高速铁路无砟轨道扣件弹性垫板刚度合理限值
高速铁路无砟轨道扣件弹性垫板刚度合理限值
张欢; 崔树坤; 孙林林; 肖俊恒; 闫子权
【期刊名称】《《中国铁道科学》》
【年(卷),期】2019(040)004
【总页数】7页(P10-16)
【关键词】十级伤残高速铁路; 无砟轨道; 扣件; 弹性垫板; 冲击疲劳; 刚度; 限值
【作 者】张欢; 崔树坤; 孙林林; 肖俊恒; 闫子权
【作者单位】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
【正文语种】中 文
【中图分类】U213.244
高速铁路无砟轨道用混凝土道床取代了有砟轨道的碎石道床，轨道结构弹性主要由扣件系统的弹性垫板提供。弹性垫板刚度的大小对钢轨弯曲应力、枕上压力、钢轨位移、轨距扩大、行车舒适性及行车阻力等均有一定的影响。高速铁路近10年的运营实践表明：随着列车运营时间的增加，弹性垫板的刚度将随之增大，但不会影响列车运行的安全性。但是弹性垫板刚度增大后对轨道结构产生不利影响，过大的弹性垫板刚度甚至会对下部基础造成破坏，故本文研究确定无砟轨道扣件弹性垫板刚度的合理限值，为高速铁路线路设备养护维修标准的制定提供技术支撑。
1 高速铁路无砟轨道扣件弹性垫板刚度取值
高速铁路无砟轨道扣件弹性垫板的静刚度指标主要是采用轨道部件允许应力法和轨道允许变形法研究确定的[1]，我国规定高速铁路无砟轨道扣件弹性垫板静刚度设计值为20～30 kN·mm-1[2]。目前我国常用无砟轨道扣件弹性垫板静刚度具体数值见表1。
表1 无砟轨道扣件弹性垫板刚度取值扣件类型垫板类型静刚度设计值/(kN·mm-1)WJ-7型轨下垫板    20～30WJ-8型铁垫板下弹性垫板20～26W300-1型铁垫板下弹性垫板20～25SFC型轨下垫板    30～50
2 弹性垫板刚度对轨道结构的影响
弹性垫板刚度对轨道结构强度(钢轨弯曲应力、枕上压力)、轨道结构稳定性(钢轨位移和轨距)、行车舒适性(列车振动加速度)及行车阻力等均有一定的影响。
高速铁路长期运营会使弹性垫板的刚度增大，弹性垫板刚度增大会对有些轨道参数有利。由文献[1]可知，弹性垫板刚度增大时，钢轨弯曲应力、钢轨位移及轨距扩大变小，钢轨弯曲应力、钢轨位移及轨距扩大均不会超过限值，不影响轨道结构强度和结构稳定性。由文献[2]可知：弹性垫板刚度增大时，行车阻力减小，所需求的能耗较少，对高速铁路行车有利。
弹性垫板刚度增大会对有些轨道参数不利。由文献[1]和文献[3]可知，弹性垫板刚度增大时，枕上压力和列车振动加速度随之变大，故下面重点分析弹性垫板刚度增大后对轨道不利的影响因素。
3 弹性垫板刚度对枕上压力的影响
在单个静轮载F0的作用下，枕上静压力F1可用下式计算[4]。
(1)
其中，
k=D/a
式中：k为钢轨基础弹性系数；D为钢轨支点刚度；a为钢轨支点间距，即枕间距；E为钢轨弹性模量；I为钢轨截面对水平轴的惯性矩。
无砟轨道扣件下部基础为刚性支承，钢轨支点刚度D可看作为扣件节点刚度，扣件节点刚度的计算式为
KA=KP+2Kc
(2)
式中：KA为扣件节点刚度；KP为扣件弹性垫板刚度；Kc为扣压件前端卸载刚度。
由于扣压件前端卸载刚度与扣件弹性垫板刚度相比，扣压件前端卸载刚度很小，故可近似认为扣件节点刚度等于扣件弹性垫板刚度。
考虑用准静态法计算枕上动压力，其计算式为
F2=ηF1
(3)
式中：η为动力系数；F2为枕上动压力。
动车组动力系数η均取为2.5，列车轴重按照17 t考虑，即列车静轮载F0为85 kN，钢轨支点间距a取为625 mm，采用60 kg·m-1钢轨，弹性模量E为210 GPa，惯性矩I为3.217×107 mm4，钢轨支点刚度按照弹性垫板刚度从10 kN·mm-1开始，按10 kN·mm-1一级向上取值计算。
以上计算式是针对单个静轮载作用下的枕上动压力，没有考虑邻轮的影响，主要是因为高速铁路动车组轴距较货车大，一般为2.5～2.8 m，邻轮对枕上动压力的影响很小，可以忽略不计。
灭火的基本方法是根据式(1)—式(3)及相关计算参数可以得出不同弹性垫板刚度对应的枕上动压力,如图1所示。
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图1 不同无砟轨道弹性垫板刚度下的枕上压力
由图1可见：枕上压力随弹性垫板刚度的增大而增大；当弹性垫板刚度达到100 kN·mm-1时枕上动压力为103.6 kN，小于无砟轨道的设计承载能力(255 kN，无砟轨道的设计承载能力为3倍静轮载，轴重17 t)。因此，枕上压力不是控制弹性垫板刚度失效的因素。
4 弹性垫板刚度对行车舒适性的影响
目前国内外对行车舒适性的评判指标包括Sperling平稳性指标、迪克曼(Diekmann)指标K和美国的杰奈威(Janeway)舒适性系数J等[5]，但这些指标都是评价车辆运行性能的，并没有考虑轨道结构的影响，本文主要考虑弹性垫板刚度增大后对行车舒适性能的影响，故建立车辆—轨道空间耦合动力学模型进行仿真分析。
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4.1 计算模型
根据轨道结构特点，运用车辆―轨道空间耦合动力学原理，建立如图2所示的车辆―轨道空间力学分析模型。
车辆模型为车体、构架和轮对的组合。由于车体、转向架和轮对等基本部件刚度远大于悬挂系统的刚度而被视为刚体，它们通过悬挂系统连接，悬挂系统由各种约束、弹簧和阻尼元件构成。车体和转向架均分别具有纵向x、横向y、垂向z及侧滚(绕x轴)、点头(绕y轴)、摇头(绕z轴)等6个方向的自由度，轮对则具有横向、垂向、侧滚和摇头4个自由度。模型中，转向架由轴箱悬挂和中央悬挂2部分组成。轴箱悬挂包括垂向、横向和纵向3个方向的刚度以及垂向阻尼，并且考虑每轴箱两组弹簧纵向和垂向距离差异。中央悬挂为空气弹簧，其悬挂参数主要包括垂向、横向和纵向3个方向的刚度和阻尼。分析过程中，列车速度取350 km·h-1，直线区段，轨道随机不平顺采用TB/T 3352—2014《高速铁路无砟轨道不平顺谱》。
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图2 车辆—轨道空间力学分析模型
4.2 舒适性评判指标
舒适性指标主要考虑弹性垫板刚度对其影响，而对车辆运行性能不评价，故采用TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》表6.2.3-2中车体垂向加速度和车体横向加速度的评判标准进行评判，具体见表2。
表2 舒适性指标评判项目偏差等级车体垂向加速度/(m·s-2)车体横向加速度/(m·s-2)经常保养Ⅰ级1.00.6舒适度Ⅱ级1.50.9临时补修Ⅲ级2.01.5限速(200km·h-1)Ⅳ级2.52.0
4.3 计算结果
不同扣件刚度时车体垂向和横向加速度计算结果详见表3。
表3 无砟轨道不同刚度时车体垂向和横向加速度弹性垫板刚度/(kN·mm-1)车体垂向加速度/(m·s-2)车体横向加速度/(m·s-2)200.450.15300.470.18500.490.20600.510.291000.690.38
平凡爱情由表3可知：弹性垫板刚度对车体的垂向加速度和横向加速度(即行车舒适性)的影响很小，均未超出经常保养Ⅰ级偏差等级。可见行车舒适性不是控制垫板刚度限值的因素。
5 弹性垫板刚度对下部混凝土冲击疲劳特性的影响
弹性垫板刚度增大会对下部混凝土的冲击疲劳特性造成不利的影响，通过分析不同刚度条件下的下部混凝土冲击疲劳寿命，出弹性垫板刚度对下部混凝土冲击疲劳特性的影响规
律。我国高速铁路无砟轨道结构具备稳定性高、维修次数少、尺寸精度高、外形美观等优点[6]，主要包括CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型、CRTS Ⅲ型板式和CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型双块式轨道结构。根据高速铁路现场评估调研情况来看，由于CRTS Ⅰ型板的结构特点，存在CA砂浆层及凸型挡台等，相比其他轨道板型伤损更多，受力更为不利，故扣件下部混凝土冲击疲劳计算模型的轨道板采用CRTS Ⅰ型板，配套扣件为WJ-7B型扣件。
由于高速铁路列车的行驶速度快，轮轨动力作用在轨道系统几何不平顺的影响下发生较快波动，形成类似冲击荷载脉冲的效果。目前相关领域学者已对轨道结构的抗冲击性能展开了相关研究[7-9]。本文考虑当轨道存在不平顺时，研究弹性垫板刚度变化对下部混凝土冲击疲劳特性。
5.1 无砟轨道动态应力分析模型
CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构路基段由钢轨、扣件、轨道板、凸型挡台、CA砂浆、支承层和路基组成。模型中轨道板、CA砂浆和支承层均根据实际尺寸使用solid185实体单元进行模拟。路基层使用combin14弹簧阻尼单元模拟，弹簧与支承层底面单元节点连接，保证分布的均匀性。扣件垂向特征由弹条和弹性垫板2个组件提供。其中，弹条由combin14弹簧
单元模拟，弹性垫板由combin39非线性弹簧单元模拟。钢轨采用beam188梁单元，其截面与60 kg·m-1钢轨保持一致。钢轨两端约束其纵向位移，防止钢轨发生纵向蹿动，模拟扣件系统提供的纵向阻力。

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