垂向冲击条件下铁路路基的响应及优化

吴卫民,马大为,朱忠领,姚 琳

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

垂向冲击条件下铁路路基的响应及优化

吴卫民,马大为,朱忠领,姚 琳

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

针对垂向冲击载荷对铁路路基产生较大影响的问题，提出将转向架的二系悬挂用空气弹簧代替，并且在液压支腿的辅助下实现混合支撑的方案。基于拉丁超立方试验设计方法以及响应面(RSM)的建模方法，建立具有塑性应变损伤本构关系的铁路路基近似模型，分析垂向冲击载荷对铁路路基动态位移响应的影响。通过仿真分析结果表明，在受到垂向冲击载荷时混合支撑方式可以有效地减少对铁路路基的影响，并且空气弹簧的使用可以提高重载货车行驶的稳定性。

垂向冲击载荷；铁路路基响应；混合支撑；空气弹簧

近年来，随着我国铁路高速的发展，尤其是高铁实现了四纵四横，铁路的安全问题更为突出。如果重载货车受到垂向强冲击载荷，由于铁路路基具有较高的应变率，将会产生较大的变形，铁路路基内部的相互挤压产生的应力作用使得各个材料产生不同程度的破坏，对铁路安全埋下隐患[1]。目前我国研究的路基垂向载荷主要和轮轨冲击力有关，如列车速度、轨道不平顺等。贾晋中等[2]研究了重载铁路路基动载荷特性。

为了减轻当重载货车受到垂向冲击载荷时对铁路路基的影响，采用在液压支腿的辅助下，转向架与液压支腿混合支撑的方案。结合目前公路场坪研究的进展，研究方法主要为显式动态计算[3]，这种方法建模难度较大，计算消耗时间较长。

1 模型的建立

目前在我国最常用的重载货车转向架为ZK6型转向架，一系悬挂和二系悬挂系统都是通过弹簧实现的，其三维示意图如图1所示。

图1 ZK6转向架

1.1 铁路路基模型的建立

路基从上往下依次为铁轨、轨枕、道床、基床表层、基床底层、基床以下路堤和地基。随机性和非线性是其受力的基本特征，若采用线弹性模型则难以满足其计算要求。当处于动态响应时为提高其计算精度和效率，各层之间采用连续的形式进行模拟，而非连续层之间的力学特性则不予考虑。根据重载设计规范[4]得知路基各层材料的参数如表1所示。

表1 各层材料的物理力学参数

由于模型比较复杂，近似模型正确建立可以提高计算精度和减少计算时间，选择路基位移响应的位移峰值作为所建立的近似模型的输出参数。为了在较短的计算时间内得到更精确的近似模型，在建立近似模型前，先采用拉丁超立方设计方法对数据进行采样。由于重载货车存在自身的质量，使得铁路路基受到稳态的载荷，故应给予初始应力场，并在此基础上对重载货车受到垂向冲击载荷对路基进行动态的仿真。路基模型如图2所示。

图2 货车及路基模型

1.2 对路基的影响

当重载货车受到垂向冲击载荷时，货车处于停止状态，所以重载货车只受到了垂向的冲击，而且重载货车直接作用在轨道上，其受力示意图如图3所示。

图3 受垂向冲击示意图

通过有限元仿真分析得知，当受到垂向冲击时，对钢轨产生较大的变形，其结果如图4、图5所示。

图4 第一组转向架处位移响应

图5 第二组转向架处位移响应

通过位移响应得知，受到垂向冲击载荷时，由于货车对钢轨作用力，使得钢轨有较大的变形，对路线上货车的运行安全埋下隐患。

2 优化

为了减轻对钢轨和铁路路基的影响，以及确保行驶的安全，可以在货车受到垂向冲击时改变支撑方式，其中可行性最高的为混合支撑方式。

混合支撑是指在货车底架增加液压支腿，在货车运行时收起液压支腿不影响货车运行；在受到垂向冲击载荷时将液压支腿支撑在道床上，同时调整转向架的刚度，使转向架和液压支腿共同支撑。但是由于ZK6型转向架的刚度不可调节，而空气弹簧的刚度与载荷成正比[5]，即载荷越大，其刚度也越大。故此将转向架的二系悬挂用刚度可调节的空气弹簧代替。其示意图如图6、图7所示。

图6 行驶时的示意图

2.1 空气弹簧垂向刚度理论计算

根据气体动力学可知[6]：

(1)

式中：W为外加载荷；F为空气弹簧有效承载面积；Po为空气弹簧在设计位置时的内压力；Pa为大气压力；Vo为空气弹簧在设计位置时的容积；m为多变指数；V为空气弹簧高度变化x后的容积；空气弹簧计算垂向刚度为

(2)

(3)

空气弹簧的垂向刚度[7]是计算垂向刚度和橡胶垂向刚度的总和。即

KC=KCJ+KCX

(4)

式中：KC是空气弹簧的垂直刚度；KCX是橡胶囊的垂直刚度。由式(3)和式(4)可得出：

(5)

图7 混合支撑示意图

2.2 空气弹簧模型的建立

根据吴兴文等[8]以及高红星等人对空气弹簧模型的研究[9]可知，当列车在直线上行驶时应该优先使用空气弹簧的线性模型。由气体多变方程得出节流孔及管路气体质量流量线性化方程，略去高阶无穷小量。空气弹簧的线性模型[10]如图8所示。

图8 空气弹簧线性模型

图8中各刚度值和阻尼值计算如下

(6)

式(6)中：k1是空气弹簧本体刚度；k2是附加空气室刚度；k3是有效面积变化率刚度；k4是串联橡胶堆的垂向刚度，与使用的材料有关，由材料特性决定；d2是节流孔或者连接管路的等效阻尼；d3是空气弹簧本体的橡胶阻尼；d4是串联橡胶堆的垂向阻尼；z0是空气弹簧总的变形量；z1是附加室气体变形与串联橡胶堆的变形之和；z2是串联橡胶堆的变形量。

3 软件仿真结果

通过动力学软件Simpack和有限元软件Abaqus仿真得出空气弹簧在货车行驶和受冲击载荷时对货车和路基的影响。

3.1 动力学仿真

当重载货车在轨道普等级为AAR5，并且以80 km/h的速度在直线上行驶，通过Matlab与Simpack联合仿真[11]，流程如图9所示。

图9 动力学仿真流程

SIMPACK动力学仿真得出，安装空气弹簧对行驶安全没有影响，而且其轮轨的垂向力和垂向加速度的峰值均有所减少，对行驶的稳定性有一定的提高，结果如图10所示。

3.2 有限元分析结果

当重载货车受到垂向冲击时，货车处于停止状态，辅助液压支腿支撑到道床上实现混合支撑。通过Abaqus与Matlabe联合仿真[12]得出对轨道和道床及以下路基的影响，转向架处的位移响应结果如图11、图12所示；路基的最大下沉量如图13所示。

通过纵向分析对比可知，在转向架处钢轨的位移响应明显降低并且路基的最大下沉量也有所降低。通过横向对比分析可知，在混合支撑方式下，路基的下沉量大于转向架处钢轨的下沉量。对受到垂向冲击时路基的响应有一定的优化。

图10 动力学仿真

图11 第一组转向架处位移响应

图12 第二组转向架处位移响应

图13 路基最大下沉量

4 结论

1) 垂向冲击对铁路路基有较大的影响，对行驶安全产生隐患；

2) 为了减少对铁路路基的影响，将空气弹簧运用到转向架二系悬挂系统。在受到垂向冲击时，调节空气弹簧刚度，在液压支腿的辅助下实现混合支撑；

3) 通过对比可以得知:在受到垂向冲击时，使用空气弹簧的转向架位移响应小于ZK6转向架的位移响应，并且第一组转向架处位移响应大于第二组转向架处位移响应。

[1] 贾晋中.重载铁路路基动载荷特征[J].铁道建筑,2014(7):89-91.

[2] 刘青春.CRTS-Ⅲ型无砟轨道的垂向动力学分析[D].兰州:兰州交通大学,2012.

[3] 江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4] TB 10625—2017,重载铁路设计规范[S].

[5] 李芾，付茂海.车辆空气弹簧动力学参数特性研究[J].中国铁道科学,2003,24(5):91-95.

[6] 戚壮,李芾,黄运华,等.基于AMESIM平台的轨道车辆空气弹簧系统气动力学仿真模型研究[J]．中国铁道科学，2013,34(3):79-86.

[7] 周永清,朱思洪.带附加空气室空气弹簧动态特性的试验研究[J].机械强度,2006,28(1):12-15.

[8] 吴兴文，池茂儒,朱旻昊.空气弹簧模型对铁道车辆动力学性能的影响[J].交通运输工程报,2013,13(2):54-59.

[9] 高红星,池茂儒.空气弹簧模型研究[J].机械工程学报，2015，51(4)：108-115.

[10] 罗仁,曾京,邬平波.空气弹簧对车辆曲线通过性能的影响[J].交通运输工程学报,2007,7(5):15-18.

[11] LIUH,LEEJC.Model development and experimental researchonan air spring with auxiliary reservior[J].Internstional Journal of Automotive Technology,2011,12(6):839-847.

[12] 甘亮亮.某重型卡用膜式空气弹簧刚度特性有限元仿真及实验研究[D].长沙：湖南大学，2011.

(责任编辑唐定国)

TheResponseandOptimizationofSubgradeUndertheVerticalImpactCondition

WU Weimin, MA Dawei, ZHU Zhongling, YAO Lin

(School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)

In view of the great influence of vertical impact load on the railway subgrade, the suspension of the two frame of the bogie is replaced by air spring, and the hybrid support scheme is realized under the assistance of the hydraulic support leg. Based on the method of Latin hypercube design and response surface model (RSM), the railway roadbed approximation model with plastic strain damage constitutive relation is established. Using the model, the influence of vertical impact load on the dynamic displacement response of railway subgrade is analyzed. The simulation results show that under vertical impact load when the mixed support can effectively reduce the influence to railway subgrade, and the use of air spring can improve the stability of heavy truck.

vertical impact load; subgrade response; hybrid support; air spring

2017-07-04；

2017-07-30

国家国防科技工业局技术基础科研项目“铁路机动安全评估技术”(B2620116005)

吴卫民(1991—)，男，硕士研究生、主要从事强冲击条件下货车动力学响应及优化研究； 马大为(1953—)，男，教授，博士生导师，主要从事发射系统控制与仿真技术研究。

机械制造与检测技术

10.11809/scbgxb2017.11.032

本文引用格式：吴卫民,马大为,朱忠领，等.垂向冲击条件下铁路路基的响应及优化[J].兵器装备工程学报，2017(11):146-150.

formatWU Weimin, MA Dawei, ZHU Zhongling, et al.The Response and Optimization of Subgrade Under the Vertical Impact Condition[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):146-150.

TH226

A

2096-2304(2017)11-0146-05