焦振華，戴恒震，劉 沖，周文靜

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

無縫線路軌道因消除了大量的鋼軌接頭，具有列車行駛平穩(wěn)性好、線路養(yǎng)護維修費用低和使用壽命長等優(yōu)點，因而廣泛地應(yīng)用于高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)中，這也是目前我國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展的重點。無縫線路鋼軌因扣件和道床的約束，軸向不能自由伸縮，當(dāng)鋼軌溫度升高或降低時，鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生軸向壓力或拉力，在車輪荷載作用下，可能導(dǎo)致鋼軌脹曲或斷軌，嚴(yán)重影響行車安全［1-2］。盧耀榮［3］在環(huán)形試驗基地進行溫度力和列車動載共同作用下動態(tài)穩(wěn)定性試驗，試驗中發(fā)現(xiàn)無縫線路動態(tài)失穩(wěn)有別于靜態(tài)失穩(wěn)的特征。鋼軌的垂向應(yīng)力間接反映了動態(tài)荷載，采集分析鋼軌的動態(tài)響應(yīng)，對無縫線路失穩(wěn)的研究有指導(dǎo)意義。國內(nèi)外關(guān)于鋼軌動態(tài)的研究大多集中在車輛超偏載［4］和鋼軌的固有頻率與溫度力［5］的關(guān)系。目前，還沒有針對性地研究鋼軌的垂向應(yīng)力響應(yīng)與列車車輪荷載之間的關(guān)系。

本文采用Abaqus有限元軟件［6-7］建立無砟軌道的三維有限元模型，仿真分析了不同荷載作用下的鋼軌軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)，并通過輪軌力加載試驗臺進行試驗驗證，得到了鋼軌在不同荷載作用下，軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)的分布規(guī)律。

1 輪軌力加載試驗臺及有限元模型

1.1 輪軌力加載試驗臺

圖1 輪軌力加載試驗臺及控制器

輪軌力加載試驗臺如圖1所示。試驗臺主要由高速鐵路軌道、輪軌力加載裝置、控制器等組成。其中高速鐵路軌道是嚴(yán)格按照哈大線的施工標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)而成的一段長20 m無砟軌道［8］。該無砟軌道由地基、CA砂漿、CRTSⅠ型軌道板、鐵墊板、橡膠墊、扣件、鋼軌等組成;輪軌力加載裝置主要包括電液伺服作動器、控制器、壓力反饋傳感器和輪軌力加載頭等組成。電液伺服作動器(型號:WSNF3A050T，主要性能指標(biāo):最大靜態(tài)試驗力為80 kN，頻率范圍為0.1～30.0 HZ)用于模擬列車車輪對鋼軌的荷載。電液伺服作動器可通過控制器進行程式控制，模擬列車車輪對鋼軌的靜態(tài)或動態(tài)荷載。與鋼軌接觸的輪軌力加載頭底面形狀與列車車輪的踏面類似，以模擬列車車輪與鋼軌的相互作用關(guān)系。

1.2 軌道試驗臺有限元模型

本文按照 CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，在Abaqus有限元仿真軟件中，建立了一段長度為5 130 mm的無縫線路仿真模型。有限元模型如圖2所示。有限元模型車輪定義為分析剛體，其它各部件采用一階六面體減縮積分單元C3D8R進行有限元劃分，全局種子布置為30 mm，在鋼軌的橫截面及存在接觸部位采用局部網(wǎng)格進行細化。各部件的材料屬性如表 1 所示［9-10］。

圖2 三維輪軌接觸有限元模型

表1 無砟軌道模型各部分材料性質(zhì)

分析過程中，選用靜態(tài)通用分析步［11］。首先，在初始分析步定義好各部件之間接觸關(guān)系及邊界條件;其次，在第一分析步中定義重力場并在扣件上施加9 kN［12］的等效扣壓力。從第二分析步開始，依次給車輪軸的中心參考點位置施加 60，80，100，120，140 和160 kN的車輪載荷，并分析鋼軌在不同荷載作用下軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)。

2 有限元結(jié)果及其分析

本文主要研究無砟軌道鋼軌在不同荷載作用下的垂向應(yīng)力分布。選用如圖2所示的坐標(biāo)系，X為橫向、Y為垂向、Z為軸向。根據(jù)坐標(biāo)軸的定義，則S22表示鋼軌的垂向正應(yīng)力。圖3至圖6分別為鋼軌的Mises綜合應(yīng)力和S22方向的正應(yīng)力云圖，車輪載荷為120 kN。從圖3和圖4中可以看出由于鋼軌的工字型的特殊結(jié)構(gòu)，在車輪載荷作用下，鋼軌的垂向應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律與采用矩形梁單元模擬分析得到的結(jié)果［4］存在差異。相比于矩形梁單元模型的分析結(jié)果，鋼軌在不同荷載作用下，軌頭與車輪接觸區(qū)域的應(yīng)力比較集中，除軌頭與車輪接觸區(qū)域外，垂向應(yīng)力響應(yīng)的最大區(qū)域分布在鋼軌的跨中，軌腰內(nèi)側(cè)最上方。

圖3 車輪荷載作用下軌腰外側(cè)Mises應(yīng)力分布

圖4 車輪荷載作用下軌腰內(nèi)側(cè)Mises應(yīng)力分布

圖5 車輪荷載作用下軌腰外側(cè)S22應(yīng)力分布

圖6 車輪荷載作用下軌腰內(nèi)側(cè)S22應(yīng)力分布

由于鋼軌的軌頭及軌底剛度較大，在車輪荷載作用下，軌腰處腹板區(qū)域的Mises主應(yīng)力大約成45°分布在車輪荷載位置正下方的兩側(cè)。鋼軌軌腰處的垂向應(yīng)力最大區(qū)域分布在車輪荷載處軌腰最上方，如圖5和圖6所示。

選擇車輪荷載當(dāng)前作用跨，對一跨鋼軌軌腰內(nèi)側(cè)上、中、下和軌腰外側(cè)上、中、下的垂向應(yīng)力進行分析，如圖7所示。從圖中可以看出，在軌底以上部分，軌腰內(nèi)側(cè)的垂向應(yīng)力明顯大于軌腰外側(cè);在鋼軌的同一側(cè)，軌腰上方的垂向應(yīng)力響應(yīng)大于軌腰下方。

圖7 軌腰內(nèi)側(cè)和軌腰外側(cè)S22正應(yīng)力分布

根據(jù)圖7中的分析結(jié)果，分別從模型中選取車輪荷載作用跨的跨中，軌腰內(nèi)側(cè)距離軌底平面高度分別為60，82，100，120 mm 處的4個位置點，分析鋼軌的垂向應(yīng)力與輪軌力之間的關(guān)系。如圖8所示，圖中4條曲線分別表示以上選取的4個位置處的垂向應(yīng)力與車輪荷載大小之間的關(guān)系。從圖8可以看出，在不同荷載作用下，鋼軌的垂向應(yīng)力響應(yīng)與荷載大小基本成線性關(guān)系;在同一荷載作用下，鋼軌垂直方向的同一橫截面內(nèi)，從鋼軌的軌腰上側(cè)至下側(cè)，垂向應(yīng)力響應(yīng)變小。

圖8 不同荷載作用下軌腰內(nèi)側(cè)垂向應(yīng)力

3 試驗驗證及分析

為進一步驗證以上有限元模型的分析結(jié)果，本文利用輪軌力加載試驗臺對鋼軌進行加載試驗，模擬列車車輪對鋼軌的荷載作用。試驗前，在輪軌力加載頭的下方，軌腰內(nèi)側(cè)粘貼“共和”應(yīng)變片，應(yīng)變片的安裝位置選擇在鋼軌的跨中，距離鋼軌底部平面的高度分別為120，100，82和60 mm的位置。應(yīng)變片安裝完成后，利用無線傳感網(wǎng)動態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變片按照惠斯通半橋接法，采集頻率為500 Hz，采集方式設(shè)置為實時采集。

試驗前將荷載大小設(shè)置為0，對動態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點也清零后，分別按照 30，40，50，60，70，80 kN 的順序依次給鋼軌施加車輪荷載，記錄鋼軌軌腰內(nèi)側(cè)4個位置處應(yīng)變片采集到的應(yīng)變值大小。利用應(yīng)變與應(yīng)力和彈性模量之間的關(guān)系，將以上試驗采集到的4個位置點的垂向應(yīng)變轉(zhuǎn)換成應(yīng)力，與仿真計算結(jié)果進行對比，如圖9所示。圖中實線為試驗結(jié)果，虛線為仿真計算結(jié)果。從圖9可知，仿真計算結(jié)果與試驗得到的結(jié)果吻合較好，誤差在5%以內(nèi)，垂向應(yīng)力大小與鋼軌所受車輪荷載基本成線性關(guān)系。

圖9 輪軌力作用下的試驗與仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文通過建立無砟軌道的三維有限元模型，分析了鋼軌在輪軌力荷載作用下軌腰處的垂向應(yīng)力分布，并通過輪軌力加載試驗臺進行試驗驗證，可以得出以下結(jié)論:

1)在車輪荷載作用下，軌頭與軌底之間的腹板區(qū)域的Mises主應(yīng)力大約呈45°分布在荷載兩側(cè)。

2)無縫鋼軌在不同荷載作用下，軌頭與車輪接觸區(qū)域的垂向應(yīng)力最大;在軌腰處，垂向應(yīng)力最大區(qū)域分布在鋼軌跨中軌腰最上方。

3)在平行于鋼軌底面的同一平面內(nèi)，軌腰內(nèi)側(cè)垂向應(yīng)力大于軌腰外側(cè)。

4)不同荷載作用下，軌腰處的垂向應(yīng)力響應(yīng)與荷載大小基本成線性關(guān)系。

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