賈昕昱 黎國(guó)清 劉秀波
(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所,北京100081)
鋼軌波磨是一種發(fā)生在鋼軌頂面的短波周期性不平順,廣泛存在于高速、普速、重載鐵路以及城市軌道交通中。鋼軌波磨會(huì)加劇車(chē)輛振動(dòng)和輪軌噪聲,影響乘坐舒適性,甚至?xí)绊懶熊?chē)安全性[1-2]。
關(guān)于鋼軌波磨特性的研究大多采用試驗(yàn)、仿真分析等方法。陳迅等[3]研究了地鐵線(xiàn)路中鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛振動(dòng)響應(yīng)的影響,認(rèn)為垂向舒適度指標(biāo)不適合用于評(píng)價(jià)鋼軌波磨,應(yīng)提出一個(gè)更加綜合的評(píng)價(jià)指標(biāo)。劉玉濤[4]研究了鋼軌波磨對(duì)扣件彈條的影響,分析了不同情況下彈條的受力及疲勞斷裂情況。于淼[5]利用有限元模型分析了車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn)軌道時(shí)鋼軌波磨對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響。
本文利用ANSYS/LSDYNA軟件建立了高速鐵路輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型,計(jì)算分析鋼軌波磨對(duì)不同車(chē)速、不同輪軌摩擦因數(shù)條件下的輪軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響,為評(píng)價(jià)鋼軌波磨提供參考。
選用中國(guó)某高速鐵路的真實(shí)車(chē)輪及軌道參數(shù),車(chē)輪踏面為L(zhǎng)MA型,車(chē)輪直徑860 mm;鋼軌采用60 kg/m軌,軌底坡設(shè)置為1/40。
建模時(shí)主要考慮高頻振動(dòng),而一系懸掛以上車(chē)輛部分的振動(dòng)特性對(duì)輪軌高頻振動(dòng)影響很小,因此對(duì)一系懸掛以上部分進(jìn)行簡(jiǎn)化,將車(chē)體、構(gòu)架等簡(jiǎn)化為1個(gè)質(zhì)量塊。
建立由質(zhì)量塊、一系懸掛、輪對(duì)、鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層組成的輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)有限元模型。模型網(wǎng)格劃分時(shí)采用粗、細(xì)網(wǎng)格相結(jié)合方式,以保證計(jì)算精度和準(zhǔn)確性[6-7]。輪軌接觸區(qū)鋼軌和車(chē)輪踏面采用細(xì)網(wǎng)格,遠(yuǎn)離接觸區(qū)的網(wǎng)格劃分相對(duì)粗一些。列車(chē)運(yùn)行時(shí)輪對(duì)橫向擺動(dòng)波長(zhǎng)較長(zhǎng),而模型長(zhǎng)度較短,因此不考慮車(chē)輪的橫向位移影響。為減少單元數(shù)量,提高運(yùn)算效率,選取車(chē)輪及軌道的一半進(jìn)行分析,如圖1(a)所示。高速鐵路中鋼軌波磨的波長(zhǎng)通常集中于70~160 mm,波深0.02~0.06 mm。選取長(zhǎng)度為1 m、波長(zhǎng)為100 mm、波深為0.02 mm的波磨區(qū)段的簡(jiǎn)諧波磨施加到鋼軌頂面,如圖1(b)所示。
圖1 有限元模型
模型中,質(zhì)量塊的質(zhì)量取為7 000 kg;一系懸掛和扣件的剛度分別取為0.88,22.00 MN/m,阻尼分別取為4,200 kN?s/m。扣件間距0.65 m。其他主要參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 有限元模型主要參數(shù)
該模型的計(jì)算過(guò)程可以分為3個(gè)步驟:
1)應(yīng)力初始化。采用隱式求解方法,計(jì)算車(chē)輪靜置在軌道上時(shí)輪軌系統(tǒng)在重力作用下的位移。
2)動(dòng)態(tài)松弛。將求得的位移場(chǎng)施加到相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上作為初始變形;同時(shí)在時(shí)間t=0時(shí)將平移速度和旋轉(zhuǎn)速度施加到車(chē)輪上作為初始條件。
3)計(jì)算求解。計(jì)算不同條件下車(chē)輪滾過(guò)求解區(qū)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng),包括輪軌垂向力及輪軌縱向力。
計(jì)算車(chē)輪分別以速度v=200,250,300,350 km/h通過(guò)沒(méi)有波磨的鋼軌平順區(qū)段以及存在波磨的不平順區(qū)段時(shí)的輪軌垂向力和縱向力,研究不同車(chē)速下鋼軌波磨對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響。
車(chē)輪以不同速度通過(guò)沒(méi)有波磨的鋼軌平順區(qū)段時(shí)的輪軌垂向力見(jiàn)圖2??芍涸诔跏茧A段,各速度級(jí)下的輪軌垂向力均存在高頻振蕩,而且速度越高振幅越大;隨著時(shí)間的推移,振蕩逐漸收斂,速度越高的收斂越慢;最終各速度級(jí)下的輪軌垂向力均進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),說(shuō)明此時(shí)輪軌系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)狀態(tài)。
圖2 車(chē)輪以不同速度通過(guò)鋼軌平順區(qū)段時(shí)的輪軌垂向力
進(jìn)入穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)狀態(tài)后,各速度級(jí)下輪軌垂向力的高頻振動(dòng)幅值均保持在較小范圍,此時(shí)可以進(jìn)行車(chē)輪進(jìn)入鋼軌波磨區(qū)段的振動(dòng)響應(yīng)分析。
車(chē)輪以不同速度通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí)的輪軌垂向力見(jiàn)圖3??芍狠嗆壌瓜蛄Φ牟ㄩL(zhǎng)與波磨的波長(zhǎng)基本一致,輪軌垂向力的波形比波磨的波形有微小的超前,這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)果基本一致;輪軌垂向力的峰值隨車(chē)速的增加而增大;輪軌垂向力的峰值在扣件附近為最大(對(duì)應(yīng)里程約1.95 m),在兩軌枕跨中附近最?。▽?duì)應(yīng)里程約1.65,2.25 m),且車(chē)速越高扣件對(duì)輪軌垂向力的影響越大。
圖3 車(chē)輪以不同速度通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí)的輪軌垂向力
各速度級(jí)下車(chē)輪通過(guò)波磨波峰時(shí)的輪軌垂向力峰值見(jiàn)圖4??芍簐=200 km/h時(shí),扣件對(duì)輪軌垂向力的影響較小,扣件處的輪軌垂向力僅比兩軌枕跨中大2.7 kN;v=350 km/h時(shí),扣件對(duì)輪軌垂向力的影響較大,扣件處的輪軌垂向力比兩軌枕跨中大14.1 kN。因此,車(chē)速較大時(shí)須關(guān)注扣件附近的受力狀態(tài)。
圖4 車(chē)輪以不同速度通過(guò)波磨波峰時(shí)的輪軌垂向力峰值
選取與原波磨幅值及頻率均相同但相位相反的新波磨,計(jì)算車(chē)輪以v=300 km/h通過(guò)波磨區(qū)段時(shí)的輪軌垂向力,并與原波磨下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖5??芍?,在2種相反相位的波磨下,輪軌垂向力的峰值均發(fā)生在扣件附近處。說(shuō)明波磨的相位布置對(duì)計(jì)算結(jié)果不產(chǎn)生影響。
圖5 波磨的相位對(duì)輪軌垂向力的影響
對(duì)車(chē)輛經(jīng)過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí)的輪軌垂向力進(jìn)行時(shí)頻分析,其中頻率為200~2 000 Hz的時(shí)頻圖像見(jiàn)圖6,圖中顏色越亮振動(dòng)能量越大??芍瑅=200,250,300,350 km/h時(shí),振動(dòng)能量最大點(diǎn)均發(fā)生在扣件附近。因此,當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)扣件時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)能量,加速扣件的疲勞斷裂。
圖6 不同速度級(jí)下輪軌垂向力振動(dòng)能量時(shí)頻圖像
車(chē)輪以不同速度通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí)的輪軌縱向力見(jiàn)圖7??芍?,輪軌縱向力的特征與垂向力相似,其振幅峰值均隨速度增加而增大,且在扣件處達(dá)到最大。
圖7 車(chē)輪以不同速度通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí)的輪軌縱向力
輪軌摩擦因數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致輪軌間的作用力發(fā)生變化。分別取輪軌摩擦因數(shù)λ=0.3,0.4,0.5,計(jì)算車(chē)輪以300 km/h的速度通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí)的輪軌作用力及振動(dòng)加速度,見(jiàn)圖8。
圖8 不同輪軌摩擦因數(shù)下波磨對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響
由圖8(a)可知:①當(dāng)輪軌摩擦因數(shù)由0.3增至0.5時(shí),輪軌縱向力的振動(dòng)峰值由25.13 kN增至41.31 kN。說(shuō)明輪軌摩擦因數(shù)對(duì)輪軌縱向力有較大的影響。②輪軌縱向力的波形與波磨的波形基本一致。波磨波峰處的輪軌縱向力大,導(dǎo)致的磨損也大;波磨波谷處的輪軌縱向力小,導(dǎo)致的磨損也小。波峰的磨耗大于波谷的磨耗,使得波磨逐漸趨于穩(wěn)定而不會(huì)無(wú)限制地發(fā)展。說(shuō)明波磨區(qū)段的輪軌縱向力對(duì)波磨有一定的抑制作用。
由圖8(b)和圖8(c)可知,當(dāng)摩擦因數(shù)改變時(shí),輪軌垂向力及車(chē)輪軸端垂向加速度的變化都非常小。因此摩擦因數(shù)對(duì)輪軌垂向的影響可以忽略。
為分析高速鐵路中的波磨現(xiàn)象,本文建立了瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型,研究了不同條件下鋼軌波磨對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響。得到以下結(jié)論:
1)車(chē)輪通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí),輪軌作用力(垂向力和縱向力)的波長(zhǎng)與波磨的波長(zhǎng)基本一致,且輪軌作用力隨車(chē)速的增加而增大。
2)車(chē)輪通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí),輪軌作用力在扣件附近最大,在兩軌枕跨中附近最?。卉?chē)速對(duì)扣件附近輪軌作用力的影響要大于兩軌枕跨中附近,車(chē)速越高扣件對(duì)輪軌作用力的影響越大;更高的車(chē)速使扣件處的振動(dòng)能量增大,加速了扣件的疲勞斷裂。
3)輪軌縱向力在波磨的波峰處最大,波谷處最小,且波峰的磨耗大于波谷的磨耗,這使得波磨逐漸趨于穩(wěn)定而不會(huì)無(wú)限發(fā)展。
4)摩擦因數(shù)由0.3增加至0.5,輪軌縱向力隨之增大;摩擦因數(shù)的改變對(duì)輪軌垂向力及車(chē)輪垂向加速度的影響很小,可以忽略。