高速列车脱落冰块冲击力特性试验研究*

宋小林 刘悦 赵博 肖定军 马钲凯 傅炫然 殷雄峰

(1. 西南交通大学 轨道交通运载系统全国重点实验室,成都 610031)

(2. 西南科技大学 环境与资源学院,绵阳 621010)

引言

高速列车在冬季雨雪天气运行时,车体周围的负压极易吸附四周的雨雪,在寒冷的车体表面凝结成冰[1-4].国内外高铁设计研发部门一直致力于防积雪结冰的转向架、动车组的研发、制造,但尚无办法和技术从根源上避免列车结冰,只能通过融冰和降速等措施来减轻危害[5,6].即便如此,我国高速列车结冰并非高纬度、高寒地区独有现象,西安、郑州和武汉铁路局内列车结冰也比较普遍、严重.随着温度的升高和车体振动的加剧,部分附着在车体的冰块可能脱落,并以极高的速度冲击轨道,引起轨道结构损伤破坏,严重时甚至降低轨道使用寿命,而掌握高速列车脱落冰块冲击力特性则是研究轨道损伤破坏的前提和基础.

目前,国内外学者针对不同场景和不同冲击条件下冰块冲击力开展了大量卓有成效的研究,如冰雹高速冲击航空器[7-11],海冰、河冰撞击船舶、桥梁和大坝等[12,13].前者冰块质量小、相对冲击速度高,后者冰块质量大、相对冲击速度低,两者质量和速度都相差几个量级,而高速列车脱落冰块的质量和冲击速度均介于两者之间,上述研究结果难以直接运用于本问题.因此,亟待开展高速列车脱落冰块的冲击力特性研究.

根据研究方法,冰块冲击力的测试研究主要有试验研究和数值模拟两种.冰块冲击力的常用测试方法有两种,一种是利用力传感器直接获得冲击力[7-10,12-14],另一种是通过分离式霍普金森压杆(SHPB)上固定点处的应变来间接计算冲击力[11].在冰雹高速冲击试验方面,Kim等[7,8]最早通过力传感器获得冰雹高速冲击力,研究了单一性冰球和分层状冰球的冲击力特性,认为冲击力与冰球直径无关,而与冲击动能成正比;Sun等[9]测量分析了冰雹高速冲击所产生的冲击力,发现冲击力峰值与冰雹动能呈线性关系;Pereira等[10]利用力传感器测量了固体透明冰和低密度合成圆柱形冰雹在单晶、多晶和缺陷多晶三种形式下冲击刚性靶所产生的冲击力,发现当速度明显大于在冰中产生裂缝所需的速度时,冲击力由弹丸的形状和质量决定;Tippmann等[11]用SHPB测量了冰球冲击力,探明了冲击力峰值与冰球撞击动能的关系.在冰撞击船舶方面,Timco等[12]在室内用力传感器开展了两种淡水冰冲击试验,揭示了最大冲击荷载与加载速率的关系;Gammon等[13]利用力传感器方法测量半球形冲击体冲击冰面的冲击力,发现加载速率与峰值力成正相关.数值模拟主要运用有限元方法,在冰雹冲击方面,Carney等[14]建立了与试验相匹配的冰块失效有限元模型,并与Pereira等[10]的冲击力试验结果吻合较好;Pernas-Sánchez等[15]建立了冰在高应变率下的本构关系及对应数值积分算法,并与Pereira等[10]和Carney等[14]的结果吻合较好;Rhymer[16]利用有限元模拟了冰雹撞击对层合板的分层损伤,认为冲击力峰值与冰雹直径无关.在冰撞击船舶方面,Myhre[17]运用有限元软件MSC-PATRAN和LS-DYNA模拟了LNG船和冰山的碰撞过程,提出了船舶抵抗碰撞的有利区域;王健伟等[18]分析了冰层厚度与船舶速度对破冰船碰撞力及船首结构的变形损伤等特性的影响.

综上所述,由于高速冲击问题非线性强,通过数值模拟得到冲击力的可靠性难以保证,往往要结合试验结果开展分析.用力传感器直接测量冲击力,可以较为准确反映冲击体自身材料特性对冲击力的影响和接触细节,但由于冲击过程中的惯性效应,导致传感器测得力偏小;而SHPB方法虽克服了惯性效应,但对接触细节的敏感性较低,因此选用力传感器直接测量冰块冲击力的研究和成果较多.同时由于高速列车冰块脱落时刻和脱落位置具有很强的随机性,难以通过现场试验获得其冲击力,所以本文拟参考文献[8],在室内利用轻气炮驱动冰块直接冲击力传感器,研究冰块冲击力特性.

1 冰块冲击力试验概述

1.1 试验设计

若在冰块与轨道板之间安装力传感器或将力传感器提前预制在轨道板内部,均会改变两者间的接触状态,无法测量得到冰块对轨道板的真实接触力.所以相关文献均采用力传感器直接测量冰块冲击力[8-10,12-14],因此本文参考文献[8],拟用轻气炮驱动预制的冰块高速冲击环形力传感器,直接获得冲击力特性,同时用高速摄像机记录冰块的冲击破碎特征,试验系统如图1所示.冲击试验在西南科技大学爆破与冲击动力学实验室一级轻气炮(内径76 mm)上开展,通过调整轻气炮气压来控制冰块的冲击速度,进而分析冲击速度对冲击力特性的影响规律.

(a) 试验系统照片

力传感器选用扬州科动KD30500型动态拉压力传感器,外径70mm,内径和厚度均为20mm,量程500kN,灵敏度2pC/N.为避免冰块直接冲击传感器造成其损坏,同时提供面积更大、更平整的冲击面,在力传感器前端布置一个直径150mm、厚度20mm的靶板.若靶板材料选择混凝土材料,测量得到的冲击力仍非冰块对轨道板的真实接触力,且冲击过程中冲击力的传递可能会因靶板和力传感器之间材料不同而受到影响,导致得到的冲击力结果异常.同时每次冲击后混凝土材料的力学性能会发生变化,需要及时更换,加工和使用均较为麻烦.因此靶板材料参考文献[8],选择与力传感器相同的高强度钢,其对冲击力传递影响较小,且机加工方便,便于更换.为了防止冲击过程中力传感器发生振荡与靶板失去接触[8],将力传感器嵌入在固定支座上,嵌入深度10mm.通过螺栓将力传感器固定在靶板和支座之间,支座通过螺栓固定在下部支架上,力传感器实物及安装如图2所示.试验中传感器采样频率设置为1MHz,触发方式为自动触发,触发值5kN.

(a) 力传感器图

高速摄像机型号为Phantom V2012 CMOS,像素大小为28微米,位深度为12位.相机布置在冲击舱的观察窗外[如图1(a)所示].分辨率设置为512×384 pixel,拍摄帧率89kfps,曝光时间设置为10μs.

1.2 冰块制备

经调研,高速列车脱落冰块形状不规则,重量差异很大,最大重量可超过2kg.将冰块预制为圆柱形以便轻气炮驱动.为了尽可能提高冰块质量,冰块直径定为60mm,略小于轻气炮内径76mm.冰块长径比按文献[19]给出的推荐长径比2.33,据此确定冰块长度为140mm,质量约为340g.试验前须准确称重,并对尾部进行打磨以控制质量统一.

由于水结冰过程中的冻胀力很大,制冰模具选用钢材制作,对半分成上下两部分以便脱模,使用螺栓紧固,顶部设有注水孔,在模具拼合处安装橡胶圈以保证密封效果.模具内可放置圆盘来改变冰块长度,通过内嵌不同形状的模块来改变冰块头形.制冰模具及预制冰块如图3所示.由于高速列车上自然冻结的冰块多为杂质冰且内部存在气泡,因此试验所用冰块并未使用蒸馏水浇注,而是使用自来水,浇注后放入冰箱于-18 ℃冰冻48小时后取出.

(a) 模具闭合 (b) 模具打开

冰块浇注完成后对其进行抗压强度测试,试验温度为-5 ℃,共抽取4个冰块样品进行抗压强度测试,抗压荷载曲线如图4所示.

图4 抗压荷载曲线Fig.4 The curve of compressive load

冰块抗压强度平均值约为4.70MPa,各测试下的冰块强度的最大差距仅为7.5%,表明本文浇注的冰块强度较为稳定,变化不大.制备出的冰块材料参数为:密度约900kg/m3,弹性模量为9.31GPa,泊松比为0.33.

虽然冰块脱落时水平速度基本等同于车速,垂直向速度分量较小,但是冰块仍可能以接近垂直的角度冲击承轨台等部位.参考高速列车正常运营速度250～350km/h及《冰雪天气动车组列车限速暂行规定》中规定动车组在雨雪天气限速160km/h以下,按最不利工况考虑,本文将冰块垂直冲击速度定为150km/h、250km/h、300km/h及350km/h共4种.为了保证试验结果稳定可靠,每种速度下的冲击试验至少2次.通过改变冲击速度研究冰块的冲击力特性,暂不考虑冰块的形状及质量对冲击力特性的影响.

2 试验系统可靠性验证

2.1 重复性分析

为了验证冲击试验系统的可靠性,首先对比了3次相同加载气压(0.16MPa)下的冰块冲击力,冲击力时程曲线如图5所示.

图5 相同气压下3次冲击力时程曲线对比Fig.5 Comparison of three impact force time history curves under the same air pressure

从图5可以看出,冲击力时程曲线与文献[12]实测波形基本一致.在相同的加载气压下,3次冲击力时程曲线基本一致,冰块冲击速度分别为305.6km/h、316.4km/h和322.9km/h,最大偏差为7.6%;冲击力峰值分别为97kN、106kN和96kN,最大误差为6.3%,上升沿时间分别为32μs、34μs和33μs,最大误差为3%,表明试验系统可靠性较高、重复性较好.

2.2 冰块发射完整性影响分析

为避免冰块在轻气炮炮管内高速运动时损伤管壁,需用聚乙烯(PE)弹托装载冰块.在试验中发现,弹托撞击脱靶器脱靶时的大变形,可能会使冰块断裂,而大部分则会保持完整无破损状态,如图6所示.

(a) 完整冰块 (b) 断裂冰块

图7给出了速度相近工况下冰块完整和断裂状态的冲击力时程曲线.可以看出,冰块完整性对冲击力曲线影响较大[10],冰块断裂会使冲击力异常,幅值明显偏小,上升沿时间过大.图5中重复性好的3种工况,冰块均完整无断裂.因此,本文所有试验均要求冰块脱靶后完整,如果冰块断裂,则试验无效.

图7 冰块完整性状态对冲击力影响Fig.7 Effect of ice-block integrity on impact force

2.3 脱靶对冲击速度影响分析

为避免试验过程中弹丸的反射而造成磁测速器损伤,轻气炮系统将磁测速器安装在靶前而非靶后,因此在冰块脱靶时可能会发生能量损失从而对触靶速度产生影响,因此本文利用高速相机拍摄照片计算了各速度级下的冰块脱靶前(发射初速)与接触速度(到达靶标速度),并与磁测速结果进行了对比,结果如表1所示.

表1 磁测速测量速度与高速相机计算速度对比

从表1中可以看出磁测速器实测的脱靶前速度与高速相机计算的发射初速度最大偏差仅为5.6%,说明两种方法得到的速度均具有较高可靠性.从表1中还可以看出,利用高速相机计算得到的接触速度与磁测速实测发射初速度之间的速度变化率多数小于5%,最大仅为7.4%,可以认为冰块脱靶前后速度变化很小.因试验中磁测速的测量精度较高,本文将磁测速器的实测速度作为冰块的冲击速度.

3 冰块冲击力试验结果与分析

3.1 冰块冲击力特性和破碎状态分析

众所周知,冰块冲击力随冲击速度的增加而增大,本节以速度345.6km/h的冰块为例,研究其冲击力特性和破碎特征,冲击力时程曲线和冰块破碎状态分别如图8和图9所示.

图9 不同时刻冰块的破碎状态(速度345.6km/h)Fig.9 Fragmentation of ice-block at different times at speed of 345.6km/h

从图8和图9可见,t=0时冰块刚接触靶板,冰块完整,整体呈透明状,如图9(a)所示;然后冰块冲击传感器靶板时,冰块被靶板挤压发生局部破碎并开始产生碎片,沿靶板表面迅速沿径向向四周扩散形成碎片云,冲击力迅速增大,在t=0.040ms时冲击力达到第一个峰值107kN,也是其幅值,此时冰块破裂部分呈白色,未破裂部分仍为透明,碎片云直径为115.9mm,如图9(b)所示;t=0.067ms时冲击力衰减至0附近,此时冰块裂纹到达尾部而整体呈白色,冰块内部全部破裂,如图9(c)所示;接着冰块持续冲击靶板,在t=0.132ms时冲击力达到第二峰值78kN,约为幅值的72.8%,碎片云直径增加到158.7mm,随后冲击力在低位震荡,不及幅值的30%.触靶区域的冰块碎片沿靶板表面迅速向四周扩散,而且几乎没有明显的反向溅射现象,如图9(d)～图9(g)所示;t=2.490ms时冰块发生崩溃式破碎,冰柱基本消失,产生的碎片显著增多,同时有明显反向溅射现象,冲击力在低位震荡并缓慢衰减至0,如图9(h).

利用高速相机拍摄的冰块破碎特征,计算得到冰块在触靶过程中速度随时间的变化规律,如图10所示.可以看出,冰块在冲击过程中触靶速度以近似对数的趋势降低,约2.2ms左右衰减至0.

图10 冰块触靶速度随时间变化规律(速度345.6km/h)Fig.10 Contact velocity of ice-block with time at speed of 345.6km/h

3.2 冲击速度对冲击力特性的影响分析

3.2.1 不同速度下冲击力特征分析

图11分别给出了150km/h、250km/h、300km/h及350km/h等4种速度级下的冲击力时程曲线和冰块破碎状态,每级速度均包含2次试验,由于速度靠轻气炮气压控制,速度值存在一定的误差.

图11 不同速度下的冲击力时程曲线和破碎特征图Fig.11 Time history curve of impact force and fragmentation characteristic of ice-block at different speed

从图11中可以看出,在相同速度级下的冲击速度相差不大,且冲击力波形基本一致,进一步验证了试验系统的稳定性.同时各速度级下的冲击力波形变化规律相似,都表现出如图7所示的相似特征,但数值变化较大.冲击力峰值随着冲击速度的增加而增加,其变化规律如图12所示.

图12 冲击力峰值和上升沿时间随冲击速度的变化规律Fig.12 The peak force and initial landing time with change of impact velocity

从图12中可以看到,当速度从151.2km/h增加到345.6km/h,冲击力峰值以近似线性的规律从52kN增加到107kN,而冲击力上升沿时间则在32～40μs的范围内窄幅波动,最大线性偏离度分别为14.68%和12.73%.

3.2.2 不同速度下冰块破碎特征分析

图11给出了不同速度下冰块在0、0.0336ms、0.258ms及3ms时刻的破碎状态.速度在151.2～345.6km/h范围内,冰块破坏模式相似皆为局部破碎;随着冲击速度的增加,破碎产生的碎片逐渐从颗粒状变为粉末状,同时刻下的碎片云直径逐渐增大.

从3.2.1节可知,冲击力上升沿时间在32～40μs范围内波动,由于相机拍摄时间间隔限制,本文将33.6μs时刻下的照片认为是冲击力峰值时刻对应的照片,并将该时刻冰块破碎产生的碎片云直径定义为冰块峰值碎片云直径.碎片云直径通过测量高速相机照片中碎片云两端的距离,再通过比例尺换算而得.其随冲击速度的变化曲线如图13所示,不同速度下冰块触靶速度随时间的变化规律如图14所示.

图13 碎片云直径随冲击速度的变化曲线Fig.13 Curve of debris cloud diameter with change of impact velocity

图14 不同速度下的冰块速度随时间变化曲线Fig.14 Curve of ice-block velocity with change of time at different speed

从图13和图14可看出,当冲击速度从151.2km/h增加到345.6km/h,峰值碎片云直径呈近似指数规律从82.5mm迅速增加到115.9mm,冲击持续时间则由3.30ms减少为2.3ms.冲击速度越高,冰块触靶速度衰减越快,冲击过程越快,冲击历时越短,峰值碎片云直径也越大.

3.2.3 不同速度下冰块冲量分析

将冰块冲击力对时间积分,得到冲量曲线,如图15所示.可以看出,各种速度条件下,冲量曲线变化规律相似,冲量曲线波动较小,在冰块碰撞初期(0～0.161ms内),冲量快速增长,随着时间的推移,增速逐渐降低,在1.661ms后冲量增长非常缓慢趋于定值.冰块冲击速度越高,冲量增加得越快,即冰块动能释放越快,产生的冲击作用越大.

图15 不同速度下冰块冲量时程曲线Fig.15 Time history curve of ice-block impulse at different speed

根据冲击力变化情况,将3ms时的冲量定义为冰块总冲量,其随冲击速度的变化规律如图16所示.冰块速度在150km/h至350km/h范围内,总冲量与动能之间近似呈线性关系,最大线性偏离度为5.9%,从11.5N·s增加到36.9N·s,增加2.2倍.

图16 冰块总冲量随动能变化曲线Fig.16 Curve of ice-block impulse with change of kinetic energy

3.2.4 冲击力峰值随总冲量变化规律分析

冲击力峰值随总冲量的变化曲线如图17所示.

图17 冲击力峰值随冰块总冲量的变化曲线Fig.17 Curve of peak force with change of total impulse of ice-block

从图17可以看出,冲击力峰值随着总冲量的增加而线性增加,最大线性偏离度为9.31%.

4 结论

本文利用轻气炮驱动预制的圆柱形冰块冲击力传感器直接获得冲击力,研究冲击速度对冲击力特性和冰块破碎特征的影响规律,主要结论如下:

(1)冲击力试验系统可靠稳定.在相同加载气压下,完整冰块的冲击力波形基本一致,冲击速度、峰值力和上升沿时间的最大偏差不超过7.6%;

(2)冲击速度从151.2km/h增加到345.6km/h,冲击力波形变化规律相似,冰块破坏模式皆为局部破碎.随着冲击速度的增加,冲击时间越短,冲击力峰值(从52kN增加到107kN)随速度的增加而线性增大,总冲量(从11.5N·s增加到36.9 N·s)随动能的增加而线性增加,上升沿时间则变化不大,在32～40μs内波动;

(3)冰块触靶后迅速破碎,并沿靶板表面迅速向四周扩散形成碎片云,随着冲击的增加,碎片逐渐从颗粒状变为粉末状,碎片云直径指数增大;

(4)冲击力峰值随总冲量的增加而线性增加,最大线性偏离度基本在10%以内.