水介質對高速鐵路車-橋耦合系統(tǒng)動力響應的影響研究

周智輝 ，沈浩杰，蔡陳之 ，朱小杰

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 高速鐵路建造技術國家工程研究中心，湖南 長沙 410075；3. 中南大學 軌道交通工程結構防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410075)

我國高速鐵路線路建設廣泛采用“以橋代路”的方式進行修建，高速鐵路運營處于開放的環(huán)境中，列車的運行狀態(tài)不可避免受到周圍環(huán)境條件變化的影響。其中雨水對輪軌的潤滑作用會影響輪軌黏著特性，進而對列車的運行性能產(chǎn)生影響。國內(nèi)外學者針對水介質對輪軌黏著的影響以及如何提高黏著系數(shù)開展了大量的研究，并取得了眾多有價值的研究成果。常崇義等[1]基于全尺寸高速輪軌關系試驗臺，研究了水量、水溫、軸重、運行速度和輪軌表面粗糙度對輪軌黏著系數(shù)的影響, 根據(jù)試驗結果擬合了速度從40 km/h 到400 km/h 條件下的輪軌黏著系數(shù)與速度的關系式為μ=5.71ν-0.864。WHITE 等[2]采用水和氧化鐵配置不同質量百分比的懸浮液，其中最低的黏著系數(shù)低于0.02。王文健等[3]利用MMS-2A 型摩擦磨損試驗機研究了干、水、油、樹葉等介質對輪軌黏著系數(shù)的影響，指出干、水、油介質作用下的黏著系數(shù)分別約為0.31，0.19 和0.05。宋建華等[4]對水介質下的輪軌黏著特性進行了試驗研究。沈明學等[5]從水、樹葉、油以及不同類型鐵的氧化產(chǎn)物等第三介質對輪軌黏著的影響展開討論，并且對國內(nèi)外輪軌低黏著行為的研究現(xiàn)狀進行綜述。BUCKLEYJOHNSTONE 等[6]利用全尺寸輪軌試驗臺對濕軌現(xiàn)象的水量閾值展開系統(tǒng)研究，并成功地利用輪軌間低含水(噴水量25 μL/s)狀態(tài)再現(xiàn)輪軌保持極低黏著(約0.06)水平。根據(jù)WU 等[7]研究，樹葉存在時的實測黏著系數(shù)可低至0.03。建立車輛多體動力學模型，然后將實測或者試驗獲得的黏著系數(shù)代入數(shù)值模型中進行仿真計算，是研究第三介質對車輛系統(tǒng)運行性能影響的重要方法。李國棟等[8]通過JD-1 輪軌模擬試驗機進行了干態(tài)、水介質和油介質條件下的黏著特性試驗，然后采用多體動力學軟件SIMPACK 建立車輛多體動力學模型，研究了在試驗的黏著系數(shù)范圍內(nèi)列車的振動特性，指出低黏著系數(shù)可有效降低輪對橫移量，減小輪對加速度，并且提高車輛的臨界速度。HUBBARD 等[9]考慮了不同介質條件會造成輪軌的低黏著現(xiàn)象，通過SIMPACK 建立車輛模型，通過數(shù)值模擬獲得了低黏著條件下車輛在直線線路上的運行性能，然后基于kalman-Bucy 濾波器對車輛在曲線上的運行性能進行預測。ALARCóN 等 通過現(xiàn)場實驗測量了干燥、摩擦改進劑潤滑和后潤滑3種條件下的黏著系數(shù)，然后通過多體動力學軟件建立地鐵列車曲線通過模型，基于摩擦功模型研究輪軌系統(tǒng)的能量耗散問題，從而評估摩擦改進劑的有效性及其對輪軌系統(tǒng)磨損的影響。POLACH[11]通過SIMPACK 建立整車模型研究車輛橫向穩(wěn)定性問題，在研究中得到黏著系數(shù)對車輛橫向穩(wěn)定性影響較大的結論。魏銀花等[12]基于自適應云模型建立列車黏著控制數(shù)字化模型，通過列車系統(tǒng)對車輪扭矩的控制實現(xiàn)智能應對輪軌低黏著現(xiàn)象，并通過仿真結果驗證了模型的有效性。王衛(wèi)東等[13]采用理論分析、仿真計算和實驗研究等手段揭示了輪軌潤滑對車橋耦合振動的影響。任劍瑩等[14]分析了鋼軌內(nèi)側涂油的減振機理及涂油后減小車橋橫向耦合振動幅值的原因。水介質條件下導致的輪軌低黏著對高速鐵路橋梁動力響應及橋上列車運行安全均會產(chǎn)生影響，目前研究多為水介質條件對輪軌黏著特性的影響以及對列車振動特性的影響，對橋梁動力響應影響的研究報道少見。然而，為了保證列車的安全運行，橋梁相應的振動響應必須滿足規(guī)范要求。因此，對橋梁動力響應影響的研究具有重要意義。本文通過改進的MJP-40 摩擦磨耗試驗機測試了干、水介質條件對輪軌黏著系數(shù)的影響。以某高鐵動車組參數(shù)和32 m 簡支箱梁為對象，采用通用有限元軟件ANSYS 與多體動力學軟件SIMPACK 聯(lián)合仿真的方法建立車-橋系統(tǒng)振動模型，得到不同黏著系數(shù)對車-橋系統(tǒng)振動響應的結果，并與相關規(guī)范[15-16]限值進行對比，對橋梁振動特性和列車運行性能進行評價。研究結果可為復雜環(huán)境條件下高速列車橋上行車安全的研究提供技術資料。

1 車輛-橋梁模型

1.1 列車動力學模型

根據(jù)某高鐵動車組參數(shù)，通過SIMPACK 軟件建立車輛空間模型，如圖1所示，其中將車體、轉向架和輪對視為剛體。車體與轉向架，轉向架與輪對之間通過懸掛裝置連接，將懸掛系統(tǒng)簡化為彈簧阻尼單元。每個剛體(車體、轉向架和輪對)均考慮伸縮、橫擺、沉浮、側滾、點頭和搖頭6個自由度，單節(jié)列車42 個自由度，本文建立單列8 車編組(拖車+6動車+拖車)的高速列車模型 。

圖1 列車-橋梁耦合系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of train-bridge coupling system

1.2 軌道橋梁結構動力學模型

本文選取某高速鐵路32 m 簡支單箱梁橋，梁高為3.05 m，橋墩高度為14 m，橋梁截面幾何尺寸如圖2 所示。采用ANSYS 的Beam188 單元建立主梁與橋墩，軌枕與道床作為附加質量以mass21單元施加到橋上，橋梁通過子結構分析提取包含有橋梁結構質量矩陣和剛度矩陣信息的.sub文件和包含有橋梁幾何外形信息的.cdb 文件，然后通過SIMPACK 的接口程序，生成SIMPACK 可識別的柔性體文件.fbi[18]。軌道模型建模流程與橋梁模型相同，即生成軌道.fbi 文件后，采用SIMPACK 中自帶的柔性軌道模塊快速建立柔性軌道模型。為了避免由于彈性軌道體過短而導致列車上橋、下橋瞬間動力響應發(fā)生突變，柔性軌道包括橋前軌道、橋上軌道和橋后軌道3部分。橋梁與軌道之間的扣件通過彈簧-阻尼進行模擬。軌道不平順根據(jù)我國《高速試驗列車技術條件》中的建議采用德國軌道高速低干擾譜進行模擬，考慮高低、水平和軌距3 種不平順，并采用三角級數(shù)法模擬時程，計算積分步長為0.000 1 s。

圖2 32 m簡支箱梁幾何尺寸Fig. 2 Geometric dimensions of 32 m simple-supported box girder

2 黏著系數(shù)試驗研究

列車子系統(tǒng)與橋梁子系統(tǒng)之間的動力相互作用通過輪軌接觸實現(xiàn)。本文采用SIMPACK 中的彈性接觸模式，并且在軟件中輪軌接觸模塊通過設置黏著系數(shù)的大小，考慮干、水介質條件對車-橋系統(tǒng)動力響應的影響。

為了獲得干、水介質條件下輪軌間的黏著系數(shù)，采用小比例試驗機進行現(xiàn)場試驗獲取所需數(shù)據(jù)。小比例試驗機具有經(jīng)濟、試驗條件可控的優(yōu)點，被廣泛應用于輪軌黏著特性研究 。為了了解水介質作用下的輪軌黏著特性，利用改裝的MJP-40 型微機控制摩擦磨損試驗機開展輪軌黏著試驗，研究結果可為實際中輪軌黏著系數(shù)的利用與提高提供重要的技術指導和理論參考。MJP-40 摩擦磨損試驗機如圖3所示。

圖3 MJP-40摩擦磨損試驗機示意簡圖Fig. 3 Schematic diagram of the MJP-40 testing apparatus

本試驗通過改進的MJP-40 型摩擦磨耗試驗機，將加工試樣進行干燥和水介質潤滑條件下的滾動接觸試驗。試驗示意圖如圖4所示。試樣采用高性能軸承鋼加工而成，試驗直徑55 mm，接觸區(qū)域寬度5 mm。設置縱向蠕滑率為2%，轉速400 rpm，接觸應力分別為750，900，1 000，1 200和1 450 MPa。試驗考慮干燥和水潤滑對輪軌接觸黏著系數(shù)的影響。不同接觸應力條件下的黏著系數(shù)時程曲線如圖5所示，干摩擦條件下，黏著系數(shù)隨著輪軌接觸應力的增大而增大，而水潤滑條件下，黏著系數(shù)隨著輪軌接觸應力的增大而減小。這是由于在水潤滑的條件下，較大的接觸應力會使得接觸表面水膜穿透，導致接觸面積增加，從而造成黏著系數(shù)下降。干摩擦條件下，輪軌黏著系數(shù)在0.35～0.41之間，水潤滑條件下，輪軌黏著系數(shù)在0.19～0.25之間。水潤滑會導致輪軌黏著系數(shù)降低，最大可下降52.6%。文獻[20]提出，當車輛運行速度達到350 km/h 時，推薦的中國與日本高速輪軌黏著系數(shù)公式取值分別為0.069 和0.031。考慮到試驗室內(nèi)測試得到的最低黏著系數(shù)低于0.02[2]，為研究水介質對橋梁結構振動和橋上行車安全的影響，本文設置輪軌間黏著系數(shù)為0.02，0.05，0.2，0.3，0.4和0.5。

圖4 室內(nèi)試驗示意圖Fig. 4 Schematic diagram of laboratory test

圖5 黏著系數(shù)Fig. 5 Adhesion coefficients

3 車-橋系統(tǒng)動力響應研究

根據(jù)上述方法建立跨度32 m 的高速鐵路簡支單箱梁橋車-橋耦合振動模型，如圖1 所示。計算在黏著系數(shù)為0.4 的條件下，不同車速(160，200，250，300和350 km/h)對車橋系統(tǒng)振動響應的影響。同時由于現(xiàn)代高速列車速度已達350～360 km/h，并有向400 km/h 或以上推進的趨勢，所以高速輪軌黏著條件能否支持高速牽引力或制動力是一個現(xiàn)實問題。因此，本文選取在車速為350 km/h 條件下，不同黏著系數(shù)(0.02，0.05，0.2，0.3，0.4，0.5)對車-橋系統(tǒng)振動響應的影響，通過在車體、輪對、橋梁中跨設置觀測點，獲得車-橋系統(tǒng)在不同工況下的位移、加速度響應。圖6 和圖7 分別為不同工況下車輛的橫向加速度和脫軌系數(shù)時程曲線，其余工況下各振動指標如表1～4所示。

表1 不同列車速度下列車的振動響應(黏著系數(shù)0.4)Table 1 Vibration response of train under different train speeds (The adhesion coefficient is 0.4)

圖6 350 km/h速度條件下頭車車體橫向加速度Fig. 6 Lateral acceleration of of head vehicle at speed of 350 km/h

圖7 350 km/h速度條件下頭車第1輪對脫軌系數(shù)Fig. 7 Derailment coefficent of head vehicle’s wheelset at speed of 350 km/h

3.1 列車速度對車-橋動力響應的影響分析

表1 和表2 分別為不同列車速度下車輛與橋梁的動力響應。表1表明，隨著車速的提高，車體振動加速度、輪對橫移量和脫軌系數(shù)均增大，列車運行速度越高，輪對最大橫移量越大。如表1 所示，不同工況下的車體橫向加速度最大值、豎向加速度最大值、脫軌系數(shù)最大值分別為0.318 m/s2，0.608 m/s2和0.268，均遠小于相應規(guī)范限值1 m/s2，1.3 m/s2和0.8。表2 表明，車速提高橋梁位移、加速度最大值均有所增加，其中橋梁結構豎向位移最大值為1.16 mm，小于規(guī)范限值20 mm，橫向位移最大值為0.3 mm，小于規(guī)范限值3.56 mm。如表2 所示，不同速度工況下，橋梁橫向與豎向加速度最大值分別為0.185 m/s2和0.700 m/s2。顯然，橋梁的振動加速度遠小于相應的規(guī)范限值1.4 m/s2和5 m/s2。

表2 不同列車速度下橋梁的振動響應(黏著系數(shù)0.4)Table 2 Vibration response of bridge under different train speeds (The adhesion coefficient is 0.4)

3.2 黏著系數(shù)對車-橋動力響應的影響分析

圖6 給出黏著系數(shù)分別為0.02 與0.5 工況下，32 m 簡支梁橋車-橋耦合振動分析模型的頭車車體橫向加速度時程曲線?？梢钥闯觯^大的黏著系數(shù)下，車輛橫向加速度最大值較大。圖6 所示2 種工況下的車輛橫向加速度最大值分別為0.201 m/s2(黏著系數(shù)0.02)和0.298 m/s2(黏著系數(shù)0.5)，低黏著系數(shù)極大降低了列車車體橫向振動加速度幅值。圖7 為頭車第1 輪對的脫軌系數(shù)，低黏著系數(shù)條件下的脫軌系數(shù)較小，與黏著系數(shù)0.5 工況相比，黏著系數(shù)為0.02時，脫軌系數(shù)降低了約84.2%。

表3為車速350 km/h工況下，不同黏著系數(shù)條件下列車的振動指標。從表3可以看出，車體豎向加速度最大值和輪對橫移量受到黏著系數(shù)變化的影響很小。但黏著系數(shù)對車體橫向加速度最大值與輪對脫軌系數(shù)影響很大，隨著黏著系數(shù)的增大，車體橫向加速度最大值與脫軌系數(shù)總體呈增大的趨勢。黏著系數(shù)為0.05 的工況下，車體橫向加速度最小值為0.187 m/s2。此時，脫軌系數(shù)也最小，其數(shù)值為0.044。表4 表明，橋梁結構振動受到輪軌間黏著系數(shù)變化的影響很小，橫向位移、豎向位移與豎向加速度基本不受影響，橫向加速度略有變化，其中黏著系數(shù)0.5 與黏著系數(shù)0.02 的工況，橋梁橫向加速度最大值分別下降了14.5%和21.7%，這表明低黏著系數(shù)對輛與橋梁的橫向動力響應均有影響。

表3 不同黏著系數(shù)下列車的振動響應(列車速度350 km/h)Table 3 Vibration response of train under different adhesion coefficients (The train speed is 350 km/h)

表4 不同黏著系數(shù)下橋梁的振動響應(列車速度350 km/h)Table 4 Vibration response of bridge under different adhesion coefficients (The train speed is 350 km/h)

4 結論

1) 在可能出現(xiàn)的輪軌接觸應力范圍內(nèi)(750～1 450 MPa)，干摩擦條件下，輪軌黏著系數(shù)在0.35～0.41 之間，水潤滑條件下黏著系數(shù)在0.19～0.25之間。水潤滑會導致輪軌黏著系數(shù)降低，最大可下降52.6%。

2) 黏著系數(shù)對車輛橫向振動影響較大，低黏著系數(shù)極大降低了列車車輛橫向振動加速度和脫軌系數(shù)，分別下降了30.2%和84.2%。黏著系數(shù)的變化對橋梁結構橫向振動有一定影響，當黏著系數(shù)取值從0.5 下降到0.02 時，橋梁橫向振動加速度最大值下降了14.5% 。