高速列车脱落冰块冲击力特性试验研究

由于高速列车脱落冰块质量大、速度高,巨大的冲击力可能会造成轨道结构损伤,因此掌握高速列车脱落冰块冲击力特性是研究轨道损伤破坏的前提和基础.本文利用轻气炮驱动预制的圆柱形冰块,垂直冲击力传感器直接获取冲击力,研究冲击速度对冲击力特性的影响规律,同时运用高速摄像机研究冰块的冲击破碎特征.试验结果表明:在相同加载气压下,完整冰块的冲击力波形基本一致,冲击速度、峰值力和上升沿时间的最大偏差不超过7.6%,冲击力试验系统可靠稳定;速度在150 km/h到350 km/h范围内,冲击力波形基本一致,冰块破坏模式和破碎状态基本相同,随着冲击速度的增加,冲击作用时间越短,冲击力峰值随速度的增加而线性增大,总冲量随动能的增加而线性增加,而上升沿时间则变化不大,在32~40μs内波动;冲击力峰值随冰块动能与总冲量的增加而线性增加,最大线性偏离度基本在10%以内.

冰块冲击作用下CRTSⅢ型无砟轨道板损伤及变形数值模拟分析

为研究附着在高速列车底部的冰块脱落后对高速铁路轨道板等基础结构造成的冲击损伤影响,采用光滑粒子-有限元耦合(SPH-FEM)方法,利用数值模拟软件LS-DYNA建立冰块冲击CRTSⅢ型板式无砟轨道的动力有限元分析模型,分析冰块冲击荷载作用下无砟轨道变形和损伤特征及其演化过程,探讨冰块半径、冲击速度和冲击角度对轨道板变形和损伤的影响。结果表明:圆柱形冰块垂直冲击轨道板时,会在其表面形成碗状凹坑,最大凹陷深度位于冲击中心附近,凹坑直径与冰块直径相当,凹坑边缘分布环形裂纹;模型最大凹陷深度和失效单元个数均随冰块半径和冲击速度的增大而增大,但会随冲击角度的增大而减小,冲击角度从0°增加至15°时降低最为显著,最大凹陷深度和失效单元个数分别减小89%和80%;当冰块半径从30 mm增加至60 mm时,最大凹陷深度从0.079 mm增至0.139 mm,失效单元个数从36个增至973个;当冲击速度由40 m·s^(-1)增至100 m·s^(-1)时,最大凹陷深度和失效单元个数由0.014 mm和0个分别增至0.079 mm和36个。研究成果可为冰雪天气高速列车限行及轨道板寿命评估提供参考。