考虑胶轮电车-轨道耦合效应的导轨梁受力分析_占玉林.pdf

第 4 5 卷 第 1 期2 0 2 3 年 1 月铁道学报JOUNAL OF THE CHINA AILWAY SOCIETYVol 45No 1January2 0 2 3文章编号:1001-8360(2023)01-0098-07考虑胶轮电车-轨道耦合效应的导轨梁受力分析占玉林1，2，许俊1，3，邵俊虎4，王吉坤1，黎泰良5(1 西南交通大学 桥梁工程系，四川 成都610031;2 西南交通大学 土木工程材料研究所，四川 成都610031;3 中铁第四勘察设计院集团有限公司 线路站场设计研究院，湖北 武汉430063;4 成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都610106;5 中铁四院集团西南勘察设计有限公司 桥隧所，云南 昆明650206)摘要:为研究胶轮有轨电车系统中导轨梁和螺栓的受力及布置，基于 LS-DYNA 有限元软件，建立胶轮有轨电车和导轨梁三维有限元模型，分析车辆行驶速度、刹车初速度和螺栓间距对导轨梁和锚固螺栓受力的影响。研究表明，车辆行驶速度对导轨梁 Mises 应力峰值影响不大，对螺栓纵向剪力峰值有较大影响;导轨梁 Mises 应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随车辆刹车初速度增加而增加;导轨梁 Mises 应力峰值和螺栓纵向剪力峰值随螺栓间距呈阶梯式增长，在螺栓间距为 3.04.5 m 区间内变化幅度较大。设计时，螺栓间距取值需综合考虑经济性与安全性，建议取 3 m;实际运营中，应控制车辆行驶速度在 80 km/h 左右，并尽可能避免车辆高速紧急刹车制动。关键词:胶轮有轨电车;轮轨耦合;导轨梁应力;螺栓剪力;动力响应中图分类号:U239.3文献标志码:Adoi:10.3969/j issn 1001-8360.2023.01.012Stress Analysis of Track Beam Considering Coupling Effect ofubber-tired Tram and TrackZHAN Yulin1，2，XU Jun1，3，SHAO Junhu4，WANG Jikun1，LI Tailiang5(1 Department of Bridge Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2 Institute of Civil EngineeringMaterials，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;3 Department of Track and Station Yard，China ailwaySiyuan Survey and Design Group Co，Ltd，Wuhan 430063，China;4 School of Architecture and Civil Engineering，ChengduUniversity，Chengdu 610106，China;5 Department of Bridge and Tunnel，Southwest Survey and Design InstituteCo，Ltd，of China ailway Siyuan Group，Kunming 650206，China)Abstract:For the rubber-wheeled tram system，the different arrangement of bolts will result in different forces on thetrack beams and bolts at different speeds A three-dimensional finite element model of the rubber-wheeled tram and trackbeam based on LS-DYNA finite element software was established to analyze the influence of vehicle speed，initial bra-king speed and bolt spacing on the force of the track beam and anchor bolts The results show that vehicle speeds exertrelatively smaller influence on the Mises stress peak of the track beam，but has significant influence on the peak longitu-dinal shear force of the bolts The Mises stress peak of steel track beam and the peak of the longitudinal shear force ofthe bolts increase with the increase of the initial braking speeds The peak of the Mises stress of steel track beam and thepeak of the longitudinal shear force of the bolts increase stepwise with the increase of the bolt spacing，with a significantchange from 3.0 m to 4.5 m of bolt spacing During design，the value of bolt spacing should be considered in combina-tion with economy and safety and the value of 3.0 m is recommended The vehicle speed in actual operation should becontrolled at about 80 km/h，while emergency braking should be avoided as much as possible when the vehicles are run-ning at high speedsKey words:rubber-wheeled tramcar;wheel-rail coupling;stress of track beam;shear of bolt;dynamic response收稿日期:2020-12-28;修回日期:2021-03-21基金项目:国家自然科学基金(51878564);国家重点研发计划(2016YFB1200401);四川省科技计划(2021JDTD0012)第一作者:占玉林(1978)，男，湖北罗田人，教授，博士。E-mail:yulinzhan home swjtu edu cn通信作者:邵俊虎(1986)，男，湖北仙桃人，讲师，博士。E-mail:junhushao qq com云巴胶轮有轨电车转弯半径小、爬坡能力强、可无人驾驶，相比跨座式单轨交通具有造价更低、工期更短等优点，为缓解城市交通拥堵问题提供了新的发展方第 1 期占玉林等:考虑胶轮电车-轨道耦合效应的导轨梁受力分析向。钢导轨梁作为车辆行驶的载体，是保证车辆安全运行的关键，随着车辆运行速度和导轨梁跨径不断提高，轮轨耦合作用更加复杂，而车辆制动时引起的结构动力冲击效应则更为显著1-2。因此，轮轨耦合作用下导轨梁及其锚固构件动力响应问题的研究具有重要意义。针对轮轨耦合问题，国内外学者进行了广泛的理论分析和试验研究。Zhai 等3 建立了车轨耦合动力学理论体系，将车辆模拟为刚体，钢轨被视为无限长的梁，通过现场试验验证了其有效性;Tran 等4 研究了制动转矩、车轮与钢轨间静摩擦系数、列车初始速度和钢轨平整度对高速铁路动力响应的影响;文献 5-6 对高速铁路列车在不同行驶速度下的轮轨动力响应进行了分析;文献 7-8 研究了车轮横移量和车轮多边形等因素对轮轨垂向接触力的影响;文献 9-10 对跨座式单轨交通中车辆与轨道梁的动力相互作用进行研究;Sladkowski 等11 建立了轮轨接触问题的三维有限元模型，分析了不同形式轨道以及车轮踏面接触时，接触斑的形状以及接触应力分布等情况。上述研究多集中于高速铁路中轮轨耦合作用对列车和轨道的影响，而对轨道锚固构件的受力性能却少有研究;此外，在静动力荷载作用下，钢导轨梁的受力是否合理也缺乏系统研究。本文基于 LS-DYNA 大型有限元仿真平台，建立胶轮有轨电车-导轨梁耦合动力学模型，通过重力初始化得到车辆静止时的轮轨接触力，并与车辆轴重进行对比和校核。在此基础上，以不同车辆行驶速度、不同刹车速度和不同螺栓间距为计算工况，研究导轨梁和锚固螺栓的动力响应特点及规律。1车辆-导轨梁有限元模型1.1车辆模型本文采用 LS-DYNA 有限元软件建立了胶轮有轨电车-导轨梁耦合模型，车辆以比亚迪云巴胶轮有轨电车为对象，简化为车体、弹簧阻尼和轮对 3 个部分，其中，轮对又分别为轮胎、轮毂和车轴。为使车辆在下落后能在短时间内达到稳定，在车轮质心与车体之间添加一个阻尼单元，通过一个弹簧单元将车体荷载传递至车轮，车辆前轴与后轴的轴重均为 62.5 kN，同一节车厢前后轴距为 4.2 m，相邻车厢之间的最小轴距为3.8 m。车辆三维实体图见图 1。在图 1 中，轮胎、轮毂和车体采用弹性材料进行模拟，车轴不参与轮轨接触，采用刚性材料模拟，材料参数见表 1。弹簧、阻尼分别采用线性弹性弹簧和线性图 1车辆三维实体图黏性阻尼器模拟;为避免沙漏效应，实体单元采用单点积分和刚性沙漏控制12，车辆参数见表 2。表 1材料特性构件密度/(kgm3)弹性模量/MPa泊松比轮胎7 8502.101040.3轮毂7 8502.101050.3车体3 4902.061050.3车轴7 8502.101050.3表 2车辆参数参数数值车轮半径/m0.502车体质量/t6.432轮对质量/t3.034弹簧垂向刚度/(kNm1)5 000阻尼系数/(kNsm1)301.2导轨梁模型导轨梁有限元模型见图 2。导轨梁单元类型为Shell163，采用 95.88 m 长的全钢结构，由顶板、底板、腹板和横隔板组成。导轨梁每隔一定距离在垫板处通过高强螺栓锚固于混凝土主梁上，为模拟混凝土主梁对导轨梁的弹性支撑作用，导轨梁底部与混凝土主梁之间采用仅受压弹簧进行连接，并对弹簧底部固结，弹簧采用 Combi165 单元模拟。为简化计算模型，将高强螺栓对导轨梁的锚固作用近似用垫板处节点固结的方式模拟。图 2导轨梁有限元模型99铁道学报第 45 卷1.3接触设置车辆与导轨梁之间的接触通过关键字*CON-TACT_AUTOMATIC_SUFACE_TO_SUFACE 设置为双向自动接触类型，车轮面设置为从接触面，钢导轨梁顶板设置为主接触面。LS-DYNA 程序处理接触问题主要有节点约束法、对称罚函数法和分配参数法三种不同算法，本文采用对称罚函数法13。罚函数法允许接触体间产生少量穿透，没有增加系统运动方程的自由度数，且容易通过显式积分方法求解。图 3 为由弹簧阻尼系统构成的三维轮轨接触模型。在垂向(y 方向)，根据轮轨接触关系设置和动态计算的需要，车轮踏面与导轨梁顶板之间留有 5 mm 的间隙。图 3三维轮轨接触有限元模型2车辆-导轨梁耦合有限元模型校验2.1重力初始化如果将重力和速度同时施加给车辆，那么车辆在重力作用和水平速度的叠加作用下，不仅会产生纵向位移，而且会上下振动，造成导轨梁在车辆两个方向的合力作用下受力过大，从而难以模拟出车辆的实际运动状态14。因此，在给车辆模型施加速度之前，先缓慢施加结构自重，对导轨梁和车辆施加一个