朔黃重載線路道床清篩后行車動力特性分析

李 銳，郄錄朝，徐 旸，王 璞

(1.朔黃鐵路發展有限責任公司 原平分公司，山西原平 034100；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

朔黃鐵路于2012年成功開行1+1組合C64萬t列車；2013年運量首次突破2億t；2016年2萬 t重載列車在朔黃鐵路正式開行；2017年煤炭運量達到2.94億t；2018年煤炭運輸目標將達到3.05億t。貨物列車軸重和牽引質量的進一步提升，雖然極大程度地提高了線路的運能，但線路設備的傷損以及軌道幾何狀態惡化速率明顯增加。尤其是有砟軌道結構的碎石道床經過重載列車的反復碾壓后，會因道砟的破碎、臟污，道床內部的空隙填滿小顆粒碎石和石粉，逐漸喪失彈性。

清篩換砟整道作業可以恢復碎石道床的功能，但是清篩換砟整道作業會破壞原有道砟顆粒之間相對穩定的狀態，引起道床剛度、阻力降低，干擾線路的正常運營，影響線路的運輸能力[1]。TG/GW 101—2014《普速鐵路工務安全規則》[2]對道床清篩后線路穩定的時間和限速要求作出了規定，但是限速時間過長，對線路運輸的影響較大。因此，在深入研究道床擾動后列車動力特性的基礎上，同時保證線路穩定性及行車安全的前提下，對限速要求進行優化，對于提升朔黃鐵路的運輸能力具有重要價值。

1 清篩作業對道床性能的影響

在工程實際中，道床阻力主要影響無縫線路的穩定性，而支承剛度主要影響列車的動力特性。因此，本文選取了典型試驗段，重點對清篩前、后道床阻力及支承剛度的變化規律進行了現場測試。綜合分析擾動道床作業對線路動、靜態力學特性的影響規律，以期為清篩后線路限速要求提供理論依據。

1.1 清篩作業對道床阻力的影響

清篩作業是將原本臟污程度較高的道床重新進行篩分，排除污土后，再將清潔的道砟顆粒重新進行回填。而既有研究[3]表明，回填后的道砟接觸狀態相對松散，會引起道床縱、橫向阻力的大幅降低，對線路的穩定性具有很大影響。因此，除需要通過搗固、穩定作業并結合一定量的列車碾壓使道床重新達到密實狀態之外，還需要嚴格控制作業時的軌溫，以確保無縫線路的穩定性與行車安全性。

為研究清篩作業后道床阻力隨通車天數的變化規律，在朔黃鐵路選擇典型區段，參照行業標準[4]的要求，分別針對清篩作業后不同通車天數時道床縱、橫向阻力進行現場測試。具體測試步驟為:①將2根軌枕所有扣件松開；②取下軌下橡膠墊板，使2根測試軌枕脫離與鋼軌的接觸；③在一側枕端安裝千斤頂；④在另一側枕端安裝位移傳感器；⑤利用液壓設備同時將2根軌枕橫向拉動；⑥緩慢加載并記錄軌枕阻力及其相應的位移數據。為消除誤差，每組選取6根軌枕進行分析，取其平均值作為測試結果。所采用的道床橫向阻力測試設備如圖1所示。

圖1 道床橫向阻力測試設備

清篩前，朔黃鐵路道床的橫向阻力約為14 kN/mm，縱向阻力約為16 kN/mm。鐵路清篩后道床阻力隨清篩后通車天數的變化情況見表1。

表1 鐵路清篩后道床阻力隨清篩后通車天數的變化情況kN/mm

由表1可見:清篩后線路的縱、橫向阻力大大降低，但會隨著列車的通行逐漸恢復。

1.2 清篩作業對道床支承剛度的影響

清篩作業除會削弱道床阻力之外，還會影響道床的支承剛度。既有研究[5]表明，大修后道床的支承剛度通常僅有規定值的40%。為明確清篩作業對于道床支承剛度的影響規律，本文對朔黃鐵路清篩前后道床支承剛度進行測試。道床支承剛度測試步驟為:①解除測試軌枕和相鄰軌枕的扣件；②取下軌下膠墊，使測試軌枕和相鄰一根軌枕脫離與鋼軌的接觸；③在測試軌枕安裝加力設備；④借助鋼軌給軌枕施加垂向荷載；⑤安裝位移傳感器；⑥記錄垂向荷載及所對應的軌枕位移數據。

道床支承剛度測試設備如圖2所示。

朔黃鐵路上行重車線K69—K70區段清篩前后道床支承剛度測試結果見表2。

由表2可見:清篩后道床的支承剛度不足清篩前剛度的30%，說明清篩擾動道床，采用大機搗固后，道床的彈性恢復需要一定的時間。

圖2 道床支承剛度測試設備

表2 清篩前后道床支承剛度測試結果 kN/mm

2 清篩后無縫線路穩定性分析

朔黃鐵路區間采用由長鋼軌焊接而成的無縫線路。軌溫變化時鋼軌由于扣件或道床阻力的約束作用不能自由伸縮，在鋼軌內部會產生很大的溫度力。清篩作業后道床縱、橫向阻力降低，如鎖定軌溫與當地環境溫度變化不匹配，就更易引起軌道失穩，影響線路的安全運營。

為明確朔黃鐵路溫度變化規律及不同區段鋼軌溫度與氣溫的差異，本文對朔黃鐵路上行重車線K69—K70區段鋼軌軌頭、軌腰和軌底處的軌溫及其附近的環境溫度進行了實時監測。監測區段曲線半徑600 m，超高60 mm，設計速度55 km/h。2016年8月至2017年7月軌溫和環境溫度極值見表3。

表3 軌溫和環境溫度極值 ℃

由表3可見:監測期間軌腰處最高軌溫為67.6℃，對應環境溫度為33.1℃，兩者相差34.5℃。軌腰處最低軌溫為5.9℃，對應環境溫度為1.6℃，兩者相差4.3℃。最高環境溫度條件下，軌頭最高溫度比軌腰最高溫度高4.6℃，比軌底最高溫度高12.5℃。最低環境溫度條件下，軌頭、軌腰和軌底的最低溫度相差不大。鋼軌軌頭、軌腰和軌底溫度變化趨勢相同，鋼軌軌頭、軌腰和軌底處的軌溫平均值和鋼軌軌腰處軌溫相當。因此，軌溫可以采用軌腰處溫度表示。故朔黃鐵路上行重車線K69—K70區段最高軌溫為67.6℃，最低軌溫為5.9℃，最大軌溫差為61.7℃，而線路清篩前的實際鎖定軌溫為28℃，最大可能升溫幅度為39.6℃。

對于長度為l可自由伸縮的鋼軌，當軌溫變化Δt時，其伸縮量Δl可表示為

式中:α為鋼軌的線膨脹系數，取11.8×10-6/℃。

如果將處于自由狀態的鋼軌兩端完全固定，不能隨軌溫變化而自由伸縮，則鋼軌內部將產生溫度應力。依據虎克定律，鋼軌內部的溫度應力σt可表示為

式中:E為鋼軌的彈性模量，取2.1×105MPa；εt為鋼軌的溫度應變。

將E，α值代入式(2)，則σt可表示為

1根鋼軌所受的溫度力Pt為

式中:F為鋼軌的斷面面積，mm2。

朔黃鐵路正線采用75 kg/m鋼軌，F＝95.04 cm2，線路最大升溫時所對應的軌溫變化Δt＝39.6℃。將該條件代入式(4)可知，朔黃鐵路K69—K70區段鋼軌所受的最大溫度壓力為933.4 kN，該區段2017年4月24日清篩后道床的橫向阻力為2.93 kN/mm，縱向阻力為3.12 kN/mm。根據文獻[6-8]，取安全系數為1.3，則線路的允許溫度壓力為1 037.1 kN。

分析結果表明，對于朔黃鐵路K69—K70區段，線路清篩后，道床阻力約可達到無縫線路穩定性要求的90%。可通過加強動力穩定作業等措施，確保清篩作業后無縫線路的穩定性。

3 清篩后線路的行車動力特性分析

清篩作業除會降低道床的縱、橫向阻力之外，還會降低道床的枕下支承剛度，而支承剛度主要影響列車的行車安全。對既有線有砟道床進行機械清篩作業，一般要經過維修申請、封閉線路、清篩、搗固、限速通車、恢復穩定等流程。在 TG/GW 101—2014[2]中規定:對于影響道床、路基穩定的施工作業，應在兩搗一穩作業后再開通線路，且開通時第1列限速35 km/h，第2列限速45 km/h，自第3列起限速60 km/h。該限速要求對朔黃鐵路線路正常運輸的影響較突出。

3.1 數值模型的建立

基于多體動力學軟件UM，結合現場道床實測參數對道床擾動后不同行駛速度的行車動力特性進行仿真分析。轉向架及部件模型見圖3。車體、搖枕、側架均采用6自由度剛體模擬，一系懸掛和二系懸掛采用線性彈簧阻尼單元模擬，楔塊減振器采用非線性組合摩擦單元模擬，旁承采用點-面接觸單元模擬，心盤采用點-面接觸單元(多點接觸)和Bushing單元組合進行模擬，輪對及軸箱采用多個剛體組成的子系統進行模擬，取車輛軸重為30 t的滿載情況進行分析。對于輪軌接觸模型，采用 Hertz理論以及 Kalker的FASTSIM算法進行接觸斑、蠕滑力的分析[9-10]。

圖3 轉向架及部件模型

仿真模型的軌道不平順依據美國五級軌道不平順譜設置。所建立的車輛-軌道耦合動力學模型如圖4所示。

圖4 車輛-軌道耦合動力學模型

為研究擾動道床后，列車以不同速度運行時的動力特性，在數值模型中按照朔黃鐵路的實測結果，取道床支承剛度為34.1 kN/mm，研究列車分別以35，45，60，80，120 km/h的速度運行時輪軌垂向力、脫軌系數和輪重減載率。

3.2 計算結果與分析

1)輪軌垂向力

輪軌垂向力是判定輪軌接觸狀態以及行車安全性的重要參數。選取不同運行速度條件下輪軌垂向力峰值進行分析。左、右側車輪的輪軌垂向力峰值隨運行速度變化曲線見圖5。

圖5 輪軌垂向力峰值隨運行速度變化曲線

由圖5可見:當列車運行速度由35 km/h提升至45，60，80，120 km/h 時，左側車輪輪軌垂向力峰值分別提高0.50%，1.99%，3.08%，9.14%，右側車輪輪軌垂向力峰值分別提高0.32%，0.62%，0.46%，2.10%。說明列車運行速度的增加會導致輪軌垂向力峰值小幅增加，但影響并不顯著。

2)脫軌系數

車輛輪對的脫軌系數是判定行車安全性的重要指標。選取不同運行速度條件下脫軌系數峰值(見圖6)進行分析。由圖6可以看出:擾動道床條件下脫軌系數峰值基本在0.100～0.140變動，但量值遠小于安全限值。

圖6 車輛輪對脫軌系數峰值隨列車運行速度變化曲線

3)輪重減載率

輪重減載率為單個輪對左右側車輪壓力之差與壓力之和的比值，是評判行車動力特性的重要指標之一。輪重減載率峰值隨列車運行速度變化曲線見圖7。

圖7 輪重減載率峰值隨列車運行速度變化曲線

由圖7可見:當列車運行速度由35 km/h提升至45，60，80，120 km/h 時，輪重減載率峰值分別提高5.26%，15.79%，31.58%，78.95%。說明在擾動道床條件下列車運行速度的增加會引起輪重減載率峰值明顯增長。

4)車體加速度

車體加速度峰值隨列車運行速度的變化曲線見圖8。可見:當列車運行速度由35 km/h提升至45，60，80，120 km/h時，車體的垂向加速度峰值分別提高了3.95%，15.79%，19.08%，25.00%，車體的橫向加速度峰值分別提高了3.39%，1.86%，3.39%，32.20%。說明車體的垂向、橫向加速度均會隨著列車運行速度的增加而增大。

圖8 車體加速度峰值隨列車運行速度的變化曲線

對比道床清篩后不同運行速度條件下列車的動力特性可知:列車運行速度在45～120 km/h時，輪軌垂向力及脫軌系數均會隨著列車運行速度的增加而增大，但增幅不顯著；列車運行速度的增加會引起輪重減載率及車體加速度增大且增幅較大，但均處于安全限值以內。

4 結論及建議

依據朔黃鐵路清篩后道床狀態和無縫線路穩定性測試結果，分析了不同運行速度下線路的穩定性和列車的安全性，得到主要結論如下:

1)清篩后道床的縱、橫向阻力會降低，但道床阻力值仍可達到無縫線路穩定性要求的90%。應加強搗固穩定作業，盡量縮短有砟道床達到穩定的時間。

2)清篩后道床剛度變化對行車動力特性的影響并不顯著。

3)道床清篩后，列車運行速度在120 km/h以內時列車運行速度對輪軌垂向力及脫軌系數的影響不明顯，其量值均位于安全限值以內。列車運行速度對輪重減載率及車體加速度的影響顯著，但其量值亦在安全限值以內。

4)道床清篩后，開行速度在120 km/h以內時列車是安全的，但是由于道砟顆粒之間縫隙較大，易產生不平順，并快速發展成病害。因此，建議線路開通后當日列車仍按限速要求開行，以達到碾壓道床，提高道床的密實度和橫向阻力的目的。開通次日，在對線路加強巡檢的前提下，可依據軌道的實際狀態確定限速要求。