梯形轨枕尺寸对车辆-轨道系统动力性能的影响

2021-05-17江万红蔡成标

铁道标准设计 2021年5期

江万红,樊卿,蔡成标

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031)

引言

梯形轨枕轨道是一种低振动、低噪声的新型城市轨道系统，属于纵向轨枕的一种[1]。梯形轨枕轨道由两根预应力混凝土纵梁通过钢管横向连接而成，既有良好的轨距保持能力，又可提高轨道分散动荷载的性能。轨枕以一定间距支撑在减振材料之上，构成轻量化质量弹簧系统，具有良好的减振降噪性能[2-6]。梯形轨枕制造工艺相对简单，施工速度快，养护维修方便[7]，在国内外得到大量应用。

梯形轨枕轨道具有良好的减振降噪效果，国内外诸多学者对此开展了研究。齐琳等[8]通过车辆-轨道-构造物系统化减振的论证，验证了梯形轨枕具有主动减振特性，可以减少车辆轨道系统维修成本，是一种较理想的减振轨道系统。江小州等[9]建立梯形轨枕轨道三维有限元模型，通过与普通轨道对比发现梯形轨枕具有良好的减振性能。李霞等[10]分析了梯形轨枕轨道波磨的成因，研究发现车辆通过梯形轨枕时容易引起钢轨相对轨枕的垂横向弯曲振动，从而加剧轮轨粘滑振动。葛辉等[11]对比梯形轨枕轨道和普通长枕整体道床轨道结构在地铁车辆行车速度为120 km/h工况下时域振动加速度实测结果，发现梯形轨枕轨道减振效果优于普通长枕整体道床结构，且可以降低中高频的噪声。马蒙等[12]对浮置式梯形轨枕进行室内动态试验，采用自动落锤系统进行模态试验，结果表明梯形轨枕的第一固有频率为33 Hz。杨晓璇等[13]发现车辆在通过梯形轨枕轨道时极易激发轮对的1阶弯曲模态，某地铁线路大量使用梯形轨枕轨道成为车轮多边形磨损现象频发的环境诱因。刘丽等[14]通过对北京地铁某线梯形轨枕道床现场动位移和加速度测试，评价梯形轨枕轨道工作性能。金浩等[15]讨论了梯形轨枕减振垫不同铺设方式对其振动特性的影响。

目前对梯形轨枕减振性能及减振垫刚度、间距等方面的研究较多，而鲜有梯形轨枕尺寸对车辆-轨道系统的动力响应影响分析。厚度为0.17 m的梯形轨枕通常用于高架线，厚度为0.22 m的梯形轨枕常用于地下线[16]，由此可见，不同厚度的梯形轨枕用途也不尽相同。马俊[17]在研究中发现，随着轨枕厚度的减小，静力分析中道床顶面和路基顶面的竖向应力、剪应力、垂向位移和动力分析中的加速度都会有明显的提高。梯形轨枕的长度与现场运输和施工难易程度有着直接联系。因此有必要研究梯形轨枕的厚度和长度对车辆和轨道结构动力响应的影响。本文基于ANSYS有限元软件对不同厚度和长度的梯形轨枕进行模态分析，应用车辆-轨道耦合动力学理论，仿真分析5种厚度梯形轨枕和2种长度梯形轨枕对车辆-轨道系统动力性能的影响。

1 车辆-梯形轨枕轨道动力性能分析模型

1.1 梯形轨枕有限元模型

根据成都某地铁线实际轨道参数(图1)，建立梯形轨枕轨道结构ANSYS有限元模型。模型考虑钢轨、扣件、梯形轨枕和减振垫。钢轨采用梁单元BEAM188模拟，扣件系统及减振垫采用弹簧阻尼单元COMBIN14模拟，梯形轨枕采用实体单元SOLID45单元模拟。减振垫间距为1.2 m，弹簧阻尼单元布置在图1中减振垫所在位置的几何中心。减振垫弹簧阻尼单元底部采用6自由度约束，轨枕两端纵向采用对称约束。为方便建模，同时避免不规则网格影响网格质量，将横向连接混凝土与纵向轨枕之间圆弧角采用直角连接代替。梯形轨枕轨道的有限元模型如图2所示，主要参数见表1。

图1 成都某地铁线梯形轨枕平面(单位：mm)

图2 梯形轨枕有限元模型

表1 梯形轨枕主要参数

1.2 车辆-梯形轨枕轨道耦合动力学模型

基于车辆-轨道耦合动力学理论[18]，建立车辆与梯形轨枕轨道空间动力学模型，如图3所示。车辆视为由车体、二系悬挂、构架、一系悬挂、轮对组成的多刚体系统。车辆部分考虑车体、前后构架和4条轮对的垂向、横向、点头、侧滚、摇头共35个自由度。钢轨视为弹性点支撑基础上的Euler梁，支撑点按实际扣件间距布置，钢轨考虑垂向、横向和转动自由度。梯形轨枕的预应力混凝土纵梁与钢轨模型类似，同样等效为弹性点支撑基础上的Euler梁模型，考虑其垂向和横向自由度。将枕下基础按照扣件节点间距离散为刚体，考虑垂向自由度。车辆与轨道通过轮轨接触关系联系起来，轮轨法向接触力由Hertz非线性弹性接触理论确定，轮轨切向接触力由Kalker线性蠕滑理论确定。动力学方程与积分求解方法详见文献[19-20]。

图3 车辆-轨道耦合模型示意

车辆类型为CRH6，轴重17 t，运行速度为160 km/h。线路不平顺激励选取美国六级轨道谱。

2 梯形轨枕轨道模态分析

模态是结构的固有振动特性。通过模态分析可以得到结构的固有频率，从而可以分析或预测结构受外部振源激励时的响应。本文借助ANSYS有限元软件分别对不同厚度和不同长度梯形轨枕进行模态分析。

2.1 不同厚度梯形轨枕的模态分析

分别取厚度为0.17，0.26，0.37，0.45，0.50 m的梯形轨枕作为研究对象，轨枕的长度均为5.9 m，有限元模型按照图1(a)平面布置建立，分析厚度对梯形轨枕固有频率的影响。固有频率随梯形轨枕厚度变化情况如图4所示。

图4 不同厚度梯形轨枕固有频率

由图4可以看出，梯形轨枕的厚度对轨枕前3阶固有频率影响较小，1阶频率随厚度的增大而减小，说明厚度增大可有效削弱梯形轨枕的横向转动。第6阶以后，频率随轨枕厚度增大而增大。增加轨枕厚度，会显著增大高阶频率。

2.2 不同长度梯形轨枕的模态分析

取长度为3.5 m和5.9 m的梯形轨枕作为研究对象，轨枕厚度为0.17 m，分析长度对梯形轨枕固有频率的影响。根据图1所示平面布置建立有限元模型。两种长度的轨枕，均设置3处横向连接，减振垫布置间距相同。固有频率随梯形轨枕长度变化情况如图5所示。

图5 不同长度梯形轨枕固有频率

由图5可见，轨枕长度由3.5 m增加到5.9 m，梯形轨枕相应的固有频率均会降低，且高阶频率降低幅度更大。因此，增加轨枕的长度可以有效降低轨枕的固有频率，对降低高阶频率的效果更好。

2.3 振型分析

振型是结构固有的振动形式，轨枕长度为5.9 m，厚度为0.17 m的前10阶振型如图6所示(因篇幅有限，本文仅给出标准尺寸梯形轨枕的前10阶振型图)。

由图6可以看出，标准尺寸梯形轨枕的1阶振型为轨枕绕轨枕纵向中心的转动，2阶和4阶振型为轨枕垂向弯曲振动，8阶振型为横向弯曲振动。其中，第3阶、第5阶、第7阶、第10阶振型与轨道中心线呈反对称，这也同时说明取半结构建模讨论梯形轨枕模态的方法容易忽略此类振型。通过对比不同工况的振型图发现，梯形轨枕长度和厚度的变化对振型均有较大影响。

图6 标准尺寸梯形轨枕前10阶振型

3 车辆-梯形轨枕轨道系统动力性能分析

运用车辆-梯形轨枕轨道耦合动力学模型，分别计算不同厚度和不同长度梯形轨枕轨道的工况，列车为6节编组CRH6，运行速度160 km/h。

3.1 不同厚度梯形轨枕的动力性能分析

梯形轨枕长度取5.9 m，分别计算轨枕厚度为0.17，0.26，0.37，0.45，0.50 m五种工况，动力学仿真结果如表2所示。图7～图13为梯形轨枕厚度0.37 m仿真结果的时程曲线。

表2 不同轨枕厚度下的动力学仿真结果

图7 轨枕厚度为0.37 m的第一位轮对轮轨垂向力

图8 轨枕厚度为0.37 m的第一位轮对轮轨横向力

图9 轨枕厚度为0.37 m的车体加速度

图10 轨枕厚度为0.37 m的钢轨和轨枕垂向位移

图11 轨枕厚度为0.37 m的钢轨垂向加速度

图12 轨枕厚度为0.37 m的轨枕垂向加速度

图13 轨枕厚度为0.37 m的轨枕横向加速度

由表2可见，随梯形轨枕厚度的增加，轮轨垂向力、轮轨横向力、车体垂向加速度、车体横向加速度、Sperling指标、钢轨垂向加速度变化不明显，钢轨和轨枕的垂向位移和轨枕的加速度变化较大。因此，梯形轨枕厚度的增大不会对车辆运行平稳性造成较大影响，且有利于减小钢轨和轨枕的垂向位移，梯形轨枕的减振性能可以得到提高。以厚度0.17 m仿真结果为基准，随轨枕厚度增加轨下各项指标的减小率曲线如图14所示。

图14 各项指标随轨枕厚度增大的减小率

由图14可以看出，梯形轨枕厚度的增加，可以有效减小钢轨和轨枕的垂向位移。这是因为增大梯形轨枕的厚度可以提高轨枕的抗弯刚度。增大梯形轨枕厚度的同时也增加了质量-弹簧减振系统的质量，有利于降低轨枕的加速度。当线路对减振要求较大时，在满足轨道高度的情况下可以考虑适当增大梯形轨枕的厚度。

3.2 不同长度梯形轨枕的动力性能分析

梯形轨枕厚度取0.17 m，分别计算轨枕长度为3.5 m和5.9 m两种工况，动力学仿真结果如表3所示。

表3 不同轨枕长度下的动力学仿真结果

由表3可以看出，梯形轨枕长度的变化，对轮轨作用力和车辆运行平稳性影响较小。梯形轨枕长度的增加会使钢轨和轨枕的垂向位移增加，轨枕的垂向振动加速度略微增大，横向振动增大较明显。这是板长由3.5 m增加到5.9 m，横向连接个数没有改变，即5.9 m轨枕横向连接的间距增大导致的。总体看来，轨枕长度对车辆-轨道系统动力学性能影响较小。