閤 鑫，王開云，呂凱凱，楊 敏，姚 力

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031; 2.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

高速行車條件下3種軌道結(jié)構(gòu)的輪軌動(dòng)力性能對(duì)比分析

閤 鑫1，王開云1，呂凱凱1，楊 敏1，姚 力2

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031; 2.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

針對(duì)某時(shí)速400 km寬軌距高速鐵路，選取了有砟軌道、減振型和非減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道3種軌道類型，基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)比分析了高速行車條件下3種軌道結(jié)構(gòu)的輪軌動(dòng)力性能。研究結(jié)果表明：高速列車通過3種軌道時(shí)具有良好的安全性和平穩(wěn)性，軌道的動(dòng)態(tài)變形滿足要求；2種無砟軌道的鋼軌橫向振動(dòng)位移基本相同，且明顯小于有砟軌道的鋼軌橫向振動(dòng)位移，減小約30%，3種軌道的軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)大量差異很??；3種軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移差異明顯，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移最大，最大值為1.86 mm，非減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移最小，僅為減振型無砟軌道位移的一半左右。

有砟軌道；CRTSⅢ型板式無砟軌道；動(dòng)力學(xué)；軌道動(dòng)態(tài)變形

我國(guó)積極參與設(shè)計(jì)的國(guó)外某高速鐵路是歐亞高速運(yùn)輸走廊的重要組成部分，是我國(guó)高鐵“走出去”戰(zhàn)略邁出的重要一步。該線路具有寬軌距(1 520 mm)、超高速(400 km/h)和可實(shí)現(xiàn)高中速客車混跑的特點(diǎn)。此外，高鐵線路地處高寒地區(qū)，穿越氣候惡劣的西伯利亞地區(qū)，線路環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求。為了滿足該地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3種軌道結(jié)構(gòu)類型，包括有砟軌道、減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道(本文簡(jiǎn)稱為減振型無砟軌道)和非減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道(本文簡(jiǎn)稱為非減振型無砟軌道)。不同軌道結(jié)構(gòu)對(duì)高速行車運(yùn)行品質(zhì)有較大的影響，高速運(yùn)行條件下的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)亦有差異。

許多學(xué)者在軌道結(jié)構(gòu)對(duì)車輛適應(yīng)性方面進(jìn)行了研究。袁玄成等[1-2]基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，研究了高速動(dòng)車組與不同類型軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用特性，并對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性、行車安全性的差異進(jìn)行了對(duì)比分析。GALVN P等[3]建立車輛-軌道-路基的完整有限元和邊界元模型，并分析了車輛通過有砟軌道和板式無砟軌道過渡區(qū)域時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)相互作用。向俊等[4]基于不同類型無砟軌道空間振動(dòng)分析模型，利用高速列車-無砟軌道系統(tǒng)空間振動(dòng)分析理論，計(jì)算板式軌道、雙塊式軌道及博格板式軌道在高速列車作用下的空間振動(dòng)響應(yīng)，研究系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)隨無砟軌道類型及車速的變化規(guī)律。彭東輝等[5]基于多剛體動(dòng)力學(xué)理論和有限元理論，研究了板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)受車速影響的規(guī)律。羅震[6]利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA研究了客車、貨車車輛與CRTSⅠ型板式無砟軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)寬軌距條件下輪軌動(dòng)力性能的研究較少。

本文針對(duì)該高速鐵路的有砟軌道、減振型無砟軌道和非減振型無砟軌道3種不同結(jié)構(gòu)類型的軌道，考慮寬軌距特殊運(yùn)用條件，基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論[7]，分析高速行車條件下3種軌道結(jié)構(gòu)的輪軌動(dòng)力性能，并比較3種寬軌距軌道的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形的差異，以期為該高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 3種軌道結(jié)構(gòu)類型

1.1 有砟軌道

有砟軌道主要由鋼軌、軌枕、聯(lián)結(jié)零件、道砟等組成，如圖1所示。道砟根據(jù)鐵路運(yùn)量、車輛軸重、運(yùn)行速度的不同選用不同材料，鐵路干線一般采用碎石道砟。有砟軌道具有鋪設(shè)簡(jiǎn)便、成本低、便于維修保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但有砟軌道容易產(chǎn)生變形，維修周期相對(duì)較短，且列車運(yùn)行速度受限，在高速鐵路中一般用于橋梁上的軌道鋪設(shè)。

1.2 非減振型無砟軌道

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國(guó)研發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新式無砟軌道，采用帶擋肩的新型單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、隔離層、自密實(shí)混凝土層及具有限位結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土底座等部分組成，如圖2所示。相比于CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)，CRTSⅢ型板式無砟軌道采用自密實(shí)混凝土層代替水泥乳化瀝青砂漿材料充當(dāng)填充層材料，可減少環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)性也相對(duì)較好。該型無砟軌道是目前我國(guó)高速鐵路主要采用的軌道類型。

圖1 有砟軌道結(jié)構(gòu)

圖2 非減振型無砟軌道結(jié)構(gòu)

1.3 減振型無砟軌道

列車速度的提高使得振動(dòng)和噪聲加劇，對(duì)鐵路沿線的環(huán)境產(chǎn)生很大影響，嚴(yán)重干擾沿線居民的日常生活。為此，我國(guó)在自主開發(fā)的CRTSⅢ型板式無砟軌道的基礎(chǔ)上吸收、借鑒國(guó)外減振軌道的設(shè)計(jì)，研發(fā)出減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，底座板設(shè)有2個(gè)凹槽，將自密實(shí)混凝土灌注如凹槽以粘接軌道板層和底座板，減振墊層采用橡膠墊層，鋪設(shè)于自密實(shí)混凝土與底座板之間，以實(shí)現(xiàn)減振、隔振及降噪的功能[8]。

該減振型無砟軌道已在成灌線得到應(yīng)用，并取得了良好的效果。與非減振型無砟軌道相比，減振型無砟軌道的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，施工難度及成本較高。此外，減振墊層使軌道板和自密實(shí)混凝土層的縱向和橫向穩(wěn)定性降低，減振墊層橡膠的性能也容易受到氣候環(huán)境的影響，因此減振型無砟軌道僅適合在有減振降噪需求的地區(qū)使用，并不適宜大規(guī)模推廣。

圖3 減振型無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

2 耦合動(dòng)力學(xué)分析模型

本文針對(duì)某高速鐵路擬采用的3種軌道，基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論[7]，采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件TTISIM[9]進(jìn)行分析，動(dòng)力學(xué)仿真分析模型如圖4～6所示。

圖4 車輛-有砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型側(cè)視圖

圖5 車輛-非減振型無砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型側(cè)視圖

圖6 車輛-減振型無砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型側(cè)視圖

在車輛系統(tǒng)模型中，將車輛視為由車體、構(gòu)架及輪對(duì)構(gòu)成的多剛體系統(tǒng)，考慮車輛系統(tǒng)中各剛體的橫移、沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾、搖頭5個(gè)自由度[7]。

在軌道系統(tǒng)模型中，將鋼軌視為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的無限長(zhǎng)Euler梁，考慮鋼軌的垂向、橫向及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度，將軌枕視為剛性體，考慮其垂向、橫向振動(dòng)及剛體轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)自由度[7]。

對(duì)于有砟軌道系統(tǒng)，將道床離散為剛性質(zhì)量塊，只考慮垂向運(yùn)動(dòng)自由度，道床塊之間由剪切剛度阻尼元件相連，道床與路基之間用彈簧和阻尼元件連接。對(duì)于減振型和非減振型無砟軌道系統(tǒng)，將軌道板和混凝土底座垂向視為彈性基礎(chǔ)上的彈性薄板，橫向視為剛體運(yùn)動(dòng)，考慮其平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，彈性扣件、自密實(shí)混凝土層、減振層(僅減振型無砟軌道)簡(jiǎn)化為彈簧和阻尼元件，混凝土底座與路基之間用彈簧和阻尼元件連結(jié)[7]。

3 3種軌道的輪軌動(dòng)力性能對(duì)比分析

分析時(shí)，選取直線和曲線2種計(jì)算工況。其中：曲線工況的曲線半徑為10 000 m，超高為150 mm，緩和曲線長(zhǎng)度為570 m，圓曲線長(zhǎng)度為570 m。車輛運(yùn)行速度為400 km/h，軌道隨機(jī)不平順的激擾模型選用中國(guó)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)譜。

另外，選取輪軌橫向力、輪軌垂向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率等5項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估車輛運(yùn)行安全性，選取車體橫向和垂向振動(dòng)加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)衡量其運(yùn)行平穩(wěn)性；對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)，選取鋼軌橫向和垂向振動(dòng)位移以及軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)大量對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由于本文研究對(duì)象為3種寬軌距軌道，國(guó)內(nèi)目前尚未頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)指標(biāo)限值參照最新版《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]和《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[11]，其中高速動(dòng)車組的軸重為17 t。

3.1 車輛動(dòng)力學(xué)性能分析

經(jīng)計(jì)算得到的2種工況下，高速列車在3種軌道上運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1和表2所列。

表1 高速列車在3種軌道上運(yùn)行的安全性指標(biāo)

由表1中計(jì)算結(jié)果可知：在2種工況下，車輛以400 km/h速度通過3種軌道時(shí)，各項(xiàng)安全性指標(biāo)滿足要求，且具有較大安全裕度。

對(duì)于2種無砟軌道，在直線工況下，減振型無砟軌道的輪重減載率大于非減振型無砟軌道的輪重減載率，差異約為10%；在曲線工況下，2種無砟軌道的輪重減載率基本相同；對(duì)于其他安全性指標(biāo)，2種無砟軌道條件下的各輪軌動(dòng)力學(xué)指標(biāo)差異不明顯。

有砟軌道與2種無砟軌道相比，輪軌橫向力和輪軸橫向力十分接近，差異在3%以內(nèi)。對(duì)于輪軌垂向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率，前者均大于后者，最大差異分別為4.3%、11.1%和17.1%。

表2中計(jì)算結(jié)果表明：在直線工況下，高速列車通過3種軌道時(shí)，車體加速度指標(biāo)均滿足要求，平穩(wěn)性指標(biāo)屬優(yōu)級(jí)；與非減振型無砟軌道相比，有砟軌道條件下的車體橫向加速度增加約10%，其他平穩(wěn)性指標(biāo)基本相同；對(duì)于2種無砟軌道，減振型無砟軌道的車體橫向加速度和垂向加速度均大于非減振型無砟軌道的相應(yīng)值，差異分別為9.3%和4%，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)差異較小。

表2 高速列車在3種軌道上運(yùn)行的平穩(wěn)性指標(biāo)

3.2 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形分析

圖7(a)和(b)分別展示了在直線和曲線工況下，高速列車通過3種軌道時(shí)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形的對(duì)比。

由圖7可知：在直線和曲線工況下，3種軌道的軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)大量基本相同，約為0.25 mm；在同種工況下，2種無砟軌道的鋼軌橫向振動(dòng)位移差異不大；在直線工況下，減振型和非減振型無砟軌道的鋼軌橫向振動(dòng)位移分別為0.18 mm和0.20 mm；在曲線工況下，2種無砟軌道的相應(yīng)值分別為0.22 mm和0.21 mm，2種無砟軌道的鋼軌橫向振動(dòng)位移明顯小于有砟軌道的相應(yīng)值，減小約30%。

在2種工況下，3種軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移差異較為明顯，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移最大。在直線和曲線工況下，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移分別達(dá)到1.75 mm和1.86 mm，其位移量約為非減振型無砟軌道相應(yīng)值的2倍，有砟軌道鋼軌垂向振動(dòng)位移介于2種無砟軌道的相應(yīng)值之間，在直線和曲線工況下，其位移量分別為1.42 mm和1.38 mm。

圖7 3種軌道的動(dòng)態(tài)變形指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

1) 高速列車在3種軌道上運(yùn)行時(shí)，各項(xiàng)行車安全性指標(biāo)均小于標(biāo)準(zhǔn)限值，車體加速度指標(biāo)均滿足要求，平穩(wěn)性指標(biāo)屬優(yōu)級(jí)，軌道的動(dòng)態(tài)變形指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2) 3種軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移差異較為明顯，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移最大，最大位移為1.86 mm，非減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移約為減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移的一半，有砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移介于2種無砟軌道的相應(yīng)值之間；2種無砟軌道的鋼軌橫向振動(dòng)位移差異很小，且明顯小于有砟軌道的相應(yīng)值，減小約30%；3種軌道的軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)大量基本相同。

[1] 袁玄成,田國(guó)英,王開云.高速列車組在不同無砟軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015(4):1-4.

[2] 袁玄成.高速動(dòng)車組與不同軌道結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)力相互作用的比較分析[D].成都：西南交通大學(xué),2016.

[4] 向俊,赫丹,曾京.高速列車作用下不同類型無砟軌道振動(dòng)響應(yīng)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010(16):29-35.

[5] 彭東輝.客貨混運(yùn)線路CRTSⅠ型板式無砟軌道動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)及參數(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2013.

[6] 羅震.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)受力及輪軌動(dòng)力作用分析[D].成都：西南交通大學(xué),2008.

[7] 翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)[M].4版.北京:科學(xué)出版社,2015.

[8] 任娟娟，趙華衛(wèi)，李瀟，等.減振 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2016，33(3):44-50.

[9] 王開云,翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真軟件TTISIM及其試驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2004(6):49-54.

[10] TB 10621—2014/J1942—2014,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[11] TB 10761—2013/J 1535—2013,高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯林 芳)

ContrastiveAnalysisofWheel/RailDynamicPerformanceofThreeTrackStructuresforHigh-SpeedRailway

GE Xin1, WANG Kaiyun1, LYU Kaikai1, YANG Min1, YAO Li2

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031, Sichuan, China)

Three track structures for 400 km/h high-speed railway with wide gauge, including ballasted track, anti-vibration and regular CRTSⅢ slab ballastless track, were adopted and the wheel/rail dynamic performance of three track structures for high-speed railway was contrastively analyzed based on vehicle-track coupled dynamics theory. The results indicate that the train is of safety and stability while running on three wide tracks, and the dynamic deformation of three types of tracks satisfy the requirements. The lateral vibration displacement of rails for two ballastless tracks are similar, and the values of both are about 30% less than that of the ballasted track. The difference of dynamic extensive magnitude of gauge between three tracks is minimal. Obvious differences exist in the vertical vibration displacement of rails for three types of tracks, and the anti-vibration ballastless track has maximum rail vertical vibration displacement, which is 1.86mm, while the regular ballastless track has the minimum value which is about half of the corresponding value of the anti-vibration ballastless track.

ballast track; CRTSⅢ slab ballastless track; dynamics; dynamic deformation of track

2017-06-28

四川省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016GZ0333)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重大課題(2016G002-A)

閤鑫(1994—)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究，E-mail:gexin19940428@foxmail.com; 通訊作者 王開云(1974—)，男，江西萍鄉(xiāng)人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事鐵路輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)研究，E-mail:kywang@swjtu.edu.cn。

閤鑫，王開云，呂凱凱，等.高速行車條件下3種軌道結(jié)構(gòu)的輪軌動(dòng)力性能對(duì)比分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):100-104，133.

formatGE Xin, WANG Kaiyun, LYU Kaikai, et al.Contrastive Analysis of Wheel/Rail Dynamic Performance of Three Track Structures for High-Speed Railway[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):100-104，133.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.017

U271.91

A

1674-8425(2017)10-0100-05