鐵科院環(huán)行試驗(yàn)線(xiàn)曲線(xiàn)連接裝置動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

閆曉春，晉　杰，孫　軍，王宏謀，尤瑞林（.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京　0005；.北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京　0008；.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　0008）

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鐵科院環(huán)行試驗(yàn)線(xiàn)曲線(xiàn)連接裝置動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

閆曉春1，晉杰1，孫軍1，王宏謀2，尤瑞林3
（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京100015；2.北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

摘要曲線(xiàn)連接裝置用于連接環(huán)行試驗(yàn)線(xiàn)內(nèi)環(huán)線(xiàn)和外環(huán)線(xiàn)，通過(guò)調(diào)整鋼軌的位置實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路方向的轉(zhuǎn)換。本文通過(guò)曲線(xiàn)連接裝置動(dòng)力性能試驗(yàn)，測(cè)試連接裝置的運(yùn)行安全性，軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載、動(dòng)變形、振動(dòng)等性能。試驗(yàn)結(jié)果表明:連接裝置處的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、鋼軌橫向和垂向位移、鋼軌振動(dòng)加速度、軌枕振動(dòng)加速度等各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范的要求。但與普通線(xiàn)路相比，其脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、外軌橫向位移和軌距動(dòng)態(tài)變化量有所增大；輪重減載率、內(nèi)軌橫向位移、內(nèi)軌垂向位移和鋼軌振動(dòng)加速度與普通線(xiàn)路比較接近；外軌垂向位移和軌枕振動(dòng)加速度明顯小于普通線(xiàn)路。建議采取提高連接裝置軌道檢修頻次、加強(qiáng)道床搗固等必要措施，進(jìn)一步優(yōu)化連接裝置軌道結(jié)構(gòu)，提升其穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞環(huán)行試驗(yàn)線(xiàn)；曲線(xiàn)連接裝置；有砟軌道；動(dòng)力性能；試驗(yàn)研究

1　研究概述

鐵科院環(huán)行試驗(yàn)線(xiàn)大環(huán)線(xiàn)平面呈正圓曲線(xiàn)。1958年建成時(shí)，小環(huán)線(xiàn)與大環(huán)線(xiàn)采用撥道的方法接軌［1］。1991年為滿(mǎn)足“廣深線(xiàn)提速試驗(yàn)”的需求，減少頻繁撥道對(duì)線(xiàn)路特別是道床穩(wěn)定性的影響，研制了曲線(xiàn)連接裝置，用于實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路方向的轉(zhuǎn)換［2］。2008年對(duì)曲線(xiàn)連接裝置進(jìn)行了優(yōu)化改造，改善了連接裝置的運(yùn)用條件［3-4］。曲線(xiàn)連接裝置平面位置如圖1所示。

圖1　曲線(xiàn)連接裝置平面位置示意

大環(huán)線(xiàn)與小環(huán)線(xiàn)的內(nèi)軌軌頂高程相同但外軌軌頂高程不同，為保證兩個(gè)方向線(xiàn)路的平順性，在設(shè)計(jì)連接裝置時(shí)，將連接裝置的軌枕設(shè)計(jì)為水平放置，利用安裝在軌枕上的鋼臺(tái)座實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)超高，并通過(guò)調(diào)整臺(tái)座和鋼軌的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路方向的轉(zhuǎn)換，如圖2所示。連接裝置處為有砟軌道，使用Ⅰ級(jí)道砟、混凝土岔枕、彈條Ⅱ型扣件和60 kg/m鋼軌。

圖2　曲線(xiàn)連接裝置

如圖3所示，曲線(xiàn)連接裝置有兩個(gè)主要特點(diǎn)：①普通線(xiàn)路通過(guò)軌枕斜放實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)超高，而連接裝置的軌枕是水平放置，通過(guò)鋼臺(tái)座實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)超高；②與普通線(xiàn)路軌道相比，連接裝置軌道在鋼軌和軌枕之間增加了1個(gè)鋼臺(tái)座和1塊橡膠墊板。

由于存有上述兩個(gè)差異，必然導(dǎo)致連接裝置軌道在受力上會(huì)與普通線(xiàn)路軌道有所不同，并且每季度軌檢時(shí)，連接裝置軌道不平順問(wèn)題較普通線(xiàn)路要多。因此，為了進(jìn)一步掌握連接裝置軌道的性能，開(kāi)展了對(duì)連接裝置軌道動(dòng)力性能的試驗(yàn)研究。

圖3　連接裝置與普通線(xiàn)路軌道結(jié)構(gòu)對(duì)比

2　試驗(yàn)內(nèi)容

軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)檢測(cè)項(xiàng)目主要包括運(yùn)行安全性、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)［5］。其中，運(yùn)行安全性檢測(cè)脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力；軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載檢測(cè)輪軌水平力和輪軌垂直力；軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形檢測(cè)鋼軌垂向位移、鋼軌橫向位移和軌距動(dòng)態(tài)變化量；軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)鋼軌振動(dòng)加速度和軌枕振動(dòng)加速度［6］。根據(jù)以上檢測(cè)指標(biāo)，分析軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

本次動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中1個(gè)位于普通線(xiàn)路曲線(xiàn)上，作為對(duì)比測(cè)點(diǎn)，曲線(xiàn)半徑、坡度與連接裝置相同；另外1個(gè)位于連接裝置上，為了避免2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的相互干擾，2個(gè)測(cè)點(diǎn)相距100 m。

測(cè)點(diǎn)布置示意如圖4。

圖4　測(cè)點(diǎn)布置示意

本次試驗(yàn)列車(chē)為唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的城際動(dòng)車(chē)組，列車(chē)全長(zhǎng)99. 7 m，軸重17 t，正式試驗(yàn)時(shí)最高運(yùn)行速度176 km/h。試驗(yàn)共測(cè)試14次。

通過(guò)測(cè)試連接裝置的運(yùn)行安全性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和振動(dòng)特性，了解連接裝置軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，為進(jìn)一步優(yōu)化連接裝置的軌道結(jié)構(gòu)提供支持。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3. 1運(yùn)行安全性

按照《輪軌水平力、垂直力地面測(cè)試方法》（TB /T 2489—1994）中的規(guī)定，采用剪應(yīng)力法檢測(cè)輪軌垂直力P和輪軌水平力H，據(jù)此計(jì)算機(jī)車(chē)車(chē)輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等運(yùn)行安全性指標(biāo)［7］。

試驗(yàn)測(cè)得：連接裝置處脫軌系數(shù)最大值為0. 12，輪重減載率最大值為0. 13，輪軸橫向力最大值為14. 8 kN，均滿(mǎn)足《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》（TB 10761—2013）的要求。

普通線(xiàn)路段和連接裝置處的運(yùn)行安全性指標(biāo)對(duì)比如圖5?？梢?jiàn)：連接裝置處的脫軌系數(shù)和輪軸橫向力基本上大于普通線(xiàn)路段的脫軌系數(shù)；而連接裝置處的輪重減載率與普通線(xiàn)路段非常接近。分析認(rèn)為，雖然連接裝置處的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等運(yùn)行安全性指標(biāo)均滿(mǎn)足限值要求，但由于連接裝置處軌枕水平放置且使用鋼臺(tái)座實(shí)現(xiàn)軌道超高，與普通線(xiàn)路軌道相比，其脫軌系數(shù)和輪軸橫向力有所增大。

圖5　普通線(xiàn)路段和連接裝置處的運(yùn)行安全性指標(biāo)對(duì)比

3. 2軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載

通過(guò)測(cè)試軌道的輪軌垂直力和水平力，可研究軌道部件的受力性能［8-9］。輪軌垂直力和輪軌水平力的合格標(biāo)準(zhǔn)是：輪軌垂直力P≤120 kN；輪軌水平力H≤50 kN［5］。

試驗(yàn)測(cè)得：連接裝置處內(nèi)軌的輪軌垂直力最大值為61. 8 kN，輪軌水平力最大值為10 kN；連接裝置處外軌的輪軌垂直力最大值為68. 7 kN，輪軌水平力最大值為8. 4 kN，均滿(mǎn)足合格標(biāo)準(zhǔn)的要求。

普通線(xiàn)路段和連接裝置處軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載指標(biāo)對(duì)比如圖6?？梢?jiàn)：連接裝置處內(nèi)外軌的垂直力和水平力都大于普通線(xiàn)路段，而且外軌水平力偏大的幅度較大。說(shuō)明，采用連結(jié)裝置形式的軌道結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致軌道承受的動(dòng)荷載增大。

圖6　普通線(xiàn)路段與連接裝置處軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載指標(biāo)對(duì)比

3. 3軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形

通過(guò)測(cè)試軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形指標(biāo)，可研究在外力作用下軌道結(jié)構(gòu)的變形性能［8-9］。鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移和軌距動(dòng)態(tài)變化量的合格標(biāo)準(zhǔn)為：鋼軌橫向位移≤1. 5 mm，鋼軌垂向位移≤2. 0 mm，軌距動(dòng)態(tài)變化量≤3. 0 mm［5］。

試驗(yàn)測(cè)得：連接裝置處內(nèi)軌橫向位移最大值為0. 91 mm，內(nèi)軌垂向位移最大值為0. 53 mm；連接裝置處外軌橫向位移最大值為0. 80 mm，外軌垂向位移最大值為0. 40 mm；連接裝置處軌距動(dòng)態(tài)變化量最大值為1. 57 mm。鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移和軌距動(dòng)態(tài)變化量實(shí)測(cè)值均在規(guī)定的限值范圍之內(nèi)。

圖7　連接裝置處和普通線(xiàn)路段軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形指標(biāo)對(duì)比

連接裝置處和普通線(xiàn)路段軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形指標(biāo)對(duì)比如圖7?？梢?jiàn)：①在列車(chē)荷載作用下連接裝置處內(nèi)軌橫向位移、垂向位移與普通線(xiàn)路段比較接近，說(shuō)明連接裝置軌道結(jié)構(gòu)在控制內(nèi)軌橫向位移、垂向位移方面還是比較穩(wěn)定的。②連接裝置處外軌橫向位移大于普通線(xiàn)路段，并且偏大的幅度較大。說(shuō)明連接裝置軌道結(jié)構(gòu)在控制外軌橫向位移方面還需進(jìn)一步改善和加強(qiáng)。③連接裝置處外軌垂向位移明顯小于普通線(xiàn)路段。分析認(rèn)為，連接裝置在結(jié)構(gòu)上增加了鋼臺(tái)座和墊板，軌道結(jié)構(gòu)縱向剛度比較大，在控制外軌垂向位移方面優(yōu)于普通軌道。④受連接裝置處外軌橫向位移較大的影響，軌距動(dòng)態(tài)變化量也偏大。

3. 4軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)

通過(guò)測(cè)試鋼軌和軌枕的垂向振動(dòng)加速度，可分析在列車(chē)作用下鋼軌和軌枕的振動(dòng)關(guān)系和特性［8-9］。鋼軌和軌枕振動(dòng)加速度的合格標(biāo)準(zhǔn)是：鋼軌振動(dòng)加速度≤3 000 m/s2，軌枕振動(dòng)加速度≤500 m/s2［5］。

試驗(yàn)測(cè)得：連接裝置處鋼軌振動(dòng)加速度最大值為1 463. 2 m/s2；軌枕振動(dòng)加速度最大值為53. 8 m/s2。鋼軌振動(dòng)加速度和軌枕振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值均在規(guī)定的限值范圍之內(nèi)。

連接裝置處和普通線(xiàn)路段軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能指標(biāo)見(jiàn)圖8。可以看出，連接裝置處鋼軌振動(dòng)加速度與普通線(xiàn)路段比較接近，而連接裝置處軌枕振動(dòng)加速度明顯小于普通線(xiàn)路段。分析認(rèn)為，連接裝置處與普通線(xiàn)路段鋼軌、扣件和軌下膠墊都是一致的，其剛度沒(méi)有發(fā)生變化；而連接裝置處鋼軌與軌枕之間有鋼臺(tái)座和墊板，軌道結(jié)構(gòu)縱向剛度有所增大。

圖8　連接裝置處和普通線(xiàn)路段軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能指標(biāo)對(duì)比

4　結(jié)論和建議

1）通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，在列車(chē)荷載作用下連接裝置處的運(yùn)行安全性、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)4個(gè)方面的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)（脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、鋼軌橫向和垂向位移、鋼軌振動(dòng)加速度、軌枕振動(dòng)加速度等）均在規(guī)定的限制范圍內(nèi)。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)分析，連接裝置軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、軌道部件強(qiáng)度及動(dòng)力平順性等性能符合相關(guān)規(guī)范和規(guī)定的要求。

2）通過(guò)與普通線(xiàn)路段的對(duì)比分析，連接裝置處軌道的脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、輪軌水平力、輪軌垂直力、外軌橫向位移和軌距動(dòng)態(tài)變化量較普通線(xiàn)路段有所增大；輪重減載率、內(nèi)軌橫向位移、內(nèi)軌垂向位移和鋼軌振動(dòng)加速度與普通線(xiàn)路段比較接近；外軌垂向位移和軌枕振動(dòng)加速度小于普通線(xiàn)路段。

3）每季度軌檢時(shí)，連接裝置處軌道幾何狀態(tài)未出現(xiàn)三級(jí)超限，處于正常保養(yǎng)狀態(tài)，滿(mǎn)足我國(guó)鐵路線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修相關(guān)規(guī)定的要求［10］。但與普通線(xiàn)路相比，連接裝置處不平順問(wèn)題比較多，屬于重點(diǎn)養(yǎng)護(hù)維修區(qū)域。建議采取提高連接裝置處軌道檢修頻次、加強(qiáng)道床搗固等必要的措施，保證連接裝置處軌道的穩(wěn)定性和平順性。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化連接裝置軌道結(jié)構(gòu)，減小其輪軸橫向力、鋼軌橫向位移等，提升連接裝置軌道穩(wěn)定性。

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（責(zé)任審編葛全紅）

Experimental Study on Dynamic Performance of Curve Connection Device of CARS Loop Test Line

YAN Xiaochun1，JIN Jie1，SUN Jun1，WANG Hongmou2，YOU Ruilin3
（1. National Railway Track Test Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100015，China；2. Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Company，Beijing 100081，China；3. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractT he curve connection device is used to connect the inner ring and the outer ring in Loop T est Line，and the line is switched by adjusting the connection device. T hrough the dynamic performance test for Curve Connection Device，the operating safety performance，dynamic load，dynamic deformation and track structure vibration of Curve Connection Device were tested and analyzed. T he results show that the Dynamic performance indicators，such as derailment coefficient，the rate of wheel load reduction，lateral wheelset force，horizontal force between wheel and rail，wheel rail vertical force，rail lateral and vertical displacement，rail vibration acceleration and sleeper vibration acceleration，meet the requirements of the relevant specifications. Compared with the normal rail，the derailment coefficient，lateral force of wheel shaft，wheel/rail lateral force，wheel/rail vertical force，lateral displacement of external rail are increased；wheel load reduction rate，internal rail lateral displacement，internal rail vertical displacement and rail vibration acceleration are close to those for the normal rail；the outer rail vertical displacement and sleeper vibration acceleration are significantly decreased. It is suggested to increase the track inspection frequency and emphasize on ballast roadbed compactness. T hus，the Curve Connection Device is improved and has better stability.

Key wordsLoop test line；Curve Connection Device；Ballasted track；Dynamic performance；Experimental test

中圖分類(lèi)號(hào)U213. 2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 37

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0141-05

收稿日期：2016-02-10；修回日期：2016-03-31

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金（2014YJ068）

作者簡(jiǎn)介：閆曉春（1984—），男，工程師。