轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析_崔旭浩.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 崔旭浩 男博士生 年生 通信作者 肖宏 男博士教授 年生 轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析 崔旭浩 肖宏 肖慧娟 马超智 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京 摘要为研究轨枕空吊对有砟道床动力特性的影响建立有砟轨道的离散元分析模型通过缩小与枕底相接触 的道砟颗粒的粒径实现了轨枕空吊的模拟研究了轨枕空吊状态下有砟道床的动力响应分析了轨枕空吊形式和空吊数 量对有砟道床动力响应的影响结果表明轨枕空吊会使得道床中道砟颗粒接触力发生重分布空吊轨枕所在道砟箱中 强力键的个数会减少两侧相邻道砟箱中强力键的个数会增多轨枕非完全空吊时在列车荷载作用下会对道床产生冲击 作用而增大部分道砟颗粒受力空吊轨枕会失去对其下方道砟颗粒的约束作用而导致道砟颗粒振动的离散性增加同时 会增大轨枕盒中道砟颗粒的振动并显著提高两侧相邻轨枕下方道砟颗粒的振动水平轨枕空吊会增大轨枕侧面与道砟颗 粒之间的摩擦耗能引起道砟出现泛白现象同时还会增大两侧相邻轨枕下方道砟颗粒之间的摩擦耗能根轨枕连续 完全空吊对道床动力响应的影响大于根轨枕完全空吊的影响 关键词有砟道床轨枕空吊离散元法动力特性 中图分类号 文献标志码 道床是有砟轨道的重要组成部分由于有砟道床 的散体特性在列车荷载的反复作用下会产生破碎和 沉降当不均匀沉降发展到一定程度会使轨道局部地 段的轨枕出现悬空形成轨枕空吊现象已有调查表 明轨枕和道床之间的间隙普遍存在而实际中轨 枕铺设在有砟道床上轨枕空吊后会使轨道结构的传 力形式发生改变势必会引起有砟道床的动力响应产 生变化甚至会影响到有砟道床结构的正常服役和使 用寿命因此有必要研究轨枕空吊对有砟道床动力 特性的影响 针对轨枕空吊问题国内外学者已进行了研究 ChaoXing 等采用有限单元法建立了车轨耦合模型对 轨枕空吊问题进行了分析结果表明轨枕空吊会增大 轮轨力并增大轨枕的动位移 等 基于车辆 轨道耦合动力学模型从宏观角度对轨枕空吊问题开 展了系列研究结果表明轨枕空吊会增大轮轨动力相 互作用影响行车安全并且增大轨枕所受弯矩朱剑 月等等通过动力学仿真计算指出轨枕空吊会增大轮 轨相互作用形成线路几何与动态不平顺影响车辆运 行平稳性与乘坐舒适度高莹等等通过有限元模型 计算指出轨枕空吊高度增加时会增大轨枕所受的负 弯矩对轨枕受力不利李浩等基于车辆轨道耦 合动力学理论将有砟道床考虑为弹簧阻尼系统进 行了动力响应分析结果表明轨枕空吊会加剧轮轨之 间的相互作用使得轮轨接触力幅值增大邹春华 等等通过 有砟轨道模型试验在分析路基不均 匀沉降引起有砟轨道沉降影响规律的基础上基于弹 性点支承理论模型引入路基不均匀沉降非线性边界 条件提出路基不均匀沉降引起轨枕临界空吊计算方 法段玉振采用有限单元法对双块式无砟轨道轨枕 空吊动力响应进行了相关研究分析蔡理平运用 软件就有砟轨道桥梁轨枕空吊对轨道动力响应 影响进行了分析张大伟等建立了重载货车轨道 耦合动力学模型分析了轨枕空吊对重载铁路货车与 轨道动态相互作用的影响指出轮轨垂向力随空吊数 量的增加而显著增大轨枕空吊会加剧其相邻正常轨 枕的支撑力 等等基于有限单元法分析了 轨枕空吊对环境振动的影响指出轨枕空吊会增大地 表振动加速度 等等采用有限单元法对轨枕空 吊进行了动力分析研究表明轨枕空吊会增大轮轨 力增大相邻轨枕的受力并降低车辆运行的平稳性 综上可知既有的针对轨枕空吊的理论研究多采 用车辆轨道耦合动力学模型和有限单元法计算中 大多将有砟道床模拟为弹簧阻尼单元并假设该弹 簧阻尼系统失效来模拟轨枕空吊状态这种模拟方 法存在着一定的缺陷即没有考虑道砟颗粒的颗粒散 粒体特性另外已有针对轨枕空吊的分析大多集中 在轮轨力车辆动态响应以及对轨枕受力状态影响等 方面而对有砟道床动力特性影响方面的研究基本空 白基于该研究背景本文将建立有砟道床的离散元 模型在充分考虑道砟颗粒的颗粒散粒体特性的基础 上分析轨枕空吊状态下有砟道床的动力响应从道砟 接触受力振动摩擦耗能等细观角度揭示轨枕空吊对 有砟道床动力特性的影响相关结论可为有砟轨道的 养护维修提供科学依据 离散元模型建立 等建立有砟道床的二维离散元模型进行 了仿真计算指出二维离散元模型适用于有砟道床动 力特性的分析 等研究指出六边形组合 道砟颗粒的建模方法能较好的反映道砟颗粒的形状并 对黏结强度敏感赵春发等通过对碎石道砟样本照 片进行图像二值化处理并采用六边形密排圆盘填充 的方法实现了道砟的模拟并采用了线性接触刚度模 型定义道砟颗粒之间的接触本构本文参照 等 的二维离散元道床建模思路对道砟颗粒进行图像采 集运用图像处理技术并结合离散单元法建立六边形 密排圆盘形式的道砟颗粒的离散元分析模型如图 所示 图道砟颗粒离散元模型 按照铁路碎石道砟 特级 碎石道砟要求生成道床模型在相应位置生成钢轨扣 件和轨枕最终生成有砟轨道离散元模型并将轨枕从 左右依次进行编号如图所示 图有砟轨道离散元模型 从图可知有砟轨道中轨枕状态良好每根轨枕 与下部道床之间均处于接触良好的状态缩小轨枕下 方与轨枕底面相接触的道砟颗粒的粒径并重新平衡 模型使得轨枕与道床之间产生离缝从而实现轨枕空 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 吊的模拟如图所示 图有砟道床局部模型 轨枕空吊可以分为两种形式完全空吊和非完全 空吊当轨枕与道床之间的间隙较大在列车荷载作 用下轨枕与道床之间始终不发生接触可认为轨枕完 全空吊当间隙较小时在列车荷载作用下轨枕与道 床之间发生接触则认为轨枕为非完全空吊因此本 文共设置四种工况展开分析如表所示 表计算工况设置 工况编号工况描述 工况一状态正常 工况二根轨枕号非完全空吊 工况三根轨枕号完全空吊 工况四根轨枕号号号完全空吊 荷载施加及模型验证 荷载施加 将钢轨中相邻的两个基本单元之间黏结等效为梁 单元列车荷载作用于两者之间时如图所示荷载 分配按式和式进行计算 式中 为组成钢轨的颗粒中心位置 为 中 心距离为列车荷载为荷载位置 分别为两 个颗粒的反作用力由式和式计算可得 在计算过程中当荷载 移动 至位置时分别在 位置的颗粒单元上施加与 等值且反向的荷载 图荷载分配示意图 模型验证 开展现场动测试验以校验模型选定某有砟道床 试验段开展动态测试采用压电式加速度传感器对道 床振 动 加 速 度 进 行 测 试所 用 传 感 器 型 号 为 灵敏度为 最大允许加速度为 频率范围 测试过程中加速 度传感器的采样频率设置为 离散元模型的计 算时间步长与分析的振动频率范围直接相关本文取 离散元计算中时间步长最大值为 能够满足 采样频率 的要求 等指出道砟颗粒的振 动加速度为 以下的中低频振动保守起见本文 将道砟颗粒的频域振动分析频率拓宽至 现场动测过程中列车的运行速度为 测 试得到的道床振动加速度时程曲线如图 所示在 离散元模型计算中将列车荷载简化为常力 匀速 在钢轨上移动忽略轨道不平顺对道床振动的影响得 到的道床振动加速度如图所示 图道床振动加速度 由图可知现场实测的道床加速度与离散元模 型计算结果的幅值及波形相近进一步对实测的道床 振动加速度和计算得到的道床振动加速度进行频谱变 换结果如图所示 第期崔旭浩等轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析 ChaoXing 图道床振动加速度频谱曲线 由图可知因现场线路存在不平顺导致实测结 果存在明显的毛刺现象但现场实测的道床振动加速 度的频谱曲线与离散元计算的道床振动加速度的频谱 曲线波形及幅值相近其他不同速度的列车荷载下道 床加速度测试和计算结果相对比均能得到同样的验 证结果从而说明了本文所建立模型的正确性 计算结果分析 为分析高速列车荷载作用下轨枕空吊对有砟道床 动力 特 性 的 影 响本 文 取 移 动 的 荷 载 的 幅 值 为 移动速度为 依据仿真计算结 果主要从道砟接触受力振动摩擦耗能等角度展开 分析 道砟颗粒接触力 为便于分析将有砟道床划分为不同的道砟箱编 号顺序与轨枕编号一致如图所示 为直观看出轨枕空吊对道砟颗粒受力的影响给 出第二个轮载位于号轨枕上方时道砟颗粒之间接触 力的分布图如图所示 图道砟箱划分示意图 图道砟颗粒接触力分布图 由图可知道砟颗粒之间的强力键主要分布在 轨枕下方并大致呈梯形分布对比可看出工况二的 号道砟箱中道砟颗粒之间强力键的个数略微少于工 况一相邻的号和号道砟箱中强力键的个数较工 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 况一稍多工况三的号道砟箱中道砟颗粒之间强力 键的个数明显少于工况一相邻的号和号道砟箱 中强力键的个数明显多于工况一工况四的号号 和号道砟箱中道砟之间强力键的个数明显少于工况 一而两侧的号和号道砟箱中强力键的个数明显 多于工况一并且号和号道砟箱中强力键的个数 也多于工况一由此可知轨枕空吊会引起道砟颗粒 接触力发生重分布减小其所在道砟箱中强力键的个 数而增大两侧状态良好的轨枕所在道砟箱中强力键 的个数 为量化轨枕空吊对道砟颗粒受力的影响在仿真 计算过程中对各道砟箱中道砟颗粒之间的接触进行遍 历统计出各个道砟箱内道砟颗粒之间接触力的峰值 和均值结果如图所示 图道砟颗粒之间接触力统计 由图 可知工况二工况三中号道砟箱中道 砟颗粒接触力的均值都小于工况一而两侧相邻道砟 箱中道砟颗粒接触力的均值大于工况一具体为工况 二中号道砟箱中道砟颗粒接触力均值较工况一降低 了 两侧相邻的号和号道砟箱中道砟颗粒接 触力均值分别较工况一提高了 和 而工 况三中号道砟箱中道砟颗粒的接触力均值较工况一 降低了 号和号道砟箱中道砟颗粒接触力均 值分别较工况一提高了 和 工况四中 号号号道砟箱中道砟颗粒的接触力进一步减小 两侧相邻道砟箱中道砟颗粒接触力均值进一步提高 并且影响的范围有扩大的趋势对每一侧的第个道 砟箱也有一定程度的影响 由图可知道砟接触力峰值的变化规律与接 触力均值的变化规律基本一致但是工况二中号道 砟箱中两者的规律有所不同接触力均值降低但是接 触力峰值却有所提高为分析这一现象的原因绘制出 工况一工况二中号道砟箱中道砟接触力峰值的时 程曲线如图所示 图道砟颗粒接触力峰值时程曲线号道砟箱 由图可知在列车荷载作用下工况一工况二 的号道砟箱中道砟接触力峰值开始增加的时刻有所 不同两者存在时间差 工况二中接触力峰值的增长 晚于工况一这是由于工况二中号轨枕处于非完全 空吊状态在承受荷载的初始阶段轨枕与下部道床之 间并没有产生接触当轨枕在荷载作用下产生一定的 位移后才与下部道床中的个别道砟产生接触对道床 形成冲击作用在传力力链上的道砟颗粒接触力迅速 增大导致接触力峰值增大而此时号道砟箱中大 部分道砟并未承受枕上荷载并由于两侧轨枕的荷载 分担使得号道砟箱中道砟颗粒的接触力均值较工 况一有所减小 因此可知轨枕空吊会引起道砟颗粒接触力的重 分布会减小其所在道砟箱中道砟颗粒的受力而增大 两侧相邻道砟箱中道砟颗粒的受力并且这种影响随 着轨枕空吊状态的严重程度及连续空吊数量的增加而 增大需要注意的是轨枕非完全空吊时在荷载作用下 会对下部的道床产生冲击作用而增大部分道砟受力 道砟颗粒振动 为直观看出轨枕空吊对道砟颗粒振动的影响给 出第二个轮载位于号轨枕上方时道砟颗粒的速度和 加速度的矢量分布图分别如图和图所示 由图可知工况一中当列车轮载作用于号 轨枕正上方时号道砟箱及前方的号道砟箱中道砟 颗粒的速度方向向下后方的号道砟箱中道砟颗粒 的运动速度向上其他工况也有类似规律对比可看 出工况二的号和号道砟箱中运动速度较大的道 砟颗粒个数多于工况一工况三中空吊轨枕前方的 号道砟箱中运动速度较大的道砟颗粒的个数明显多于 第期崔旭浩等轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析 ChaoXing 工况一并且号轨枕下方道砟颗粒的运动已不再受 轨枕底面的约束而受前后相邻道砟箱中道砟颗粒运 动的影响工况四中的号道砟箱中运动速度较大的 道砟颗粒的个数多于工况一空吊的号号号道 砟箱中道砟颗粒的速度量值较小且不受轨枕底面约 束的影响还可看出空吊轨枕两侧道砟颗粒有向下 运动的趋势这是由于空吊轨枕的底面不受道床支承 其竖向运动程度较大在摩擦作用下带动两侧相邻道 砟颗粒产生竖向运动 图道砟颗粒速度矢量分布图 图道砟颗粒振动加速度矢量分布图 由图可知道砟颗粒的加速度矢量分布较图 中的速度矢量分布更为混乱这反映出道床中道砟颗 粒的运动速度随区域不同具有整体运动趋势而道砟 颗粒的振动加速度受其与周围的接触形式及自身质量 等因素的影响呈现出明显的个体振动特性这也是有 砟道床的散粒体材料性质的表现对比可看出工况 三的号道砟箱中工况四的号道砟箱中加速度较 大的道砟颗粒的个数明显多于工况一工况三的号 道砟箱中以及工况四的号号号道砟箱中振动 加速度数值较小的道砟颗粒个数明显较工况一多且 振动方向更具离散性另外还可看出空吊轨枕会增 多轨枕盒中振动加速度较大的道砟颗粒的个数 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 为进一步量化轨枕空吊对道砟颗粒振动的影响 对各根轨枕正下方深 处道砟颗粒的振动进行 监测道砟颗粒编号顺序与轨枕编号顺序一致从左 右依次为 统计四种工况下各道砟的振动加速度 峰值结果如图所示 图道砟振动加速度统计 由图可知对于工况一各道砟振动加速度的 峰值较为接近工况二工况四中各道砟的振动加速 度出现了明显的变化总体上轨枕空吊后会使道床整 体的振动加速度均有所提高其中工况二中号道 砟振动加速度幅值达到了 较工况一的 增 大了 倍绘制工况一工况二中号道砟颗粒的 振动加速度时程曲线如图所示可以看出在转向 架前轮荷载作用时道床受到了剧烈的冲击作用导致 道砟振动加速度显著提高工况三工况四中轨枕完全 空吊时会增大两侧相邻轨枕下方道砟颗粒的振动加速 度这是因为两侧轨枕承受了更多的列车荷载并且连 续根轨枕完全空吊的影响要明显大于根轨枕完全 图号道砟振动加速度时程图 空吊的影响另外完全空吊轨枕下方的道砟振动加 速度也有小幅度的提高这可能是因为轨枕完全空吊 后下部道床失去了轨枕底面的约束作用从而导致道 砟颗粒的振动加强需要注意的是本文的离散元模型 中没有考虑轨道不平顺的影响实际线路中的短波高 低等轨道不平顺对道砟振动加速度会产生影响 道床摩擦耗能 由于道砟颗粒的散体特性外荷载作用下道砟颗 粒之间会产生相对滑动从而产生摩擦耗能长期作用 下将会引起道砟的磨耗在仿真计算过程中遍历道砟 颗粒之间的接触结合接触力和滑动位移计算摩擦 耗能 数值计算过程中每一时步中道砟摩擦耗能的增 量为 式中 为计算区域中接触点的数目 为分析步 开始时接触点处的切向力 为分析步结束时接触点 处的切向力 为滑动位移的增量 式中 为总位移增量 为弹性位移增量为接 触点处的切向刚度 设置移动荷载加载开始时刻道砟摩擦耗能 的 量值为零计算过程中累计摩擦耗能增量得到总的摩 擦耗能 式中为仿真计算中的物理时间 限于图幅给出工况一各道砟箱中道砟颗粒摩擦 耗能绝对值的时程曲线如图所示 图各道砟箱中道砟摩擦耗能工况一 由图可知道床中道砟颗粒之间的摩擦耗能的 增长与荷载加载的进行具有一致性当转向架荷载经 过时摩擦耗能开始增长转向架荷载经过后摩擦耗能 逐渐趋于稳定统计加载结束后各道砟箱中道砟颗粒 第期崔旭浩等轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析 ChaoXing 的摩擦耗能的最终值并取其绝对值进行绘图如图 所示 图道砟摩擦耗能统计 由图可知轨枕空吊会导致其所在道砟箱及两 侧相邻道砟箱中道砟颗粒的摩擦耗能增加且连续根 轨枕完全空吊引起的摩擦耗能增长值远大于根轨枕 空吊时统计道砟颗粒之间各个接触引起的摩擦耗能 值给出列车荷载作用结束时工况四中各接触对的摩 擦耗能计算结果如图所示 由图可知轨枕空吊后会使轨枕两侧道砟颗 粒与轨枕侧面之间的摩擦耗能增大这与现场的调研 结果相吻合如图 所示在列车荷载作用下空 吊轨枕侧面与道砟颗粒之间会出现泛白现象挖 开轨枕盒中的道砟后可以发现轨枕侧面留有道砟磨 耗产生的印迹如图所示另外由图还可 知轨枕空吊会增大两侧相邻轨枕下方道砟颗粒之间 的摩擦耗能因此可知轨枕空吊后会加快与轨枕侧 面相接触的道砟颗粒以及两侧相邻轨枕下方道砟颗 粒的磨耗 图道砟摩擦耗能分布图工况四 图现场轨枕空吊时道砟磨耗情况 结论 本文基于离散单元法建立了有砟道床仿真分析模 型探讨了在列车荷载作用及轨枕空吊状态下道砟颗 粒受力振动及摩擦耗能情况的变化所得结论如下 轨枕空吊会引起道砟颗粒接触力发生重分布 会减小其所在道砟箱中强力键的个数而增大两侧状 态良好轨枕所在道砟箱中强力键的个数轨枕非完全 空吊时在列车荷载作用下会对下部的道床产生冲击作 用而增大部分道砟颗粒受力 空吊轨枕下方的道砟颗粒因失去轨枕底面的 约束作用导致振动更具离散性轨枕空吊会显著增大 两侧相邻轨枕下方道砟颗粒的振动轨枕空吊会增大 轨枕的动位移并带动与轨枕侧面相接触的道砟颗粒产 生运动增大轨枕盒中道砟颗粒的振动 轨枕空吊会增大轨枕侧面与道砟颗粒之间以 及两侧相邻轨枕下方的道砟颗粒之间的摩擦耗能 根轨枕连续完全空吊对两侧相邻道砟箱中 道砟颗粒的受力振动及摩擦耗能的影响远大于根 轨枕完全空吊时并且在空间上的影响范围有扩大的 趋势因此当铁路运营中出现轨枕空吊时工务部门应 及时整治避免轨枕连续空吊现象的发生 参 考 文 献 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 张健吴昌华肖新标等轨枕空吊对轨枕动态性能的 影响 西南交通大学学报 朱剑月张艳轨枕吊空对轨道结构动力性能的影响 中国铁道科学