高铁扣件弹性垫板更换对列车运行平稳性的影响

崔树坤 张欢 闫子权 孙林林 左浩 姜智瀚

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081； 2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司， 北京 102206；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081；4.中国铁路兰州局集团有限公司， 兰州 730030

扣件弹性垫板是高速铁路无砟轨道结构中弹性的主要来源。随着服役时间的延长，在疲劳荷载与自然环境的影响下，扣件弹性垫板逐渐老化，主要表现为厚度减小和刚度增大。相关研究人员对典型线路扣件弹性垫板刚度变化情况开展了调研，海南东环铁路使用的WJ7‑B 型弹性垫板服役8 年后，静刚度由25 ± 5 kN/mm增至48.5 kN/mm［1］；兰新高速铁路使用的WJ8‑B型弹性垫板服役7年后，静刚度由23 ± 3 kN/mm增至34.5 kN/mm［2］。

扣件弹性垫板刚度增大对轨道结构强度、稳定性和轨道系统振动特性均有一定的影响。研究表明，随着扣件刚度增大，轮轨动力作用和扣件支点反力相应增大［3］，轨道板、支承层等轨道结构部件的瞬态应力同样有较大提高［4］。此外，当轨道刚度更高时，钢轨踏面粗糙度的发展速度明显加快［5-6］，并会诱导更严重的车轮磨耗和低阶车轮多边形［7-8］。为保证轨道结构的长期服役性能和列车运行的安全性，减缓钢轨及车轮的磨耗速率，须定期对静刚度过高的扣件弹性垫板进行更换。在研究扣件刚度对枕上压力、行车舒适性和轨道结构冲击疲劳性能影响的基础上，有关学者建议将高铁无砟轨道结构扣件弹性垫板静刚度失效限值定为60 kN/mm［9］。

在扣件弹性垫板大修更换过程中，由于天窗时间限制，每天更换的区间长度有限。在新旧垫板的交接处会出现轨道刚度的突变，并呈现高刚度-低刚度-高刚度的变化模式，影响第二天线路的正常运营。当个别扣件节点失去弹性时，会造成车辆的轮重减载率超标，从而影响行车安全性［10］。目前尚缺乏关于长区段更换垫板时刚度过渡方式及其影响方面的研究。

因此，本文研究线路常规不平顺条件下垫板刚度突变、垫板更换长度和刚度过渡模式对列车运行的影响，并对比分析曲线地段、钢轨接头地段等特殊条件下刚度突变的影响差异，为提出更加理想的扣件弹性垫板更换措施提供技术支撑。

1 仿真分析模型及参数

1.1 仿真分析模型

京广高铁石家庄—武汉区段已开通运营10年，配套使用WJ‑8 型扣件，个别垫板静刚度增至40 kN/mm左右，增幅较为显著，故以此作为扣件弹性垫板更换对列车平稳性影响的研究对象。采用左右股钢轨的高低及水平随机不平顺实测数据作为线路的平顺性状态输入，可表征轨道的轨距、轨向、高低和侧滚平顺性特征。左股钢轨的轨道高低及水平不平顺见图1。基于CR400AF 型车和CRTSⅡ型无砟轨道结构的设计参数和尺寸，建立车辆-轨道耦合动力学仿真分析模型［11-12］，见图2。轨道及车体系统的主要参数见表1。

表1 车辆及轨道系统主要参数

图1 轨道高低及水平不平顺

图2 车辆-轨道耦合动力学模型

轨道模型采用钢轨-轨道板-路基三层结构。将钢轨视为点支承Timoshenko 梁，轨道板视为弹性薄板，二者均为柔性体，计算中考虑其沿长度方向的扭转弯曲以及沿横向和垂向的弯曲振动模态特征。扣件系统简化为弹性阻尼元件；砂浆层简化为分布弹簧。

车辆模型中车体、转向架构架、轴箱和轮对均简化为刚体，一系和二系悬挂系统中减振器采用弹簧与黏壶串联的Maxwell 模型模拟，钢簧、空气弹簧等采用弹簧与黏壶并联的Kelvin 模型模拟。车轮踏面为LMA 型，钢轨廓形为60N；轮轨接触模型基于赫兹接触理论，并使用线性弹簧模拟。

1.2 扣件刚度取值

为模拟老化后更高刚度的扣件弹性垫板，选用与WJ8‑B 型弹性垫板相同的材料，通过调整聚氨酯材料发泡率，定制了静刚度分别为23、45、60 kN/mm的三种垫板［9，13］，分别表征初始新垫板、老化中垫板和面临失效垫板的刚度情况。

扣件系统组装刚度由弹性垫板刚度、弹条扣压刚度和零部件匹配摩擦三部分组成。为准确描述弹性垫板刚度增大时扣件系统组装刚度的变化情况和非线性特征［14］，采用试验手段测试标准安装状态下扣件系统的组装静刚度和4 Hz 低频动刚度［15］。WJ‑8 型扣件匹配不同刚度弹性垫板时，荷载-位移曲线见图3。

图3 扣件匹配不同刚度弹性垫板时荷载-位移曲线

由图3 可知：不同垫板刚度对应的扣件低频动刚度与静刚度差异显著，且呈现出一定程度的非线性特征。在列车运行过程中，扣件系统刚度主要表现为组装低频动刚度。因此，将图3（b）的荷载-位移曲线输入车辆-轨道耦合动力学模型，作为扣件组装综合刚度。

1.3 计算工况

为了评估不同线路条件、垫板更换区间长度和垫板刚度过渡模式下高速铁路扣件弹性垫板更换对列车运行平稳性的影响，并给出扣件弹性垫板的合理更换模式，设置3 种计算工况。各工况中列车运行速度均取350 km/h，更换前垫板静刚度为60 kN/mm，更换的新垫板静刚度为23 kN/mm。

1）线路条件工况

分析变量为线路条件，未设置垫板刚度过渡。线路条件分别为直线区段、曲线区段及钢轨接头处。

根据现场资料，1个天窗有10人参与作业，即可完成100 m 区间的垫板更换，因此垫板更换区间长度取100 m，并与未更换垫板时进行对比。

曲线区段线路参数根据TB 10098—2017《铁路线路设计规范》［16］选取，曲线半径取7000 m（一般地段的最小值），缓和曲线长550 m，圆曲线长度500 m，设计超高175 mm。

钢轨接头处是轨道系统典型的薄弱环节之一［17］，计算时采用现场实测接头不平顺（图4），并与线路常规高低不平顺叠加，计算分析钢轨接头位于垫板更换区间终点时对列车运行平稳性的影响。

图4 实测钢轨接头不平顺

2）垫板更换区间长度工况

分析变量为垫板更换区间长度。垫板更换区间长度分别取25、50、75、100 m，并与未更换垫板时进行对比。线路条件为直线区段；未设置垫板刚度过渡。

3）垫板刚度过渡模式工况

分析变量为垫板刚度过渡模式。在末端设置长度分别为25、50、75 m 的过渡垫板，其静刚度均设置为45 kN/mm，从而实现扣件弹性垫板更换的23 kN/mm→45 kN/mm→60 kN/mm 三级刚度过渡模式，并与未设置刚度过渡时进行对比。线路条件为直线区段；垫板更换区间长度500 m。

2 线路条件的影响

2.1 直线区段

直线区段扣件弹性垫板更换前后，列车运行通过该区段时，轮轨力、车体加速度和钢轨垂向位移的时程曲线见图5。列车驶出垫板更换区后10 m 范围内，轮轨动力作用显著增强，将该区间定义为垫板更换区后的不稳定区。垫板更换前后，列车通过垫板更换区和不稳定区时各项轮轨动力学指标的最大值见表2。

表2 直线区段垫板更换前后轮轨动力学指标最大值

图5 直线区段垫板更换前后轮轨动力学指标时程曲线

由图5和表2可知：

1）列车进入垫板更换区后，轮轨垂向力最大值由99.8 kN减至85.3 kN，减小14.5%；轮轨横向力最大值由3.1 kN 减至2.6 kN，减小16.0%；轮重减载率最大值由0.178 减至0.158，减小11.2%；钢轨垂向位移最大值由0.54 mm 增至1.10 mm，增大103.7%。可见，更换低刚度的垫板有利于降低轮轨动力作用，同时增大了钢轨的垂向位移，但仍在钢轨垂向位移2.0 mm限值内［17］。车体垂向和横向加速度相应有一定增大趋势，但在悬挂系统的减振作用下变化幅度较小。

2）列车驶出垫板更换区进入不稳定区后，轮轨力、脱轨系数、轮重减载率、车体加速度等各项指标均呈现增大趋势，其中轮重减载率最大值由0.038 增至0.393，增幅高达124.6%，但仍低于限值0.8，可保证列车运营的安全性［18］。轮轨垂向力和横向力最大值的增幅分别为12.6%和19.5%，较为显著。车体垂向和横向加速度最大值的增幅分别为3.8%和5.2%，影响相对较小。

因此，直线区段更换低刚度的扣件弹性垫板尽管会增大钢轨垂向位移，但有利于降低轮轨动力作用，提高列车运行稳定性。虽然在尚未更换垫板区域存在10 m 长的不稳定区会造成安全性指标的增大，但列车仍可保持安全稳定运行。

2.2 曲线区段垫板更换

在半径7000 m 的曲线区段更换扣件弹性垫板，列车通过时的轮轨力和钢轨垂向位移见图6。垫板更换前后，列车通过垫板更换区和不稳定区时各项轮轨动力学指标的最大值见表3。

表3 曲线区段垫板更换前后轮轨动力学指标最大值

图6 曲线区段垫板更换前后轮轨动力学指标时程曲线

由图6和表3可知：

1）曲线区段更换垫板后轮轨力变化规律与直线区段基本一致，更换垫板区的轮轨力和安全性指标明显小于原始垫板区；轮轨垂向力最大值由116.4 kN 减至106.8 kN，减小8.2%；轮轨横向力最大值由6.7 kN减至5.8 kN，减小13.1%；轮重减载率最大值由0.377减至0.239，减小36.6%；钢轨垂向位移最大值由0.64 mm 增至1.17 mm，增大82.8%。可见，曲线区段更换低刚度的垫板有利于降低轮轨动力作用，同时增大了钢轨的垂向位移，车体垂向和横向加速度变化率相对较小，与直线区段的变化规律一致。

2）列车驶出更换垫板区后存在长度约10 m 的不稳定区，在该区域内，轮重减载率由0.277增至0.327，增幅为18.1%；车体垂向加速度由0.137 m/s2增至0.155 m/s2，增幅为13.1%；轮轨力等其他指标的变化不明显。

因此，曲线区段更换扣件弹性垫板同样有利于降低轮轨动力作用，提高列车运行稳定性。当列车驶出垫板更换区后进入不稳定区时，个别列车运行稳定性指标有所增大，但仍在限值要求范围内，列车可安全稳定运行。

2.3 钢轨接头区段垫板更换

钢轨接头作为轨道常规不平顺形式，会造成轮轨动力作用增大，从而干扰列车运行的平稳性。尤其是当钢轨接头位于更换垫板区后的不稳定区内时，二者的影响会产生叠加效应。

更换长度100 m 扣件弹性垫板后，计算不稳定区内存在钢轨接头时的轮轨力和车体加速度，并与不存在钢轨接头的结果进行对比，见图7。不稳定区内有钢轨接头的情况下，垫板更换前后，列车通过不稳定区时各项动力学指标的最大值见表4。

表4 垫板更换前后列车通过有钢轨接头的不稳定区时各项动力学指标最大值

图7 不稳定区有无钢轨接头时轮轨动力学指标时程曲线

由图7 和表4 可知：不稳定区存在钢轨接头时，轮轨动力作用急剧增大，轮轨垂向力最大值由104.7 kN增至134.9 kN，增幅为28.8%；轮轨横向力最大值由2.7 kN 增至4.1 kN，增幅为51.9%；脱轨系数最大值由0.038增至0.086，增幅为126.3%；轮重减载率最大值由0.393增至0.944，增幅为140.2%；轮轴横向力最大值由4.5 kN 增至6.7 kN，增幅为48.9%。其中，轮重减载率达到了0.944，高于标准限值（0.8），列车运行存在安全风险。车体垂向和横向加速度由于列车悬挂系统的作用，受钢轨接头的影响相对较小。

因此，为保证更换扣件弹性垫板过程中列车的安全平稳运行，应避免在更换垫板区末端后10 m 范围内存在钢轨接头。

3 垫板更换区段长度

由于天窗时间限制，垫板每日更换数量有限。为避免更换区间长度过短造成行车状态不稳定，对比更换长度25、50、75、100 m 时列车运行平稳性的差异。计算时，更换区间均以105 m位置（参见图1）为起点。

对列车通过垫板更换区及不稳定区的轮轨动力作用、安全性及舒适性指标进行统计，得到各指标的最大值和上90%分位数，见图8。最大值主要反映列车在不稳定区的运行状态，上90%分位数则反映各指标的总体分布特征。

图8 不同垫板更换长度时列车平稳性指标统计值

由图8可知，随着垫板更换区间的增长，轮轨动力作用、脱轨系数、轮重减载率等安全性指标的最大值上下浮动，而上90%分位数基本维持恒定。车体垂向及横向加速度最大值和上90%分位数均无明显波动。这说明列车在不稳定区的运行状态仅与该区间的随机不平顺相关，与垫板更换区间长度无显著的相关性，各项指标总体分布特征基本维持恒定。因此垫板更换区间长于25 m 时，更换长度对列车运行平稳性无明显影响，工务部门可根据实际情况安排扣件弹性垫板的更换速度。

4 垫板刚度三级过渡模式

为实现垫板大修更换时刚度的平稳过渡，参照路桥过渡段的处理方式，可设置静刚度为45 kN/m 的过渡垫板，作为新旧垫板之间的缓冲区［19］。考虑到列车进入垫板更换区时可实现平稳运行，仅在驶出时存在长度约10 m 的不稳定区，因此只在垫板更换区末端布置刚度过渡垫板。

计算过渡区长度分别为25、50、75 m 时轮轨力、脱轨系数及轮重减载率，并与未设置过渡区时进行对比。统计过渡区和不稳定区范围内轮轨力及安全性指标的最大值和上90%分位数，见图9。计算时，更换区间均以105 m位置（参见图1）为起点。

图9 有无刚度过渡区时过渡区和不稳定区范围内轮轨力及安全性指标的最大值和上90%分位数统计值

以设置25 m 长度的刚度过渡区为例，分析各项指标相比未设置过渡区时的变化趋势。由图9 可知：采用三级过渡方式后，轮轨垂向力、横向力、脱轨系数和轮重减载率的最大值分别减小了5.4%、10.7%、3.8%和8.4%，个别上90%分位数有轻微上浮现象。可见，设置刚度过渡区后有利于减小各项平稳性指标最大值，提高列车运行平稳性。

刚度过渡区长度不同，对轮轨力和安全性指标的影响规律基本一致。设置25、50、75 m 长度的刚度过渡区后，轮轨垂向力最大值分别减小了5.4%、4.9%和6.6%，轮轨横向力最大值分别减小了10.7%、10.7%和12.7%。过渡区长度达到25 m 可实现对轮轨动力作用最大值的有效衰减，过渡长度对衰减效果的影响不大。

因此，扣件弹性垫板的更换过程中在末端布置长度为25 m 的刚度过渡区，可以有效降低轮轨动力作用的最大值，有利于列车运行的平稳性。

5 结论

本文通过仿真手段计算分析了直线、曲线区段和钢轨接头区域更换扣件弹性垫板对列车运行平稳性的影响，并对垫板更换长度和刚度三级过渡模式进行了研究。主要结论如下：

1）直线和曲线区段更换扣件弹性垫板有利于降低轮轨动力作用，提高列车运行平稳性。

2）在垫板更换区后存在长度约10 m 的不稳定区，会造成个别列车运行稳定性指标的增大，但仍在限值要求范围内，列车可安全稳定运行。

3）不稳定区存在钢轨接头会造成轮轨动力作用急剧增大，轮重减载率最大值为0.944，高于标准限值0.8。为保证更换扣件弹性垫板过程中列车的安全平稳运营，应避免在垫板更换区末端后10 m 范围内存在钢轨接头。

4）垫板更换区间长于25 m 时，更换区间长度对列车运行平稳性各项指标均无明显影响，工务部门可根据实际情况安排扣件弹性垫板的更换速度。

5）在更换效率足够的前提下，可在扣件弹性垫板更换区末端布置长度为25 m 的刚度过渡区，从而有效降低轮轨动力作用的最大值，有利于列车运行的平稳性。