扣件弹性失效对车辆-轨道系统动态特性影响研究

赵灵健，谭大正

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 200092；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院，天津 300142）

1 研究背景

由于轨道交通带来的诸多便利，其迅猛发展的同时，随之产生的振动和噪声对周围环境影响问题变的愈发突出。通常，从振源处进行主动减振[1]是较为经济有效的办法，其中，对轨道系统进行减振处理的措施居多。扣件作为轨道结构重要组成部件，通常是使用减振扣件或设置减振性能的扣件垫板来获得对应的支承刚度[2]。然而，随着轨道交通线路的长期运营，在高强度、高密度的动态力作用下，轨道结构的轨下基础受到很大的冲击和振动，导致扣件的松脱，甚至失效。与此同时，提供弹性的橡胶垫板的耐久性、抗拉压性随时间有着不同程度的降低。

近年来，多数学者对于不同轨下支承状态的动力性能进行了一定研究[3-7]，通过建立各种动力学模型，进行相应的数值模拟仿真分析。其对于轨下支承更多关注的是轨枕悬空状态下的系统响应，且研究对象以轨道结构的影响变化居多。然而随着地铁无砟轨道的大范围铺设，有必要针对地铁扣件支承失效状态下车辆-轨道系统的动态响应变化做进一步的研究。本文为了弄清扣件弹性失效对车辆-轨道体系的影响规律，借助SIMPACK的轮轨模块和ANSYS有限元软件，为更准确反映实际情况，从刚柔耦合的角度建立车-轨耦合仿真模型，进一步利用仿真模型，分析扣件支承失效对包括地铁车辆和轨道基础整个系统的动态影响，旨在为扣件的设计及相应维护提供理论参考。

2 车辆-轨道垂向耦合振动仿真模型

以前述分析模型为框架，本文根据车辆-轨道耦合动力学[8]，将整个系统划分为车辆、轨道两个子系统,以Hertz非线性接触理论作为轮轨力计算的基础来实现车辆子系统和轨道子系统的耦合，建立车辆-轨道相互作用的垂向振动模型。车辆采用地铁A型车的相关参数，由弹簧阻尼器相连的多刚体模拟，充分考虑车体、转向架、轮对等影响，整车模型共31个自由度。轨道系统模型将钢轨视为连续弹性离散点支撑的Euler梁，扣件及轨下橡胶垫板通过线性理想弹簧和粘性阻尼模拟，轨道板视作柔性可变形实体，采用实体单元solid45模拟。轨道板与基础间采用线性弹簧和粘性阻尼连接。由于目前国内外还没有针对地铁建立的轨道不平顺谱，而过去的理论计算都普遍采用美国轨道谱，本文采用美国轨道谱进行轨道不平顺的模拟仿真。

3 计算模型参数

本文结合某地铁一号线轨道结构形式给定整体道床的计算参数，钢轨采用三维梁单元，并赋予60轨截面属性，整体道床单块板长度为12.5m，总跨长为25m，材料采用C40混凝土，考虑车辆总长及前轮驶入后轮驶出及模型中轨道长度参数的影响[8]，模拟轨道总长为100m。扣件及橡胶垫采用弹簧阻尼单元进行模拟，仅考虑轴向拉压，扣件间距为0.6m，因地下线常用DTIII2、DTVI2型扣件，其扣件节点静刚度分别为21kN/mm～25kN/mm、20kN/mm～40kN/mm，故考虑刚度Ks 取25kN/mm。CA砂浆层简化为均匀分布在道床与地基间的弹簧阻尼系统，面刚度取0.04N/mm3，面阻尼为104N·s/m。

考虑模型轨道扣件支承完全失效情形，即以扣件刚度Ks=0和阻尼Cs=0模拟扣件松脱失效。行车速度分别取20km/h、40km/h、60km/h，扣件弹性失效具体计算工况模拟如图2。

轮轨系统各部件动力响应计算结果 表1

4 计算结果分析

当车辆运行速度为60km/h时，弹性扣件为25kN/mm失效情况下列车满载时轮轨动力系统相对应位置的动力特性。

4.1 单个扣件支承失效动力响应

图4及表1为单个扣件失效状态下，轮轨系统各部件的动力响应计算结果。

由上图可以看出，工况一情形下，失效扣件处钢轨位移最大值相较正常情形下增大了78.99%，钢轨垂向加速度最大值增大了98.73%。与之对应的车体和转向架垂向加速度变化相对较小，即对于行车舒适性近乎无影响。在扣件弹性失效处，轮轨垂向力变化并不明显。而相邻扣件节点支反力变化值由正常工况下的25.58kN增加到42.34kN增大了65.52%。

4.2 不同工况下的动力响应

图4、图5、图6、图7分别为扣件弹性失效的各种工况下对应的钢轨垂向位移、垂向加速度及转向架垂向加速度、相邻扣件节点支反力的变化情况。

从上图可以看出，钢轨垂向位移（工况一、二、四）分别增大80.4%、在工况三情形下剧烈增大为原来的155.78%，与之对应的扣件弹性失效点处钢轨的垂向加速度增大了3.49倍，达到了289.91m/s2。工况一、二、四转向架垂向加速度最大值较正常情形下相对变化为原来的1.22倍，而在相邻两扣件同时失效即工况三的情形下增大了74.13%。同时，转向架的振动加速度在工况三情形下增大为原来的1.74倍。而相邻扣件节点支反力在工况一、二情况下变化相对增加较少，扣件的连续失效导致相邻节点支反力的急剧增大，较正常情形下增大了108.13%。工况四下扣件间隔弹性失效，虽然未失效节点正常工作，但其支反力较正常状态增大了1.8倍。

轮轨系统各部件动力响应计算结果见表2。从表2可以看出，车体与扣件弹性失效处的轨道板垂向加速度最大值近乎不变，即对行车平稳性影响及轨道板的影响较小。但扣件弹性失效意味着所在点钢轨垂向位移及振动的增大，其加剧了轨道的线路不平顺，尤其是当扣件连续的弹性失效，其增大了对轨道结构的损害，导致相应位移及振动的显著增加。

4.3 不同速度下的动力响应

图 8、9、10 分 别 为 20km/h，40km/h 及60km/h下扣件弹性为25MN/m下各个工况下钢轨及相邻扣件支反力的动力响应。

由此可见，随着速度的增加，钢轨振动加速度随着速度的增加而增加。而各个工况状态下所对应的相邻扣件支反力变化幅值在列车低速运行情况下变化不大，即在低速下，速度对于相邻弹性失效扣件支反力变化幅值相对于各个单独工况下的影响相对较小。

4 结 论

轮轨系统各部件动力响应计算结果 表2

本文在车辆-轨道耦合动力学基础上，借助ANSYS和SIMPACK联合仿真求解车辆-轨道耦合系统的动态响应，研究了扣件弹性失效不同分布状态下对车辆-轨道系统动态特性的影响，得到以下结论。

①扣件的弹性失效，加剧了钢轨、相邻失效扣件及对应转向架结构的振动响应，但对于轮轨相互作用、车体振动响应及行车平稳性的影响不大。

②扣件的弹性失效破坏了前后毗邻的正常支承的轨道结构，特别是支承连续失效的情况，相应轨道位移、振动及扣件节点反力急剧增大，加速了轨道几何形位变化，且轨道振动程度随着速度的增大而增大。

③扣件失效在列车低速运行状态下，各个相应工况状态下的相邻扣件支反力变化幅值在变化不大，即相邻扣件支承状态对于速度变化并不敏感。

[1]Carels P.Low Vibration and noise track systems with tunable properties for modern LRT/Streetcar track on surfacein urban areas[C].Symposium of Traffic Induced Vibration&Control,2001.

[2]刘维宁，马蒙，等.地铁列车振动环境影响的预测、评估与控制[M].北京：科学出版社，2014.

[3]刘学毅.无砟轨道扣件刚度突变对高速列车动力的影响[J].铁道工程学报，2014（9）.

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[5]朱剑月.轨下扣件支承失效对轨道结构动力性能的影响[[J].振动工程学报，2011（2）.

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[8]翟婉明.车辆-轨道耦合动力学（第3版）[M].北京:科学出版社,2007.