既有铁路曲线桥线路偏心对列车安全运行的影响分析.pdf
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1、第 63 卷 第 10 期2023 年10 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.10October 2023文章编号:10031995(2023)10004207既有铁路曲线桥线路偏心对列车安全运行的影响分析蔺鹏臻1 曾继鑫2 薛多辉3 李早阳31.兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,兰州 730070;2.兰州交通大学 土木工程学院,兰州 730070;3.中国铁路兰州局集团有限公司 定西工务段,甘肃 定西 743000摘要 以既有线铁路桥梁为研究对象,基于车-桥耦合振动理论,建立可以考虑线路偏心作用影响的车-桥耦合分析模型,研究线路偏心作用对脱
2、轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、桥梁振动响应等指标的影响,以及各指标随行车速度的变化规律。研究结果表明:线路偏心作用对车辆系统的轮轨横向力影响最大,轮重减载率次之,且对机车的影响大于客车影响;线路偏心作用对桥梁系统的横向位移、墩顶横向位移比其他指标大。当车辆以不同速度通过偏心曲线桥梁时,轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向力均随速度的增大而增大,且轮轨横向力增长率最大,轮重减载率次之,而桥梁跨中横向位移、墩顶横向位移均随速度先减小后增大。T梁内侧梁竖向位移随速度增大而减小,外侧梁竖向位移随速度增大而增大。偏心线路应以轮轨横向力作为衡量指标,防止轮轨横向力过大导致扣件破坏、轨排横移。关键词 铁路桥梁;
3、线路偏心;数值模拟;车-桥耦合;动力响应中图分类号 U448.13 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.10031995.2023.10.09引用格式:蔺鹏臻,曾继鑫,薛多辉,等.既有铁路曲线桥线路偏心对列车安全运行的影响分析 J.铁道建筑,2023,63(10):4248.既有铁路线路由于修建年代等原因,在山区峡谷地带存在大量小半径曲线桥梁,由于轮轨动力相互作用使得线路偏心移位。线路维修养护时,往往只注重曲线平面几何尺寸的调整,而线桥中心线是否吻合常被忽视,导致许多小桥线路偏心超限1。因此,桥上线路偏心是维修养护的重要任务之一,也是桥梁技术状态评定的一项重要指标。针对桥梁偏
4、心问题国内外各学者进行了一定的研究。李军等2针对重载铁路的曲线桥梁偏心超限,建立可自动得出偏心超限整治方案的计算模型,对曲线桥梁偏心超限进行整治和管理,并且在实际线路中得到应用。杨育林等3对重载铁路特大桥的偏心原因和整治方法进行研究,分析对比了整治前后各种检测数据并取得了显著效果。李晓光4研究比选曲线钢梁桥偏心整治方案,提出了用偏角法拨正曲线以整治桥梁偏心的方法。杨云飞等5根据既有桥梁的现状,介绍了曲线桥梁偏心计算方法并确定了允许拨道量。刘华朋等6研究了铁路曲线桥梁的偏心布置问题,发现选择合适的预设偏心可以减小梁轨之间的作用力,还可减小桥梁结构的内力。李添悦、高诚、张瑞欢等7-9研究了线路偏心
5、和道砟厚度的测量方案和技术,确保线路偏心及道砟厚度满足设计要求。文颖等10研究了列车作用下有砟轨道中线与桥梁中线偏心发展机理,得到桥上有砟轨道结构参数对有砟轨道-桥梁偏心的影响规律。Perrin等11提出了一种基于轨道几何随机建模与列车刚体建模耦合的方法,分析轨道几何可变性与列车动力学和稳定性之间的复杂联系。韩治平等12对一座重载铁路线上的曲线桥梁进行研究,从梁体的振动幅度、振动加速度等方面对桥梁的运营性能进行评估分析,发现梁轨偏心超限会对桥梁的承载力产生一定影响。目前,关于桥梁偏心的研究集中于施工中误差控制、运营期线路调整等方面,关于偏心对车桥系统的振动特性影响、安全性评价等方面的研究不足。
6、本文以既有线铁路曲线桥为研究对象,结合桥梁偏心实测结果,基于车-桥耦合动力学理论,研究脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等车辆运行安全性指标的影响规律,以及偏心作用对桥梁振动特性的影响。收稿日期:20221102;修回日期:20230519基金项目:国家自然科学基金(11790281);兰州铁路局科技计划项目(LZJKY2022034-2);中 央 引 导 地 方 科 技 发 展 资 金 项 目(22ZY1QA005)第一作者:蔺鹏臻(1977),男,教授,博士。E-mail:第 10 期蔺鹏臻等:既有铁路曲线桥线路偏心对列车安全运行的影响分析1 工程概况 既有线下行多跨简支T梁桥的跨径布置为(
7、24+7 32+24)m,全长272 m。桥梁位于半径800 m、缓和曲线长150 m、圆曲线长290 m、曲线超高120 mm的曲线线路中。桥梁按切线布置,曲线均衡速度为88 km/h。经现场实测2020年3月2日至19日,线梁偏心最大值从第 1 跨到第 9 跨分别为 309.0、115.5、88.5、87.5、102.0、104.0、85.0、111.0、116.5 mm。TG/GW 1032018 普速铁路桥隧建筑物修理规则 规定:运营桥上线路中线与梁跨设计中线的偏差,钢梁不应大于50 mm,圬工梁不应大于70 mm;行车速度大于120 km/h区段,钢梁、圬工梁均不应大于50 mm。由
8、此可见该桥梁已经出现偏心超限的问题,超限最严重的为第1跨梁端。现场调研表明该线路主要运行 HXD1、HXD1C型货运电力机车,以及HXD3D、SS7E型客运电力机车,线路设计最高允许速度为120 km/h。2 车-桥耦合动力分析模型及评定标准2.1车-桥动力相互作用分析模型车-桥耦合动力分析模型由车辆子系统、桥梁子系统、轮轨接触模型、桥轨相互作用关系组成13。车辆子系统、桥梁子系统分别采用多体系统动力学理论和有限元理论建立运动方程,将车辆子系统和桥梁子系统通过轮轨接触关系、桥轨相互作用关系组成整个耦合时变系统,通过数值方法迭代求解,轨道不平顺则作为两个子系统共同的激励14。车辆子系统运动方程为
9、Mvxv+Cvxv+Kvxv=Fv(1)式中:Mv、Cv、Kv分别为车辆子系统各自由度的质量、阻尼和刚度矩阵;xv、xv、xv、Fv分别为车辆子系统各自由度的位移、速度、加速度矩阵和荷载列阵。桥梁子系统振动方程为Mbxb+Cbxb+Kbxb=Fb(2)式中:Mb、Cb、Kb分别为桥梁子系统各自由度的质量、阻尼和刚度矩阵;xb、xb、xb、Fb分别为桥梁子系统各自由度的位移、速度、加速度矩阵和荷载列阵。2.2分析模型建立及验证采用多体系统动力学软件 Universal Mechanism 建立列车模型,以SS7E型电力机车牵引25T客车为例,SS7E机车采用CoCo轴式,整备质量126 t,前后
10、车钩距22.016 m,转向架中心距 11.57 m,固定轴距(2.15+2.15)m。全车由1个车体、2个构架、6个轮对、12个轴箱、6个牵引电机共计27个刚体组成。车体、构架、轮对考虑6个自由度,轴箱仅考虑1个自由度,全车共计66个自由度,1、2、3轴电机同向。25T型客车采用CW200K或SW220K型转向架,车长25.5 m,转向架中心距18 m。本文25T客车按CW200K型转向架建立,全车由1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱共计15个刚体组成。车体、构架、轮对考虑6个自由度,轴箱仅考虑1个自由度,全车共计50个自由度。整列车的悬挂、牵引系统采用非线性力元模拟。桥梁系统采用有限元
11、软件ANSYS建立动力学分析模型,通过固定界面模态综合法理论求解得到系统的质量、刚度矩阵,阻尼矩阵通过Rayleigh阻尼设定。通过轮轨关系和桥轨关系实现车辆系统与桥梁系统的耦合。车-桥耦合动力分析模型如图1所示。为验证本文车辆模型的正确性,采用文献 15 中仿真及实测数据对SS7E型客运机车进行验证。机车以85 km/h通过半径为800 m曲线线路时,车辆运行安全性指标仿真结果与文献结果对比见表1。其中。本文仿真轨道不平顺采用我国三大干线轨道谱15。由表1可知,轮轴横向力、轮重减载率、脱轨系数与文献实测差值比分别为11.19%、10.53%、18.18%,与文献计算值差值比分别为 5.65%
12、、5.00%、1.56%,本文仿真计算结果与文献实测、仿真结果基本一致,说明本文建立的车辆模型精度高,可供后续仿真分析使用。为验证本文采用的车-桥耦合分析方法正确性,对文献 15 实测结果进行验证。25T客车以不同速度通过32 m简支T梁时,桥梁跨中竖向、横向位移实测值与计算值对比见图2,其中轨道激励采用我国三大干线谱。可知,桥梁竖向位移仿真计算值与实测值一致,而速度102 108 km/h时桥梁横向位移仿真计算值略低于实测值,其他速度段内基本一致。这可能是文献试验时正处于春运期间,导致车辆重量有所差别。总体上,本文建立的车-桥耦合分析模型可用于后续偏心计算仿真分析。为对比分析偏心作用对车-桥
13、耦合系统的影响,在车-桥耦合分析模型中不考虑偏心作用时按设计线图1车-桥耦合动力分析模型表1SS7E型电力机车安全性指标对比计算方法本文仿真文献15实测文献15仿真轮轴横向力/kN69.3862.4068.99轮重减载率0.420.380.40脱轨系数0.650.550.6443铁道建筑第 63 卷路进行计算,考虑偏心作用时将线路实际偏心叠加至设计线路后进行计算。轮轨激励采用美国6级谱反演生成16。2.3车辆安全性评定标准根据该既有线路设计年代及线路运行车辆等因素,结合GB 55991985 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范,脱轨系数限值取1.2进行评定。GB 55991985规定轮重减载
14、率合格时的评定值为0.65、安全时为0.60。在大秦铁路脱轨试验及郑武线高速试验中,动态轮重减载率限值取0.9,能够保证行车安全17。因此,本文对该既有线评定轮重减载率限值取0.9。对于采用弹性扣件的轨道,根据日本新干线设计标准、欧美铁路试验结果,GB 55991985一般取0.4倍轮重作为轮轨横向力限值。因此,本文采用该值进行评定,机车及客车限值分别为84、60 kN。3 线路偏心对车辆动力响应的影响分析3.1线路偏心作用SS7E型电力机车牵引 25T 客车以曲线均衡速度88 km/h通过该曲线桥梁结构时,机车和客车的第一轮对轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向力等车辆安全性指标的时程曲线分别见图
15、3、图4。由图3、图4可知:线路偏心作用对车辆运行安全性指标产生极大的影响,轮轨横向力增长最明显,轮重减载率次之,最后为脱轨系数。机车与客车轮轨横向力、机车脱轨系数均超过限值。SS7E机车以均衡速度通过时,第一轮对轮重减载率从 0.42增加至0.88,增长 109.52%,第一轮对外轨的脱轨系数从0.65增加到1.35,增长107.69%,第一轮对外轨的轮轨横向力从69.9 kN增加到219.8 kN,增长214.45%。25T客车以均衡速度通过时,第一轮对轮重减载率从0.14增加至0.43,增长207.14%,第一轮对外轨的脱轨系数从0.27增加到0.96,增长255.55%,第一轮对外轨的
16、轮轨横向力从21.56 kN增加到97.49 kN,增长352.18%。图2车-桥耦合位移计算值与实测值对比图3SS7E机车第一轮对车辆安全性指标时程曲线图425T客车第一轮对车辆安全性指标时程曲线44第 10 期蔺鹏臻等:既有铁路曲线桥线路偏心对列车安全运行的影响分析3.2行车速度为研究偏心作用下不同行车速度对于车辆动力响应,SS7E机车牵引25T客车以速度60 120 km/h通过曲线桥梁,统计车辆安全性指标最大值,如图5所示。由图 5(a)可知:当不考虑线路偏心作用时,SS7E机车轮重减载率随速度增大而增大,而25T客车随速度增大先减小后增大,即小于曲线均衡速度时随速度增大而减小,大于均
17、衡速度后随速度增大而增大。当考虑线路偏心作用后,无论机车还是客车,轮重减载率均随速度增大而增大。由于SS7E机车轴重比25T客车大,在相同速度时其轮重减载率明显大于25T客车,当车辆以速度120 km/h通过曲线时SS7E机车轮重减载率达0.57,而25T客车仅为0.31,当考虑线路偏心后,SS7E机车已达到1.00,即轮轨分离,而25T客车仅为0.72,未超过0.9限值,因此若以轮重减载率为安全评判指标,应以机车轮重减载率作为衡量参数,此时行车速度应控制在100 km/h以内。考虑线路偏心后,SS7E机车轮重减载率增长率随速度增大先增大后减小,速度为60 70 km/h时SS7E机车轮重减载
18、率增长率略高于 25T客车,但速度大于 70 km/h后25T客车增长率明显大于SS7E机车,速度为100 km/h时SS7E机车、25T客车增长率最大值分别为101.66%、217.18%。由图5(b)可知:当不考虑线路偏心作用时,速度为60 120 km/h,车辆的脱轨系数基本保持不变,该速度区间内,SS7E机车、25T 客车脱轨系数分别为0.65 0.69、0.27 0.28,表明SS7E机车牵引25T客车通过曲线段时,轨道不平顺对脱轨系数的影响较小。当考虑线路偏心作用后,脱轨系数随速度的增大而增大,且速度对脱轨系数影响较大,增长明显,速度为60 120 km/h,SS7E机车、25T
19、客车脱轨系数分别为1.11 1.46、0.81 1.02。考虑线路偏心作用后,脱轨系数增长率随速度的增大先增大后减小,在速度为110 km/h时达到最大,且25T客车增长率大于SS7E机车,SS7E机车和25T客车增长率最大值分别为111.89%、282.62%。由图 5(c)可知:无论 SS7E机车还是 25T客车,轮轨横向力均随速度的增大而增大,且SS7E机车轮轨横向力大于25T客车。不考虑线路偏心作用时,速度为 60120 km/h,SS7E机车、25T客车轮轨横向力分别为 59.55 81.53、18.40 25.81 kN,当考虑线路偏心作用后,SS7E机车、25T 客车轮轨横向力分
20、别为125.17 326.11、66.98 129.85 kN,SS7E机车增长率明显大于25T客车。当考虑线路偏心作用后,轮轨横向力增长率随速度增大而增大,且25T客车明显大于SS7E机车。当速度为120 km/h时,SS7E机车、25T客车增长率分别为299.98%、403.19%。由此可见,机车轮轨横向力明显大于客车,且线路偏心对机车影响大,而过大的轮轨横向力会引起扣件破坏、钢轨磨损,同时过大的轮轴横向力会引起轨排横移、线路动态失稳。因此,对于线路偏心应更加关注轮轴横向力。4 线路偏心对桥梁振动特性的影响 4.1线路偏心作用为了研究偏心对桥梁振动特性的影响,以SS7E机车牵引25T客车通
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