大秦重載鐵路軌道強(qiáng)化技術(shù)方案的探討

張建峰

(太原鐵路局 工務(wù)處，山西太原 030013)

大秦重載鐵路軌道強(qiáng)化技術(shù)方案的探討

張建峰

(太原鐵路局 工務(wù)處，山西太原 030013)

我國現(xiàn)有重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)體系的安全儲備不足，重載線路各種傷損和破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，本文分析研究了重載鐵路軌道強(qiáng)化技術(shù)，并在大秦鐵路安裝了軌撐、加強(qiáng)型彈條和橫向阻力器等加強(qiáng)設(shè)備，各種加強(qiáng)措施經(jīng)過了設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、室內(nèi)疲勞試驗(yàn)、現(xiàn)場鋪設(shè)、動(dòng)態(tài)測試試驗(yàn)、現(xiàn)場長期觀測和效果評估等驗(yàn)證程序。研究結(jié)果表明:在小半徑曲線、長大下坡道地段和特殊傷損地段上采取軌道加強(qiáng)措施后，軌道強(qiáng)化效果顯著，起到了保持軌道結(jié)構(gòu)線形的作用，間接減小了小半徑曲線上鋼軌磨耗，延長了小半徑曲線鋼軌使用壽命，減少了養(yǎng)護(hù)維修工作量。

重載鐵路 軌道強(qiáng)化 曲線減磨

在北美(包括美國、加拿大、墨西哥)、澳大利亞、南非和巴西等地域面積遼闊、散裝貨物運(yùn)量大、流向集中的國家重載鐵路運(yùn)輸已有很大發(fā)展。中國重載鐵路運(yùn)輸經(jīng)過20年的發(fā)展，已形成了以大秦煤炭運(yùn)輸專線為代表，多條干線綜合采用不同重量級別、不同組織形式的重載運(yùn)輸模式。在大秦線已開行萬t、2萬t重載列車，2009年實(shí)現(xiàn)年運(yùn)量3.3億t，2010年實(shí)現(xiàn)年運(yùn)量4億t。一般認(rèn)為，重載鐵路單條鐵路年運(yùn)量的極限是2億t，而年設(shè)計(jì)運(yùn)量為1億t的大秦鐵路，不僅早就突破設(shè)計(jì)運(yùn)量，而且還大大突破了世界重載鐵路運(yùn)量的理論極限。

隨著重載列車運(yùn)行密度加大，以及運(yùn)量的顯著增加，加速了軌道結(jié)構(gòu)的傷損和線路狀態(tài)的惡化。既有重載鐵路運(yùn)營現(xiàn)狀表明，當(dāng)前運(yùn)量的條件下，既有重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)體系的安全儲備不足。目前新的重載軌道結(jié)構(gòu)體系正在研發(fā)中，還需要大量的前期研究儲備，各種相應(yīng)的部件需要理論分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、優(yōu)化完善和定型后，才能進(jìn)行批量產(chǎn)，需要的周期較長。針對目前我國重載鐵路運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀，通過對大秦重載線路軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力破壞程度進(jìn)行分析，結(jié)合大秦重載鐵路運(yùn)營的實(shí)際情況，研究在既有軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采取有效的軌道強(qiáng)化措施，提高軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，為重載鐵路的養(yǎng)護(hù)維修提供指導(dǎo)，為新型重載軌道體系的建立提供借鑒。

1 大秦重載鐵路軌道存在的主要問題

近年來隨著運(yùn)量、軸重和車速的不斷提高，軌道各部件傷損明顯增加，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①曲線鋼軌磨耗傷損加劇，曲線地段不均勻側(cè)磨現(xiàn)象較為突出;②鋼軌核傷、裂紋、剝離掉塊等傷損明顯增加(如表1);③曲線混凝土枕切槽(如圖1)，擋肩破損;④動(dòng)態(tài)下鋼軌外傾，造成軌距擴(kuò)大，鋼軌外闖(如圖2)、里口扣件離象較為普遍;⑤扣件磨損變薄(如圖3)，彈條疲勞，膠墊壓潰破損，尼龍底座破損;⑥軌距桿剪切折斷(如圖4)。

由此可見，隨著運(yùn)量的不斷增加，鋼軌傷損加劇，在列車動(dòng)荷載作用下，鋼軌受力后會造成軌距擴(kuò)大、鋼軌外傾，并由此引發(fā)曲線軌向變化，造成鋼軌的不均勻側(cè)磨以及軌枕切槽、軌距桿折損、零配件破損等設(shè)備病害，縮短了鋼軌、扣板、尼龍座、膠墊、軌距桿等的使用壽命，同時(shí)造成軌道養(yǎng)護(hù)工作量增加，線路維修周期縮短。

表1 大秦線近年鋼軌傷損統(tǒng)計(jì)表

圖1 混凝土枕切槽

圖2 鋼軌外闖

圖3 扣件磨損

圖4 軌距桿剪切折斷

2 主要強(qiáng)化措施的設(shè)計(jì)

分析了國外重載鐵路軌道強(qiáng)化措施以及國內(nèi)重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)、養(yǎng)護(hù)維修狀態(tài)、各種傷損和破壞現(xiàn)象，重點(diǎn)研究了軌撐、加強(qiáng)型彈條、橫向阻力器以及熱塑性彈性體軌下墊板等軌道加強(qiáng)設(shè)備;將各種加強(qiáng)設(shè)備在線路薄弱地段進(jìn)行試鋪，對安裝前后軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行測試和跟蹤觀測，進(jìn)一步優(yōu)化完善強(qiáng)化方案。

安裝軌撐、加裝橫向阻力器、更換加強(qiáng)型彈條、鋪設(shè)熱塑性彈性體長壽命軌下墊板是現(xiàn)有線路條件下比較可行的軌道加強(qiáng)措施，也是最簡單易行的方法。

1)軌撐

在曲線半徑R≤400 m地段，每隔2根軌枕上安裝一對;曲線半徑400 m＜R≤600 m地段，每隔3根軌枕上安裝一對;曲線半徑600 m﹤R＜800 m地段，每隔4根軌枕上安裝一對;曲線半徑R≥800 m地段，每隔5根軌枕上安裝一對;直線地段，每隔7根軌枕上安裝一對。

2)橫向阻力器

在曲線半徑R≤400 m地段，每隔5根軌枕上安裝一對;曲線半徑400 m＜R＜800 m地段，每隔7根軌枕上安裝一對;曲線半徑R≥800 m地段，每隔9根軌枕上安裝一對;直線地段，每隔14根軌枕上安裝一對;特殊地段，根據(jù)具體情況加密。

3)加強(qiáng)型彈條、熱塑性彈性體軌下墊板

加強(qiáng)型彈條、熱塑性彈性體軌下墊板應(yīng)在重點(diǎn)區(qū)段全部更換。

3 軌道加強(qiáng)后動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及結(jié)果分析

為研究既有重載鐵路軌道加強(qiáng)后的效果，對加強(qiáng)前后軌道性能進(jìn)行了現(xiàn)場對比測試，沿大秦重車線方向依次布置三個(gè)測試點(diǎn)，分別為直線段、直線對比段和曲線段，測點(diǎn)布置如圖5所示。其中兩個(gè)直線段測試斷面相距70 m，曲線段和直線段測試工點(diǎn)均測試5種工況，每種工況數(shù)據(jù)采集1 d，在共計(jì)5 d軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)檢測期間，曲線段共采集了133趟貨物列車;直線段和直線對比段均采集了125趟貨物列車，現(xiàn)場測試如圖6所示。

通過測試3個(gè)工點(diǎn)的行車安全性、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和振動(dòng)變形特征，對測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而評估安裝軌撐、更換加強(qiáng)型彈條、鋪設(shè)熱塑性彈性體軌下墊板等軌道加強(qiáng)措施對列車運(yùn)行的安全性、軌道穩(wěn)定性、軌道部件承載強(qiáng)度的安全儲備以及線路平順性等性能的改善情況。

1)安全性指標(biāo)測試。通過測試輪軌垂直力和橫向水平力參數(shù)，據(jù)此計(jì)算機(jī)車車輛內(nèi)外輪脫軌系數(shù)、輪重減載率ΔP/P及輪對橫向力，判定試驗(yàn)列車運(yùn)行的安全性。

2)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)荷載測試。通過測試輪軌垂直力和輪軌水平力等參數(shù)，分析貨物列車動(dòng)力作用對軌道結(jié)構(gòu)部件的受力性能的影響。

圖5 軌道動(dòng)力特性試驗(yàn)測點(diǎn)布置

圖6 現(xiàn)場測試

3)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)變形測試。通過測試鋼軌垂向位移、鋼軌橫向位移、軌枕垂向位移、軌枕橫向位移、鋼軌動(dòng)態(tài)軌距變化量等參數(shù)，結(jié)合輪軌垂直力、水平力，綜合分析軌道動(dòng)態(tài)變形性能和穩(wěn)定性。

4)軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測試。通過測試鋼軌、軌枕的垂向振動(dòng)加速度，分析列車動(dòng)載作用下鋼軌、軌枕的振動(dòng)傳遞關(guān)系和特性。

通過對測試數(shù)據(jù)的分析，可以得出，①車速相對較高時(shí)的軌道加強(qiáng)措施效果優(yōu)于車速較低時(shí)的效果，曲線段的效果優(yōu)于直線段;②同時(shí)安裝了軌撐、換成加強(qiáng)型彈條、鋪設(shè)熱塑性彈性體軌下墊板的線路，脫軌系數(shù)和輪軌減載率減小;③采取軌道加強(qiáng)措施可以防止軌距擴(kuò)大，使鋼軌垂向位移減小;④在曲線段軌撐、加強(qiáng)型彈條、熱塑性彈性體軌下墊板可使鋼軌加速度與軌枕加速度均減小;⑤軌撐的使用可以有效保持軌距、保持線型，間接起到減緩鋼軌側(cè)磨的作用。

4 軌道加強(qiáng)后效果分析

按軌道強(qiáng)化方案實(shí)施軌道加強(qiáng)后，曲線側(cè)磨速度有所緩解，用工投入大幅下降，以大秦重車線K306曲線為例:

1)鋼軌使用壽命延長

該段為R=500 m曲線，曲線長585.26 m，位于8.7‰下坡道，2008年該段曲線由于上股側(cè)磨、下股壓潰，上股更換3次，下股更換2次;2008年10月末大修換軌后安裝了軌道加強(qiáng)設(shè)備，截止到2009年3月中旬共5個(gè)月，上股基本無側(cè)磨，下股無壓潰;截止到2009年10月份該段鋼軌上股在集中修期間換下，下股未更換，再次使用1年，至2010年10月份更換，2011年4月份大修換軌時(shí)側(cè)磨＜6 mm。

2)修理用工減少

安裝加強(qiáng)設(shè)備之前，平均每周要對該段曲線進(jìn)行一次改道作業(yè)，平均每月在該段曲線投工(主要作業(yè)項(xiàng)目有換軌、改道、撥道、復(fù)緊和起道)200個(gè)左右;安裝加強(qiáng)設(shè)備之后平均每半個(gè)月對該段曲線進(jìn)行一次改道作業(yè)，平均每月投工(主要作業(yè)項(xiàng)目有復(fù)緊、撥道和起道)65個(gè)左右。

5 結(jié)語

研究結(jié)果表明，在小半徑曲線、長大下坡道地段和特殊傷損地段安裝軌道加強(qiáng)設(shè)備后，軌道強(qiáng)化效果顯著，同時(shí)起到了保持軌道結(jié)構(gòu)線形的作用，間接減小了小半徑曲線上鋼軌的磨耗，延長了小半徑曲線鋼軌使用壽命，減少了養(yǎng)護(hù)維修工作量。

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[2]中國鐵道科學(xué)研究院.既有線提速200 km/h關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)研究—軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

[3]孫加林，劉磊.重載鐵路12號固定轍叉道岔軌道剛度變化分布研究[J].鐵道建筑，2012(2):87-89.

[4]中國鐵道科學(xué)研究院.重載鐵路軌道強(qiáng)化技術(shù)研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

[5]中國鐵道科學(xué)研究院.貨車提速對軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用影響的研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

U216.42;U239.4

A

1003-1995(2012)06-0136-03

2012-02-20;

2012-04-20

張建峰(1962— )，男，山西榆次人，高級工程師。

(責(zé)任審編 王 紅)