扣件彈性墊層劣化對高速列車-道岔系統動力特性的影響

侯明揚,徐井芒,王 平,閆 正,馬前濤

(1.西南交通大學 土木工程學院,成都 610031; 2.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

隨著高速鐵路的發展及運營時間的增加,軌下基礎將受到反復的沖擊和振動,高速道岔鐵墊板外表面硫化橡膠逐漸老化,扣件板下膠墊剛度也隨之發生改變[1]。某高鐵線路岔區扣件彈性墊層隨服役年限增加而發生劣化,具體表現為剛度增大、墊板厚度減小。扣件彈性墊層的劣化可能會加劇車輛和軌道系統的動力響應,影響列車的正常運行和旅客的乘車安全,甚至可能導致列車脫軌[2]。

故對扣件劣化后動力特性的變化及其對車輛與軌道動力性能的影響進行研究十分重要,國內外學者對此進行了大量研究。針對扣件劣化后動力特性的變化,王璞等和任娟娟等[3]均對扣件老化后的動力特性參數進行了實測;結合實測的道岔鐵墊板剛度劣化規律,王璞等給出了道岔扣件剛度整體變化對車輛與軌道動力學性能的影響。針對扣件老化及失效對車輛軌道動力性能的影響,國內外學者已對區間、地鐵線路以及鐵路橋均進行了大量研究。區間線路方面,朱劍月[4]建立室內縮尺模型,研究了扣件失效數量及行車速度對軌道結構動力特性的影響,并對其進行時域和頻域驗證;肖新標等[5-7]研究了軌下支承失效程度及數量對直線軌道結構動態響應、車輛動態脫軌及旅客乘坐舒適度的影響,并得出鋼軌扣件失效對列車動態脫軌影響呈指數規律的結論;張歡等[8]運用連續支承梁模型理論分析了彈性墊板剛度對枕上壓力及軌道板混凝土和CA砂漿疲勞特性的影響;袁玄成等[9]建立考慮扣件彈條扣壓力的垂向動力學模型,研究單個和多個彈條扣壓力衰減失效對輪軌系統垂向響應的影響,主要體現為鋼軌垂向加速度的變化;Xiao等[10]將多體動力學與有限元法結合,研究了連續單側、交替單側和連續雙側的扣件失效模式對軌道結構動態響應的影響,其影響呈現滯后效應;Xu等[11]研究了扣件失效對車軌相互作用的影響,認為連續失效數量超過3個時便會對輪軌相互作用和軌道振動產生較大影響;Li等[12]研究了扣件松動對車軌系統垂直動力響應的影響,其對輪對振動響應的低頻部分影響顯著;翁長根等[13]和劉學毅等[14]均研究了扣件剛度局部突變對車體振動響應的影響,均認為扣件剛度局部突變對行車平穩性影響較小。城市軌道交通方面,魏綱等[15]和Zhan等[16]分別研究了扣件失效對地鐵軌道結構和地鐵車輛振動特性的影響。鐵路橋方面,張燕等[17]和毛建紅等[18]均基于車-線-橋耦合動力學理論,分別研究了扣件剛度變化及扣件失效對車-線-橋耦合系統垂向振動響應的影響,得出扣件剛度對車體振動影響較小的結論。上述研究主要以區間線路為主,且均以垂向動力學指標為結果進行分析;而針對結構復雜的道岔區扣件失效或彈性墊層劣化的相關研究較少。

與區間線路不同,道岔結構復雜、零部件眾多,存在多根鋼軌共用長墊板的現象[19]。鑒于此,以我國350 km/h的18號無砟道岔為例,考慮道岔區鋼軌的柔性變形,建立車輛-道岔剛柔耦合動力學模型,通過時域和頻域分析,研究岔區扣件彈性墊層中板下膠墊劣化位置、劣化程度、劣化個數和行車速度對車輛過岔動力學性能的影響。研究結果可為道岔區剛度優化和養護維修提供一定的理論指導。

1 車輛-道岔剛柔耦合動力學模型

1.1 車輛動力學模型

基于我國常用350 km高鐵動車組建立車輛動力學模型,車輛模型參數參考文獻[20],部分參數如表1所示。該高速車輛模型主要包含1個車體、2個轉向架與4個輪對,將車體、轉向架與輪對視作剛體,每一剛體均包含縱向、橫移、沉浮、側滾、點頭和搖頭6個自由度,故該高速車輛模型總計42個自由度。模型中,轉向架和輪對之間通過一系懸掛連接,轉向架和車體之間通過二系懸掛相連,懸掛體系均采用彈簧-阻尼元件模擬。車輛模型的拓撲圖如圖1所示。

圖1 車輛模型拓撲圖

表1 車輛模型部分參數表

1.2 道岔動力學模型

基于我國高速鐵路18號單開道岔,建立高速道岔模型,其轉轍器區布置圖如圖2所示。為消除道岔兩端約束及柔性軌道引起的邊界效應,在道岔始末各設置50 m的過渡段并在尖軌尖端前設置15 m考慮鋼軌柔性變形的軌道,尖軌尖端里程50 m。

(a) 俯視圖(mm)

扣件彈性墊層劣化后,軌道垂向剛度發生改變,減振性能降低,由于尖軌的降低值與頂寬發生變化,輪軌關系將會發生改變,從而影響車輛的過岔性能。扣件初始垂向剛度取為25 kN/mm。道岔扣件系統剛度主要包含軌下膠墊剛度和板下膠墊剛度,其中板下膠墊剛度對扣件系統剛度起決定性作用。岔區扣件板下膠墊劣化后,其垂向剛度將會增大,故采取增大垂向剛度的方法來模擬扣件彈性墊層中板下膠墊的劣化,考慮極端情況,將彈性墊層劣化后扣件的垂向剛度增大為100 kN/mm。

以列車直逆向通過轉轍器區為例,僅有直尖軌、曲基本軌及直基本軌承受列車荷載,故模型僅考慮3根鋼軌。鋼軌的剛性廓形通過關鍵斷面線性插值獲得,所建立的無質量轉轍器模型的直尖軌與曲基本軌組合三維廓形如圖3所示;為考慮鋼軌的柔性變形,采用Beam 188單元,依據道岔布置圖中軌枕點和半軌枕點的位置設置主節點,根據斷面網格劃分的形式將特殊斷面沿主節點進行連結,3根鋼軌梁有限元模型及其主節點布置如圖4所示;柔性體是由模態構成的,將主節點間的梁單元串聯生成離散式彈性體并對其進行模態計算,各柔性軌的某階振型圖如圖5所示。

圖3 直尖軌與曲基本軌三維組合廓形

(a) 直尖軌

(a) 直尖軌

1.3 輪軌接觸模型

輪軌接觸模型主要包括輪軌動態接觸幾何和輪軌接觸行為,前者基于經典跡線法原理,同時考慮道岔鋼軌廓形的特殊性進行求解,從而確定輪軌接觸點位置及相應的接觸幾何參數;后者主要涉及輪軌法向力和輪軌切向力的求解,法向力采用Hertz非線性理論求解,輪軌切向力依據FASTSIM算法進行計算;由于柔性軌道為離散式彈性體,為將柔性軌道與無質量轉轍器模型結合在一起,其法向采用離散彈性接觸。

1.4 模型驗證

為驗證模型的可靠性,計算車輛以350 km/h直逆向通過轉轍器區的動力學性能,并與文獻[21]中的計算結果進行對比,如圖6(a)、圖6(b)所示。結果表明：車輛直逆向通過道岔轉轍器區的動力學結果與王雪彤的計算結果基本一致,可認為建立的車輛-道岔剛柔耦合動力學模型是可靠的。

(a) 尖軌側輪軌垂向力

2 扣件彈性墊層劣化位置的影響

道岔平面線型復雜,當扣件彈性墊層在不同位置劣化時對車輛過岔動力性能的影響不同,為獲取轉轍器區扣件彈性墊層劣化最不利位置,建立如表2所示工況,岔枕編號與尖軌頂寬的對應關系已于圖2(a)中標明。

表2 不同位置扣件彈性墊層劣化

2.1 時域結果

當車輛以350 km/h通過無扣件彈性墊層劣化及不同岔枕處扣件彈性墊層劣化的轉轍器部分時,輪軌動態相互作用如圖7所示,各動力學指標的峰值如圖8所示。

(a) 輪軌垂向力

由圖7(a)可知,輪軌垂向力于扣件劣化位置呈“M”形波動,且波動范圍約為3 m。當彈性墊層劣化時,扣件垂向剛度及鋼軌支座剛度增大,導致軌枕反力及鋼軌受力增大,故劣化位置處輪軌垂向力增大。當6號、11號岔枕處扣件彈性墊層劣化時,曲基本軌的輪軌力發生改變;而在其他岔枕處,由于車輛已完成輪載過渡,故對應位置扣件彈性墊層發生劣化后,曲基本軌受力不受影響。

扣件彈性墊層劣化對列車道岔系統動力特性影響較大,其中16號岔枕處扣件彈性墊層劣化時影響最為顯著。當16號岔枕處扣件彈性墊層劣化時,尖軌側的輪軌垂向力峰值與無彈性墊層劣化時差異較大,垂向力較無劣化時增大18.62%;輪重減載率為0.45,較無劣化工況增大221.43%;軸箱振動加速度峰值較無劣化時增大216.17%,為35.19 m/s2。不同岔枕位置處扣件彈性墊層劣化對行車的平穩性影響較小,車體垂向、橫向振動加速度均無明顯變化。

2.2 頻域結果

圖9(a)～圖9(g)為車輛以350 km/h通過無扣件彈性墊層劣化及不同岔枕處扣件彈性墊層劣化的轉轍器部分時,經小波變換得到的軸箱振動加速度頻域響應,前轉向架前輪對于0.323 s到達尖軌尖端。

圖9 不同位置處扣件彈性墊層劣化時軸箱加速度時頻圖

當無扣件彈性墊層劣化時,軸箱的一階振動主頻為25.1 Hz,當列車通過轉轍器區時,由于輪載過渡時輪軌沖擊的影響,軸箱的二階振動主頻約為163.17 Hz;而當出現表2中岔枕對應位置扣件彈性墊層劣化后,低頻響應加劇,車輛通過轉轍器區時的振動主頻均位于70 Hz以下。當不同岔枕處扣件彈性墊層劣化時,軸箱加速度主頻分別為46.88 Hz,66.41 Hz,50.21 Hz,35.56 Hz,46.88 Hz,42.97 Hz。

通過對仿真模型中的曲基本軌和直尖軌進行特征值分析,未劣化狀態下曲基本軌的前5階固有頻率均位于32 Hz以下,其余各階頻率均位于790 Hz以上;未劣化狀態下直尖軌的前11階固有頻率均位于32 Hz以下,其余各階頻率均位于740 Hz以上。當出現表1中對應岔枕位置處扣件彈性墊層劣化時,曲基本軌新增位于33～36 Hz內的特征值;直尖軌新增位于5～74 Hz內的特征值,表2各工況對應的具體值分別為5.07 Hz,13.40 Hz,56.91 Hz,73.10 Hz,72.95 Hz,72.41 Hz。

扣件彈性墊層劣化對鋼軌模態的影響主要體現在低頻范圍內,而未劣化狀態下曲基本軌的固有頻率集中于高頻,故雖6號、11號岔枕對應位置扣件彈性墊層發生劣化,軸箱垂向加速度并未發生較大變化;當16號岔枕對應位置扣件彈性墊層劣化時,軸箱的振動主頻50.21 Hz與此時的直尖軌振動頻率56.91 Hz較為接近,且軸箱垂向振動加速度峰值較大,較無劣化狀態下增大216.17%。

結合時域和頻域結果可知,16號岔枕處扣件彈性墊層劣化對高速車輛過岔時的動力學響應產生最不利影響,即在道岔轉轍器部分,扣件彈性墊層產生劣化的最不利位置僅有一處位于尖軌頂寬40 mm處。

3 影響因素分析

3.1 扣件彈性墊層劣化程度

以扣件剛度模擬扣件彈性墊層劣化程度,當尖軌頂寬40 mm處扣件垂向剛度分別為25 kN/mm,50kN/mm,75 kN/mm,100 kN/mm,125 kN/mm時,各動力學指標的峰值如圖10(a)、圖10(b)所示。

隨著扣件彈性墊層劣化程度的加深,位于尖軌頂寬40 mm處的輪軌動態相互作用和安全性指標均呈增大趨勢。扣件彈性墊層的劣化程度對車輛過岔的平穩性影響較小。車體垂向振動加速度,如圖11所示。由圖11可知,由于扣件彈性墊層劣化程度增加,減振性能降低,位于扣件劣化位置的車體垂向振動加速度呈緩慢增大趨勢,且其增幅隨扣件剛度的增大而減小。

圖11 車體垂向振動加速度

對軸箱振動加速度進行頻域分析,如圖12所示。軸箱振動加速度峰值位于扣件劣化位置,且隨扣件剛度增大而增大;當無劣化及扣件劣化程度不同時,其振動加速度對應一階頻率為25.10 Hz,35.56 Hz,35.56 Hz,50.21 Hz,50.21 Hz,隨扣件剛度的增大,其振動主頻和幅值均呈增大趨勢。

圖12 軸箱振動加速度頻域曲線

綜上,扣件彈性墊層劣化程度的改變不會引起輪軌相互作用波動范圍的改變;尖軌側輪軌動態相互作用隨扣件彈性墊層劣化程度增加而加劇,行車平穩性所受影響較小。

3.2 扣件彈性墊層劣化個數

當以尖軌頂寬40 mm為中心發生如圖13所示的連續1組、3組、5組、7組、9組扣件彈性墊層劣化時,尖軌側的輪軌動態相互作用如圖14所示。

圖13 扣件彈性墊層劣化個數示意圖

(a) 輪軌垂向力

隨著尖軌頂寬40 mm處扣件彈性墊層劣化個數的增加,輪軌相互作用波動范圍增大。在尖軌頂寬40 mm處,隨著扣件彈性墊層劣化個數增加,輪軌垂向力所受影響較小,呈減小趨勢;而圖13中扣件彈性墊層產生劣化的區段,由于道岔轉轍器區結構復雜,尖軌尖端處無橫向約束,尖軌尖端處的橫向力和脫軌系數則呈增大趨勢,如圖14(b)所示,當9組扣件連續劣化時尖軌尖端橫向力較1組扣件彈性墊層劣化時增大21.3%,車輛過岔時的脫軌系數增加;扣件彈性墊層劣化個數對列車運行的平穩性影響較小,車體橫向加速度隨劣化扣件數量的增加呈緩慢增大趨勢。

綜上,隨著連續扣件彈性墊層劣化數量的增加,部分動力學指標峰值有所減小,而尖軌尖端處的橫向動力學指標呈增大趨勢;可見連續多組扣件彈性墊層劣化會加劇列車道岔系統動力特性。

3.3 通過速度

當車輛以200 km/h,250 km/h,300 km/h,350 km/h,400 km/h的速度通過未劣化和尖軌頂寬40 mm處扣件彈性墊層劣化的轉轍器時,尖軌側輪重減載率及軸箱振動加速度所受影響較大,其峰值如圖15所示。

(a) 輪重減載率

當車輛以不同速度過岔時,劣化后的尖軌側輪軌垂向力、輪重減載率及軸箱振動加速度較未劣化時均呈增加趨勢,其中輪重減載率與軸箱振動加速度影響顯著。當車輛以250 km/h的速度通過道岔時,劣化后的輪重減載率較未劣化時增加302.97%,劣化后的軸箱振動加速度較未劣化時增加312.13%,可見車輛以250 km/h過岔時,扣件彈性墊層劣化對車輛過岔性能的影響更為顯著。

當車輛以不同速度通過尖軌頂寬40 mm處扣件彈性墊層劣化的轉轍器時,對軸箱加速度進行頻域分析,如圖16所示。隨行車速度的增加,軸箱的振動主頻分別為28.67 Hz,35.85 Hz,43.01 Hz,50.21 Hz,58.54 Hz,呈增大趨勢;同時由于輪載過渡時輪軌沖擊的影響,軸箱存在更高頻率的振動,且該頻率隨行車速度的增加而增大,從而導致圖16中存在多個頻率位于100～400 Hz內的振動峰值;行車速度由200 km/h增加至250 km/h時,軸箱加速度較為敏感,振幅增幅較大,為30.43%。

圖16 軸箱加速度頻域曲線

4 結 論

基于多體動力學理論建立車輛-道岔剛柔耦合動力學模型,采用時域和頻域分析,分析轉轍器區扣件彈性墊層劣化位置、劣化程度、劣化個數以及行車速度對高速列車-道岔系統動力性能的影響,結論如下：

(1) 扣件彈性墊層劣化位置影響較大,其中尖軌頂寬40 mm處為扣件彈性墊層劣化的最不利位置;此時尖軌側輪重減載率增大221.43%,且軸箱振動頻率接近直尖軌固有頻率,對高速列車道岔系統動力特性影響顯著。

(2) 扣件劣化程度對車輛過岔時的垂向動力學指標影響較大,且各垂向動力學指標的增幅隨劣化程度的加深呈減小趨勢。

(3) 扣件劣化個數對車輛過岔時的橫向動力學指標影響較大。隨著扣件劣化數目的增加,劣化范圍增大,尖軌尖端橫向力及脫軌系數增大,9組扣件連續劣化時尖軌尖端橫向力較1組扣件彈性墊層劣化時增大21.3%。

(4) 當車輛以250 km/h速度過岔時,扣件彈性墊層劣化對車輛過岔性能的影響最為顯著;劣化后的輪重減載率較未劣化時增加302.97%,軸箱振動加速度較未劣化時增加312.13%。軸箱振動加速度對扣件彈性墊層劣化較敏感,可在一定程度上反映扣件彈性墊層的劣化。