)當合成軌枕密度增大時，脫軌系數和輪重減載率顯著減小。為了保證有砟軌道結構的穩定性以及安全性，同時考慮到合成軌枕的經濟性，可以適當增加合成軌枕的密度。