高速行車條件下3種軌道結構的輪軌動力性能對比分析

閤 鑫，王開云，呂凱凱，楊 敏，姚 力

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031; 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

高速行車條件下3種軌道結構的輪軌動力性能對比分析

閤 鑫1，王開云1，呂凱凱1，楊 敏1，姚 力2

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031; 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

針對某時速400 km寬軌距高速鐵路，選取了有砟軌道、減振型和非減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道3種軌道類型，基于車輛-軌道耦合動力學理論，對比分析了高速行車條件下3種軌道結構的輪軌動力性能。研究結果表明：高速列車通過3種軌道時具有良好的安全性和平穩性，軌道的動態變形滿足要求；2種無砟軌道的鋼軌橫向振動位移基本相同，且明顯小于有砟軌道的鋼軌橫向振動位移，減小約30%，3種軌道的軌距動態擴大量差異很??；3種軌道的鋼軌垂向振動位移差異明顯，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動位移最大，最大值為1.86 mm，非減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動位移最小，僅為減振型無砟軌道位移的一半左右。

有砟軌道；CRTSⅢ型板式無砟軌道；動力學；軌道動態變形

我國積極參與設計的國外某高速鐵路是歐亞高速運輸走廊的重要組成部分，是我國高鐵“走出去”戰略邁出的重要一步。該線路具有寬軌距(1 520 mm)、超高速(400 km/h)和可實現高中速客車混跑的特點。此外，高鐵線路地處高寒地區，穿越氣候惡劣的西伯利亞地區，線路環境十分復雜，對軌道結構也提出了更高的要求。為了滿足該地形特點，設計了3種軌道結構類型，包括有砟軌道、減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道(本文簡稱為減振型無砟軌道)和非減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道(本文簡稱為非減振型無砟軌道)。不同軌道結構對高速行車運行品質有較大的影響，高速運行條件下的軌道結構振動亦有差異。

許多學者在軌道結構對車輛適應性方面進行了研究。袁玄成等[1-2]基于車輛-軌道耦合動力學理論，研究了高速動車組與不同類型軌道結構的動力相互作用特性，并對車輛運行平穩性、行車安全性的差異進行了對比分析。GALVN P等[3]建立車輛-軌道-路基的完整有限元和邊界元模型，并分析了車輛通過有砟軌道和板式無砟軌道過渡區域時系統的動力學相互作用。向俊等[4]基于不同類型無砟軌道空間振動分析模型，利用高速列車-無砟軌道系統空間振動分析理論，計算板式軌道、雙塊式軌道及博格板式軌道在高速列車作用下的空間振動響應，研究系統振動響應隨無砟軌道類型及車速的變化規律。彭東輝等[5]基于多剛體動力學理論和有限元理論，研究了板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道結構隨機振動響應受車速影響的規律。羅震[6]利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA研究了客車、貨車車輛與CRTSⅠ型板式無砟軌道系統的動力響應。但是目前國內外對寬軌距條件下輪軌動力性能的研究較少。

本文針對該高速鐵路的有砟軌道、減振型無砟軌道和非減振型無砟軌道3種不同結構類型的軌道，考慮寬軌距特殊運用條件，基于車輛-軌道耦合動力學理論[7]，分析高速行車條件下3種軌道結構的輪軌動力性能，并比較3種寬軌距軌道的結構動態變形的差異，以期為該高速鐵路軌道結構設計提供理論依據。

1 3種軌道結構類型

1.1 有砟軌道

有砟軌道主要由鋼軌、軌枕、聯結零件、道砟等組成，如圖1所示。道砟根據鐵路運量、車輛軸重、運行速度的不同選用不同材料，鐵路干線一般采用碎石道砟。有砟軌道具有鋪設簡便、成本低、便于維修保養等優點，但有砟軌道容易產生變形，維修周期相對較短，且列車運行速度受限，在高速鐵路中一般用于橋梁上的軌道鋪設。

1.2 非減振型無砟軌道

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國研發的具有完全自主知識產權的新式無砟軌道，采用帶擋肩的新型單元板式無砟軌道結構設計，主要由鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、隔離層、自密實混凝土層及具有限位結構的鋼筋混凝土底座等部分組成，如圖2所示。相比于CRTSⅡ型板式無砟軌道系統，CRTSⅢ型板式無砟軌道采用自密實混凝土層代替水泥乳化瀝青砂漿材料充當填充層材料，可減少環境污染，經濟性也相對較好。該型無砟軌道是目前我國高速鐵路主要采用的軌道類型。

圖1 有砟軌道結構

圖2 非減振型無砟軌道結構

1.3 減振型無砟軌道

列車速度的提高使得振動和噪聲加劇，對鐵路沿線的環境產生很大影響，嚴重干擾沿線居民的日常生活。為此，我國在自主開發的CRTSⅢ型板式無砟軌道的基礎上吸收、借鑒國外減振軌道的設計，研發出減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道。其結構如圖3所示，底座板設有2個凹槽，將自密實混凝土灌注如凹槽以粘接軌道板層和底座板，減振墊層采用橡膠墊層，鋪設于自密實混凝土與底座板之間，以實現減振、隔振及降噪的功能[8]。

該減振型無砟軌道已在成灌線得到應用，并取得了良好的效果。與非減振型無砟軌道相比，減振型無砟軌道的結構更加復雜，施工難度及成本較高。此外，減振墊層使軌道板和自密實混凝土層的縱向和橫向穩定性降低，減振墊層橡膠的性能也容易受到氣候環境的影響，因此減振型無砟軌道僅適合在有減振降噪需求的地區使用，并不適宜大規模推廣。

圖3 減振型無砟軌道結構示意圖

2 耦合動力學分析模型

本文針對某高速鐵路擬采用的3種軌道，基于車輛-軌道耦合動力學理論[7]，采用動力學仿真軟件TTISIM[9]進行分析，動力學仿真分析模型如圖4～6所示。

圖4 車輛-有砟軌道耦合動力學模型側視圖

圖5 車輛-非減振型無砟軌道耦合動力學模型側視圖

圖6 車輛-減振型無砟軌道耦合動力學模型側視圖

在車輛系統模型中，將車輛視為由車體、構架及輪對構成的多剛體系統，考慮車輛系統中各剛體的橫移、沉浮、點頭、側滾、搖頭5個自由度[7]。

在軌道系統模型中，將鋼軌視為連續彈性離散點支承基礎上的無限長Euler梁，考慮鋼軌的垂向、橫向及扭轉運動自由度，將軌枕視為剛性體，考慮其垂向、橫向振動及剛體轉動運動自由度[7]。

對于有砟軌道系統，將道床離散為剛性質量塊，只考慮垂向運動自由度，道床塊之間由剪切剛度阻尼元件相連，道床與路基之間用彈簧和阻尼元件連接。對于減振型和非減振型無砟軌道系統，將軌道板和混凝土底座垂向視為彈性基礎上的彈性薄板，橫向視為剛體運動，考慮其平動和轉動自由度，彈性扣件、自密實混凝土層、減振層(僅減振型無砟軌道)簡化為彈簧和阻尼元件，混凝土底座與路基之間用彈簧和阻尼元件連結[7]。

3 3種軌道的輪軌動力性能對比分析

分析時，選取直線和曲線2種計算工況。其中：曲線工況的曲線半徑為10 000 m，超高為150 mm，緩和曲線長度為570 m，圓曲線長度為570 m。車輛運行速度為400 km/h，軌道隨機不平順的激擾模型選用中國高速鐵路標準譜。

另外，選取輪軌橫向力、輪軌垂向力、輪軸橫向力、脫軌系數及輪重減載率等5項指標評估車輛運行安全性，選取車體橫向和垂向振動加速度及平穩性指標衡量其運行平穩性；對于軌道結構，選取鋼軌橫向和垂向振動位移以及軌距動態擴大量對軌道結構動態變形進行評價。

由于本文研究對象為3種寬軌距軌道，國內目前尚未頒布相關標準，各項指標限值參照最新版《高速鐵路設計規范》[10]和《高速鐵路工程動態驗收技術規范》[11]，其中高速動車組的軸重為17 t。

3.1 車輛動力學性能分析

經計算得到的2種工況下，高速列車在3種軌道上運行的安全性和平穩性評價指標如表1和表2所列。

表1 高速列車在3種軌道上運行的安全性指標

由表1中計算結果可知：在2種工況下，車輛以400 km/h速度通過3種軌道時，各項安全性指標滿足要求，且具有較大安全裕度。

對于2種無砟軌道，在直線工況下，減振型無砟軌道的輪重減載率大于非減振型無砟軌道的輪重減載率，差異約為10%；在曲線工況下，2種無砟軌道的輪重減載率基本相同；對于其他安全性指標，2種無砟軌道條件下的各輪軌動力學指標差異不明顯。

有砟軌道與2種無砟軌道相比，輪軌橫向力和輪軸橫向力十分接近，差異在3%以內。對于輪軌垂向力、脫軌系數及輪重減載率，前者均大于后者，最大差異分別為4.3%、11.1%和17.1%。

表2中計算結果表明：在直線工況下，高速列車通過3種軌道時，車體加速度指標均滿足要求，平穩性指標屬優級；與非減振型無砟軌道相比，有砟軌道條件下的車體橫向加速度增加約10%，其他平穩性指標基本相同；對于2種無砟軌道，減振型無砟軌道的車體橫向加速度和垂向加速度均大于非減振型無砟軌道的相應值，差異分別為9.3%和4%，橫向平穩性指標和垂向平穩性指標差異較小。

表2 高速列車在3種軌道上運行的平穩性指標

3.2 軌道結構動態變形分析

圖7(a)和(b)分別展示了在直線和曲線工況下，高速列車通過3種軌道時軌道結構動態變形的對比。

由圖7可知：在直線和曲線工況下，3種軌道的軌距動態擴大量基本相同，約為0.25 mm；在同種工況下，2種無砟軌道的鋼軌橫向振動位移差異不大；在直線工況下，減振型和非減振型無砟軌道的鋼軌橫向振動位移分別為0.18 mm和0.20 mm；在曲線工況下，2種無砟軌道的相應值分別為0.22 mm和0.21 mm，2種無砟軌道的鋼軌橫向振動位移明顯小于有砟軌道的相應值，減小約30%。

在2種工況下，3種軌道的鋼軌垂向振動位移差異較為明顯，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動位移最大。在直線和曲線工況下，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動位移分別達到1.75 mm和1.86 mm，其位移量約為非減振型無砟軌道相應值的2倍，有砟軌道鋼軌垂向振動位移介于2種無砟軌道的相應值之間，在直線和曲線工況下，其位移量分別為1.42 mm和1.38 mm。

圖7 3種軌道的動態變形指標對比

4 結論

1) 高速列車在3種軌道上運行時，各項行車安全性指標均小于標準限值，車體加速度指標均滿足要求，平穩性指標屬優級，軌道的動態變形指標符合相關標準規定。

2) 3種軌道的鋼軌垂向振動位移差異較為明顯，減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動位移最大，最大位移為1.86 mm，非減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動位移約為減振型無砟軌道的鋼軌垂向振動位移的一半，有砟軌道的鋼軌垂向振動位移介于2種無砟軌道的相應值之間；2種無砟軌道的鋼軌橫向振動位移差異很小，且明顯小于有砟軌道的相應值，減小約30%；3種軌道的軌距動態擴大量基本相同。

[1] 袁玄成,田國英,王開云.高速列車組在不同無砟軌道結構上運行的動力學響應分析[J].西南科技大學學報,2015(4):1-4.

[2] 袁玄成.高速動車組與不同軌道結構垂向動力相互作用的比較分析[D].成都：西南交通大學,2016.

[4] 向俊,赫丹,曾京.高速列車作用下不同類型無砟軌道振動響應分析[J].機械工程學報,2010(16):29-35.

[5] 彭東輝.客貨混運線路CRTSⅠ型板式無砟軌道動力學性能評價及參數研究[D].蘭州：蘭州交通大學,2013.

[6] 羅震.高速鐵路無砟軌道結構受力及輪軌動力作用分析[D].成都：西南交通大學,2008.

[7] 翟婉明.車輛-軌道耦合動力學[M].4版.北京:科學出版社,2015.

[8] 任娟娟，趙華衛，李瀟，等.減振 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構諧響應分析[J].鐵道工程學報，2016，33(3):44-50.

[9] 王開云,翟婉明.車輛-軌道耦合動力學仿真軟件TTISIM及其試驗驗證[J].中國鐵道科學,2004(6):49-54.

[10] TB 10621—2014/J1942—2014,高速鐵路設計規范[S].

[11] TB 10761—2013/J 1535—2013,高速鐵路工程動態驗收技術規范[S].

(責任編輯林 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

四川省科技計劃資助項目(2016GZ0333)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題(2016G002-A)

閤鑫(1994—)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事車輛系統動力學研究，E-mail:gexin19940428@foxmail.com; 通訊作者 王開云(1974—)，男，江西萍鄉人，博士，研究員，博士生導師，主要從事鐵路輪軌系統動力學及機車車輛動力學研究，E-mail:kywang@swjtu.edu.cn。

閤鑫，王開云，呂凱凱，等.高速行車條件下3種軌道結構的輪軌動力性能對比分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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