崔樹坤 張歡 閆子權(quán) 孫林林 左浩 姜智瀚
1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所, 北京 100081; 2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司, 北京 102206;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;4.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司, 蘭州 730030
扣件彈性墊板是高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中彈性的主要來(lái)源。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),在疲勞荷載與自然環(huán)境的影響下,扣件彈性墊板逐漸老化,主要表現(xiàn)為厚度減小和剛度增大。相關(guān)研究人員對(duì)典型線路扣件彈性墊板剛度變化情況開展了調(diào)研,海南東環(huán)鐵路使用的WJ7?B 型彈性墊板服役8 年后,靜剛度由25 ± 5 kN/mm增至48.5 kN/mm[1];蘭新高速鐵路使用的WJ8?B型彈性墊板服役7年后,靜剛度由23 ± 3 kN/mm增至34.5 kN/mm[2]。
扣件彈性墊板剛度增大對(duì)軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性和軌道系統(tǒng)振動(dòng)特性均有一定的影響。研究表明,隨著扣件剛度增大,輪軌動(dòng)力作用和扣件支點(diǎn)反力相應(yīng)增大[3],軌道板、支承層等軌道結(jié)構(gòu)部件的瞬態(tài)應(yīng)力同樣有較大提高[4]。此外,當(dāng)軌道剛度更高時(shí),鋼軌踏面粗糙度的發(fā)展速度明顯加快[5-6],并會(huì)誘導(dǎo)更嚴(yán)重的車輪磨耗和低階車輪多邊形[7-8]。為保證軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役性能和列車運(yùn)行的安全性,減緩鋼軌及車輪的磨耗速率,須定期對(duì)靜剛度過(guò)高的扣件彈性墊板進(jìn)行更換。在研究扣件剛度對(duì)枕上壓力、行車舒適性和軌道結(jié)構(gòu)沖擊疲勞性能影響的基礎(chǔ)上,有關(guān)學(xué)者建議將高鐵無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)扣件彈性墊板靜剛度失效限值定為60 kN/mm[9]。
在扣件彈性墊板大修更換過(guò)程中,由于天窗時(shí)間限制,每天更換的區(qū)間長(zhǎng)度有限。在新舊墊板的交接處會(huì)出現(xiàn)軌道剛度的突變,并呈現(xiàn)高剛度-低剛度-高剛度的變化模式,影響第二天線路的正常運(yùn)營(yíng)。當(dāng)個(gè)別扣件節(jié)點(diǎn)失去彈性時(shí),會(huì)造成車輛的輪重減載率超標(biāo),從而影響行車安全性[10]。目前尚缺乏關(guān)于長(zhǎng)區(qū)段更換墊板時(shí)剛度過(guò)渡方式及其影響方面的研究。
因此,本文研究線路常規(guī)不平順條件下墊板剛度突變、墊板更換長(zhǎng)度和剛度過(guò)渡模式對(duì)列車運(yùn)行的影響,并對(duì)比分析曲線地段、鋼軌接頭地段等特殊條件下剛度突變的影響差異,為提出更加理想的扣件彈性墊板更換措施提供技術(shù)支撐。
京廣高鐵石家莊—武漢區(qū)段已開通運(yùn)營(yíng)10年,配套使用WJ?8 型扣件,個(gè)別墊板靜剛度增至40 kN/mm左右,增幅較為顯著,故以此作為扣件彈性墊板更換對(duì)列車平穩(wěn)性影響的研究對(duì)象。采用左右股鋼軌的高低及水平隨機(jī)不平順實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為線路的平順性狀態(tài)輸入,可表征軌道的軌距、軌向、高低和側(cè)滾平順性特征。左股鋼軌的軌道高低及水平不平順見圖1?;贑R400AF 型車和CRTSⅡ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸,建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真分析模型[11-12],見圖2。軌道及車體系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。
表1 車輛及軌道系統(tǒng)主要參數(shù)
圖1 軌道高低及水平不平順
圖2 車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型
軌道模型采用鋼軌-軌道板-路基三層結(jié)構(gòu)。將鋼軌視為點(diǎn)支承Timoshenko 梁,軌道板視為彈性薄板,二者均為柔性體,計(jì)算中考慮其沿長(zhǎng)度方向的扭轉(zhuǎn)彎曲以及沿橫向和垂向的彎曲振動(dòng)模態(tài)特征。扣件系統(tǒng)簡(jiǎn)化為彈性阻尼元件;砂漿層簡(jiǎn)化為分布彈簧。
車輛模型中車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱和輪對(duì)均簡(jiǎn)化為剛體,一系和二系懸掛系統(tǒng)中減振器采用彈簧與黏壺串聯(lián)的Maxwell 模型模擬,鋼簧、空氣彈簧等采用彈簧與黏壺并聯(lián)的Kelvin 模型模擬。車輪踏面為L(zhǎng)MA 型,鋼軌廓形為60N;輪軌接觸模型基于赫茲接觸理論,并使用線性彈簧模擬。
為模擬老化后更高剛度的扣件彈性墊板,選用與WJ8?B 型彈性墊板相同的材料,通過(guò)調(diào)整聚氨酯材料發(fā)泡率,定制了靜剛度分別為23、45、60 kN/mm的三種墊板[9,13],分別表征初始新墊板、老化中墊板和面臨失效墊板的剛度情況。
扣件系統(tǒng)組裝剛度由彈性墊板剛度、彈條扣壓剛度和零部件匹配摩擦三部分組成。為準(zhǔn)確描述彈性墊板剛度增大時(shí)扣件系統(tǒng)組裝剛度的變化情況和非線性特征[14],采用試驗(yàn)手段測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下扣件系統(tǒng)的組裝靜剛度和4 Hz 低頻動(dòng)剛度[15]。WJ?8 型扣件匹配不同剛度彈性墊板時(shí),荷載-位移曲線見圖3。
圖3 扣件匹配不同剛度彈性墊板時(shí)荷載-位移曲線
由圖3 可知:不同墊板剛度對(duì)應(yīng)的扣件低頻動(dòng)剛度與靜剛度差異顯著,且呈現(xiàn)出一定程度的非線性特征。在列車運(yùn)行過(guò)程中,扣件系統(tǒng)剛度主要表現(xiàn)為組裝低頻動(dòng)剛度。因此,將圖3(b)的荷載-位移曲線輸入車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型,作為扣件組裝綜合剛度。
為了評(píng)估不同線路條件、墊板更換區(qū)間長(zhǎng)度和墊板剛度過(guò)渡模式下高速鐵路扣件彈性墊板更換對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響,并給出扣件彈性墊板的合理更換模式,設(shè)置3 種計(jì)算工況。各工況中列車運(yùn)行速度均取350 km/h,更換前墊板靜剛度為60 kN/mm,更換的新墊板靜剛度為23 kN/mm。
1)線路條件工況
分析變量為線路條件,未設(shè)置墊板剛度過(guò)渡。線路條件分別為直線區(qū)段、曲線區(qū)段及鋼軌接頭處。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料,1個(gè)天窗有10人參與作業(yè),即可完成100 m 區(qū)間的墊板更換,因此墊板更換區(qū)間長(zhǎng)度取100 m,并與未更換墊板時(shí)進(jìn)行對(duì)比。
曲線區(qū)段線路參數(shù)根據(jù)TB 10098—2017《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]選取,曲線半徑取7000 m(一般地段的最小值),緩和曲線長(zhǎng)550 m,圓曲線長(zhǎng)度500 m,設(shè)計(jì)超高175 mm。
鋼軌接頭處是軌道系統(tǒng)典型的薄弱環(huán)節(jié)之一[17],計(jì)算時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接頭不平順(圖4),并與線路常規(guī)高低不平順疊加,計(jì)算分析鋼軌接頭位于墊板更換區(qū)間終點(diǎn)時(shí)對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。
圖4 實(shí)測(cè)鋼軌接頭不平順
2)墊板更換區(qū)間長(zhǎng)度工況
分析變量為墊板更換區(qū)間長(zhǎng)度。墊板更換區(qū)間長(zhǎng)度分別取25、50、75、100 m,并與未更換墊板時(shí)進(jìn)行對(duì)比。線路條件為直線區(qū)段;未設(shè)置墊板剛度過(guò)渡。
3)墊板剛度過(guò)渡模式工況
分析變量為墊板剛度過(guò)渡模式。在末端設(shè)置長(zhǎng)度分別為25、50、75 m 的過(guò)渡墊板,其靜剛度均設(shè)置為45 kN/mm,從而實(shí)現(xiàn)扣件彈性墊板更換的23 kN/mm→45 kN/mm→60 kN/mm 三級(jí)剛度過(guò)渡模式,并與未設(shè)置剛度過(guò)渡時(shí)進(jìn)行對(duì)比。線路條件為直線區(qū)段;墊板更換區(qū)間長(zhǎng)度500 m。
直線區(qū)段扣件彈性墊板更換前后,列車運(yùn)行通過(guò)該區(qū)段時(shí),輪軌力、車體加速度和鋼軌垂向位移的時(shí)程曲線見圖5。列車駛出墊板更換區(qū)后10 m 范圍內(nèi),輪軌動(dòng)力作用顯著增強(qiáng),將該區(qū)間定義為墊板更換區(qū)后的不穩(wěn)定區(qū)。墊板更換前后,列車通過(guò)墊板更換區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)時(shí)各項(xiàng)輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值見表2。
表2 直線區(qū)段墊板更換前后輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值
圖5 直線區(qū)段墊板更換前后輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)程曲線
由圖5和表2可知:
1)列車進(jìn)入墊板更換區(qū)后,輪軌垂向力最大值由99.8 kN減至85.3 kN,減小14.5%;輪軌橫向力最大值由3.1 kN 減至2.6 kN,減小16.0%;輪重減載率最大值由0.178 減至0.158,減小11.2%;鋼軌垂向位移最大值由0.54 mm 增至1.10 mm,增大103.7%??梢?,更換低剛度的墊板有利于降低輪軌動(dòng)力作用,同時(shí)增大了鋼軌的垂向位移,但仍在鋼軌垂向位移2.0 mm限值內(nèi)[17]。車體垂向和橫向加速度相應(yīng)有一定增大趨勢(shì),但在懸掛系統(tǒng)的減振作用下變化幅度較小。
2)列車駛出墊板更換區(qū)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)后,輪軌力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體加速度等各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),其中輪重減載率最大值由0.038 增至0.393,增幅高達(dá)124.6%,但仍低于限值0.8,可保證列車運(yùn)營(yíng)的安全性[18]。輪軌垂向力和橫向力最大值的增幅分別為12.6%和19.5%,較為顯著。車體垂向和橫向加速度最大值的增幅分別為3.8%和5.2%,影響相對(duì)較小。
因此,直線區(qū)段更換低剛度的扣件彈性墊板盡管會(huì)增大鋼軌垂向位移,但有利于降低輪軌動(dòng)力作用,提高列車運(yùn)行穩(wěn)定性。雖然在尚未更換墊板區(qū)域存在10 m 長(zhǎng)的不穩(wěn)定區(qū)會(huì)造成安全性指標(biāo)的增大,但列車仍可保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。
在半徑7000 m 的曲線區(qū)段更換扣件彈性墊板,列車通過(guò)時(shí)的輪軌力和鋼軌垂向位移見圖6。墊板更換前后,列車通過(guò)墊板更換區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)時(shí)各項(xiàng)輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值見表3。
表3 曲線區(qū)段墊板更換前后輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值
圖6 曲線區(qū)段墊板更換前后輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)程曲線
由圖6和表3可知:
1)曲線區(qū)段更換墊板后輪軌力變化規(guī)律與直線區(qū)段基本一致,更換墊板區(qū)的輪軌力和安全性指標(biāo)明顯小于原始?jí)|板區(qū);輪軌垂向力最大值由116.4 kN 減至106.8 kN,減小8.2%;輪軌橫向力最大值由6.7 kN減至5.8 kN,減小13.1%;輪重減載率最大值由0.377減至0.239,減小36.6%;鋼軌垂向位移最大值由0.64 mm 增至1.17 mm,增大82.8%。可見,曲線區(qū)段更換低剛度的墊板有利于降低輪軌動(dòng)力作用,同時(shí)增大了鋼軌的垂向位移,車體垂向和橫向加速度變化率相對(duì)較小,與直線區(qū)段的變化規(guī)律一致。
2)列車駛出更換墊板區(qū)后存在長(zhǎng)度約10 m 的不穩(wěn)定區(qū),在該區(qū)域內(nèi),輪重減載率由0.277增至0.327,增幅為18.1%;車體垂向加速度由0.137 m/s2增至0.155 m/s2,增幅為13.1%;輪軌力等其他指標(biāo)的變化不明顯。
因此,曲線區(qū)段更換扣件彈性墊板同樣有利于降低輪軌動(dòng)力作用,提高列車運(yùn)行穩(wěn)定性。當(dāng)列車駛出墊板更換區(qū)后進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)時(shí),個(gè)別列車運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)有所增大,但仍在限值要求范圍內(nèi),列車可安全穩(wěn)定運(yùn)行。
鋼軌接頭作為軌道常規(guī)不平順形式,會(huì)造成輪軌動(dòng)力作用增大,從而干擾列車運(yùn)行的平穩(wěn)性。尤其是當(dāng)鋼軌接頭位于更換墊板區(qū)后的不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)時(shí),二者的影響會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)。
更換長(zhǎng)度100 m 扣件彈性墊板后,計(jì)算不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)存在鋼軌接頭時(shí)的輪軌力和車體加速度,并與不存在鋼軌接頭的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見圖7。不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)有鋼軌接頭的情況下,墊板更換前后,列車通過(guò)不穩(wěn)定區(qū)時(shí)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的最大值見表4。
表4 墊板更換前后列車通過(guò)有鋼軌接頭的不穩(wěn)定區(qū)時(shí)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值
圖7 不穩(wěn)定區(qū)有無(wú)鋼軌接頭時(shí)輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)程曲線
由圖7 和表4 可知:不穩(wěn)定區(qū)存在鋼軌接頭時(shí),輪軌動(dòng)力作用急劇增大,輪軌垂向力最大值由104.7 kN增至134.9 kN,增幅為28.8%;輪軌橫向力最大值由2.7 kN 增至4.1 kN,增幅為51.9%;脫軌系數(shù)最大值由0.038增至0.086,增幅為126.3%;輪重減載率最大值由0.393增至0.944,增幅為140.2%;輪軸橫向力最大值由4.5 kN 增至6.7 kN,增幅為48.9%。其中,輪重減載率達(dá)到了0.944,高于標(biāo)準(zhǔn)限值(0.8),列車運(yùn)行存在安全風(fēng)險(xiǎn)。車體垂向和橫向加速度由于列車懸掛系統(tǒng)的作用,受鋼軌接頭的影響相對(duì)較小。
因此,為保證更換扣件彈性墊板過(guò)程中列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行,應(yīng)避免在更換墊板區(qū)末端后10 m 范圍內(nèi)存在鋼軌接頭。
由于天窗時(shí)間限制,墊板每日更換數(shù)量有限。為避免更換區(qū)間長(zhǎng)度過(guò)短造成行車狀態(tài)不穩(wěn)定,對(duì)比更換長(zhǎng)度25、50、75、100 m 時(shí)列車運(yùn)行平穩(wěn)性的差異。計(jì)算時(shí),更換區(qū)間均以105 m位置(參見圖1)為起點(diǎn)。
對(duì)列車通過(guò)墊板更換區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)的輪軌動(dòng)力作用、安全性及舒適性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到各指標(biāo)的最大值和上90%分位數(shù),見圖8。最大值主要反映列車在不穩(wěn)定區(qū)的運(yùn)行狀態(tài),上90%分位數(shù)則反映各指標(biāo)的總體分布特征。
圖8 不同墊板更換長(zhǎng)度時(shí)列車平穩(wěn)性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值
由圖8可知,隨著墊板更換區(qū)間的增長(zhǎng),輪軌動(dòng)力作用、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標(biāo)的最大值上下浮動(dòng),而上90%分位數(shù)基本維持恒定。車體垂向及橫向加速度最大值和上90%分位數(shù)均無(wú)明顯波動(dòng)。這說(shuō)明列車在不穩(wěn)定區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)僅與該區(qū)間的隨機(jī)不平順相關(guān),與墊板更換區(qū)間長(zhǎng)度無(wú)顯著的相關(guān)性,各項(xiàng)指標(biāo)總體分布特征基本維持恒定。因此墊板更換區(qū)間長(zhǎng)于25 m 時(shí),更換長(zhǎng)度對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性無(wú)明顯影響,工務(wù)部門可根據(jù)實(shí)際情況安排扣件彈性墊板的更換速度。
為實(shí)現(xiàn)墊板大修更換時(shí)剛度的平穩(wěn)過(guò)渡,參照路橋過(guò)渡段的處理方式,可設(shè)置靜剛度為45 kN/m 的過(guò)渡墊板,作為新舊墊板之間的緩沖區(qū)[19]??紤]到列車進(jìn)入墊板更換區(qū)時(shí)可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行,僅在駛出時(shí)存在長(zhǎng)度約10 m 的不穩(wěn)定區(qū),因此只在墊板更換區(qū)末端布置剛度過(guò)渡墊板。
計(jì)算過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度分別為25、50、75 m 時(shí)輪軌力、脫軌系數(shù)及輪重減載率,并與未設(shè)置過(guò)渡區(qū)時(shí)進(jìn)行對(duì)比。統(tǒng)計(jì)過(guò)渡區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)輪軌力及安全性指標(biāo)的最大值和上90%分位數(shù),見圖9。計(jì)算時(shí),更換區(qū)間均以105 m位置(參見圖1)為起點(diǎn)。
圖9 有無(wú)剛度過(guò)渡區(qū)時(shí)過(guò)渡區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)輪軌力及安全性指標(biāo)的最大值和上90%分位數(shù)統(tǒng)計(jì)值
以設(shè)置25 m 長(zhǎng)度的剛度過(guò)渡區(qū)為例,分析各項(xiàng)指標(biāo)相比未設(shè)置過(guò)渡區(qū)時(shí)的變化趨勢(shì)。由圖9 可知:采用三級(jí)過(guò)渡方式后,輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別減小了5.4%、10.7%、3.8%和8.4%,個(gè)別上90%分位數(shù)有輕微上浮現(xiàn)象??梢姡O(shè)置剛度過(guò)渡區(qū)后有利于減小各項(xiàng)平穩(wěn)性指標(biāo)最大值,提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。
剛度過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度不同,對(duì)輪軌力和安全性指標(biāo)的影響規(guī)律基本一致。設(shè)置25、50、75 m 長(zhǎng)度的剛度過(guò)渡區(qū)后,輪軌垂向力最大值分別減小了5.4%、4.9%和6.6%,輪軌橫向力最大值分別減小了10.7%、10.7%和12.7%。過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到25 m 可實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軌動(dòng)力作用最大值的有效衰減,過(guò)渡長(zhǎng)度對(duì)衰減效果的影響不大。
因此,扣件彈性墊板的更換過(guò)程中在末端布置長(zhǎng)度為25 m 的剛度過(guò)渡區(qū),可以有效降低輪軌動(dòng)力作用的最大值,有利于列車運(yùn)行的平穩(wěn)性。
本文通過(guò)仿真手段計(jì)算分析了直線、曲線區(qū)段和鋼軌接頭區(qū)域更換扣件彈性墊板對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響,并對(duì)墊板更換長(zhǎng)度和剛度三級(jí)過(guò)渡模式進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下:
1)直線和曲線區(qū)段更換扣件彈性墊板有利于降低輪軌動(dòng)力作用,提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。
2)在墊板更換區(qū)后存在長(zhǎng)度約10 m 的不穩(wěn)定區(qū),會(huì)造成個(gè)別列車運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)的增大,但仍在限值要求范圍內(nèi),列車可安全穩(wěn)定運(yùn)行。
3)不穩(wěn)定區(qū)存在鋼軌接頭會(huì)造成輪軌動(dòng)力作用急劇增大,輪重減載率最大值為0.944,高于標(biāo)準(zhǔn)限值0.8。為保證更換扣件彈性墊板過(guò)程中列車的安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng),應(yīng)避免在墊板更換區(qū)末端后10 m 范圍內(nèi)存在鋼軌接頭。
4)墊板更換區(qū)間長(zhǎng)于25 m 時(shí),更換區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性各項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)明顯影響,工務(wù)部門可根據(jù)實(shí)際情況安排扣件彈性墊板的更換速度。
5)在更換效率足夠的前提下,可在扣件彈性墊板更換區(qū)末端布置長(zhǎng)度為25 m 的剛度過(guò)渡區(qū),從而有效降低輪軌動(dòng)力作用的最大值,有利于列車運(yùn)行的平穩(wěn)性。