高速铁路焊接区轮轨动力学响应及疲劳分析.pdf
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1、NO.9(Ser.300)JOURNAL OFRAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第9 期(总3 0 0)Sep2023报程学道铁2023年9 月文章编号:10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 9-0 0 2 3-10高速铁路焊接区轮轨动力学响应及疲劳分析林凤涛张子豪方琴2米米翁涛涛?贾喆2 陈武2黄金霞(1.省部共建轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室(华东交通大学),南昌3 3 0 0 13;2.载运工具与装备教育部重点实验室(华东交通大学),南昌3 3 0 0 13;3.安徽辉瑞轨道智能设备有限公司,合肥2 3 16 3 8)摘要:研究目的:针对不同行车
2、条件下,高速列车通过钢轨焊缝区高频振动及轮轨冲击损伤问题,应用列车系统动力学理论,构建车辆轨道耦合动力学模型,对钢轨焊接区典型不平顺对轮轨垂向动态响应特征及发生疲劳损伤的可能性进行研究。研究结论:(1)高速列车通过下凹型焊缝的轮轨冲击作用强于上凸型焊缝,通过W型不平顺的轮轨垂向动态作用强于V型不平顺;(2)随着焊缝区不平顺波深的增加或波长的减小,轮轨垂向响应增强,在铁路钢轨养护中,建议以波深0.4mm及波长0.4m为焊缝区限值进行打磨养护;(3)结合安定理论,确定钢轨焊缝的疲劳损伤区,横移量大于9.5 mm时,疲劳因子大于零,当横移量达到10.1mm,上凸型焊接区疲劳因子达到0.041,下凹型
3、焊接区疲劳因子达到0.0 6 8,下凹型焊缝更容易产生疲劳裂纹;(4)本研究成果可为高速铁路焊接区裂纹萌生可能性的预测及钢轨养护提供借鉴。关键词:轮轨力;焊缝不平顺;焊缝幅值与波长;疲劳因子中图分类号:U213.92文献标识码:ADynamic Response and Fatigue Analysis of Wheel/rail in the Weld Zone ofHigh-speed RailwayLIN Fengtao,ZHANG Zihao?,WENG Taotao,FANG Qin?,JIA Zhe?,CHEN Wu?,HUANG Jinxia?(1.State Key Labor
4、atory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure,East China JiaotongUniversity,Nanchang,Jiangxi 330013,China;2.Key Laboratory of Conveyance and Equipment of the Ministry ofEducation,East China Jiaotong University,Nanchang,Jiangxi 330013,China;3.Anhui Huirui Orbital Smart
5、Equipment Co.Ltd,Hefei,Anhui 231638,China)Abstract:Research purposes:Aiming at the problems of high-frequency vibration and wheel-rail impact damage ofhigh-speed trains passing through the rail weld zone under different driving conditions,the vehicle-track couplingdynamic model is constructed by app
6、lying the train system dynamics theory,and the vertical dynamic responsecharacteristics of typical irregularity of rail weld zone to wheel-rail and the possibility of fatigue damage are studied.Research conclusions:(1)The wheel-rail impact of high-speed train passing through concave weld is stronger
7、 thanthat of convex weld,and the vertical dynamic effect of wheel-rail passing through W-type irregularity is stronger thanthat of V-type irregularity.(2)With the increase of wave depth or the decrease of wavelength in the weld zone,the米收稿日期:2 0 2 2-0 5-3 1基金项目:国家自然科学基金项目(5 2 0 6 5 0 2 1,5 18 6 5 0
8、0 9,5 19 7 5 2 10)*作者简介:林凤涛,19 7 7 年出生,男,教授。2023年9 月报学程道铁24vertical response of wheel/rail is enhanced.In the actual line maintenance,it is recommended to use O.4 mm wavedepth and 0.4 m wavelength as the weld zone limit for grinding and maintenance.(3)Combined with the stabilitytheory,the fatigue da
9、mage zone of the rail weld is determined.When the transverse displacement is greater than9.5 mm,the fatigue factor is greater than zero.When the transverse displacement reaches 10.1 mm,the fatigue factorof the convex weld zone reaches 0.041,and the fatigue factor of the concave weld zone reaches 0.0
10、68.The concaveweld is more likely to produce fatigue cracks.(4)The research results can provide reference for the prediction of crackinitiation possibility in high-speed railway weld zone and rail maintenance.Key words:wheel-rail force;weld irregularity;amplitude and wavelength of weld;fatigue facto
11、r1研究背景随着高速列车运行速度的提高,列车经过钢轨接头区域时,轮轨相互作用加剧,易产生高频激振,严重时会造成轨道车辆系统的部件疲劳断裂等损伤 1.2 。无缝钢轨的应用有效避免了这一问题,但焊接区引起的轮轨间异常振动会减小钢轨服役寿命,高速运行引发的剧烈轮轨动力作用还会加剧车体的振动,造成恶性循环,降低列车运行的安全平稳性。当前,钢轨焊接区研究工作主要集中在两个方面:一方面是基于车辆轨道动力学模型对钢轨焊接区的力学参数的分析研究;另一方面是基于有限元分析方法对钢轨焊接区轮轨接触情况分析研究。Steenbergen等 3 通过收集整理钢轨焊接区数据,计算分析了其轮轨动态作用响应,证明钢轨焊缝几何
12、不平顺坡度对轮轨接触力最大值有重要影响。翟婉明 4 以叠合型不平顺数据为输人,引人动力学分析方法,对我国提速线路焊接区进行轮轨接触分析。高原等 5 1为研究焊接接头不平顺演变对车辆轨道动态相互作用的影响,现场跟踪测试得到不同服役时期的焊接接头不平顺数据,并利用车辆一轨道垂向耦合动力学模型,从时域和频域两个角度,分析计算了不同服役时期焊接接头不平顺对车轮、钢轨振动加速度及轮轨垂向力的影响。许玉德等 6 建立动力学方程与有限元分析的联合方法,结果显示钢轨焊接接头应力集中区在轨腰和轨底连接处。本文针对高速铁路直线段焊接区轮轨接触关系进行分析,研究不同行车条件下,钢轨焊接区凹凸不平顺对轮轨动力性能的影
13、响,并针对两类焊缝提出铁路钢轨养护限值;结合接触疲劳因子模型,研究轮对不同初始横移量下,钢轨焊接区产生疲劳损伤的可能性。2轮轨动力学分析方法2.1车辆一轨道动力学耦合模型车辆轨道耦合动力学模型包括车辆系统与轨道系统,采用赫兹接触理论建立轮轨接触模型。其中,车辆采用高速铁路CRH2车型,配合LMA型车轮踏面,高速铁路有碓轨道采用6 0 kg/m钢轨。车辆模型由车体、转向架、轮对、一系及二系悬挂和弹簧阻尼元件等构成;轨道模型中,采用钢轨轨底坡设置为1/40,轨距设置为143 5 mm,左右两股钢轨视为连续弹性离散点支承基础上的无限长Euler梁,钢轨及道床及路基间通过阻尼弹簧连接,相邻道床块间由剪
14、切刚度和剪切阻尼元件相连。车体与钢轨间通过轮轨动态耦合接触相连,如图1所示。车体MZCKM构架Z2ZlKDZWXWX轮对MMwZw3M.Zw2MZwIW4W(a)车辆模型张子豪林凤涛第9 期翁涛涛等:高速铁路焊接区轮轨动力学响应及疲劳分析25m.焊缝EIKG,钢轨Z.K轨枕M.ZKbv道床KCWM,Z(b)整体轨道-道床模型图1车辆一轨道耦合动力学模型2.2焊接区不平顺模型钢轨焊接区短波不平顺波形的描述采用余弦谐波叠合不平顺的方法,对实测沪昆线钢轨焊接区不平顺进行处理,焊缝不平顺数据包括波长、波深两项参数。波长即不平顺数据沿钢轨纵向的检测长度,焊接区波长划分为主波区和副波区,其中主波区波长对车
15、体经过钢轨焊接区时的动力学响应起主要作用。波深即不平顺幅值数据与基准轴距离的最大值,如图2 所示。本文检测长度为1m,主波区跨度0.4m。根据不平顺形态,分别定义为上凸V型、上凸W型、下凹W型、下凹V型,依次记录为1号至4号焊缝,四类不平顺数据总波长均为1m,波深为0.4mm,并输人动力学计算模型。为减少计算时间,将短波不平顺数据添加至直轨起始处10 m,其中叠合型不平顺模型见式(1)。0.40.40.30.3wu/草u/草0.20.20.10.10副波区主波区副波区000.20.40.60.81.000.20.40.60.81.0位移/m位移/m(a)1号焊缝(b)2 号焊缝0.10副波区主
16、波区副波区0-0.1-0.1w山/里-0.2-0.20.3-0.3-0.4-0.4-0.5-0.500.20.40.60.81.000.20.40.60.81.0位移/m位移/m(c)3 号焊缝(d)4号焊缝图2实测焊缝区不平顺图2UtLOS0t2L2TVL一入L-入L+入Zo(t)=a/aaaCOSt2入2u2u2u2TVL+入L+入LCOSttL22uV2023年9 月报学程道铁26式中Zo(t)-激扰位移;a不平顺波深;3不平顺参数对轮轨动力响应的影响规律波深、波长作为影响钢轨焊缝区动力学特性的重要特征,本文根据高速铁路有诈轨道线路维修规则对计算结果进行分析,高速铁路垂向轮轨动力性能指标
17、的安全性评价标准为:轮轨垂向力为17 0 kN,轮重减载率为0.6 0,车体垂向振动加速度为0.2 5 gl7L不平顺长波波长;入一一不平顺短波波长。一依据四类焊缝不平顺下的轴箱受振力学分析,均采用总波长1m、幅值0.4mm的不平顺样本进行分析。如图3 所示,CRH2车型通过焊缝不平顺区时轮轨垂向力沿不平顺趋势发生突变,分别为13 8.5 kN,154kN,228kN202kN。车体未通过钢轨焊缝区时轮轨垂向力为6 1kN,即相应增加5 5.6%,6 0.5%,74.5%,6 8.8%。对比可得,下凹W型焊缝对车体行驶过程中的轮轨垂向作用影响最大。140160注:一轮轨垂向力;0.4注:轮轨垂
18、向力;0.4幅值140幅值12012011000.3回垂博0.3100wu/草u/草800.2800.26060400.1400.120200分析区间00分析区间0-20-2010.010.210.410.610.811.09.810.010.210.410.610.811.011.211.4运行距离/m运行距离/m(a)1号焊缝(b)2号焊缝0.10.1250注:一轮轨垂向力;注:一轮轨垂向力;福值200幅值00200150-0.1-0.1150-0.2100-0.2100-0.350-0.350-0.4-0.400分析区间分析区间-0.5-0.59.810.010.2 10.4 10.6
19、10.8 11.0 11.2211.49.810.0 10.2 10.4 10.6 10.8 11.0 11.2 11.4运行距离/m运行距离/m(c)3 号焊缝(d)4号焊缝图3轮轨垂向力与焊缝不平顺曲线对比CRH2车体通过四种钢轨焊缝区的轮对垂向振动加速度如图4所示,最大振动加速度分别为47.9 m/s,58.6m/s,88.0m/s,74.6m/s。轮对通过下凹型焊缝时的轮轨垂向冲击响应强于上凸型焊缝,轮对垂向振动加速度增长约3 3%;且短波不平顺激扰波呈现W型时,轮轨垂向作用明显大于V型不平顺,轮轨间的动态冲击较大。综合考虑,车体通过3 号焊缝时轮轨冲击作用较大,需对其幅值及波长进行下
20、一步分析,且为充分考虑四类焊缝类型,选取1号焊缝进行对比分析。3.1波深影响根据实际工况,对实测数据进行分析整理,控制钢注:901号焊缝;一2 号焊缝:80一3 号焊缝;一4号焊缝7060504030180200220240260280300速度/(kmh-l)图4四种焊缝垂向振动加速度对比张子豪林凤涛翁涛涛等:高速铁路焊接区轮轨动响应及疲劳分析第9 期27轨焊接区不平顺的波长一定,设置该类型焊接区不平顺幅值为0.2 mm,0.25mm,0.3mm,0.35mm,0.4mm,0.45mm,0.5mm,如图5 所示。注:0.50.5 mm;00.45 mm;0.4 mm;0.40.35 mm;-
21、0.10.3 mm;注:0.25 mm;.-0.5mm;0.2 mm-0.2wu/草uu/草0.3.0.45mm;-.0.4mm;.0.35mm;-0.30.3mm;0.20.25 mm;-0.40.2mm0.1-0.5000.20.40.60.81.000.20.40.60.81.0位移/m位移/m(a)1号焊缝(b)3号焊缝图5焊缝不同幅值图1号焊缝轮轨动力响应变化如图6 所示。由图6可知,随着波深的增加,轮轨接触产生的局部震颤明显。波深小于0.4mm时,轮轨垂向力随速度增加呈线性增长关系。当不平顺幅值达到0.5 mm时,通过1号焊缝幅值突变点处的轮轨垂向力达到13 1.1kN,138.4
22、 kN,157.8 kN,179.0 kN。轮重减载率和轮对垂向振动加速度呈现非线性增加的关系,波深大于0.3 5 mm时,轮重减载率增长幅度明显,幅值达到0.45 mm后,轮重减载率趋向于0.6 5,当波深达到0.5 mm,轮重减载率分别为0.43,0.49,0.6 0,0.63,轮对垂向振动加速度分别为3 4.0 m/s,36.9m/s,43.8m/s,50.8m/s,行驶速度超过2 5 0 km/h后,垂向振动加速度增幅明显。由于分析区间为直线段钢轨,车体的脱轨系数及横向力较小,且随着波深的增加,轮轨横向力及脱轨系数呈小幅度的非线性增长,最大脱轨系数为0.12,最大轮轨横向力达到12 k
23、N。1801.0141.0注垂白力-18 0 km/h:轮惠减热率2 5 0 km/h注模鸟力-18 0 km/h;轮重减载率-18 0 km/h;垂向力-2 0 0 km/h:轮重减载率.3 0 0 km/h横向务-2 0 0 km/h美减我美二2 0 0 km/一垂向力-2 5 0 km/h;0.9横贞务-2 5 0 km/h量减载率-2 5 0 km/h0.9160乘向力-3 0 0 km/h12横向力-3 0 0 km/h;轮重减载率-3 0 0 km/h轮减载率-18 0 km/h;-轮重减载率-2 0 0 km/h;0.80.8140100.70.712080.60.610060.
24、50.5800.440.4600.30.32400.20.200.200.250.300.350.400.450.500.550.20 0.250.30 0.35 0.400.450.50幅值/mm幅值/mm(a)轮轨垂向力和轮重减载率对比(b)轮轨横向力和轮重减载率对比0.1360注-18 0 km/h;注-18 0 km/h;55200km/h;200km/h:-A-250km/h;A-250km/h;500.12300 km/h一3 0 0 km/h45400.1135300.100.09151050.0800.200.250.300.350.400.450.500.550.200.25
25、0.300.350.400.450.50幅值/mm幅值/mm(c)轮对垂向振动加速度对比(d)脱轨系数对比图6 1号焊缝轮轨动力响应变化(一)2023年9 月程报学道铁283号焊缝轮轨动力响应变化如图7 所示。由图7 可知,随着波深的增加,通过3 号焊缝幅值突变点处的轮轨垂向力达到18 8.4kN,196.8kN,219.5kN,232.5kN对比分析可知,通过1号焊缝的轮轨垂向力与幅值变化的线性关系更好。依据文献 8 的轮轨垂向力测试数据及不同幅值垂向力结果分析,计算结果与其相符。相同速度下,车体通过下凹型焊缝的接触垂向力明显大于上凸型焊缝,区间受力情况变化明显。当幅值超过0.4mm时,轮重
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