钢轨重型化对轮轨系统动力响应及动力传递的影响

沈彬然，周昌盛，曾晓辉，王 平

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

钢轨重型化对轮轨系统动力响应及动力传递的影响

沈彬然，周昌盛，曾晓辉，王 平

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

运用能量法建立车辆—轨道耦合动力学模型，结合大秦线轨道结构力学参数，分别计算分析了45，50，60和75 kg/m共4种钢轨支承下轮轨系统各结构的动力响应，研究钢轨重型化对轮轨系统动力特性的影响。研究发现:钢轨重型化对车辆系统的动力响应影响较小，而对轨道结构和路基的影响显著;随着钢轨质量及抗弯刚度的增大，车体位移、车轮加速度、轮轨力、钢轨位移、扣件力、轨枕振动位移及枕下支承力降低，车体加速度、钢轨加速度先增大后减小，轨枕加速度增加。

重载铁路 重型钢轨 车辆—轨道耦合动力学 能量法

自20世纪80年代开始发展重载运输以来，我国在该技术领域发展迅速。目前我国已成为世界上仅有的几个掌握3万t铁路重载技术的国家之一。重载铁路轨道会加剧轨道部件的损坏，路基基床也承受着更大的荷载，重载条件下列车对基床的作用有着更复杂的动力效应［1］。重载铁路轨道设计一般应用75 kg/m重型钢轨。重型钢轨的优越性主要表现在:在使用期内钢轨伤损减少，轨道安全性提高;轨道整体性好，列车基本阻力减小;轨道受力状态改善，维修工作量减少;使用寿命长，单位运量的钢耗量少［2］。李仲才［3］在20世纪90年代就已开始研究75 kg/m钢轨重载轨道结构的成套技术;韩修文［4］对重载铁路线下基础技术进行了研究;钟浩等［5］研究了75 kg/m与60 kg/m两种钢轨的型面对重载轮轨匹配关系的影响;纪绯绯［6］对75 kg/m重型钢轨本身的性能进行了研究;焦吉明［7］介绍了68 kg/m钢轨、60 kg/m两种钢轨在抗侧磨、抗接触疲劳伤损以及养护维修等方面的差异;王斌［8］介绍了重型钢轨在山区铁路曲线上的运用。

钢轨是轮轨系统重要的组成部分，其结构及力学参数的变化将改变耦合系统内的动力传递特性。然而，迄今尚无将重型钢轨放入车辆—轨道耦合系统中来分析钢轨重型化对系统内各结构动力响应影响的研究。鉴于此，本文通过建立轮轨耦合系统动力学模型，计算分析了45，50，60和75 kg/m钢轨支承下系统内各结构的动力响应。基于计算结果研究重型钢轨对车辆系统、轨道结构及路基环境的影响，分析了采用重型钢轨后轨道结构可能存在的问题，为重载铁路线路的设计及养护维修提供参考。

1 轮轨系统动力学模型及参数的选取

1.1 车辆—轨道模型

建立如图1所示的车辆—轨道垂向耦合动力学模型。在车辆模型中，考虑车体与转向架的沉浮与点头运动，车体与转向架之间由二系弹簧和阻尼器连接，转向架与轮对之间由一系弹簧和阻尼器连接;轨道结构采用双层弹性点支承模型，并利用有限单元法按照枕跨间距将钢轨离散。

图1 车辆—轨道垂向耦合动力学模型

1.2 动力学方程的建立

哈密尔顿原理是分析力学中的一个基本变分原理，它提供了一条从一切可能发生的(约束所许可的)运动中判断真正的(实际发生的)运动的准则，是建立多自由度大型复杂结构系统动力学方程的最有效的基本原理和方法之一［9］。

根据系统的动力平衡原理，可以证明对于任何振动或运动系统，哈密尔顿原理可表达为

式中:δ为变分或虚位移符号;t1，t2为积分的起始和终止时间;T为系统总动能;U为系统总势能;δW为系统内所有保守力和非保守力所做的虚功总和。

基于哈密尔顿原理，根据系统的总动能、总势能及相应的虚功，结合对号入座法则，建立车辆—轨道系统振动方程如下式

式中:［M］，［C］，［K］分别为系统质量、阻尼和刚度矩阵;{·z·}，{·z}，z，{P}分别为系统的加速度、速度、位移、荷载列阵。

模型建立之后，首先采用Wilson-θ法进行起步运算，然后再采用 Park法求解振动方程组，其中 Δt= 0.61 ms，θ=1.4。

1.3 计算参数选取

计算过程中，车辆采用轴重为25 t的C80型货车，其参数见文献［10］，钢轨参数见表1，轨道结构参数见表2。列车运行速度取100 km/h，轨道不平顺激励采用与线路情况相近的美国五级谱。

表1 各类型钢轨参数

表2 轨道结构参数

2 计算结果分析

保持轮轨系统动力学其他参数不变，分别计算45，50，60和75 kg/m钢轨支承下轮轨系统各结构的动力响应。对计算结果进行对比分析，研究钢轨重型化对车辆系统、轨道系统及路基的动力影响。

2.1 钢轨重型化对车辆系统响应的影响

不同钢轨支承下车体振动位移、车体振动加速度、车轮振动加速度及轮轨力的最大值对比如图2所示。可知:随着钢轨质量增加，车体位移单调减小，与45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承下车体位移最大值降低约3.8%;车体振动加速度极值先增大后减小，计算选取的4种钢轨中，60 kg/m钢轨支承下车体振动加速度最大，达到48.04 m/s2;车轮加速度极值单调减小，与45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承下车体位移最大值降低约1.3%;轮轨力极值单调减小，与45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承下轮轨力最大值降低约1.1%。

2.2 钢轨重型化对轨道系统响应的影响

不同钢轨支承下钢轨振动位移、钢轨振动加速度、扣件力、轨枕振动位移及轨枕振动加速度最大值如图3所示。

图2 钢轨重型化对车辆系统动力响应的影响

图3 钢轨重型化对轨道系统动力响应的影响

由图3可知:随着钢轨质量增加，钢轨位移单调减小，与45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承下钢轨位移降低约13.9%;钢轨加速度先增大后减小，计算选取的4种钢轨中，60 kg/m钢轨支承下钢轨的振动加速度最大，达到了 113.6 m/s2;扣件力单调减小，与45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承下扣件力降低约13.6%;轨枕位移单调减小，与 45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承下轨枕位移降低约13.4%;轨枕加速度增大，与45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承下轨枕加速度增大约17.0%。

2.3 钢轨重型化对路基动力响应的影响

根据前面建立的轮轨垂向耦合系统动力学模型可知，轮轨接触产生的轮轨力通过轨枕下弹簧阻尼结构传递到路基，枕下支承力反力的大小可作为路基动力响应强弱的评价指标。枕下支承力时程曲线如图4(a)所示，不同钢轨支承下枕下支承力最大值如图4(b)所示。可知，随着钢轨质量增加，枕下支承力单调减小，与45 kg/m钢轨相比，75 kg/m钢轨支承传递到路基中的力降低约13.3%。

3 结论与建议

通过对比不同类型钢轨支承下轮轨系统内各结构的动力响应，分析了钢轨重型化对于车辆系统、轨道结构及路基环境的影响，得到结论如下:

1)随着钢轨重型化程度的提高，车体位移、车轮加速度、轮轨力、钢轨位移、扣件力、轨枕振动位移及枕下支承力单调降低，但车体加速度、钢轨加速度先增大后减小，轨枕加速度单调增加。

2)钢轨重型化对车辆系统的动力响应影响较小，而对于轨道结构及路基的动力响应影响较大。

3)轨枕振动加速度随钢轨质量的增大而增大。

建议在设计重型钢轨线路时，加强对轨枕疲劳性能的检算。

图4 钢轨重型化对路基动力响应的影响

［1］阚叔愚，陈岳源，周锡九，等.重载铁路工程［M］.北京:中国铁道出版社，1994.

［2］许良善.75 kg/m钢轨和60 kg/m钢轨对轨道结构影响的试验研究［J］.铁道建筑，2014(5):139-141.

［3］李仲才.75 kg/m钢轨重载轨道结构的成套技术［J］.中国铁路，1993(5):10-13.

［4］韩修文.重载铁路线下基础技术研究［J］.铁道标准设计，2014(5):89-93.

［5］钟浩，王文健，刘启跃.钢轨型面对重载轮轨匹配关系影响［J］.机械设计与制造，2014(4):61-64.

［6］纪绯绯.U71Mn 75 kg/m重型钢轨的性能研究［J］.钢铁钒钛，2003，24(1):16-20.

［7］焦吉明.68 kg/m重型钢轨无缝线路铺设及使用［J］.铁道建筑，2010(2):109-111.

［8］王斌.山区铁路曲线轨道综合强化技术的理论与实践［J］.铁道标准设计，2005(3):65-67.

［9］刘学毅，王平.车辆—轨道—路基系统动力学［M］.成都:西南交通大学出版社，2010.

［10］杨文茂.重载铁路隧道内无砟轨道结构选型研究［D］.北京:北京交通大学，2012.

Influence of heavy-duty rail on dynamic response and power transfer of wheel-rail system

SHEN Binran，ZHOU Changsheng，ZENG Xiaohui，WANG Ping
(MOE Key Laboratory of High speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he vehicle-track coupling dynamics model was established by the energy method，the structure dynamic response of wheel-rail system was calculated under rail support of 45，50，60 and 75 kg/m respectively by combining with track structure mechanical parameters of Daqin line，and influence of heavy-duty rail on wheel-rail system dynamic characteristics was studied.T he results showed that the heavy-duty rail has little effect on the dynamic response of the vehicle system while has a significant effect on track structure and subgrade，vehicle body displacement，wheel acceleration，wheel-rail force，rail displacement，fastening force，sleeper vibration displacement and sleeper supporting force decreases，vehicle body acceleration and rail acceleration increases at the beginning and then decreases，and the sleeper acceleration increases monotonously with the increase of rail quality and bending stiffness.

Heavy haul railway;Heavy rail;Vehicle-track coupling dynamics;Energy method

U211.5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.27

(责任审编 李付军)

2015-05-25;

:2015-06-29

国家杰出青年科学基金项目(51425804)

沈彬然(1992— )，男，硕士研究生。

1003-1995(2015)11-0092-04