扣件间距对无砟轨道动态轨距的影响

邱金帅，蔡小培，2，安彦坤

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044;2.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

列车在无砟轨道上运行，会对钢轨产生横向作用力，进而引起横向位移，致使轨距扩大，引起车辆蛇形运动［1-3］。扣件是连接钢轨与无砟轨道的中间联结零件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵向和横向移动。因此，揭示不同扣件间距对轨距动态变化的影响十分必要。

扣件的间距有多种形式，有砟轨道线路扣件的间距常为 600 mm(1 667根/km)、568 mm(1 760根/km)、543 mm(1 840根/km)，无砟轨道扣件的间距有600，625，650 mm等形式，还可以特殊设计。不同的扣件，扣压力、弹性性能以及调整能力不同，使用范围也不同，应根据不同的轨道结构选择不同类型的扣件，扣件间距也进行相应地调整。本文基于大型有限元软件Abaqus［4］，建立车辆—轨道空间耦合动力学模型，对扣件间距和轮轨横向力、钢轨横向位移的影响进行了深入分析。

1 动力学模型

本文重点分析高速行车条件下动力学性能，因此，针对应用较多的路基上单元板式无砟轨道进行建模分析。轨道结构由钢轨、扣件、承台、轨道板、砂浆层和底座板等组成。列车采用 CRH3型“和谐号”动车组。①不考虑车体、转向架和轮对的变形，转向架假定为由刚性杆连接而成，一系、二系弹簧和阻尼为线性的;②钢轨采用可变形体模拟，并赋予材料的弹性模量、阻尼、密度等;③轨下结构按照实际截面大小、采用可变形体来模拟，结构间变形一致，单个结构具有其独立的参数属性。

车辆—轨道耦合动力学模型见图1所示。车体为单节车体，车体、转向架和轮对为刚体，考虑车体和转向架的沉浮、横摆、点头、侧滚和摇头以及轮对的沉浮、横摆、侧滚和摇头自由度。车轮踏面采用LM磨耗型踏面，并采用不需划分网格的解析刚性面模拟。

图2为单元板式无砟轨道结构图。扣件作为主要研究对象，以弹簧阻尼单元模拟，扣件作用点为钢轨网格点，每个支点作用两个单元。轨下结构按具体情况进行设计，轨道板等间距等尺寸，支承块也采用等尺寸，轨道板和支承块均采用可变形体来模拟，赋予材料的弹性模量、阻尼以及密度等。结构之间采用tie约束(一种面—面约束)。

图1 车辆—轨道耦合动力学模型

2 计算参数及工况

本文分别考虑250，300 km/h和350 km/h三种速度下，车辆和轨道结构的动力响应。综合轨道结构扣件实际布设情况，扣件间距分别取为 600，650，687，700，725 mm。

钢轨截面采用60 kg/m标准断面，截面惯性矩3.217×10－5m4。并赋予钢轨几何不平顺，采用德国高速轨道不平顺谱，来研究其动力响应。扣件采用WJ-7扣件，取表1参数进行计算。轨道板和支撑块均为等间距、等尺寸，赋予材料的弹性模量、阻尼以及密度等。轨下结构具体尺寸参数如表2所示。

图2 单元板式无砟轨道结构

表1 扣件参数

表2 轨下结构尺寸 m

3 计算结果分析

扣件整体刚度直接影响到轨道受力状态，扣件间距直接影响到其整体的刚度，在动力响应中起着重要的作用［5］，随着扣件间距的增大，其整体刚度减小。利用Abaqus有限元分析软件建立有限元模型(如图1所示)，计算分析高速动车作用下，钢轨的动力响应。

3.1 300 km/h动车动力响应分析

时速300 km高速动车作用条件下，轨道的微小变化也将激励列车的强烈振动［6］，扣件间距的变化对轨道结构的动力响应有极其重要的影响，了解其间力学性能与间距的关系十分重要。列车作用于轨道上两扣件中间节点处，产生的车体以及轨道结构的动力响应最大，取此处的节点进行分析。图3和图4为300 km/h时钢轨横向力及横向位移时域曲线。

图3 速度为300 km/h时横向力时域曲线

图4 速度为300 km/h时钢轨横向位移时域曲线

当车轮通过钢轨时，会产生巨大的瞬间冲击效应，产生较大的瞬时横向位移，造成轨距扩大。不同扣件间距条件下，车体以及钢轨部分动力响应如表3所示。

表3 不同扣件间距条件下动车动力响应

随着扣件间距的增大，车体的加速度整体呈增大趋势，其运行的平稳性和旅客乘坐舒适度会明显下降。当扣件间距为600 mm时，列车垂向振动加速度极值为0.828 m/s2;当扣件间距增大为725 mm，列车垂向振动加速度极值增加到1.218 m/s2，增幅为47.1%。横向振动加速度极值从0.379 m/s2增加到0.500 m/s2，增幅为32%。

随着扣件间距的增大，轮对对钢轨的冲击产生的轮轨作用力逐渐增大，进而引起钢轨的横向位移不断增大，即随着扣件间距的增大，轨距不断增大。

从图5和图6可知，扣件间距为600 mm时，轮轨横向力为12.1 kN，扣件间距为725 mm时，轮轨横向力为 20.4 kN，增幅将近一倍，轨距扩大增幅达到110%。扣件间距的增大，产生强烈的振动，会对列车平顺通过产生严重的影响。

图5 不同扣件间距下轮轨横向力

图6 不同扣件间距下钢轨轨距扩大比较

3.2 不同速度下动车动力响应分析

列车在不同时速条件下对车辆—轨道的振动响应有极其重要的影响，产生的横向位移也不同。选取250，300，350 km/h三档速度进行考虑，扣件间距取600 mm。车体及钢轨动力响应如表4所示。

表4 不同速度下车体及钢轨动力响应

当车速从250 km/h增加到350 km/h时，列车垂向振动加速度极值分别为0.753 m/s2和0.912 m/s2，增幅为21%;列车横向振动加速度极值分别为0.331 m/s2和0.405 m/s2，增幅为22%。随着列车速度的增加，列车的横向振动会有所增强。列车在无砟轨道上运行，会对钢轨产生横向作用力，进而引起横向位移，致使轨距扩大。由图7和图8可知，当车速从250 km/h增加到350 km/h时，轮轨横向力分别为10.5 kN和13.9 kN，增幅为32%;轨距扩大值分别为0.87 mm和1.51 mm，增幅将近一倍。随着速度的增加，导致轨距不断扩大。

图7 不同速度下轮轨横向力

图8 不同速度下钢轨轨距扩大比较

4 结论

通过建立了车辆—轨道空间耦合动力学模型，针对不同扣件间距取值，分析了车体的振动特性、轮轨作用力、钢轨的横向位移等动力学指标，得出以下结论:扣件间距直接影响到轨道动态轨距，列车经过时产生的轮轨横向作用力对轨距扩大影响很大。随着扣件间距的增大，轨道横向刚度减小，进而钢轨的横向位移增大，导致轨距扩大。随着列车速度的增加，钢轨横向力会有一定的增加，钢轨横向振动增强，轨距不断扩大。

［1］孙加林，宣言，王树国.铁路道岔动态轨距优化技术的仿真研究［J］.铁道建筑，2010(7):116-120.

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