27 t軸重條件下軌道結構劣化規(guī)律和適應性分析

潘振 馬戰(zhàn)國 郄錄朝 張歡 尤瑞林 李闖

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081）

重載運輸是世界鐵路貨運的重要發(fā)展方向，其中增加軸重是主要方式之一。2013 年6 月，中國鐵路總公司發(fā)布了鐵總辦函〔2013〕114 號《關于既有線運用27 t 軸重貨車工作會議的通知》，對既有線運用27 t 軸重貨車工作進行了階段總結和部署。2014 年太原局集團有限公司逐步在北同蒲線、大秦線開行27 t 軸重C80E貨車。但目前尚缺乏既有軌道結構在27 t軸重條件下的劣化規(guī)律和適應性研究。針對此問題，本文對北同蒲線、大秦線試驗段軌道部件進行了長期跟蹤觀測，并結合仿真計算和現場測試，分析既有軌道結構在27 t軸重下的劣化規(guī)律和適應性［1］。

目前北同蒲線主要鋪設60 kg/m 鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、Ⅲ型混凝土枕、I級道砟，年通過總質量約2 億t；大秦線主要鋪設75 kg/m 鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、Ⅲ型混凝土枕、Ⅰ級道砟，年通過總質量約5億t，每天約開行10列萬噸C80E貨車［2］。

1 鋼軌劣化規(guī)律和適應性

1.1 鋼軌劣化規(guī)律

1.1.1 大秦線

對大秦線K164+000—K326+345 重車線進行跟蹤觀測。該區(qū)段鋪設U78CrV 在線熱處理鋼軌，2011 年4 月鋪設上道，2014 年4 月下道。下道時線路累計通過總質量1 670 Mt。

大秦線于 2014 年 6 月開行 27 t 軸重 C80E 貨車。圖1為大秦線直線區(qū)段開行C80E貨車前后每公里累計傷損數量與鋼軌累計通過總質量的關系。可知，鋼軌累計傷損量隨累計通過總質量近似呈二次函數關系。在2011 年4 月—2014 年4 月當累計通過總質量為500，1 000，1 500 Mt 時每公里母材累計傷損數量為0.6，1.6，3.3，每公里焊縫累計傷損數量為2.9，5.1，8.9，焊縫傷損數量約為母材傷損數量的3 倍；在2014年4 月—2016年4月當累計通過總質量為500，1 000 Mt時每公里母材累計傷損數量為0.7，1.2，每公里焊縫累計傷損數量為2.0，3.1，焊縫傷損數量約為母材傷損數量的2.7倍。

圖1 每公里母材及焊縫累計傷損數量與累計通過總質量的關系

該區(qū)段鋼軌于2018 年4 月進行部分更換（K164—K238），使用壽命約2 060 Mt。

1.1.2 北同蒲線

北同蒲線 K41+548—K104+744 鋪設 60 kg/m U78CrV熱處理鋼軌，該區(qū)段鋼軌于2013年10月上道，截至2017年底，累計通過總質量為805 Mt。圖2為北同蒲線每公里累計傷損數量與累計通過總質量的關系。

圖2 北同蒲線每公里母材及焊縫累計傷損分布

由圖2 可知，當累計通過總質量為500，800 Mt 時所對應的每公里母材累計傷損數量為0.15，0.33，對應的每公里焊縫累計傷損數量為0.66，0.96，焊縫傷損約為母材傷損的3倍。

1.2 鋼軌適應性分析

大秦線、北同蒲線等重載鐵路通常鋪設強度等級為 1 280 MPa 的 U78CrV 在線熱處理鋼軌［3-4］。大秦線鋼軌在累計通過總質量為1 000 Mt 時，每公里累計總傷損數量為4.3。截至2017 年底，北同蒲線鋼軌累計通過總質量為805 Mt 時，每公里累計總傷損數量為1.29。2011 年前大秦線鋪設U75V 鋼軌，統(tǒng)計數據表明，2005 年鋪設的攀鋼75 kg/m U75V 鋼軌在累計通過總質量為9 億t 時，每公里鋼軌累計總傷損數量約為4～5。隨著通過質量、行車密度、軸重的增加，所用鋼軌的強度等級在增加，在目前的養(yǎng)護維修條件下，如果預防性打磨及時，輪軌關系保持良好，在大軸重情況下使用U78CrV 在線熱處理鋼軌是適應的，對于延長鋼軌的使用壽命是有利的。

2 扣件劣化規(guī)律和適應性

在大秦線和北同蒲線選取鋪設彈條Ⅱ型扣件和加強型扣件的區(qū)段進行跟蹤觀測，試驗段線路情況見表1。

表1 大秦線和北同蒲線試驗段線路情況

2.1 扣件劣化規(guī)律

2.1.1 大秦線

對大秦線K113 試驗段彈條Ⅱ型扣件的Ⅱ型彈條和加強型扣件的W3型彈條進行了3次跟蹤觀測，彈條彈程隨累計通過總質量劣化規(guī)律如圖3 所示。可知：Ⅱ型和W3 型彈條彈程隨累計通過總質量增加而減小；72 個月累計通過近30 億t 的總質量后，彈程衰減率分別為19.4%，9.2%，W3型彈條的劣化程度要優(yōu)于Ⅱ型彈條。

圖3 大秦線彈條彈程隨累計通過總質量劣化規(guī)律

大秦線K113直線試驗段采用了橡膠和TPEE 2種彈性墊板，2 種墊板整體使用情況良好，無壓潰和竄出現象，其靜剛度變化與累計通過總質量的關系如圖4所示。近30 億t 的累計通過總質量后，橡膠墊板的靜剛度變化率為26.4%，厚度變化量為0.14 mm；TPEE墊板靜剛度變化率為22.2%，厚度變化量為1.05 mm。

圖4 大秦鐵路K113直線段橡膠和TPEE墊板靜剛度變化與累計通過總質量的關系

2.1.2 北同蒲線

2016 年4 月在北同蒲線上行線K32 區(qū)段R600 m曲線段鋪設加強型扣件和既有彈條Ⅱ型扣件。Ⅱ型和W3 型彈條彈程隨累計通過總質量增加而減小；12個月累計通過近2 億t 的總質量后彈程衰減率分別為15.1%和8.3%，見圖5。

圖5 北同蒲線彈條彈程隨累計通過總質量的劣化規(guī)律

彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板和加強型扣件TPEE 墊板靜剛度變化率分別為13.1%和2.2%（圖6），厚度變化量分別為0.37 mm和0.32 mm。

圖6 北同蒲線彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板和加強型扣件TPEE墊板靜剛度與累計通過總質量的關系

2.2 扣件適應性分析

圖7 輪軌垂直力、支點壓力、鋼軌軌頭橫移和軌距動態(tài)變化量最大值統(tǒng)計對比

為分析既有彈條II型扣件和加強型扣件在27 t軸重條件下的適應性，在北同蒲線試驗段開展動態(tài)測試，測試結果見圖7。可見，隨著列車軸重的增加，輪軌垂直力、鋼軌支點壓力逐漸增加，但加強型扣件所受輪軌垂直力和鋼軌支點壓力均小于彈條II 型扣件。鋼軌軌頭橫向位移及軌距動態(tài)變化量與列車軸重無明顯規(guī)律［5-6］，但加強型扣件鋼軌軌頭橫向位移及軌距動態(tài)變化量均小于彈條Ⅱ型扣件，表明加強型扣件對鋼軌軌距保持能力較彈條Ⅱ型扣件更強。

通過上述扣件劣化規(guī)律和動力學測試結果的綜合分析，可知加強型扣件的彈條彈程衰減率和彈性墊板靜剛度變化率均小于彈條Ⅱ型扣件，加強型扣件使用性能較既有彈條Ⅱ型扣件有所增強，但二者都適用于開行27 t軸重重載列車的線路。為減少今后的養(yǎng)護維修工作，建議結合大修工作在小半徑曲線區(qū)段逐漸換鋪加強型扣件。

3 軌枕劣化規(guī)律和適應性

3.1 軌枕劣化規(guī)律

2016 年 10 月和 2018 年 4 月分別對大秦線Ⅲ型混凝土枕的使用情況進行了現場調研，整體使用狀況良好，部分軌枕存在擋肩傷損、軌枕裂紋和承軌面磨損，如圖8所示。

圖8 軌枕傷損

裂紋以軌枕中間截面橫向裂紋為主，也有部分裂紋是沿承軌面向中間位置發(fā)展的斜向裂紋。混凝土軌枕開裂的主要原因有：①道床污染板結，造成軌枕中間截面支承較密實，在較大橫向力作用下軌枕中間截面承受過大的負彎矩從而產生裂紋；②軌道下部基礎不均勻沉降，線路存在空吊、三角坑等病害；③線路的大、中修周期長，養(yǎng)護維修時間短，使得線路質量不佳。

承軌面磨損容易造成軌道幾何尺寸超限、軌枕擋肩破壞、彈條扣壓力不足等嚴重病害。造成承軌面磨損的主要原因有：①線路運營列車的軸重及通過總質量較大；②煤灰、水分、砂粒侵入軌下墊板和混凝土承軌面之間；③軌道剛度較大；④列車在長大坡道的制動和啟動；⑤曲線地段內外軌、鋼軌內外側受力不均勻。

3.2 軌枕適應性分析

Q/CR 9130—2015《鐵路軌道極限狀態(tài)法設計暫行規(guī)范》規(guī)定重載線路動載系數取1.5，輪重分配系數偏于保守取0.48。由此計算得出的常用軌道結構配置條件下混凝土軌枕的設計荷載彎矩，如圖9 所示。可見，對于Ⅲ型軌枕，隨著軸重的增加，軌枕的軌下截面及枕中截面的設計荷載彎矩不斷增大，當車輛軸重為27 t時設計荷載彎矩已經達到并稍微超過軌下截面的設計承載彎矩。因此，在27 t軸重時，普通區(qū)段通過優(yōu)化改善整體軌道結構狀態(tài)可以采用Ⅲ型枕，但軸重超過27 t時宜選用強度更高的Ⅳ型軌枕。

圖9 混凝土軌枕設計荷載彎矩對比

4 道床劣化規(guī)律和適應性

4.1 道床劣化規(guī)律

2016 年 9 月在北同蒲線 K126 和 2017 年 4 月在大秦線K431—K432，K274—K275 結合大機清篩作業(yè)對清篩時的道床臟污率進行了測試。測試時在清篩區(qū)段隨機選取單位長度線路，稱取清篩到線路外側污土的質量，計算距枕底0.3 m、寬度4 m 范圍內的道砟質量，換算臟污率。測試結果見表2。

表2 大機清篩作業(yè)道床臟污率測試結果

從現場道床臟污率測試情況來看，道床臟污率隨著累計通過總質量的逐年增加，在道床臟污率為20%左右時開始進行清篩。整個清篩周期內道床使用狀態(tài)較好，且清篩時的累計通過總質量遠大于鐵運〔2006〕146號《鐵路線路修理規(guī)則》的規(guī)定。

軌道在列車動荷載作用下，枕下道床會因道砟錯位、磨損、壓縮而產生變形。針對剛搗固的線路設立觀測點，在下次搗固前測試觀測點的高程變化，得到1 個搗固周期內道床累積變形。大秦線累計通過總質量147 Mt時現場測試結果見表3，可見，整個大修周期內，按目前規(guī)定進行維修，每通過總質量150 Mt 道床累積變形約10 mm，1 個搗固周期內道床殘余變形發(fā)展平緩，不會引起較大的軌道不平順。

表3 不同測點的高程變化 mm

4.2 道床適應性分析

我國重載鐵路道床頂面應力和道床底部應力相關計算參數和計算結果見表4。TB 2034—88《鐵路軌道強度檢算法》規(guī)定的碎石道床頂面容許應力為0.5 MPa［7］，基床表面的容許應力為 0.15 MPa。由表 4可見，當軸重為27 t時，無論采用Ⅲ型軌枕或是新型Ⅳ型重載軌枕，道床頂面應力均未超過規(guī)定范圍；道床厚度為（30+20）cm，（35+20）cm 時道床底部應力均能滿足規(guī)范要求。

通過北同蒲線現場動力學測試得到的支點壓力，間接計算出彈條Ⅱ型扣件和加強型扣件道床頂面最大應力和平均應力，結果見表5。

表4 道床頂面應力和底部應力

表5 列車通過軌道各測點時道床頂面應力 kPa

由表5可見：列車軸重從23，25 t提高到27 t時，道床頂面承受的應力有所增加，27 t 軸重貨車所引起的道床頂面平均應力相比25 t 軸重貨車增幅約9%～28%，最大平均應力為380 kPa，未超過TB 2034—88規(guī)定的碎石道床頂面容許應力500 kPa，采用一級道砟基本可滿足開行27 t 軸重新型貨運列車的安全運營需求；但在車輪荷載作用下最大應力為510 kPa，已基本接近或超過規(guī)定的限值，規(guī)模化開行27 t 軸重列車后會加劇道砟的粉化。

5 結論

通過對大秦線、北同蒲線試驗段軌道結構的跟蹤觀測，并結合仿真計算和現場測試，分析27 t軸重條件下軌道部件的劣化規(guī)律和適應性。

1）大秦線、北同蒲線鋼軌主要傷損類型為焊接接頭傷損、母材核傷、孔裂等，直線和曲線區(qū)段鋼軌傷損均以焊接接頭傷損為主，約占傷損總量的69%～74%，焊縫傷損約為母材傷損的2.7～3.0 倍。目前使用U78CrV在線熱處理鋼軌對27 t軸重是適應的。

2）27 t軸重條件下扣件彈條彈程隨著累計通過總質量的增加而衰減，彈性墊板的靜剛度隨著通過總質量的增加而增加。加強型扣件和彈條Ⅱ型扣件都適用于開行27 t 軸重列車的線路，但加強型扣件的彈條扣壓力、彈性墊板彈性保持能力和軌距保持能力均優(yōu)于彈條Ⅱ型扣件，建議小半徑曲線區(qū)段更換為加強型扣件。

3）Ⅲ型軌枕在部分開行27 t 軸重列車條件下，傷損劣化發(fā)展并不明顯，仍有較強的承載能力。在目前條件下，能滿足27 t軸重列車運營要求，小半徑曲線等特殊地段可逐步換鋪Ⅳ型軌枕。

4）目前我國重載鐵路道床質量有明顯提升，道床粉化速率慢，大秦線部分區(qū)段的清篩周期已達10 億t以上，且清篩時道床臟污率普遍低于20%。列車軸重由25 t增加至27 t時，道床受力與變形滿足要求，因此目前大秦線等既有重載鐵路道床結構形式能滿足27 t軸重列車運營要求。