高速行车条件下3种轨道结构的轮轨动力性能对比分析

閤 鑫，王开云，吕凯凯，杨 敏，姚 力

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031; 2.中国中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

高速行车条件下3种轨道结构的轮轨动力性能对比分析

閤 鑫1，王开云1，吕凯凯1，杨 敏1，姚 力2

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031; 2.中国中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

针对某时速400 km宽轨距高速铁路，选取了有砟轨道、减振型和非减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道3种轨道类型，基于车辆-轨道耦合动力学理论，对比分析了高速行车条件下3种轨道结构的轮轨动力性能。研究结果表明：高速列车通过3种轨道时具有良好的安全性和平稳性，轨道的动态变形满足要求；2种无砟轨道的钢轨横向振动位移基本相同，且明显小于有砟轨道的钢轨横向振动位移，减小约30%，3种轨道的轨距动态扩大量差异很小；3种轨道的钢轨垂向振动位移差异明显，减振型无砟轨道的钢轨垂向振动位移最大，最大值为1.86 mm，非减振型无砟轨道的钢轨垂向振动位移最小，仅为减振型无砟轨道位移的一半左右。

有砟轨道；CRTSⅢ型板式无砟轨道；动力学；轨道动态变形

我国积极参与设计的国外某高速铁路是欧亚高速运输走廊的重要组成部分，是我国高铁“走出去”战略迈出的重要一步。该线路具有宽轨距(1 520 mm)、超高速(400 km/h)和可实现高中速客车混跑的特点。此外，高铁线路地处高寒地区，穿越气候恶劣的西伯利亚地区，线路环境十分复杂，对轨道结构也提出了更高的要求。为了满足该地形特点，设计了3种轨道结构类型，包括有砟轨道、减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道(本文简称为减振型无砟轨道)和非减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道(本文简称为非减振型无砟轨道)。不同轨道结构对高速行车运行品质有较大的影响，高速运行条件下的轨道结构振动亦有差异。

许多学者在轨道结构对车辆适应性方面进行了研究。袁玄成等[1-2]基于车辆-轨道耦合动力学理论，研究了高速动车组与不同类型轨道结构的动力相互作用特性，并对车辆运行平稳性、行车安全性的差异进行了对比分析。GALVN P等[3]建立车辆-轨道-路基的完整有限元和边界元模型，并分析了车辆通过有砟轨道和板式无砟轨道过渡区域时系统的动力学相互作用。向俊等[4]基于不同类型无砟轨道空间振动分析模型，利用高速列车-无砟轨道系统空间振动分析理论，计算板式轨道、双块式轨道及博格板式轨道在高速列车作用下的空间振动响应，研究系统振动响应随无砟轨道类型及车速的变化规律。彭东辉等[5]基于多刚体动力学理论和有限元理论，研究了板式无砟轨道和双块式无砟轨道结构随机振动响应受车速影响的规律。罗震[6]利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA研究了客车、货车车辆与CRTSⅠ型板式无砟轨道系统的动力响应。但是目前国内外对宽轨距条件下轮轨动力性能的研究较少。

本文针对该高速铁路的有砟轨道、减振型无砟轨道和非减振型无砟轨道3种不同结构类型的轨道，考虑宽轨距特殊运用条件，基于车辆-轨道耦合动力学理论[7]，分析高速行车条件下3种轨道结构的轮轨动力性能，并比较3种宽轨距轨道的结构动态变形的差异，以期为该高速铁路轨道结构设计提供理论依据。

1 3种轨道结构类型

1.1 有砟轨道

有砟轨道主要由钢轨、轨枕、联结零件、道砟等组成，如图1所示。道砟根据铁路运量、车辆轴重、运行速度的不同选用不同材料，铁路干线一般采用碎石道砟。有砟轨道具有铺设简便、成本低、便于维修保养等优点，但有砟轨道容易产生变形，维修周期相对较短，且列车运行速度受限，在高速铁路中一般用于桥梁上的轨道铺设。

1.2 非减振型无砟轨道

CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国研发的具有完全自主知识产权的新式无砟轨道，采用带挡肩的新型单元板式无砟轨道结构设计，主要由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、隔离层、自密实混凝土层及具有限位结构的钢筋混凝土底座等部分组成，如图2所示。相比于CRTSⅡ型板式无砟轨道系统，CRTSⅢ型板式无砟轨道采用自密实混凝土层代替水泥乳化沥青砂浆材料充当填充层材料，可减少环境污染，经济性也相对较好。该型无砟轨道是目前我国高速铁路主要采用的轨道类型。

图1 有砟轨道结构

图2 非减振型无砟轨道结构

1.3 减振型无砟轨道

列车速度的提高使得振动和噪声加剧，对铁路沿线的环境产生很大影响，严重干扰沿线居民的日常生活。为此，我国在自主开发的CRTSⅢ型板式无砟轨道的基础上吸收、借鉴国外减振轨道的设计，研发出减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道。其结构如图3所示，底座板设有2个凹槽，将自密实混凝土灌注如凹槽以粘接轨道板层和底座板，减振垫层采用橡胶垫层，铺设于自密实混凝土与底座板之间，以实现减振、隔振及降噪的功能[8]。

该减振型无砟轨道已在成灌线得到应用，并取得了良好的效果。与非减振型无砟轨道相比，减振型无砟轨道的结构更加复杂，施工难度及成本较高。此外，减振垫层使轨道板和自密实混凝土层的纵向和横向稳定性降低，减振垫层橡胶的性能也容易受到气候环境的影响，因此减振型无砟轨道仅适合在有减振降噪需求的地区使用，并不适宜大规模推广。

图3 减振型无砟轨道结构示意图

2 耦合动力学分析模型

本文针对某高速铁路拟采用的3种轨道，基于车辆-轨道耦合动力学理论[7]，采用动力学仿真软件TTISIM[9]进行分析，动力学仿真分析模型如图4～6所示。

图4 车辆-有砟轨道耦合动力学模型侧视图

图5 车辆-非减振型无砟轨道耦合动力学模型侧视图

图6 车辆-减振型无砟轨道耦合动力学模型侧视图

在车辆系统模型中，将车辆视为由车体、构架及轮对构成的多刚体系统，考虑车辆系统中各刚体的横移、沉浮、点头、侧滚、摇头5个自由度[7]。

在轨道系统模型中，将钢轨视为连续弹性离散点支承基础上的无限长Euler梁，考虑钢轨的垂向、横向及扭转运动自由度，将轨枕视为刚性体，考虑其垂向、横向振动及刚体转动运动自由度[7]。

对于有砟轨道系统，将道床离散为刚性质量块，只考虑垂向运动自由度，道床块之间由剪切刚度阻尼元件相连，道床与路基之间用弹簧和阻尼元件连接。对于减振型和非减振型无砟轨道系统，将轨道板和混凝土底座垂向视为弹性基础上的弹性薄板，横向视为刚体运动，考虑其平动和转动自由度，弹性扣件、自密实混凝土层、减振层(仅减振型无砟轨道)简化为弹簧和阻尼元件，混凝土底座与路基之间用弹簧和阻尼元件连结[7]。

3 3种轨道的轮轨动力性能对比分析

分析时，选取直线和曲线2种计算工况。其中：曲线工况的曲线半径为10 000 m，超高为150 mm，缓和曲线长度为570 m，圆曲线长度为570 m。车辆运行速度为400 km/h，轨道随机不平顺的激扰模型选用中国高速铁路标准谱。

另外，选取轮轨横向力、轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数及轮重减载率等5项指标评估车辆运行安全性，选取车体横向和垂向振动加速度及平稳性指标衡量其运行平稳性；对于轨道结构，选取钢轨横向和垂向振动位移以及轨距动态扩大量对轨道结构动态变形进行评价。

由于本文研究对象为3种宽轨距轨道，国内目前尚未颁布相关标准，各项指标限值参照最新版《高速铁路设计规范》[10]和《高速铁路工程动态验收技术规范》[11]，其中高速动车组的轴重为17 t。

3.1 车辆动力学性能分析

经计算得到的2种工况下，高速列车在3种轨道上运行的安全性和平稳性评价指标如表1和表2所列。

表1 高速列车在3种轨道上运行的安全性指标

由表1中计算结果可知：在2种工况下，车辆以400 km/h速度通过3种轨道时，各项安全性指标满足要求，且具有较大安全裕度。

对于2种无砟轨道，在直线工况下，减振型无砟轨道的轮重减载率大于非减振型无砟轨道的轮重减载率，差异约为10%；在曲线工况下，2种无砟轨道的轮重减载率基本相同；对于其他安全性指标，2种无砟轨道条件下的各轮轨动力学指标差异不明显。

有砟轨道与2种无砟轨道相比，轮轨横向力和轮轴横向力十分接近，差异在3%以内。对于轮轨垂向力、脱轨系数及轮重减载率，前者均大于后者，最大差异分别为4.3%、11.1%和17.1%。

表2中计算结果表明：在直线工况下，高速列车通过3种轨道时，车体加速度指标均满足要求，平稳性指标属优级；与非减振型无砟轨道相比，有砟轨道条件下的车体横向加速度增加约10%，其他平稳性指标基本相同；对于2种无砟轨道，减振型无砟轨道的车体横向加速度和垂向加速度均大于非减振型无砟轨道的相应值，差异分别为9.3%和4%，横向平稳性指标和垂向平稳性指标差异较小。

表2 高速列车在3种轨道上运行的平稳性指标

3.2 轨道结构动态变形分析

图7(a)和(b)分别展示了在直线和曲线工况下，高速列车通过3种轨道时轨道结构动态变形的对比。

由图7可知：在直线和曲线工况下，3种轨道的轨距动态扩大量基本相同，约为0.25 mm；在同种工况下，2种无砟轨道的钢轨横向振动位移差异不大；在直线工况下，减振型和非减振型无砟轨道的钢轨横向振动位移分别为0.18 mm和0.20 mm；在曲线工况下，2种无砟轨道的相应值分别为0.22 mm和0.21 mm，2种无砟轨道的钢轨横向振动位移明显小于有砟轨道的相应值，减小约30%。

在2种工况下，3种轨道的钢轨垂向振动位移差异较为明显，减振型无砟轨道的钢轨垂向振动位移最大。在直线和曲线工况下，减振型无砟轨道的钢轨垂向振动位移分别达到1.75 mm和1.86 mm，其位移量约为非减振型无砟轨道相应值的2倍，有砟轨道钢轨垂向振动位移介于2种无砟轨道的相应值之间，在直线和曲线工况下，其位移量分别为1.42 mm和1.38 mm。

图7 3种轨道的动态变形指标对比

4 结论

1) 高速列车在3种轨道上运行时，各项行车安全性指标均小于标准限值，车体加速度指标均满足要求，平稳性指标属优级，轨道的动态变形指标符合相关标准规定。

2) 3种轨道的钢轨垂向振动位移差异较为明显，减振型无砟轨道的钢轨垂向振动位移最大，最大位移为1.86 mm，非减振型无砟轨道的钢轨垂向振动位移约为减振型无砟轨道的钢轨垂向振动位移的一半，有砟轨道的钢轨垂向振动位移介于2种无砟轨道的相应值之间；2种无砟轨道的钢轨横向振动位移差异很小，且明显小于有砟轨道的相应值，减小约30%；3种轨道的轨距动态扩大量基本相同。

[1] 袁玄成,田国英,王开云.高速列车组在不同无砟轨道结构上运行的动力学响应分析[J].西南科技大学学报,2015(4):1-4.

[2] 袁玄成.高速动车组与不同轨道结构垂向动力相互作用的比较分析[D].成都：西南交通大学,2016.

[4] 向俊,赫丹,曾京.高速列车作用下不同类型无砟轨道振动响应分析[J].机械工程学报,2010(16):29-35.

[5] 彭东辉.客货混运线路CRTSⅠ型板式无砟轨道动力学性能评价及参数研究[D].兰州：兰州交通大学,2013.

[6] 罗震.高速铁路无砟轨道结构受力及轮轨动力作用分析[D].成都：西南交通大学,2008.

[7] 翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].4版.北京:科学出版社,2015.

[8] 任娟娟，赵华卫，李潇，等.减振 CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构谐响应分析[J].铁道工程学报，2016，33(3):44-50.

[9] 王开云,翟婉明.车辆-轨道耦合动力学仿真软件TTISIM及其试验验证[J].中国铁道科学,2004(6):49-54.

[10] TB 10621—2014/J1942—2014,高速铁路设计规范[S].

[11] TB 10761—2013/J 1535—2013,高速铁路工程动态验收技术规范[S].

(责任编辑林 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

四川省科技计划资助项目(2016GZ0333)；中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题(2016G002-A)

閤鑫(1994—)，男，湖北随州人，硕士研究生，主要从事车辆系统动力学研究，E-mail:gexin19940428@foxmail.com; 通讯作者 王开云(1974—)，男，江西萍乡人，博士，研究员，博士生导师，主要从事铁路轮轨系统动力学及机车车辆动力学研究，E-mail:kywang@swjtu.edu.cn。

閤鑫，王开云，吕凯凯，等.高速行车条件下3种轨道结构的轮轨动力性能对比分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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