重載鐵路高密度行車條件下軌溫變化規律試驗研究

羅慧剛

(朔黃鐵路發展有限責任公司肅寧分公司，河北肅寧 062350)

隨著我國經濟的發展，鐵路貨物運量迅速增長，重載運輸己成為我國鐵路貨運的發展方向[1]。重載鐵路由于列車長、軸重大，輪載往復作用會造成車輪與鋼軌的摩擦生熱[2-3]，使鋼軌溫度發生變化。軌溫變化會使無縫線路鋼軌產生軸向溫度力[4-5]。過大的溫度力會引起鋼軌爬行、臌曲失穩或斷裂，甚至導致車輛脫軌，危及行車安全[6-7]。

相關研究表明行車對軌溫有一定影響[8-10]，但其影響程度，尤其對特殊地段(岔區、小半徑曲線、橋上無縫線路、大坡道)軌溫的影響研究依然欠缺，目前鮮有重載列車行駛過后鋼軌升溫大小的相關測試數據。因此，有必要對重載列車過后軌溫變化的大小進行測量，研究高密度重載行車條件下無縫線路軌溫的變化規律，為進一步研究行車對鋼軌應力狀態及軌道穩定性的影響提供依據。

試驗以朔黃鐵路為工程背景，其重載鐵路軌道結構見圖1。通過現場測試研究不同時段、速度、位置處重載列車通行對鋼軌不同部位軌溫的影響，試驗結果將有效地指導重載鐵路無縫線路的養護維修。

圖1 朔黃重載鐵路軌道結構

1 試驗概況

1.1 試驗測點布置

試驗地點選在朔黃鐵路安國站附近，經過測定得知此段列車通過速度約為79 km/h，行車密度為126列/d，在測試時間段內外部自然天氣為夏季晴天。

由于道岔區和曲線地段鋼軌與車輪摩擦較為劇烈，列車通過時軌溫變化明顯，且道岔區和曲線地段無縫線路穩定性最難以保持，試驗選定道岔區直線段上行線和曲線段上行線為2個典型測試斷面。其中安國站上行線某12號道岔里程為K360+380，安國至博野區間上行線某曲線段里程為K361+520。直線段上行線斷面設置3個測點，分別為護軌前部、護軌中部、護軌前一段距離處的直線段鋼軌;曲線段上行線設置1個測點，位于曲線段磨耗最大處。測點布置見圖2。

圖2 軌溫測點布置

1.2 試驗設備

試驗使用了砂輪打磨機、PT100溫度傳感器、IMC動態數據采集儀、FAMOS軟件、筆記本電腦、電源線、膠水等試驗設備。利用砂輪打磨機打磨測點，利用PT100溫度傳感器測試鋼軌溫度，利用IMC動態數據采集儀對傳感器所傳信號進行調試收集，并使用與IMC數據采集儀配套的FAMOS軟件對數據進行分析。主要試驗設備簡介如下:

1)IMC數據采集儀。德國IMC數據采集儀可廣泛測量電壓、電流、溫度、應力應變、加速度、數字輸入/輸出、轉角、角速度、位移、頻率等工業常用信號，同時還提供了操控軟件搭配使用。由于其操作簡便，適用范圍廣，IMC動態數據采集儀已廣泛應用于鐵路軌溫測試、加速度測試、位移測試等數據采集工作中。

2)PT100溫度傳感器。PT100溫度傳感器是一種應用廣泛的測溫元件，在－50℃ ～600℃范圍內精度高、穩定性好、抗干擾能力強。本試驗PT100溫度傳感測量范圍為－50℃ ～450℃，測量精度為0.015℃。

3)FAMOS(Fast Analysis＆Monitoring Of Signal)快速信號分析軟件。該軟件是世界上第一套在Windows下應用的、目前歐洲市場占有率最高的信號分析軟件，能實現工程數據的分析報告，還可進行簡易的二次開發，自行編制用戶化界面。

1.3 試驗方法

1)用砂輪打磨機把選好的測點打磨光亮，將PT100溫度傳感器分別粘貼于測點的軌頭、軌腰和軌底，并通過數據線組成橋路接入IMC數據采集系統。PT100溫度傳感器粘貼布置見圖3。

圖3 PT100溫度傳感器粘貼布置

3)開始測量。設備調試完畢后開始進行測量，IMC數據采集系統對軌溫進行24 h實時測量，并自動保存測量數據。

4)測量完成后，拆卸試驗設備，進行下一斷面的測量工作。所有測試完畢后，拆除試驗設備，清理測試現場。

2 試驗結果及分析

2.1 第一列列車通過后軌溫變化

試驗設備的安裝均在天窗內完成，在天窗結束后列車開始運營，開始測試。第一列列車從安國站發出，發車速度較低，不會形成列車風。第一列列車通過后護軌軌溫和直線段鋼軌軌溫變化見圖4。

圖4 第一列列車通過后軌溫變化

2)調試IMC數據采集系統。首先對鋼軌溫度測量的參數進行設置，然后進行預測量，通過測試數據分析所設置的參數是否合適。如果設置的參數合適，設定數據存儲方案，并保存測量結果;如果設置的參數不合適，適當調整，重新預測量直到所得的數據合適為止。

由圖4可見，在第一列列車通過前，外界大氣溫度為27.6℃，鋼軌不同位置處的溫度略有不同，但差別不大且高于大氣溫度。鋼軌溫度高于大氣溫度是由于鋼鐵能吸熱升溫所致，又由于鋼軌不同位置所受陽光的照射程度不同，導致鋼軌的不同位置溫度有所差異。

第一列列車通過后鋼軌軌溫變化見表1。可見，在第一列列車通過前護軌中部軌頭溫度為29.8℃，通過后護軌中部軌頭的軌溫急劇升高，最大軌溫為33.4℃，最大升高值為3.6℃。之后護軌中部軌底的溫度也較大幅度上升，最大升溫值為2℃，小于護軌中部軌頭升溫值。護軌前部和直線段鋼軌溫度隨時間的增長也緩慢上升，但并不明顯。不同位置軌溫變化差別是由于在列車通過時，列車車輪與護軌中部的摩擦遠遠大于護軌前部與直線段鋼軌，護軌中部所產生的熱量也高于護軌前部和直線段鋼軌。

表1 第一列列車通過后鋼軌軌溫變化 ℃

鋼軌溫度的升高幅度由軌頭、軌腰、軌底依次降低，且鋼軌溫度的升高幅度隨著列車通過速度的增大而增大。由于列車通過時，列車車輪與鋼軌頭部發生摩擦，且摩擦所產生的熱量從軌頭、軌腰、軌底依次傳遞，軌溫依次降低。當列車速度增大時，車輪與鋼軌間的摩擦程度加大，軌溫變化幅度也加大。

2.2 線路正常運營列車通過后軌溫變化

線路正常運營多列列車通過后護軌和直線段鋼軌的溫度變化見圖5?？梢?，多列列車通過后軌溫的變化是一種往復穩定狀態。在列車通過時，鋼軌的溫度先降低，經過一定時間后升高。由于列車通過時帶來列車風，出現溫度降低現象;當摩擦產生的熱量達到一定程度之后，鋼軌溫度出現上升。無論是護軌中部還是護軌前部，其軌頭溫度都要比軌底溫度高1℃～2℃。由于行車密度大、間隔短，車輪與鋼軌摩擦熱由軌頭逐漸向軌底傳遞時，并不會達到同樣的溫度值，軌頭溫度仍相對較高，整個鋼軌會存在一個由上至下的溫度梯度。

圖5 線路正常運營列車通過后軌溫變化

線路正常運營列車通過后軌溫變化見表2。

表2 線路正常運營列車通過后軌溫變化 ℃

由表2可見，列車通過后護軌中部軌頭的溫度變化最為明顯，比列車通過前的軌溫最大升高3℃;直線段鋼軌軌頭溫度升高0.3℃，均小于第一列列車通過時軌溫升高幅度。護軌前部軌溫在列車通過時有降低，但是變化幅度很小。出現以上現象的原因在于護軌中部軌頭摩擦最為嚴重，溫度變化最大。護軌前部由于沒有受到摩擦，列車通過后最終溫度基本不發生改變。第一列列車通行前鋼軌溫度較低，多列列車通過后鋼軌溫度較高，在同等摩擦程度所產生的熱量情況下，溫度較低時鋼軌溫度變化更為明顯。

2.3 不同時間段列車通過后軌溫變化

在不同時間段，外界的大氣溫度不同，列車通過后鋼軌的溫度變化也有所差異。不同時間段列車通過后護軌和直線段鋼軌的軌溫變化見圖6。

為研究外界大氣溫度對列車通過后軌溫變化的影響，將圖5和圖6不同時間段下多列列車通過后的軌溫變化進行對比分析。其中圖5測試時間為13:00～14:00(工況1)，外界大氣溫度在34℃ ～36℃;圖6中測試時間為0:00～1:00(工況2)，外界大氣溫度在31℃ ～32℃。

由圖6可見，列車通過后軌溫的變化趨勢與圖5基本相同，列車通過后軌溫都是先降低，經過一段時間后再升高。但是白天的鋼軌溫度與外界大氣溫度的差值要比夜間鋼軌溫度與外界大氣溫度的差值大許多。以直線段鋼軌為例，直線段鋼軌在白天與外界大氣溫度的差值約為10℃，而在夜間與外界大氣溫度的差值約為1℃。造成此差異的原因為鋼軌在白天不僅受到列車車輪的摩擦作用，更重要的是受到陽光的照射作用，鋼軌吸熱升溫導致鋼軌溫度要比外界大氣溫度高許多。不同時間段列車通過后軌溫升高幅度見表3。

圖6 不同時間段列車通過后軌溫變化

表3 不同時間段列車通過后軌溫升高幅度 ℃

由表3可知，工況2列車通過后護軌中部軌溫變化最大幅度為3.5℃，大于工況1列車通過后護軌中部軌溫變化最大幅度。其他位置處的鋼軌軌溫在晚上的變化幅度也大于或等于在白天的變化幅度。說明列車通過后，鋼軌在溫度低環境中的溫度變化幅度要高于溫度高環境中的溫度變化幅度。

2.4 直、曲線段列車通過后軌溫變化

列車通過直線段和曲線段時，由于車輪與鋼軌之間的摩擦程度不同，產生的熱量也不同，造成列車通過后軌溫變化的不同。在同一時間下列車通過直線段和曲線段軌溫變化見圖7。

圖7 直、曲線段列車通過后的軌溫變化

由圖7可見，列車通過直線段和曲線段的軌溫變化趨勢基本相同，都是先有小幅度降溫，經過一段時間后再升溫，但是曲線段鋼軌的溫度要比直線段鋼軌溫度高出2℃左右。原因在于列車通過曲線段時車輪與鋼軌的摩擦程度大于列車通過直線段車輪與鋼軌的摩擦程度，產生的熱量也比直線段高。由于列車行車間隔很小，鋼軌溫度來不及擴散降低，所以在同等外界條件下，曲線段軌溫要高于直線段軌溫。

直、曲線段列車通過后軌溫變化見表4。

表4 直、曲線段列車通過后軌溫變化 ℃

由表4可知，列車通過后曲線段鋼軌軌頭溫度升高幅度為0.6℃，直線段鋼軌軌頭溫度升高幅度為0.3℃，曲線段鋼軌溫度升高幅度略大于直線段。原因在于列車在曲線地段受到較大的橫向力作用，導致車輪與鋼軌在曲線段的摩擦程度大于直線段，在曲線段鋼軌所產生的熱量也比直線段高。

3 結論

通過現場動態測試研究不同時段、速度、位置處重載列車通行對鋼軌不同部位軌溫的影響，得到以下結論:

1)重載列車通過后，不同位置的鋼軌溫度都將有所增加，增加幅度由軌頭、軌腰、軌底依次減小，其中護軌溫度增加幅度要比直線段鋼軌大。

2)第一列列車通過后鋼軌溫度直接升高，其中護軌中部軌頭的溫度急劇增大，最大升高值為3.6℃，之后護軌中部軌底的溫度也較大幅度上升。護軌前部和直線段鋼軌溫度雖有一定幅度上升，但并不是非常明顯。

3)當線路正常運營多列列車通過后，軌溫的變化是一種往復穩定狀態。在列車通過時，軌溫由于受到列車風作用先降低，之后才升高，護軌溫度最大升高值約為3℃，直線段鋼軌溫度最大升高值約為0.3℃。

4)列車通過直線段和曲線段的軌溫變化趨勢基本相同，都是先小幅度降溫，經過一小段時間后再升溫。曲線段軌溫變化幅度大于直線段，其中曲線段鋼軌軌頭溫升幅度約為0.6℃，直線段鋼軌軌頭溫升幅度約為0.3℃，且曲線段軌溫要比直線段約高出2℃。

5)重載列車通過時軌溫的變化幅度還與列車的長度密切相關。目前朔黃鐵路重載列車主要為萬t和5 000 t編組，在預期開行2萬t重載列車情況下，其軌溫變化幅度必將更明顯，應繼續加以研究。

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