潘國(guó)瑞，劉笑凱，楊榮山，杜華楊

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610031)

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快修砂漿對(duì)CRTSⅡ型板式軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響分析

潘國(guó)瑞，劉笑凱，楊榮山，杜華楊

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

摘要：以CRTSⅡ型板式無砟軌道為研究對(duì)象，基于輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，建立含有快修砂漿的車輛-軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)比列車以不同速度通過普通砂漿區(qū)域與快修砂漿區(qū)域的不同工況，旨在研究快修砂漿對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力性能的影響，分析快修砂漿對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力特性、輪軌垂向力、軌道動(dòng)力特性和軌道部件垂向位移的影響。研究結(jié)果表明：應(yīng)用快修砂漿會(huì)引起軌道剛度局部變化，列車高速通過時(shí)會(huì)引起較大的砂漿動(dòng)應(yīng)力，對(duì)砂漿產(chǎn)生不利影響。對(duì)于允許行車速度為350 km/h的線路，建議修復(fù)后限速為200 km/h，待砂漿完全達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和力學(xué)性能時(shí)再恢復(fù)運(yùn)營(yíng)速度。

關(guān)鍵詞：CRTSⅡ型板式軌道；快修砂漿；輪軌垂向力；軌道動(dòng)力特性

1概述

水泥乳化瀝青砂漿( CA 砂漿)作為板式無砟軌道的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層，起著支撐、調(diào)整、傳力以及隔振、減振的作用，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的平順性，列車運(yùn)行的舒適性和安全性有直接影響[1-4]。CRTSⅡ型板式無砟軌道采用快修砂漿時(shí)，2 h內(nèi)快修砂漿的強(qiáng)度僅能達(dá)到3 MPa，遠(yuǎn)低于正常砂漿層，導(dǎo)致了軌道剛度的局部變化[5-6]。在此期間內(nèi)通車，可能會(huì)對(duì)行車的安全性和平穩(wěn)性產(chǎn)生影響，加劇車輛系統(tǒng)振動(dòng)。

輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究理論和方法已逐步運(yùn)用于安全性判識(shí)、質(zhì)量評(píng)價(jià)與病害成因分析等方面[7-8]?；谳嗆壪到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合車輛-軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用有限單元法，建立含有快修砂漿的車輛-軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型?？紤]車速等影響因素，對(duì)比列車通過普通砂漿區(qū)域與快修砂漿區(qū)域的不同工況，分析快修砂漿對(duì)車輛系統(tǒng)和輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。

2計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

2.1計(jì)算模型

建立車輛-軌道垂向耦合振動(dòng)模型如圖1所示。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將車輛系統(tǒng)近似地視為由車體、構(gòu)架及輪對(duì)組成的多剛體系統(tǒng)，各部件之間有彈性或剛性約束，以限制車輛系統(tǒng)各零部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[7-9]。只考慮各剛體沿垂向的振動(dòng)，車體、構(gòu)架各有2個(gè)自由度，分別是浮沉與點(diǎn)頭，輪對(duì)僅1個(gè)自由度，即沉浮，整個(gè)車輛系統(tǒng)一共10個(gè)自由度。

圖1　車輛-軌道垂向耦合振動(dòng)模型

鑒于CRTSⅡ型板式軌道的結(jié)構(gòu)特征，軌道結(jié)構(gòu)采用疊合梁半車模型，自上而下依次為鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、支承層和路基支承體系。為了模擬快修砂漿對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，選取中間部分的一塊軌道板下的砂漿作為快修砂漿所在位置，其余砂漿為正常狀態(tài)的水泥乳化瀝青砂漿。

2.2相關(guān)參數(shù)

進(jìn)行車輛-軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，采用CRH2型機(jī)車，具體參數(shù)見表1，基于有限單元法，軌道系統(tǒng)簡(jiǎn)化為疊合梁模型，主要參數(shù)如表2所示。

表1　CRH2型機(jī)車基本參數(shù)

表2　CRTSⅡ型板式軌道系統(tǒng)主要參數(shù)

3快修砂漿對(duì)車輛-軌道系統(tǒng)的動(dòng)力影響

快修砂漿將引起軌道剛度局部變化，形成軌道動(dòng)態(tài)不平順，這或許會(huì)對(duì)行車安全性和平穩(wěn)性產(chǎn)生影響[10-13]。基于車輛-軌道系統(tǒng)垂向耦合振動(dòng)模型，重點(diǎn)研究在不同車速下，快修砂漿對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力特性、輪軌垂向力、軌道動(dòng)力特性和軌道部件垂向位移的影響。

3.1快修砂漿對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響

圖2是在不同行車速度下，車體垂向加速度的部分時(shí)間歷程曲線。由圖2可知，車體的垂向振動(dòng)加速度隨車速的提高而增大，且車體最大垂向加速度出現(xiàn)在快修砂漿區(qū)域。當(dāng)列車以350 km/h的行車速度通過快修砂漿區(qū)域時(shí)，車體的垂向加速度最大值為0.013 m/s2，遠(yuǎn)低于限值0.13g。

圖2　不同車速下的車體垂向加速度時(shí)間歷程曲線

圖3是車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)的最大垂向振動(dòng)加速度隨行車速度的變化規(guī)律。由計(jì)算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)的最大垂向加速度也出現(xiàn)在快修砂漿區(qū)域。從圖3可看出，在快修砂漿區(qū)域，車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)的垂向振動(dòng)加速度均隨著車速的提高而增大。由于車輛系統(tǒng)一系、二系彈簧的減振作用，輪對(duì)的垂向振動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架的垂向振動(dòng)加速度大于車體。

圖3　各部件垂向加速度隨車速的變化規(guī)律

3.2快修砂漿對(duì)輪軌垂向力的影響

輪軌垂向力主要取決于機(jī)車車輛性能、軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)和行車速度等因素。研究普遍認(rèn)為輪重增加與減輕不僅加快車輪和軌道的破壞和疲勞，而且有誘發(fā)脫軌的危險(xiǎn)[14-15]。因此，有必要對(duì)快修砂漿造成軌道剛度突變對(duì)輪軌垂向力的影響進(jìn)行研究。

由圖4與圖5可知，輪軌垂向力的最大值均出現(xiàn)在快修砂漿區(qū)域，且隨車速的提高而增大。當(dāng)V=350 km/h時(shí)，快修砂漿區(qū)域的輪軌垂向力最大值為146 kN，低于允許限值170 kN。輪軌垂向力較大會(huì)加劇車輪與軌道的破壞和疲勞，所以列車通過快修砂漿區(qū)域時(shí)應(yīng)限速行駛?？紤]儲(chǔ)備一定的安全余量，限速為200 km/h較合理，此時(shí)快修砂漿區(qū)域的輪軌垂向力最大值為125 kN。

圖4　輪軌垂向力時(shí)間歷程曲線

圖5　輪軌垂向力隨車速的變化規(guī)律

3.3快修砂漿對(duì)軌道動(dòng)力特性的影響

圖6和圖7是在不同行車速度條件下，快修砂漿區(qū)域與正常砂漿區(qū)域的扣件垂向力、砂漿垂向動(dòng)應(yīng)力的時(shí)間歷程曲線。

圖6　扣件垂向力時(shí)間歷程曲線

圖7　砂漿垂向動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線

由圖6可知，當(dāng)扣件、砂漿均采用具有線性剛度和阻尼的離散梁?jiǎn)卧M時(shí)，由于扣件的緩沖作用以及相鄰扣件的分壓作用，同一車速下，快修砂漿區(qū)域與正常砂漿區(qū)域的扣件垂向力差別不大。隨著車速的增大，扣件垂向力有所增大。

由圖7與圖8可看出，同一車速條件下，快修砂漿的垂向動(dòng)應(yīng)力比正常砂漿小，這是由于快修砂漿的存在使得軌道結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化。隨著車速的提高，快修砂漿的最大垂向動(dòng)應(yīng)力大致保持在0.43 MPa，未超過快修砂漿2 h達(dá)到的強(qiáng)度值3 MPa；正常砂漿的最大垂向動(dòng)應(yīng)力與車速成正比，當(dāng)V=350 km/h時(shí)，正常砂漿的最大垂向動(dòng)應(yīng)力為0.81 MPa。

圖8　砂漿垂向動(dòng)應(yīng)力隨行車速度的變化規(guī)律

3.4快修砂漿對(duì)軌道部件垂向位移的影響

快修砂漿支承剛度較正常砂漿有較大折減，導(dǎo)致軌道出現(xiàn)動(dòng)態(tài)不平順，這將不利于行車的平穩(wěn)性。鋼軌與軌道板在不同行車速度條件下的最大垂向位移如表3所示。

表3　鋼軌與軌道板最大垂向位移與車速的關(guān)系

圖9　車速為350 km/h時(shí)鋼軌與軌道板的垂向位移

由表3與圖9可見，由于無砟軌道結(jié)構(gòu)是分層結(jié)構(gòu)，使用快修砂漿進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)部件更換后，其砂漿層的支承剛度發(fā)生變化，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)在縱向上出現(xiàn)剛度不連續(xù)，從而引起快修砂漿區(qū)域內(nèi)鋼軌、軌道板的垂向位移較正常砂漿區(qū)域有所增大，且鋼軌與軌道板的最大垂向位移均與行車速度成正比，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行限速處理。

4結(jié)論

通過動(dòng)力分析快修砂漿對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力特性和輪軌作用力的影響分析，得出以下結(jié)論。

(1)由于快修砂漿引起了軌道支承剛度在縱向上的變化，輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架及車體在快修砂漿區(qū)域的垂向振動(dòng)加速度相對(duì)正常砂漿區(qū)域突然增大，輪軌系統(tǒng)動(dòng)力作用明顯加劇。輪對(duì)的垂向加速度增幅比轉(zhuǎn)向架的大，車體垂向振動(dòng)加速度由于一系、二系彈簧的減振作用而較小，未超過限值0.13g。

(2)輪軌垂向力隨車速的提高而增大，且快修砂漿區(qū)域的輪軌垂向力明顯大于普通砂漿區(qū)域。輪軌垂向力較大，會(huì)加劇車輪與軌道的破壞和疲勞，且有誘發(fā)脫軌的危險(xiǎn)，所以列車通過快修砂漿區(qū)域時(shí)應(yīng)進(jìn)行限速行駛。綜合考慮，限速為200 km/h較合理，此時(shí)快修砂漿區(qū)域的輪軌垂向力最大值為125.1 kN。

(3)以同一行車速度通過快修砂漿區(qū)域和正常砂漿區(qū)域時(shí)，扣件垂向力的大小幾乎沒有差別，砂漿垂向動(dòng)應(yīng)力卻相差較大。這說明當(dāng)扣件、砂漿均采用具有線性剛度和阻尼的離散梁?jiǎn)卧M時(shí)，由于扣件的緩沖作用及相鄰扣件的分壓作用，使用快修砂漿更換軌道結(jié)構(gòu)部件對(duì)扣件垂向力影響不大，對(duì)砂漿垂向動(dòng)應(yīng)力影響較大。

(4)在快修砂漿區(qū)中，鋼軌和軌道板的垂向位移較正常區(qū)域有所增大，且與行車速度成正比。因此，在高速列車荷載作用下，軌道動(dòng)態(tài)幾何形位受快修砂漿影響而變化明顯，不利于行車的平穩(wěn)性，應(yīng)進(jìn)行限速處理。

綜上可見，應(yīng)用快修砂漿后，引起軌道剛度局部變化，形成軌道動(dòng)態(tài)不平順，加劇輪軌系統(tǒng)振動(dòng)。列車高速通過時(shí)會(huì)引起較大的砂漿動(dòng)應(yīng)力，對(duì)砂漿產(chǎn)生不利影響，對(duì)于允許行車速度為350 km/h的線路，建議修復(fù)后限速為200 km/h，待快修砂漿完全達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和力學(xué)性能時(shí)再恢復(fù)運(yùn)營(yíng)速度。

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Analysis of Dynamic Impact of Fast Repair Mortar on CRTS Ⅱ slab-track Structure

PAN Guo-rui， LIU Xiao-kai， YANG Rong-shan， DU Hua-yang

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：This paper aims to study CRTS Ⅱ slab-track to establish vehicle-track vertical coupling dynamics model with fast repair mortar based on the wheel-rail system dynamics principle. The comparison of the different conditions where trains pass through common mortar area and fast repair mortar area at different speed leads to the understanding of the impact of fast repair mortar on the dynamic performance of wheel-rail system， and also the impact of fast repair mortar on the dynamic characteristics of vehicle system， on the wheel-rail vertical force， on the rail dynamic characteristics and on the vertical displacement of rail components. The results show that the fast repair mortar may give rise to local changes of track stiffness and large mortar dynamic stress when trains pass at high speed， adversely affecting the mortar. For a line with designed speed of 350 km/h， the proposed speed limit is 200 km/h after the application of the mortar， and the designed speed is resumed after the mortar reaches designed strength and mechanical properties．

Key words：CRTSⅡslab-track; Fast repair mortar; Wheel-rail vertical force; Track dynamic characteristics

中圖分類號(hào)：U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.009

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0031-04

作者簡(jiǎn)介：潘國(guó)瑞(1991—)，男,碩士研究生，E-mail：450707564@qq.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G008)

收稿日期：2014-07-19； 修回日期：2014-08-06