城際高鐵各種運行速度下扣件剛度的選取研究

2012-11-27 03:18:54段玉振張麗平楊榮山

鐵道建筑 2012年3期

段玉振，張麗平，楊榮山

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

1 扣件剛度研究概況

城際鐵路的最高運行速度，可以在140 km/h，160 km/h，200 km/h，250 km/h，300 km/h，350 km/h 中選擇，但提高列車的速度隨之就會產生輪軌系統的振動與噪聲等問題。為了防止高速列車運行時產生的輪軌振動與噪聲，降低軌道結構的剛度，采用低剛度扣件系統被公認為是最簡單有效的方法。但是扣件剛度也不是越低越好。扣件的彈性主要是由軌下膠墊來提供，軌下膠墊剛度若變小，膠墊在輪重作用下自身的應變增大，影響它的耐久性，膠墊剛度過小鋼軌也不好固定，容易產生晃動，同時膠墊剛度變小其造價也相應提高。在滿足舒適度的情況下，各種最高運行速度取何種扣件剛度更為經濟、合理，現階段還沒有多少研究，本文主要研究城際鐵路在指定速度下扣件剛度的合理取值。

2 研究原理及方法

2.1 研究原理

本文以列車—線路耦合動力系統為研究對象，以車輛動力學、軌道動力學有限元方法為基礎，以輪軌關系為聯系紐帶，將機車車輛、軌道作為一個整體大系統，應用計算機數值仿真的方法來分析城際鐵路的各種最高運行速度的行車條件下，取各種扣件剛度時的車輛、軌道的動力特性、行車的安全性和舒適性。以確定城際鐵路的各種最高運行速度應采取何種扣件剛度最為合適。

2.2 研究方法

運用車輛—軌道垂向耦合動力學，借助于通用大型有限元動力學分析軟件ANSYS/LS-DYNA建立車輛—線路垂向全車耦合模型，分析車輛、鋼軌的動力特性。

2.3 車輛—線路垂向動力學模型

機車車輛是由車體、轉向架、輪對等基本部件通過一系、二系懸掛元件聯結所組成的系統。為了簡化計算，節省計算時間，通常在機車車輛動力學研究中，把這些部件近似地視作剛體，車輛各基本部件之間有彈性約束或剛性約束，以限制車輛結構中各零部件間的相對運動。因此，在建立車輛垂向動力學分析模型時，作如下假設:①不考慮車體、轉向架和輪對的彈性變形，即車體、轉向架和輪對均為剛體;②輪對及車體沿線路方向作等速運動，不考慮縱向動力作用的影響;③車輛所有懸掛系統之間的阻尼均按黏性阻尼計算;④一系與二系懸掛及輪對定位的彈簧特性是線性的;⑤車體、轉向架及輪對各剛體均在基本平衡位置作小位移振動;⑥車體關于質心左右對稱和前后對稱。

基于以上假設，車體、構架及輪對只考慮各剛體沿垂向的振動。于是車體、構架各有2個自由度，分別是浮沉和點頭位移，輪子只有沉浮位移，半個車輛系統一共10個自由度。車輛動力學模型如圖1所示。

在LS-DYNA中，車體、轉向架和輪對采用實體單元SOLID164進行模擬，并賦予其剛體屬性。一、二系懸掛均采用BEAM161中的離散的垂向梁單元進行模擬。

圖1 車輛動力學計算模型側視

圖2 線路動力學計算模型側視

由于本文只研究扣件剛度，于是模型只建立到扣件，線路模型如圖2所示。考慮到精度和運算時間的問題，鋼軌采用Euler梁模型。同時為了能夠反映軌道在垂向支承的不連續性，模型中采用離散點支承模型。在LS-DYNA中采用BEAM161三維顯式梁單元。該單元由3節點確定，第3點控制梁的抗彎方向。

無砟軌道扣件系統都是采用彈性扣件系統，鋼軌扣件系統是鋼軌與雙塊式軌枕連接的部位，主要起彈性支撐與減振作用。扣件系統能否提供軌道結構合理的彈性和減振性能對無砟軌道尤為重要，在模型中采用彈簧—阻尼單元模擬。

模型中的彈簧單元均按線性彈簧處理，阻尼單元按黏性阻尼處理。由于軌道部分模型主要研究的是垂向荷載的傳遞，故在建模過程中對軌道模型的橫向不予考慮，鋼軌扣件系統與路基都用垂向彈簧—阻尼單元模擬。

軌道振動特性分析采用高速列車參數，線路模型和車輛參數結果如表1所示。

表1 高速車輛、線路基本參數

2.4 軌道不平順參數

本文選用德國軌道不平順譜進行計算。德國軌道不平順功率譜密度函數被歐洲高速鐵路統一采用，德國軌道不平順功率譜可用于各種計算，分為高、低激擾兩種高速軌道譜。

3 各種運行速度扣件剛度的取值

3.1 運行速度為300 km/h時的扣件剛度取值

將行車速度為 300 km/h，扣件剛度分別取25 kN/mm，50 kN/mm，100 kN/mm時的各項動力學性能與行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm的各項動力學性能進行比較，如圖3～圖6所示(工況一表示車體速度為300 km/h，扣件剛度為25 kN/mm時的情況)。由于幾種圖形形狀相似，這里只給出工況一的圖。詳細數據對比見表2。

圖3 鋼軌垂向加速度ar(工況一)

圖4 鋼軌垂向撓度yr(工況一)

圖5 車體垂向加速度ac(工況一)

圖6 輪軌力Fwr(工況一)

表2 行車速度為300 km/h時的扣件剛度取值計算結果

根據計算結果，當行車速度為300 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時，其鋼軌最大垂向加速度、鋼軌最大垂向撓度、車體最大垂向加速度以及輪軌力都比當行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時小，可見，當行車速度為300 km/h時，扣件剛度取25 kN/mm是可行的。當行車速度為300 km/h，扣件剛度取50 kN/mm時，其鋼軌最大垂向加速度、鋼軌最大垂向撓度、車體最大垂向加速度都比當行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時小，綜合考慮，當行車速度為300 km/h時，扣件剛度取50 kN/mm是可行的。當行車速度為300 km/h，扣件剛度取100 kN/mm時，其鋼軌最大垂向加速度、車體最大垂向加速度以及輪軌力都比當行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時大，所以，當行車速度為300 km/h時，扣件剛度取100 kN/mm不合理。

3.2 運行速度為250 km/h時的扣件剛度取值

將行車速度為 250 km/h，扣件剛度分別取25 kN/mm，50 kN/mm，100 kN/mm時的各項動力學性能與行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm的各項動力學性能進行比較，如表3。

表3 行車速度為250 km/h時的扣件剛度取值計算結果

根據計算結果，當行車速度為250 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時，其鋼軌最大垂向加速度、鋼軌最大垂向撓度、車體最大垂向加速度以及輪軌力都比當行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時小，可見，當行車速度為250 km/h時，扣件剛度取25 kN/mm是可行的。當行車速度為250 km/h，扣件剛度取50 kN/mm和100 kN/mm時，其鋼軌最大垂向加速度、鋼軌最大垂向撓度、車體最大垂向加速度都比當行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時小，綜合考慮，當行車速度為250 km/h時，扣件剛度取50 kN/mm和100 kN/mm是可行的。

3.3 行車速度為200 km/h時的扣件剛度取值

將行車速度為 250 km/h，扣件剛度分別取 50 kN/mm，100 kN/mm，150 kN/mm時的各項動力學性能與行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm的各項動力學性能進行比較，如表4。

表4 行車速度為200 km/h時的扣件剛度取值計算結果

根據計算結果，當行車速度為200 km/h，扣件剛度取50 kN/mm和100 kN/mm時，其鋼軌最大垂向加速度、鋼軌最大垂向撓度、車體最大垂向加速度都比當行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時小，綜合考慮，當行車速度為 200 km/h時，扣件剛度取50 kN/mm和100 kN/mm是可行的。當行車速度為200 km/h，扣件剛度取150 kN/mm時，其車體最大垂向加速度以及輪軌力都比當行車速度為350 km/h，扣件剛度取25 kN/mm時大，而且扣件剛度過大會引起很多問題，例如強振動、高噪聲等，綜合考慮，當行車速度為200 km/h時，扣件剛度取150 kN/mm不合理。

4 結論

本文以列車一線路耦合動力系統為研究對象，以車輛動力學、軌道動力學有限元方法為基礎，以輪軌關系為聯系紐帶，將機車車輛、軌道作為一個整體大系統，借助于通用大型有限元動力學分析軟件 ANSYS/LS-DYNA建立車輛—線路垂向全車耦合模型。針對城際鐵路的幾種最高運行速度200 km/h，250 km/h，300 km/h，350 km/h，取各種扣件剛度進行對比計算，比較其車輛、軌道的動力特性、行車的安全性和舒適性，根據計算結果，得出以下結論:

1)城際鐵路的最高運行速度為350 km/h時，參考高速鐵路設計規范，建議扣件剛度取值25 kN/mm。

2)城際鐵路的最高運行速度為300 km/h時，將其各項動力性能與城際鐵路的最高運行速度為350 km/h，扣件剛度取值25 kN/mm時相比較，建議扣件剛度取值25～50 kN/mm。

3)城際鐵路的最高運行速度為250 km/h時，將其各項動力性能與城際鐵路的最高運行速度為350 km/h，扣件剛度取值25 kN/mm時相比較，建議扣件剛度取值25～100 kN/mm。

4)城際鐵路的最高運行速度低于250 km/h時，考慮扣件剛度取值過大會引起很多問題，例如強振動、高噪聲等，并綜合其各項動力學性能和經濟成本，建議扣件剛度取值50～100 kN/mm。

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