【摘要】通过建立车辆-轨道-桥梁耦合系统模型计算出车辆轮轨接触力，再运用Ansys软件建立轨道-桥梁垂向耦合系统模型，进而分析研究列车在正常状态和空吊情况下系统的动力响应情况，并对出现不同空吊轨枕数量及空吊分布情况产生的系统响应提出分析对比。研究表明：轨枕空吊对轨道系统产生的动力响应影响主要集中在空吊邻近三根轨枕位置较为明显，其他位置趋于正常状态。
【关键词】轨枕空吊；车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统；轮轨接触力；动力响应
中国分类号：U211.2 文献标识码：A
1 前言
通常情况下轨枕与道砟之间存在的空隙谓之“空”，轨底与铁垫板或轨枕之间的间隙谓之“吊”。桥上有砟轨道线路，一方面由于轨道结构薄弱、抗力不足；另一方面由于桥梁刚度较大，整体结构弹性差；导致道砟粉化严重，随着列车速度的提高，其振动频率也不断提高，从而加大了列车施加给轨道的振动荷载，导致道砟之间的摩阻力下降，石砟“流坍”加速，线路变形加速加大，轨道状况恶化加速，甚至出现道砟液化现象，轨道几何状态难以保持，导致有些轨枕与道床没有接触，形成轨枕空吊现象。这种空吊现象将会加剧道床的破坏和线路的恶化，特别是车辆运行速度越高，其行车安全性与乘坐舒适性问题就越显突出，既要保证车辆不倾覆、不脱轨，又要确保车辆有良好的乘坐舒适度[1-2]。因此本文通过动力学分析研究轨枕空吊对轨道系统的动力响应影响，与正常状态下进行对比分析，总结轨枕空吊对轨道系统产生的动力响应情况，并对出现不同空吊轨枕数量及空吊分布情况产生的系统响应进行对比分析，以期为工务养护提供理论数据参考。
2车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统空吊模型
为分析轨枕空吊对轨道系统动力响应的影响，本文建立图1所示车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统空吊模型，系统模型主要包括钢轨模型、垫层支撑、轨枕模型、轨枕与桥梁间弹性接触， 其中，钢轨和轨枕均假设为Euler-Bernouli梁，钢轨与轨枕、轨枕与桥梁之间均采用弹簧-阻尼系统，桥梁按空间梁单元来进行考虑，对于空吊轨枕位置的轨枕和桥梁之间不采用任何弹簧-阻尼单元进行连接，具体轨枕空吊情况如图[3-4]。桥上铺设双线轨道，分别记为A、B线路，桥梁与轨道的横向关系如图所示。利用赫兹非线性弹性接触理论求得轮轨接触力，得到轮轨接触关系，轨道的不平顺则作为车辆振动的激励源。
3轨枕空吊对轨道-桥梁系统动力响应影响
3.1有限元模型建立
本文根据轨道-桥梁系统的实际情况建立有限元模型，其中钢轨、轨枕、桥梁均用三维实体单元，钢轨采用60Kg/m型钢轨，桥梁采用标准跨径24m铁路桥梁，轨下垫层或扣件采用并排的弹簧-阻尼单元模拟，轨枕与桥梁之间假设为弹性接触，采用并排的阻尼弹簧单元进行模拟。由于轨道-桥梁系统具有对称性，为简化模型的大小和方便模型的计算分析，在模型建模时采用一半进行建模和计算，如图2所示。
3.2轮轨垂向接触力求解
轮轨垂向接触力是分析轨道-桥梁系统动力学不可或缺的要素，为准确的得出轮轨垂向接触力，根据车辆-轨道-桥梁耦合系统模型模拟并利用Matlab软件编制解该耦合系统振动方程的程序。车辆采用CHR3型列车，钢轨采用60Kg/m标准钢轨，轨枕采用混凝土轨枕，桥梁采用铁路标准24m箱梁，以美国六级谱作为激励谱，计算出速度为120km/h时轮轨作用力，如图3。从图中可以看出轮轨接触力在75KN上下波动。
3.3轨枕空吊对轨道系统产生的动力响应影响
为分析空吊对轨道系统产生的动力响应影响范围，以单根轨枕空吊下钢轨的动力响应为研究对象，选取空吊单侧S-20、S-19和S-18号轨枕位置对应的钢轨、轨枕和桥梁的作为响应点，车辆运行速度取120Km/h，得到了钢轨垂向位移时程曲线，如图4所示。
从正处空吊位置S-20钢轨位移时程曲线中可知钢轨的最大位移达1.5mm，比正常状态大80%，其相邻轨枕位置S-19钢轨位移减缓了些，只有1.2mm，S-18最大位移只有0.95mm左右与正常状态下的钢轨位移相近。
4 结论
通过建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统空吊模型，以轨道的不平顺作为车辆振动的激励源，分析不同空吊情况下轨道系统的动力响应，以及轨枕空吊对轨道动力响应的影响范围和车辆速度对轨道动力响应的影响。计算结果表明：轨枕空吊对轨道系统产生的动力响应影响主要集中在空吊邻近三根轨枕位置，其他位置趋于正常状态。
参考文献
[1] 韩义涛，翟婉明，高建敏.空吊轨枕对轨道结构的动力影响分析[J].中国科技论文在线，2006，1（2）135-140.
[2] 张健，吴昌华，肖新标，温泽峰，金学松.轨枕空吊对轨枕动态性能的影响[J].成都：西南交通大学学报，201，45（2）
[3] 雷晓燕.铁路轨道结构数值分析方法[M].北京：中国铁道出版社，1998.
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