高鐵扣件彈性墊板更換對列車運行平穩性的影響

崔樹坤 張歡 閆子權 孫林林 左浩 姜智瀚

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司， 北京 102206；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081；4.中國鐵路蘭州局集團有限公司， 蘭州 730030

扣件彈性墊板是高速鐵路無砟軌道結構中彈性的主要來源。隨著服役時間的延長，在疲勞荷載與自然環境的影響下，扣件彈性墊板逐漸老化，主要表現為厚度減小和剛度增大。相關研究人員對典型線路扣件彈性墊板剛度變化情況開展了調研，海南東環鐵路使用的WJ7?B 型彈性墊板服役8 年后，靜剛度由25 ± 5 kN/mm增至48.5 kN/mm［1］；蘭新高速鐵路使用的WJ8?B型彈性墊板服役7年后，靜剛度由23 ± 3 kN/mm增至34.5 kN/mm［2］。

扣件彈性墊板剛度增大對軌道結構強度、穩定性和軌道系統振動特性均有一定的影響。研究表明，隨著扣件剛度增大，輪軌動力作用和扣件支點反力相應增大［3］，軌道板、支承層等軌道結構部件的瞬態應力同樣有較大提高［4］。此外，當軌道剛度更高時，鋼軌踏面粗糙度的發展速度明顯加快［5-6］，并會誘導更嚴重的車輪磨耗和低階車輪多邊形［7-8］。為保證軌道結構的長期服役性能和列車運行的安全性，減緩鋼軌及車輪的磨耗速率，須定期對靜剛度過高的扣件彈性墊板進行更換。在研究扣件剛度對枕上壓力、行車舒適性和軌道結構沖擊疲勞性能影響的基礎上，有關學者建議將高鐵無砟軌道結構扣件彈性墊板靜剛度失效限值定為60 kN/mm［9］。

在扣件彈性墊板大修更換過程中，由于天窗時間限制，每天更換的區間長度有限。在新舊墊板的交接處會出現軌道剛度的突變，并呈現高剛度-低剛度-高剛度的變化模式，影響第二天線路的正常運營。當個別扣件節點失去彈性時，會造成車輛的輪重減載率超標，從而影響行車安全性［10］。目前尚缺乏關于長區段更換墊板時剛度過渡方式及其影響方面的研究。

因此，本文研究線路常規不平順條件下墊板剛度突變、墊板更換長度和剛度過渡模式對列車運行的影響，并對比分析曲線地段、鋼軌接頭地段等特殊條件下剛度突變的影響差異，為提出更加理想的扣件彈性墊板更換措施提供技術支撐。

1 仿真分析模型及參數

1.1 仿真分析模型

京廣高鐵石家莊—武漢區段已開通運營10年，配套使用WJ?8 型扣件，個別墊板靜剛度增至40 kN/mm左右，增幅較為顯著，故以此作為扣件彈性墊板更換對列車平穩性影響的研究對象。采用左右股鋼軌的高低及水平隨機不平順實測數據作為線路的平順性狀態輸入，可表征軌道的軌距、軌向、高低和側滾平順性特征。左股鋼軌的軌道高低及水平不平順見圖1?；贑R400AF 型車和CRTSⅡ型無砟軌道結構的設計參數和尺寸，建立車輛-軌道耦合動力學仿真分析模型［11-12］，見圖2。軌道及車體系統的主要參數見表1。

表1 車輛及軌道系統主要參數

圖1 軌道高低及水平不平順

圖2 車輛-軌道耦合動力學模型

軌道模型采用鋼軌-軌道板-路基三層結構。將鋼軌視為點支承Timoshenko 梁，軌道板視為彈性薄板，二者均為柔性體，計算中考慮其沿長度方向的扭轉彎曲以及沿橫向和垂向的彎曲振動模態特征?？奂到y簡化為彈性阻尼元件；砂漿層簡化為分布彈簧。

車輛模型中車體、轉向架構架、軸箱和輪對均簡化為剛體，一系和二系懸掛系統中減振器采用彈簧與黏壺串聯的Maxwell 模型模擬，鋼簧、空氣彈簧等采用彈簧與黏壺并聯的Kelvin 模型模擬。車輪踏面為LMA 型，鋼軌廓形為60N；輪軌接觸模型基于赫茲接觸理論，并使用線性彈簧模擬。

1.2 扣件剛度取值

為模擬老化后更高剛度的扣件彈性墊板，選用與WJ8?B 型彈性墊板相同的材料，通過調整聚氨酯材料發泡率，定制了靜剛度分別為23、45、60 kN/mm的三種墊板［9，13］，分別表征初始新墊板、老化中墊板和面臨失效墊板的剛度情況。

扣件系統組裝剛度由彈性墊板剛度、彈條扣壓剛度和零部件匹配摩擦三部分組成。為準確描述彈性墊板剛度增大時扣件系統組裝剛度的變化情況和非線性特征［14］，采用試驗手段測試標準安裝狀態下扣件系統的組裝靜剛度和4 Hz 低頻動剛度［15］。WJ?8 型扣件匹配不同剛度彈性墊板時，荷載-位移曲線見圖3。

圖3 扣件匹配不同剛度彈性墊板時荷載-位移曲線

由圖3 可知：不同墊板剛度對應的扣件低頻動剛度與靜剛度差異顯著，且呈現出一定程度的非線性特征。在列車運行過程中，扣件系統剛度主要表現為組裝低頻動剛度。因此，將圖3（b）的荷載-位移曲線輸入車輛-軌道耦合動力學模型，作為扣件組裝綜合剛度。

1.3 計算工況

為了評估不同線路條件、墊板更換區間長度和墊板剛度過渡模式下高速鐵路扣件彈性墊板更換對列車運行平穩性的影響，并給出扣件彈性墊板的合理更換模式，設置3 種計算工況。各工況中列車運行速度均取350 km/h，更換前墊板靜剛度為60 kN/mm，更換的新墊板靜剛度為23 kN/mm。

1）線路條件工況

分析變量為線路條件，未設置墊板剛度過渡。線路條件分別為直線區段、曲線區段及鋼軌接頭處。

根據現場資料，1個天窗有10人參與作業，即可完成100 m 區間的墊板更換，因此墊板更換區間長度取100 m，并與未更換墊板時進行對比。

曲線區段線路參數根據TB 10098—2017《鐵路線路設計規范》［16］選取，曲線半徑取7000 m（一般地段的最小值），緩和曲線長550 m，圓曲線長度500 m，設計超高175 mm。

鋼軌接頭處是軌道系統典型的薄弱環節之一［17］，計算時采用現場實測接頭不平順（圖4），并與線路常規高低不平順疊加，計算分析鋼軌接頭位于墊板更換區間終點時對列車運行平穩性的影響。

圖4 實測鋼軌接頭不平順

2）墊板更換區間長度工況

分析變量為墊板更換區間長度。墊板更換區間長度分別取25、50、75、100 m，并與未更換墊板時進行對比。線路條件為直線區段；未設置墊板剛度過渡。

3）墊板剛度過渡模式工況

分析變量為墊板剛度過渡模式。在末端設置長度分別為25、50、75 m 的過渡墊板，其靜剛度均設置為45 kN/mm，從而實現扣件彈性墊板更換的23 kN/mm→45 kN/mm→60 kN/mm 三級剛度過渡模式，并與未設置剛度過渡時進行對比。線路條件為直線區段；墊板更換區間長度500 m。

2 線路條件的影響

2.1 直線區段

直線區段扣件彈性墊板更換前后，列車運行通過該區段時，輪軌力、車體加速度和鋼軌垂向位移的時程曲線見圖5。列車駛出墊板更換區后10 m 范圍內，輪軌動力作用顯著增強，將該區間定義為墊板更換區后的不穩定區。墊板更換前后，列車通過墊板更換區和不穩定區時各項輪軌動力學指標的最大值見表2。

表2 直線區段墊板更換前后輪軌動力學指標最大值

圖5 直線區段墊板更換前后輪軌動力學指標時程曲線

由圖5和表2可知：

1）列車進入墊板更換區后，輪軌垂向力最大值由99.8 kN減至85.3 kN，減小14.5%；輪軌橫向力最大值由3.1 kN 減至2.6 kN，減小16.0%；輪重減載率最大值由0.178 減至0.158，減小11.2%；鋼軌垂向位移最大值由0.54 mm 增至1.10 mm，增大103.7%?？梢?，更換低剛度的墊板有利于降低輪軌動力作用，同時增大了鋼軌的垂向位移，但仍在鋼軌垂向位移2.0 mm限值內［17］。車體垂向和橫向加速度相應有一定增大趨勢，但在懸掛系統的減振作用下變化幅度較小。

2）列車駛出墊板更換區進入不穩定區后，輪軌力、脫軌系數、輪重減載率、車體加速度等各項指標均呈現增大趨勢，其中輪重減載率最大值由0.038 增至0.393，增幅高達124.6%，但仍低于限值0.8，可保證列車運營的安全性［18］。輪軌垂向力和橫向力最大值的增幅分別為12.6%和19.5%，較為顯著。車體垂向和橫向加速度最大值的增幅分別為3.8%和5.2%，影響相對較小。

因此，直線區段更換低剛度的扣件彈性墊板盡管會增大鋼軌垂向位移，但有利于降低輪軌動力作用，提高列車運行穩定性。雖然在尚未更換墊板區域存在10 m 長的不穩定區會造成安全性指標的增大，但列車仍可保持安全穩定運行。

2.2 曲線區段墊板更換

在半徑7000 m 的曲線區段更換扣件彈性墊板，列車通過時的輪軌力和鋼軌垂向位移見圖6。墊板更換前后，列車通過墊板更換區和不穩定區時各項輪軌動力學指標的最大值見表3。

表3 曲線區段墊板更換前后輪軌動力學指標最大值

圖6 曲線區段墊板更換前后輪軌動力學指標時程曲線

由圖6和表3可知：

1）曲線區段更換墊板后輪軌力變化規律與直線區段基本一致，更換墊板區的輪軌力和安全性指標明顯小于原始墊板區；輪軌垂向力最大值由116.4 kN 減至106.8 kN，減小8.2%；輪軌橫向力最大值由6.7 kN減至5.8 kN，減小13.1%；輪重減載率最大值由0.377減至0.239，減小36.6%；鋼軌垂向位移最大值由0.64 mm 增至1.17 mm，增大82.8%?？梢?，曲線區段更換低剛度的墊板有利于降低輪軌動力作用，同時增大了鋼軌的垂向位移，車體垂向和橫向加速度變化率相對較小，與直線區段的變化規律一致。

2）列車駛出更換墊板區后存在長度約10 m 的不穩定區，在該區域內，輪重減載率由0.277增至0.327，增幅為18.1%；車體垂向加速度由0.137 m/s2增至0.155 m/s2，增幅為13.1%；輪軌力等其他指標的變化不明顯。

因此，曲線區段更換扣件彈性墊板同樣有利于降低輪軌動力作用，提高列車運行穩定性。當列車駛出墊板更換區后進入不穩定區時，個別列車運行穩定性指標有所增大，但仍在限值要求范圍內，列車可安全穩定運行。

2.3 鋼軌接頭區段墊板更換

鋼軌接頭作為軌道常規不平順形式，會造成輪軌動力作用增大，從而干擾列車運行的平穩性。尤其是當鋼軌接頭位于更換墊板區后的不穩定區內時，二者的影響會產生疊加效應。

更換長度100 m 扣件彈性墊板后，計算不穩定區內存在鋼軌接頭時的輪軌力和車體加速度，并與不存在鋼軌接頭的結果進行對比，見圖7。不穩定區內有鋼軌接頭的情況下，墊板更換前后，列車通過不穩定區時各項動力學指標的最大值見表4。

表4 墊板更換前后列車通過有鋼軌接頭的不穩定區時各項動力學指標最大值

圖7 不穩定區有無鋼軌接頭時輪軌動力學指標時程曲線

由圖7 和表4 可知：不穩定區存在鋼軌接頭時，輪軌動力作用急劇增大，輪軌垂向力最大值由104.7 kN增至134.9 kN，增幅為28.8%；輪軌橫向力最大值由2.7 kN 增至4.1 kN，增幅為51.9%；脫軌系數最大值由0.038增至0.086，增幅為126.3%；輪重減載率最大值由0.393增至0.944，增幅為140.2%；輪軸橫向力最大值由4.5 kN 增至6.7 kN，增幅為48.9%。其中，輪重減載率達到了0.944，高于標準限值（0.8），列車運行存在安全風險。車體垂向和橫向加速度由于列車懸掛系統的作用，受鋼軌接頭的影響相對較小。

因此，為保證更換扣件彈性墊板過程中列車的安全平穩運行，應避免在更換墊板區末端后10 m 范圍內存在鋼軌接頭。

3 墊板更換區段長度

由于天窗時間限制，墊板每日更換數量有限。為避免更換區間長度過短造成行車狀態不穩定，對比更換長度25、50、75、100 m 時列車運行平穩性的差異。計算時，更換區間均以105 m位置（參見圖1）為起點。

對列車通過墊板更換區及不穩定區的輪軌動力作用、安全性及舒適性指標進行統計，得到各指標的最大值和上90%分位數，見圖8。最大值主要反映列車在不穩定區的運行狀態，上90%分位數則反映各指標的總體分布特征。

圖8 不同墊板更換長度時列車平穩性指標統計值

由圖8可知，隨著墊板更換區間的增長，輪軌動力作用、脫軌系數、輪重減載率等安全性指標的最大值上下浮動，而上90%分位數基本維持恒定。車體垂向及橫向加速度最大值和上90%分位數均無明顯波動。這說明列車在不穩定區的運行狀態僅與該區間的隨機不平順相關，與墊板更換區間長度無顯著的相關性，各項指標總體分布特征基本維持恒定。因此墊板更換區間長于25 m 時，更換長度對列車運行平穩性無明顯影響，工務部門可根據實際情況安排扣件彈性墊板的更換速度。

4 墊板剛度三級過渡模式

為實現墊板大修更換時剛度的平穩過渡，參照路橋過渡段的處理方式，可設置靜剛度為45 kN/m 的過渡墊板，作為新舊墊板之間的緩沖區［19］?？紤]到列車進入墊板更換區時可實現平穩運行，僅在駛出時存在長度約10 m 的不穩定區，因此只在墊板更換區末端布置剛度過渡墊板。

計算過渡區長度分別為25、50、75 m 時輪軌力、脫軌系數及輪重減載率，并與未設置過渡區時進行對比。統計過渡區和不穩定區范圍內輪軌力及安全性指標的最大值和上90%分位數，見圖9。計算時，更換區間均以105 m位置（參見圖1）為起點。

圖9 有無剛度過渡區時過渡區和不穩定區范圍內輪軌力及安全性指標的最大值和上90%分位數統計值

以設置25 m 長度的剛度過渡區為例，分析各項指標相比未設置過渡區時的變化趨勢。由圖9 可知：采用三級過渡方式后，輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數和輪重減載率的最大值分別減小了5.4%、10.7%、3.8%和8.4%，個別上90%分位數有輕微上浮現象?？梢?，設置剛度過渡區后有利于減小各項平穩性指標最大值，提高列車運行平穩性。

剛度過渡區長度不同，對輪軌力和安全性指標的影響規律基本一致。設置25、50、75 m 長度的剛度過渡區后，輪軌垂向力最大值分別減小了5.4%、4.9%和6.6%，輪軌橫向力最大值分別減小了10.7%、10.7%和12.7%。過渡區長度達到25 m 可實現對輪軌動力作用最大值的有效衰減，過渡長度對衰減效果的影響不大。

因此，扣件彈性墊板的更換過程中在末端布置長度為25 m 的剛度過渡區，可以有效降低輪軌動力作用的最大值，有利于列車運行的平穩性。

5 結論

本文通過仿真手段計算分析了直線、曲線區段和鋼軌接頭區域更換扣件彈性墊板對列車運行平穩性的影響，并對墊板更換長度和剛度三級過渡模式進行了研究。主要結論如下：

1）直線和曲線區段更換扣件彈性墊板有利于降低輪軌動力作用，提高列車運行平穩性。

2）在墊板更換區后存在長度約10 m 的不穩定區，會造成個別列車運行穩定性指標的增大，但仍在限值要求范圍內，列車可安全穩定運行。

3）不穩定區存在鋼軌接頭會造成輪軌動力作用急劇增大，輪重減載率最大值為0.944，高于標準限值0.8。為保證更換扣件彈性墊板過程中列車的安全平穩運營，應避免在墊板更換區末端后10 m 范圍內存在鋼軌接頭。

4）墊板更換區間長于25 m 時，更換區間長度對列車運行平穩性各項指標均無明顯影響，工務部門可根據實際情況安排扣件彈性墊板的更換速度。

5）在更換效率足夠的前提下，可在扣件彈性墊板更換區末端布置長度為25 m 的剛度過渡區，從而有效降低輪軌動力作用的最大值，有利于列車運行的平穩性。