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智能制造和數(shù)字技術(shù)的進步使通過持續(xù)監(jiān)測道岔狀態(tài)以實現(xiàn)其預測性維修成為可能。為根據(jù)列車和道岔間的相互作用，通過已知的道岔系統(tǒng)老化進程和規(guī)律，構(gòu)建道岔預測性維修技術(shù)體系，文章首先提出通過將多體仿真和有限元分析相結(jié)合，分析列車-道岔間相互作用，以確定道岔易損傷位置及相關(guān)傳感器布設位置的建模方法；然后將有限元模型獲得的鋼軌動態(tài)柔度和接觸力結(jié)果與多體仿真模型計算結(jié)果進行比較，以驗證模型的有效性；最后展望將數(shù)值模擬模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生模型，以及利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)智能、自我監(jiān)控基礎設施的未來愿景。

1 列車-道岔間相互作用建模方法

在列車-軌道間相互作用的主要數(shù)值模擬方法中，多體仿真（MBS）和有限元（FE）分析可分別用于模擬列車的詳細動力學參數(shù)和軌道下部結(jié)構(gòu)材料的力學特性。本文將采用上述2種方法進行模擬仿真，以確定道岔沿其長度方向易發(fā)故障的位置，如圖1所示。

1.1?通過多體仿真模擬預測道岔鋼軌表面易損壞位置

本研究的重點是道岔鋼軌的表面損傷，特別是由滾動接觸疲勞（RCF）所導致表面裂紋的萌生，因為其會由表及里地逐步擴展到鋼軌內(nèi)層，并觸發(fā)各式各樣的機械失效，是道岔故障損壞的主要模式，也是造成列車延誤和維護更新成本增高的主要原因。為對道岔的表面損傷進行計算，本研究采用為道岔多體仿真而開發(fā)的模型，并使用R260級鋼軌、瑞典UlC60-760-1:14型道岔和7號客車模型，對列車-道岔間的相互作用進行模擬仿真，根據(jù)模擬計算出的縱向、橫向和旋轉(zhuǎn)方向上的蠕變力和蠕變量，計算出鋼軌磨耗量Tγ。根據(jù)雙線性滾動接觸疲勞損傷函數(shù)與Tγ的經(jīng)驗關(guān)系可知，Tγ與磨損、滾動接觸疲勞的發(fā)生相關(guān)，如圖2所示。此外，Tγ的臨界值取決于鋼軌的材料。

通過將模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場觀測值進行對比分析可知：對于R260級鋼軌，Tγ值小于15 J/m不會導致任何損壞；Tγ值為15～75 J/m意味著易發(fā)生滾動接觸疲勞；Tγ值為75?～175 J/m表示滾動接觸疲勞減少但磨耗增加；Tγ值大于175 J/m會導致過度磨耗，需要對滾動接觸疲勞裂紋進行清除。但是對于R350HT鋼軌，只有當Tγ?> 400 J/m?時才可能發(fā)生過度磨損。

1.2 對易損壞位置進行有限元建模

道岔下部結(jié)構(gòu)的材料力學特性可以通過有限元方法進行分析。分析結(jié)果對于確定傳感器安裝位置和與道岔下部結(jié)構(gòu)相關(guān)的其他研究至關(guān)重要。

由于在有限元建模時，為提高計算效率，通常忽略車輛動力學的細節(jié)部分，因此目前通常使用多體仿真-有限元組合模擬的方法來解決上述問題，即從多體仿真中獲得列車-道岔間動態(tài)相互作用的關(guān)鍵信息，并將其導出到有限元中進行進一步分析。然而，多體仿真模型和有限元模型的軌道動力學難以兼容，從而影響模擬分析結(jié)果的準確性。

為解決這一問題，本研究采用一種組合模擬方法——將從多體仿真模型獲得的車輛運動結(jié)果轉(zhuǎn)換為有限元模型，以確保2種模型之間的兼容性。

在有限元模型中，鋼軌由固定在基板上的鋼軌墊支撐，基板與軌枕上的基板墊連接，軌枕固定在有砟道床上，如圖3、圖4所示。尖軌直接安裝在基板上。然而，在多體仿真模型中，鋼軌僅有2層支撐，即鋼軌與軌枕之間的鋼軌墊、軌枕與地面之間的道砟，如圖5所示。

因此，為確保多體仿真和有限元2種軌道模型之間的兼容性，將有限元模型中鋼軌墊、基板和基板墊層組合的等效剛度（圖3）與多體仿真模型中鋼軌墊層的剛度進行了比較（圖?5），并從英國國營鐵路公司標準中查得鋼軌墊、基板墊和道砟層的剛度特性，用于計算相應層材料的等效彈性模量。此外，研究人員還進行了瑞利阻尼系數(shù)計算，以根據(jù)鋼軌墊和道砟的共振頻率范圍對其材料的阻尼性能進行微調(diào)。為準確模擬出道砟層的動態(tài)效應，研究人員采取2種研究思路：一是考慮道砟層的彈性，在軌枕兩端表面加入垂向和橫向的彈簧緩沖元件；二是考慮道砟層的特性，通過將多體仿真模型中使用的剛度和黏性阻尼轉(zhuǎn)換為等效彈性模量和瑞利阻尼，以復制有限元分析中的動態(tài)響應，從而實現(xiàn)對2種建模方法動態(tài)柔度的比較。

1.3 道岔下部結(jié)構(gòu)動態(tài)特性校準

在推導材料特性的基礎上，本研究比較了多體仿真和有限元模型中鋼軌在一定頻率范圍內(nèi)的動態(tài)柔度，即鋼軌在施加單位荷載時的撓度；對于使用實體元素建模的部件，即鋼軌墊、基板墊和道砟，進行了阻尼損耗系數(shù)的靈敏度分析，以便對阻尼性能進行微調(diào)，并使用彈簧緩沖元件表示道砟層。

1.4 滾動接觸仿真+對照驗證

在確保多體仿真模型和有限元模型軌道動力學兼容性的前提下，就可以進行滾動接觸有限元仿真。本研究模擬了單個S1002型車輪通過道岔基本軌和尖軌時的動態(tài)相互作用。為此，研究人員將步驟1中從多體仿真模型獲得的車輪橫向和縱向運動結(jié)果作為車輪可變邊界條件輸入有限元模型，并通過將所得的接觸力結(jié)果與多體仿真模擬結(jié)果進行比較，驗證有限元模型的有效性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果討論

2.1 道岔鋼軌表面易損傷位置的預測

通過列車-道岔間相互作用的多體仿真分析，研究人員發(fā)現(xiàn)并確定了軌頭高磨耗區(qū)及滾動接觸疲勞易發(fā)區(qū)域的位置。通過對比不同輪對通過所造成的影響可知，鋼軌與輪對的相互作用是導致道岔鋼軌表面損傷的主要原因。圖6展示了雙轉(zhuǎn)向架車輛的第一個輪對通過道岔時的鋼軌磨耗量Tγ。

由圖6可知，Tγ的峰值出現(xiàn)在距離岔尖7～9 m的位置，即輪軌接觸面從基本軌過渡到尖軌的區(qū)域。根據(jù)雙線性滾動接觸疲勞損傷函數(shù)（圖2）可知，距離岔尖9～9.5 m處是最易滾動接觸疲勞的區(qū)域，此處的Tγ值接近75 J/m。

2.2 材料性能計算和軌道剛度驗證

如圖7所示，在10～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)，由多體仿真模型和有限元模型得到的鋼軌垂向動態(tài)柔度呈現(xiàn)出良好的一致性，這使多體仿真模擬出的道岔下部結(jié)構(gòu)動態(tài)響應可應用于滾動接觸有限元仿真分析中。

2.3 有限元模型與多體仿真模型的對比驗證

圖8展示了同一輪對在多體仿真和有限元分析中由于列車-道岔間相互作用而產(chǎn)生的垂向接觸力對比結(jié)果。由圖可知，總體上2種方法得出的垂向接觸力數(shù)值相近，微小的差異可歸因于多體仿真模型中更細致地考慮了垂向懸架動力學因素，以及為使有限元分析結(jié)果更穩(wěn)定而在有限元模型中對車輪施加恒定軸載的參數(shù)進行了設定。

3 基于數(shù)字孿生模型和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的道岔預測性維修前景展望

通過導入實際鐵路運行參數(shù)（如列車行駛速度、乘客數(shù)量、列車軸重、輪軌摩擦條件等），可以將上述反映列車-道岔間相互作用的數(shù)值模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生模型。實現(xiàn)這一目標需要進行多自由度的精確模擬，這將導致計算及建模效率的降低。為解決這一問題，可以使用有限元降階建模方法。盡管此方法需要花費較長的初始計算時間，并進行大量有限元模擬驗證，但是一旦經(jīng)過驗證標定的數(shù)字孿生模型構(gòu)建完成，就可以在給定的邊界范圍內(nèi)進行高效率且精確的數(shù)值模擬計算。對數(shù)字孿生模型進行驗證標定的目的在于確定模型的有效性，并為故障檢測、診斷、預測算法的開發(fā)提供依據(jù)，其中一種有效方法是比較傳感器（如應變計）測量值與模型輸出值的一致性。經(jīng)驗證標定的數(shù)字孿生模型可通過預測道岔鋼軌老化趨勢，分析其易損傷部位，進而提示傳感器最佳布設位置，從而直接或間接地支持預測性維修。

數(shù)字孿生模型、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與道岔預測性維修之間的關(guān)系如圖9所示。數(shù)字孿生模型與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可分別利用機械老化模型和傳感器采集數(shù)據(jù)預測道岔故障的發(fā)生。此外，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測和診斷實際發(fā)生的道岔故障，數(shù)字孿生模型可以輔助優(yōu)化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的布設位置。

此外，在為基礎設施（如道岔）安裝傳感器、打造智能基礎設施方面，目前的3D?打印相關(guān)研究已證明其封裝和制造嵌入式傳感器的潛力。3D?打印成形工藝（如選擇性激光熔覆（SLM））和接合工藝（如激光金屬沉積（LMD））可封裝嵌入式傳感器。然而，仍有與之相關(guān)技術(shù)難點需要攻克：其一，由于應用于高負載動態(tài)環(huán)境（如車輛-軌道相互作用），因此嵌入式傳感器對于強度和剛度的要求高于其他傳感器，優(yōu)化材料微結(jié)構(gòu)性能變得非常重要；其二，由于該技術(shù)目前僅被應用于高附加值制造和快速原型設備制造領域，因此生產(chǎn)成本較高。為解決上述問題，應大力推進鐵路應用領域金屬3D打印技術(shù)的研究，將傳感器封裝和嵌入鐵路基礎設施，以提高其疲勞壽命。

來源：《現(xiàn)代城市軌道交通》編輯部