極寒狀態下扣件膠墊剛度溫變特性及影響

［摘 要］文章利用配備溫度控制箱的萬能試驗機，分析極寒狀態下扣件膠墊剛度溫變的特性，通過車輛– 軌道耦合動力學模型，描述扣件膠墊剛度對高速鐵路運行過程中動力響應性能的影響。研究使用視域分析法，分別針對極寒和常溫狀態下的扣件膠墊剛度變化，對高速鐵路車輛列車加速度變化率、輪重減載率、輪軌垂向力的影響進行分析，最終提出相應建議。

［關鍵詞］扣件膠墊；靜剛度溫變；車輛– 軌道耦合動力學；影響

［中圖分類號］U213.53 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）02–0072–03

高速鐵路無砟軌道扣件系統對軌道車輛彈性與軌道幾何形位可以產生重要的保障性作用，直接關系到車輛行車安全性和運行舒適度。其中，高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊可以為無砟軌道結構提供較為顯著的彈性支承。扣件膠墊材質為高彈性、粘彈性的高分子材料，剛度參數主要在受力條件下，伴隨溫度變化、時間遷移發生應力應變，牽制高速鐵路輪軌系統受力。高溫狀態下的扣件膠墊剛度變化幅度小，高溫穩定性優異。選取高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊為研究對象，通過測試扣件膠墊剛度變化，建立車輛– 軌道耦合動力系統模型。

1 高速鐵路WJ-8型扣件膠墊剛度溫變試驗

1.1 試驗過程

以配備溫度控制箱的萬能試驗機，測取-50～70℃溫度區間環境中高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊荷載位移曲線。將試驗用件安裝于萬能試驗機加載面間，疊加鐵連接墊板1 個確保加載面能夠均勻受力，并安裝支承鋼墊板1 個。安裝完畢后，關閉萬能試驗機溫度控制箱箱門，萬能試驗機溫度控制箱能夠在–70～120℃內實現性能、速度、扭矩與功率的無極調節，保持恒溫條件。對萬能試驗機溫度控制箱的溫度進行校正，確保達到試驗溫度后，保持30 min 及以上。

在消除誤差并校核試驗設備正常運行狀態后，完成預加載2 次，要求預加載的預加載荷大小高于高速鐵路車輛車體結構靜載荷實際大小，試驗設定預加載荷為100 kN，精度為500 N，示值偏差不大于1%。進行垂直于試驗用件的垂向加載，加載速率保持在3 kN/s，基于垂向力學性能分析測試試驗用件表面在垂向加載載荷作用下的垂向壓縮位移，對不同溫度條件下加載階段的位移大小進行記錄，計算扣件膠墊剛度。

KSTA=F2-F1/D2-D1（1）

式中，F1為最小垂向荷載，取值20 kN；F2為最大垂向荷載，取值70 kN；D1為加載到F1時的垂向位移；D2為加載到F2時的垂向位移；KSTA為靜剛度。

以10℃為溫度間隔節點，試驗加載范圍處于0～90 kN，完成試驗用件在–48～20℃環境中的載荷位移曲線測試。

每個溫度間隔節點對應的試驗過程，需要使用溫度控制箱維持扣件膠墊1 h。預加載后，以3 kN/s 加載速率加載到100 kN 后卸載，可停留2 min 后重復進行1 次。

為消除誤差，取3 塊高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊分別測試，計算試驗靜剛度值的平均值。

1.2 試驗結果

試驗測試后，得到3 塊高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊載荷位移曲線具有較高相似性，呈現非線性變化趨勢。在位移持續增加的條件下，載荷逐漸上升，剛度伴隨應變增加持續增大。

3 塊高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊處于不同溫度下的剛度溫變分析為：溫度高于–40℃時，伴隨溫度升高，扣件膠墊剛度直線下滑；溫度低于–40℃時，伴隨溫度下降，扣件膠墊剛度直線上升。在極寒狀態下，高速鐵路WJ-8型扣件膠墊的剛度溫變特征較為突出。相對20℃時剛度為27.1 kN/mm，–40℃時的剛度增長至34.4 kN/mm，增長26.7%。–48℃時的剛度增長至40.96 kN/mm，增長幅度達到52.1%。

根據數據，觀察極寒狀態下的高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊剛度與常溫狀態下的剛度，建立車輛– 軌道耦合動力系統模型。分析極寒狀態下扣件膠墊剛度對高速鐵路列車輪軌耦合系統的輪軌動態時域響應狀態產生的影響。

2 車輛–軌道耦合動力系統模型

2.1 子系統模型

高速鐵路車輛子系統模型采用CRH380型列車全車模型。計算參數見表1。

我國高速鐵路大部分采取無砟軌道線路結構，研究中的高速鐵路軌道子系統模型采取無砟軌道模型。無砟軌道的穩定性、平順性較高，因此維修相對較少。根據高鐵沿線氣溫與施工技術條件統計，要求高速鐵路在極寒狀態下的軌道結構部件能夠在–48～–67℃保持優異性能。扣件系統是高速鐵路關鍵的組成部件之一，鐵路鋼軌與軌枕在扣件的聯結下完成緊密連接，扣件膠墊為無砟軌道提供彈性支撐，參數見表2。

運用統一形式的方程表示車輛– 軌道耦合動力系統：

[Mv]{Av}+[Cv]{Vv}+[Kv]{Xv}={P}（2）

式中，[Mv]、[Cv]、[Kv]分別為系統的質量、阻尼與剛度矩陣，{Av}、{Vv}、{Xv}分別為系統的廣義加速度矢量、廣義速度矢量與廣義位移矢量，{P}為系統的廣義力向量。

2.2 車輛–軌道耦合動力關系

通過輪軌接觸實現CRH380型列車與無砟軌道線路系統的垂向耦合。采取赫茲非線性彈性接觸強度理論得到：

式中，p（t）為輪軌垂向作用力，G為輪軌接觸常數，ΔZ（t）為輪軌間彈性壓縮量。

高速列車的輪軌力表達式為：

式中，Zwj（t）為t時刻下第j個車位的車輪位移情況，Zr（xwj，t）為t時刻下第j個車輪下發生的車輪下鋼軌位移情況，Zj0（t）為第j個車輪下輪軌界面的視域不平順情況。

2.3 時域計算

為逐步得到求解體系動力響應性能的方法，采取直接數值積分法進行時域問題求解，以新型顯式積分算法完成求解計算。根據迭代求解的New mark 方法假定得到最終{X} 車輛、{v} 軌道與{A} 橋梁耦合的動力學微分方程組：

式中，Δt為時間積分步長；n為t=nΔt的瞬時；β、γ分別為控制方法特性的獨立參數，即積分常數。

根據初始化條件：

在研究的延伸階段，可以根據積分遞推形式，逐次完成針對積分步長位移、速度、加速度等離散數據的計算。

3 車輛–軌道耦合動力學影響

3.1 加速度

相對于20℃時的剛度，–48℃時，一旦溫度逐漸降低，高速鐵路WJ-8型扣件膠墊的剛度會逐漸增大，CRH380型列車全車車體的振動加速度時域變化將產生明顯波動，列車整車在垂向振動過程中的振動位移加速度變化較為微小，在研究中可以忽略不計。

高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊彈性墊板剛度的振動幅值變化較小，反饋出極寒狀態下，高速鐵路線路所處自然環境溫度的變化，對CRH380型列車全車車體的垂向振動加速度產生的動力響應性能影響微乎其微。

3.2 垂向輪軌力

高速鐵路列車運行環境下，列車車輛系統在自體結構、車體運行速度、非線性因素等試驗條件的綜合影響下，輪軌作用力呈現出十分復雜的狀態。當環境溫度處于–48℃時，相對于20℃時的輪軌力幅值表現出顯著增大趨勢，最大輪軌力為95.498 kN，而20℃時的最大輪軌力為87.986 kN，垂向輪軌力在最大值上出現顯著上揚，增幅達到約8.24%，高速鐵路WJ-8型扣件在較為復雜的垂向輪軌力作用下，表現出動剛度特性，對時頻域內減振效果將產生直接的影響。在極寒狀態下，高速鐵路WJ-8 型扣件膠墊剛度變化對輪軌力產生較為巨大的影響，意味著CRH380型列車全車在環境溫度的變化下，能產生輪軌力變化。

3.3 輪重減載率

–48℃、20℃時的輪重減載率變化與CRH380型列車全車車體垂向輪軌力變化趨勢相同。

–48℃時，CRH380 型列車全車輪重減載率最大值達到0.509，相對于20℃時的常溫數據，輪重減載率在最大值上達到0.452，數據增幅為14.15%。該數據表示，CRH380型列車全車輪重減載率明顯受到極寒狀態溫度環境的運行干擾。

3.4 輪對加速度

在試驗過程中， 整個試驗區間內–48 ℃ 時的CRH380型列車全車輪對加速度，顯著高于20℃時的常溫數據，且隨著溫度的降低，加速度值呈直線上升，這一數據的最大值直接增加8.49 m/s2，在加速度值增幅上已經達到24.15%。作為在CRH380 型列車結構中與無砟軌道鋼軌直接進行接觸的位置，CRH380型列車輪對的垂向運動形態，受到來自高速鐵路WJ-8型扣件膠墊垂向剛度影響的反應較大。

4 結論

（1）由于長期低溫環境的強烈作用，CRH380型列車容易在車輛設備上承受更加劇烈的鈍化、老化、腐蝕及損壞影響，同時，長時間的低溫環境、極寒溫度會對CRH380型列車車輛的動力、傳動、制動等系統產生較為顯著的不良影響，嚴重影響列車車輛的行車安全。

（2）–48℃時，WJ-8型扣件膠墊剛度相對20℃時增長50.98%。在不同溫度條件下，高速鐵路車輛運行過程中，并未產生明顯的穩定性變化，輪對系統垂向振動加速度、速度、位移所產生的變化較為顯著。極寒條件下，輪軌垂向力相對于常溫條件下增加8.21% ；輪重減載率增幅約為15.13%，趨近極限閾值。

（3）研究針對的極寒條件所在的高寒地區，通常在高速鐵路線路條件上呈現出明顯的復雜性，不僅溫度水平較低，同時存在極寒條件下缺氧、冰雪大面積覆蓋高速鐵路線路等棘手問題，對高速鐵路列車的安全與正常運行產生明顯干擾。由此可見，環境溫度是影響高速鐵路列車輪重減載率與行車安全的關鍵因素，研究建議采取耐寒性扣件膠墊確保高速鐵路車輛運行安全性。

參考文獻

[1] 崔巍濤，劉林芽，秦佳良，等. 扣件膠墊溫變特性對車輛-軌道– 橋梁耦合振動響應的影響研究[J]. 鐵道科學與工程學報，2021，18（10）：2561-2571.

[2] 黃志斌，曾志平，李樁，等. 基于Dahl 模型的WJ-8 型常阻力扣件縱向阻力特性擬合研究[J]. 中南大學學報（自然科學版），2023，54（10）：4163-4170.

[3] 陳宗平，成功，劉清源，等. 高速鐵路扣件動剛度頻變和溫變特性研究[J]. 振動、測試與診斷，2022，42（3）：495-502，616-617.

[4] 劉林芽，崔巍濤，秦佳良，等. 扣件膠墊黏彈性對鐵路箱梁振動與結構噪聲的影響[J]. 交通運輸工程學報，2021，21（3）：134-145.

[5] 吳送英，劉林芽，張洪，等. 基于遷移學習的鐵路扣件缺陷形態檢測算法研究[J]. 鐵道科學與工程學報，2022，19（12）：3612-3624.

[6] 左志遠，劉林芽，秦佳良，等. 扣件膠墊溫變特性對車輛–軌道垂向耦合動力響應的影響分析[J]. 噪聲與振動控制，2020，40（3）：194-199，206.

[7] 張金，邵琳，張強，等. 基于輪軌系統耦合作用的高鐵鋼軌波磨演化特征研究[J]. 高速鐵路新材料，2023，2（6）：28-32.

[8] 馬登科，時瑾，王英杰. 考慮扣件系統非線性力學行為的車輛與軌道動力分析模型[J]. 中南大學學報（自然科學版），2023（11）：4573-4583.