路基上合成轨枕有砟轨道动力学特性研究

常 征

(中联西北工程设计研究院有限公司,陕西 西安 710000)

目前，钢筋混凝土轨枕应用非常广泛。钢筋混凝土轨枕具有使用寿命长、养护工作量小等特点。但是，钢筋混凝土轨枕同时具有自重大，生产时污染环境等问题。针对这些问题，国外研究出一种新型合成轨枕。合成轨枕的主要优点是质量轻、强度高、施工方便、使用寿命长、可循环使用[1-3]。

合成轨枕在国外有砟轨道上的应用已经相当广泛，但是国内对有砟轨道上合成轨枕的研究尚不充分[4,5]，因此本文展开对路基上合成轨枕有砟轨道的研究十分必要。

本文基于有限单元法与多体动力学理论，根据合成轨枕在有砟轨道上实际应用情况建立车辆—轨道耦合动力学模型，对时速200 km/h路基上合成轨枕有砟轨道结构进行动力学计算分析，重点研究合成轨枕密度变化对系统动力学响应的影响规律[6-9]。本文对有砟轨道上合成轨枕的设计、施工以及维护有一定的指导意义。

1 车辆—轨道动力学仿真模型的建立

1.1 车辆仿真模型的建立

本文选取CRH5型列车建立车辆模型，将车辆简化为多刚体动力学模型，车辆模型由车体、转向架、轮对、一系悬挂、二系悬挂等组成。

1.2 合成轨枕仿真模型的建立

本次研究以在日本新干线广泛使用的纤维增强发泡聚氨酯(Glass Filament Foamed Urethane，简称FFU)合成轨枕为研究对象。

1.3 有砟轨道仿真模型的建立

本次研究采用ANSYS有限元软件中的三维实体单元(Solid45)来模拟有砟轨道道床与路基。

1.4 车辆—轨道耦合仿真模型的建立

为了实现多刚体车辆与柔性轨道的耦合，本次研究采用ANSYS有限元软件与SIMPACK多体动力学软件的接口程序FEMBS生成柔性体仿真时所需要的SID文件[10,11]。

2 车辆—轨道耦合动力学分析计算结果

本文建立车辆—轨道耦合动力学模型，对时速200 km/h路基上合成轨枕有砟轨道结构进行动力学计算分析，计算结果如图1，图2所示。

图1为脱轨系数时程变化曲线，通过分析计算结果可知，脱轨系数极值为0.12，满足TB/T 2360—93铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准中对脱轨系数小于0.8的要求。图2为轮重减载率时程变化曲线，通过分析计算结果可知，轮重减载率极值为0.38，满足《铁路技术管理规程》中对轮重减载率的要求。

图3为车体垂向加速度时程曲线，对计算结果进行分析得出车体垂向加速度极值为0.26 m/s2；图4为车体横向加速度时程曲线，通过分析计算结果可知车体横向加速度极值为0.15 m/s2。车辆加速度满足规范要求。

表1 系统动力学响应计算结果

我国《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》中要求轮轨垂向力极值小于170 kN，参考欧美铁路的相关试验，取横向力极值小于0.4倍的静轮载，本文静轮载为160 kN，故本文横向力极值小于64 kN，通过对表1分析可知，轮轨垂向力和横向力满足要求。

根据国外高速铁路的经验，我国提出高速铁路有砟轨道钢轨最大变形的合理范围为1.5 mm～2.5 mm，通过分析计算结果可知，本次研究钢轨垂向位移满足要求。

合成轨枕垂向位移的极值为0.88 mm，合成轨枕的垂向位移明显小于钢轨的垂向位移。

3 合成轨枕密度对系统动力学响应的影响

在研究合成轨枕密度对路基上合成轨枕有砟轨道结构的影响时，分别选取680 kg/m3,740 kg/m3,800 kg/m3,860 kg/m3四种不同合成轨枕密度，其他材料参数保持不变。

通过对图5和图6分析可知，当合成轨枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3时，脱轨系数由0.22减小到0.06；轮重减载率由0.45减小到0.33。通过分析计算结果，四种不同合成轨枕密度下的脱轨系数与轮重减载率均满足规范要求，同时脱轨系数与轮重减载率随着合成轨枕密度的增大均表现出减小的趋势，可见，增大合成轨枕密度有利于提高车辆运行的安全性。

通过对图7和图8分析可知，当合成轨枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3时，车体的垂向加速度由0.19 m/s2增加到0.35 m/s2；车体的横向加速度由0.17 m/s2减小到0.12 m/s2。通过分析计算结果可知，随着合成轨枕密度的增大，车体垂向加速度呈现出增大的趋势，而车体横向加速度呈现出减小的趋势。

通过对图9和图10分析可知，当合成轨枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3时，轮轨垂向力由79.56 kN变化到78.96 kN；轮轨横向力由7.05 kN减小到3.26 kN。可见，轨枕密度的增大，轮轨垂向力变化不明显，轮轨横向力有明显降低。

通过对图11和图12分析可知，当合成轨枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3时，钢轨垂向位移由1.66 mm减小到1.61 mm；合成轨枕垂向位移基本不变。

通过对图13和图14分析可知，当合成轨枕密度由680 kg/m3增大到860 kg/m3时，钢轨的垂向加速度由610.23 m/s2增加到880.85 m/s2；合成轨枕的垂向加速度由239.14 m/s2减小到100.89 m/s2。故增大合成轨枕密度能够使钢轨垂向加速度增大，合成轨枕垂向加速度减小。

4 结语

本文建立了车辆—轨道耦合动力学模型，对时速200 km/h工况下路基上合成轨枕有砟轨道结构进行动力学计算分析，重点研究了合成轨枕密度的变化对车辆—轨道耦合系统动力学响应的影响规律，得出以下结论：

1)在200 km/h工况下计算得出的脱轨系数、轮重减载率、钢轨垂向加速度及垂向位移、合成轨枕垂向加速度及垂向位移等均在合理区间，故本文建立的车辆—轨道耦合动力学模型是正确的，能够用于路基上合成轨枕有砟轨道结构的模拟计算。

2)当合成轨枕密度增大时，车体的垂向加速度增大，而车体横向加速度减小。

3)当合成轨枕密度增大时，轮轨垂向力变化不大，轮轨横向力显著减小。可见，增大合成轨枕密度能够增强轨道结构的稳定性。

4)当合成轨枕密度增大时，钢轨的垂向位移变化不大，垂向加速度显著增大。

5)当合成轨枕密度增大时，合成轨枕的垂向位移变化不大，垂向加速度显著减小。

6)当合成轨枕密度增大时，脱轨系数和轮重减载率显著减小。为了保证有砟轨道结构的稳定性以及安全性，同时考虑到合成轨枕的经济性，可以适当增加合成轨枕的密度。