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曲线地段钢弹簧浮置板减振性能分析

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李超

[导读] 摘要：在曲线地段，铁路机车车辆通过时将不可避免地受到离心力的作用，使左右轨轮轨力产生偏载，同时影响行车安全性和舒适性，因此相同速度条件下的轮轨动力学性能将比直线工况更为不利。

        中铁城市发展投资集团有限公司四川成都 610200
        摘要：在曲线地段，铁路机车车辆通过时将不可避免地受到离心力的作用，使左右轨轮轨力产生偏载，同时影响行车安全性和舒适性，因此相同速度条件下的轮轨动力学性能将比直线工况更为不利。为了更好地了解钢弹簧浮置板轨道在曲线地段的减振性能，本文在不同的曲线地段半径下，分析研究脱轨系数、轮重减载率、车体垂向与横向加速度、垂向横向Sperling、轮轨作用力、钢轨和浮置板的垂向横向加速度与垂向位移、钢轨动弯应力、隧道壁垂向加速度等随欠超高的变化情况，为轨道结构的曲线地段设计提供了参考依据。
        关键词：钢弹簧；浮置板；铁路曲线；减振；欠超高
        Analysis of damping performance of steel spring floating plate in curve section
        LIchao
        （China Railway Urban Development Investment Group Co.Ltd，Chengdu 610200，Sichuan，China.）
        Abstract：On the curve，the railway rolling stock will inevitably be subjected to centrifugal force when passing，causing the left and right rail wheel-rail forces to produce eccentric loads，and at the same time affect the driving safety and comfort.Therefore，the wheel-rail dynamic performance under the same speed condition will be better than The straight-line working condition is more unfavorable.In order to better understand the vibration damping performance of the steel spring floating slab track in the curved section，this article analyzes and studies the derailment coefficient，wheel load reduction rate，vertical and lateral acceleration of the car body，and vertical lateral under different radius of the curved section.Sperling，wheel-rail forces，vertical lateral acceleration and vertical displacement of rails and floating slabs，rail dynamic bending stress，vertical acceleration of tunnel walls，etc.change with under-elevation，It provides a reference for the curve section design of the track structure.
        Key words：Steel Spring；Floating Plate；Railway Curve；Vibration Reduction；Cant deficiency
        随着无砟轨道的兴起，其刚度大、减振性能差的缺点也显露出来，为解决无砟轨道的这种缺点，人们发明了钢弹簧浮置板轨道，并已得到了广泛应用，也有不少学者对其工作特性进行研究。
        张辉[]等对地铁钢弹簧浮置板轨道进行有限元模拟，并对其特殊结构尺寸和隔振器特殊布置方式进行模态分析；高扬[]等提出一种新型钢弹簧浮置板轨道隔振装置，可以有效地减小轨道结构的动力响应；邹锦华[]等采用模态分析了列车作用下，钢弹簧浮置板长度、厚度、弹簧刚度、弹簧支承间距对浮置板固有频率和振型的影响；曲铭[]等总结了钢弹簧浮置板在轨道板施工方案、轨道板隔振器布置、隔振器外套筒等方面的问题，并根据钢弹簧浮置板的稳定性和耐久性提出了优化和改进措施；王刘翀[]等对曲线地段的钢弹簧浮置板轨道与普通道床进行研究和分析，并从浮置板横向激励与振动传递特性两方面解释了曲线地段中隧道壁横向振动放大的原因；李小珍[]等研究了钢弹簧浮置板轨道对箱梁振动和噪声的影响，并分析了浮置板参数的影响规律；江阿兰[]等对钢桁架上钢弹簧浮置板轨道的减振性能进行了研究，得到结论：浮置板轨道部件可以降低桥梁的振动响应，还会延长桥梁的使用寿命；李响[]等通过改变钢弹簧浮置板轨道长度、厚度、垂向刚度和跨度等参数，研究其对钢轨磨耗的影响，并指出轨道结构的垂向刚度是造成钢轨磨耗初期产生的重要原因；程珊[]等研究浮置板的几何参数对轨道结构减振性能的影响，并根据研究结构对参数进行了优化；程霖[]等采用ANSYS软件对钢轨-钢弹簧浮置板道床-隧道底板进行了有限元模拟，并分析了三者之间的相互作用关系。
        本文重点分析不同线路运营条件下，曲线未被平衡超高对曲线地段浮置板轨道的动力学性能的影响，对车辆运行安全性、平稳性、轨道结构动力特性进行分析。研究中，某一行车速度下对应的圆曲线半径和缓和曲线长度保持不变，仿真分析较为困难的行车环境：地铁A型车取不同速度，采用用中国高速无砟轨道不平顺普，最大波长为200m。

（a）列车69km/h（欠超高40mm）通过曲线浮置板轨道的脱轨系数

        （b）脱轨系数随欠超高的变化趋势
        图1 R=350mm-曲线地段浮置板轨道脱轨系数的变化趋势
        1 车辆运行安全性能分析
        1.1 脱轨系数
        本文分别对曲线半径为350m、450m、700m、800m、1200m、1400m、2000m的曲线地段进行模拟，分析钢弹簧浮置板轨道在不同工况下的减振性能。
        在不同曲线半径下轨道结构的脱轨系数类似，因此，本文只给出曲线半径为350m时的变化情况。
        曲线地段的圆曲线半径为350m，缓和曲线长度为55m，曲线超高为120mm，分别研究欠超高为40mm、23mm、0mm时，钢弹簧浮置板轨道的减振性能。
        在列车运行时速为69km，欠超高为40mm时，轨道脱轨系数的变化情况见图1。
        从图1可以看出，列车通过欠超高为40mm、23mm、0mm的曲线浮置板轨道的脱轨系数幅值分别为0.431，0.424，0.409。结果表明：该工况下，欠超高越大脱轨系数会随之增大，但幅值增大会变缓。列车运行时脱轨系数均在规范规定的安全限值1.0以内。
        1.2 轮轨减重率
        在相同的工况下，轨道结构的轮轨减重率变化趋势见图2。

（a）列车69km/h（欠超高40mm）通过曲线浮置板轨道的轮重减载率

        （b）轮重减载率随欠超高的变化趋势
        图2 R=350mm-曲线地段浮置板轨道轮重减载率的变化趋势
        根据上图所示的结构可知：列车通过欠超高为40mm、23mm、0mm的曲线浮置板轨道的轮重减载率幅值分别为0.301，0.269，0.231。在不同曲线半径下，钢弹簧浮置板轨道的减振性能类似：轮重减载率随着欠超高值的增大而有所增大。列车运行时动态轮重减载率均在规范规定的安全限值0.6以内。
        2 车辆运行平稳性能分析
        依据我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB 5599－85）规定，在运行速度

km/h时，车体平均最大振动加速度应符合以下要求：

。
2.1 车体振动垂向加速度
根据模拟结果可知：钢弹簧浮置板轨道在曲线半径为1200m和5500m的情况下，车体垂向振动加速度随欠超高的变化不明显；在其他曲线半径情况下，垂向振动加速度随着欠超高的增大而增大。本文只给出其中一种曲线半径（R=350m）下，车体振动垂向加速度的变化趋势（见图3）。

（a）列车69km/h（欠超高40mm）通过曲线浮置板轨道的车体垂向加速度

        （b）车体垂向加速度随欠超高的变化趋势
        图3 R=350mm-曲线地段浮置板轨道车体垂向加速度的变化趋势
        由图3可知：列车通过欠超高为40mm、23mm、0mm的曲线浮置板轨道的车体垂向加速度幅值分别为0.334m/s2，0.296 m/s2，0.267 m/s2。在不同曲线半径下，车体垂向加速度随欠超高的增大而增大，并且车体振动垂向加速度指标没有超限2.5m/s2。
        2.2 车体振动横向加速度
        当曲线地段的半径不同时，车体振动横向爱加速度的变化趋势类似，因此本文只给出车体横向振动加速度在700m曲线半径情况下的动力特性。
        700m曲线地段的计算工况为圆曲线半径700m，缓和曲线长度70m，曲线超高120mm，分析在三种不同欠超高（49mm、40mm、0mm）情况下车体横向加速度的变化趋势，结果见图4所示。

（a）列车100km/h（欠超高49mm）通过曲线浮置板轨道的车体横向加速度

        （b）车体横向加速度随欠超高的变化趋势
        图4 R=700mm-曲线地段浮置板轨道车体横向加速度的变化趋势
        从图4可知：列车通过欠超高为49mm、30mm、0mm的曲线浮置板轨道的车体横向加速度幅值分别为0.2m/s2，0.15 m/s2，0.12 m/s2。
        不同曲线半径情况下，车体横向加速度均随欠超高的增大而增大，并且车体横向加速度增大速率随着欠超高的增大而变高。不同工况下车体横向加速度幅值均满足规范要求的运行平稳性等级为优的要求，即均小于2.5m/s2。
        2.3 Sperling指标
        在不同曲线半径情况下，钢弹簧浮置板轨道的Seprling指标变化趋势相同，在700m曲线半径的工况下，横向和垂向Seprling指标受欠超高的影响见图5。

（a）列车不同速度（不同欠超高）通过曲线浮置板轨道的垂向Sperling指标

        （b）列车不同速度（不同欠超高）通过曲线浮置板轨道的横向Sperling指标
        图5 R=700mm-曲线地段浮置板轨道Sperling指标的变化趋势
        我国机车车辆运行平稳性指标采用Sperling指标，由图5可知，列车通过欠超高为49mm、30mm、0mm的曲线浮置板轨道其垂向Sperling指标分别为1.837，1.818，1.808；横向Sperling指标分别为1.56，1.506，1.427。
        随欠超高的增大，不同曲线地段的车辆垂向和横向Sperling均增大。根据《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》（TB/T 2360－93）及《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599－85），垂向和横向Sperling指标均小于2.5，评定等级均为1级。
        3 轨道结构动力性能分析
        3.1 轮轨垂向力与横向力
        由于文章篇幅原因不能将所有的曲线地段的研究结果展示出来，因此，对于轨道结构动力性能分析本文采用半径为2000m的曲线地段进行讨论。
        曲线半径2000m时，不同超高的浮置板轨道动力学计算工况为：圆曲线半径2000m，缓和曲线长度250m，四种不同的欠超高（62mm、40mm、30mm、0mm）。在这种工况下，模拟得到的轮轨力随欠超高的变化趋势见图6所示。

（a）不同欠超高下对应的轮轨垂向力

        （b）不同欠超高下对应的轮轨横向力
        图6 R=2000mm-曲线地段浮置板轨道轮轨力的变化趋势
        由图5可知：列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的轮轨垂向力幅值分别为109.42kN，104.28kN，102.86kN，100.10kN；轮轨横向力幅值分别为37.75kN，33.92kN，33.47kN，30.73kN。
        结果表明：不同曲线半径情况下，轮轨垂向力和横向力幅值随着欠超高的减小而减小。列车运行时轮轨垂向和横向力最大值均没有超过170kN，均在容许限度之内。
        3.2 钢轨动弯应力
        在不同工况下，钢轨动弯应力的变化趋势见图7。

（a）列车100km/h（欠超高62mm）通过曲线浮置板轨道的钢轨动弯应力

        （b）钢轨动弯应力随欠超高的变化趋势
        图7 R=2000mm-曲线地段钢轨动弯应力的变化趋势
        根据图7可得：列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的钢轨动弯应力幅值分别为69.75MPa，66.63MPa，65.23MPa，62.2MPa。钢轨动弯应力在不同曲线地段的变化情况类似，均随着欠超高的减小而减小。
        3.3 钢轨垂向与横向加速度
        图8显示了曲线半径为2000m时，钢轨垂向加速度随欠超高的变化趋势。

（a）列车100km/h（欠超高62mm）通过曲线浮置板轨道的钢轨垂向加速度

        （b）不同欠超高下对应的钢轨垂向加速度
        图8 R=2000mm-曲线地段钢轨垂向加速度的变化趋势
        从图8可以得出结论：列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的钢轨垂向加速度幅值分别为2327.2m/s2，2009.5m/s2，1970.5m/s2，1898.2 m/s2。在不同的曲线地段计算工况下，钢轨垂向加速度均随着均随着欠超高的减小而减小。
        钢弹簧浮置板轨道模拟结果显示，在曲线半径为350m、700m时，钢轨横向加速度随着欠超高的减小而增大；在R=800m时，横向加速度先变化很小，而后随着欠超高的增大而增大；在曲线半径大于等于1200m地段，钢轨横向加速度随着欠超高的减小而减小。横向加速度变化的三种情况如图9所示。

（a）曲线半径为350m时钢轨横向加速度的变化情况

（b）曲线半径为800m时钢轨横向加速度的变化情况

        （c）曲线半径为1200m时钢轨横向加速度的变化情况
        图9 曲线地段钢轨横向加速度的变化趋势
        3.4 钢轨垂向位移
        在2000m曲线半径情况下，钢轨垂向位移变化情况见图10。

（a）列车100km/h（欠超高62mm）通过曲线浮置板轨道的钢轨垂向位移

        （b）钢轨垂向位移随欠超高的变化趋势
        图10 R=2000mm-曲线地段钢轨垂向位移的变化趋势
        从图10可知，列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的钢轨垂向位移幅值分别为5.18 mm，5.09 mm，5.01mm，4.89mm。结果表明：对于不同曲线地段，随着欠超高的减小，钢轨垂向位移均呈减小的趋势。
        3.5 轨距动态扩大量
        在曲线半径为2000m的计算工况下，轨距动态扩大量变化趋势见图11。

（a）列车100km/h（欠超高62mm）通过曲线浮置板轨道的轨距动态扩大量

        （b）轨距动态扩大量随欠超高的变化趋势
        图10 R=2000mm-曲线地段轨距动态扩大量的变化趋势
        从图11可知，列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的轨距动态扩大量幅值分别为1.24mm，1.14mm，1.07mm，1.04mm。模拟结果表明：在不同曲线半径下，轨距动态扩大量均是随着欠超高的减小而减小，只是变化程度与其他动力特性相比较小。
        3.6 钢弹簧浮置板垂向与横向加速度
        在上述2000m曲线半径工况下，浮置板垂向与横向加速度随超高的变化情况如图12所示。

（a）不同欠超高下对应的浮置板垂向加速度

        （b）不同欠超高下对应的浮置板横向加速度
        图12 R=2000mm-曲线地段浮置板加速度的变化趋势
        从图12可知，列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的浮置板垂向加速度幅值分别为19.51m/s2，16.19m/s2，15.69 m/s2，14.71 m/s2；浮置板横向加速度幅值分别为1.4m/s2，1.26m/s2，1.13 m/s2，0.85 m/s2。其余不同半径的曲线地段模拟结果与2000m半径曲线情况类似，浮置板垂向与横向加速度均是随着超高的减小而减小，只是在较小的曲线半径下，浮置板的横向加速度变化不明显。
        3.7 钢弹簧浮置板垂向与横向位移
        钢弹簧浮置板在半径为2000m的曲线地段下的垂向与横向位移变化趋势如图13所示。

（a）不同欠超高下对应的浮置板垂向位移

        （b）不同欠超高下对应的浮置板横向位移
        图13 R=2000mm-曲线地段浮置板位移的变化趋势
        由图13可得，列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的浮置板垂向位移幅值分别为5.15 mm，4.93mm，4.83mm，4.63mm；浮置板横向位移幅值分别为0.61mm，0.42mm，0.35mm，0.29mm。
        其余曲线地段的浮置板位移变化情况均与该工况下类似：随着欠超高的减小，钢弹簧浮置板的垂向与横向位移均减小。
        3.8 隧道壁垂向加速度
        根据模拟结果，隧道壁垂向加速度在R=1400m和R=2000m的曲线地段，随超高的变化不明显；在其余曲线地段，隧道壁垂向加速度随着欠超高的减小而减小，两种变化趋势如图14所示。

（a）曲线半径为2000m时隧道壁垂向加速度的变化情况

        （b）曲线半径为700m时隧道壁垂向加速度的变化情况
        图14曲线地段隧道壁垂向加速度的变化趋势
        从图14可知，在半径为2000m的曲线地段，列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的隧道壁垂向加速度幅值分别为0.046m/s2，0.048m/s2，0.043m/s2，0.047m/s2，该地段隧道壁垂向加速度变化不明显。在半径为700m的曲线地段，列车通过欠超高为62mm，40mm，30mm，0mm的曲线浮置板轨道的隧道壁垂向加速度幅值分别为88mm，75mm，61mm，40mm，0mm工况下，隧道壁垂向加速度幅值分别为0.15m/s2，0.13m/s2，0.11m/s2，0.092m/s2，0.078m/s2，该地段隧道壁垂向加速度随着欠超高的减小而减小。
        4 结论
        钢弹簧浮置板轨道在不同曲线半径工况下：
        （1）车辆运行安全性方面，脱轨系数和轮重减载率均随着欠超高的减小而减小，且都在允许限度内；
        （2）车辆运行平稳性方面，车体垂向与横向振动加速度、Sperling垂向与横向指标均随着欠超高的减小而减小；
        （3）轨道结构动力性能方面，除了钢轨横向加速度外，轮轨力、钢轨动弯应力、钢轨垂向加速度、轨距动态扩大量、浮置板垂向与横向加速度以及位移、隧道壁垂向加速度均随着欠超高的减小而减小。
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