有砟軌道軌排橫向阻力與道床橫向阻力實驗研究

謝忠宇 王少華

西南交通大學機械工程學院 成都 610031

0 引言

道床橫向阻力是有砟道床質量狀態的關鍵評價指標之一，其對于保持有砟軌道線路的橫向穩定性至關重要[1，2]。我國現行鐵路行業規范[3]中對道床橫向阻力的定義及測量方法作出了明確規定，單根軌枕在道床中沿線路橫向位移2 mm時要克服的阻力即為道床橫向阻力，測量過程中需要提前拆除所有測試枕扣件并抽出墊板，實施過程較為繁瑣、效率低下。

軌排是指2股鋼軌、扣件和軌枕組裝而成的軌道框架，軌排橫向阻力包含了2股鋼軌的橫向抗彎力和多根軌枕受到的道床橫向阻力。目前，我國現行鐵路行業標準中尚未對軌排橫向阻力進行明確定義，本文參照標準中對道床橫向阻力的定義，規定在未拆除軌道扣件和橡膠墊板的情況下，軌枕上方鋼軌沿軌道線路橫向移動2 mm時所要克服的阻力即為軌排橫向阻力。

由此可見，軌排橫向阻力與軌枕所受到的道床橫向阻力密切相關，從而提出通過測量軌排橫向阻力來間接測量道床橫向阻力的思路，以提高道床橫向阻力的測量效率，為驗證此思路的合理性需探明軌排橫向阻力與道床橫向阻力的關系。為此，本文對軌排橫向阻力和道床橫向阻力進行了現場實驗，研究了兩者的關系。

1 實驗線路概況

試驗地點選取國內某正常使用的有砟軌道線路，其軌道采用的50 kg/m鋼軌，彈條Ⅱ型扣件，混凝土Ⅲ型軌枕(鋪設1 667根/km)，一級碎石道砟；枕下道床石砟厚度為300 mm，道床頂面寬度為3 500 mm，砟肩寬度為450 mm，砟肩堆高為150 mm，道床邊坡斜度為1:1.75。整個實驗線路長約100 m，每隔22根軌枕選取一個測點進行軌排橫向阻力和道床橫向阻力現場實驗。

2 軌排橫向阻力實驗

2.1 實驗原理

軌排橫向阻力實驗采用現場原位測試法。在測試過程中，在未拆除軌枕扣件和橡膠墊板的情況下，將自制反力架安裝在動力穩定車主車架上，通過分離式液壓千斤頂對鋼軌施加橫向力，輪輻式壓力傳感器記錄施加的橫向載荷，并通過變送器和485通訊轉接頭將數據傳輸至壓力采集軟件，同時激光位移傳感器記錄鋼軌的橫向位移，并通過位移數據采集卡將數據傳輸至位移采集軟件，最后將壓力和位移采集軟件里的數據導出至Excel進行分析處理，如圖1所示。

圖1 軌排橫向阻力實驗原理圖

2.2 實驗裝置及測試方法

軌排橫向阻力實驗裝置主要由加載設備、載荷數據測量設備、位移數據測量設備等部分組成，整體三維設計示意圖如圖2所示。實驗加載設備包括手搖分離式液壓千斤頂（最大推力10 t、行程50 mm）、自制反力架、墊塊、穩定車主車架，用以對鋼軌緩慢施加橫向載荷。載荷數據測量設備包括輪輻式壓力傳感器（量程5 t、精度0.2%）、變送器、RS485轉接頭、筆記本電腦等，用于記錄施加在鋼軌上的載荷。位移數據測量設備包括激光位移傳感器（檢測范圍：35～65 mm、精度30μm）、多通道位移采集卡、筆記本電腦等，用于采集鋼軌的橫向位移。

圖2 實驗裝置整體三維設計示意圖

軌排橫向阻力現場實驗具體測試方法有：

1)首先將自制反力架掛在動力穩定車主車架上，用螺栓固定鎖死，然后將動力穩定車行進至指定測點處，使自制反力架處于測點的正上方。

2)將分離式液壓千斤頂橫放在豎向自制反力架與鋼軌之間，在豎向自制反力架與分離式液壓千斤頂之間放置輪輻式壓力傳感器。為了防止輪輻式壓力傳感器和分離式液壓千斤頂往下掉，對分離式液壓千斤頂預加壓，使豎向自制反力架、輪輻式壓力傳感器、分離式液壓千斤頂和鋼軌緊密接觸即可。整套加載設備現場安裝如圖3所示。

圖3 整套加載設備現場安裝圖

3)在加載設備旁邊適當位置處打鋼釬安裝激光位移傳感器支架，使得激光位移傳感器發射面與鋼軌的距離保持在35～65 mm。將激光位移傳感器與配套多通道位移采集卡連接，位移采集卡數據通過筆記本電腦USB接口傳遞至位移采集軟件。位移傳感器現場安裝如圖4所示。

圖4 位移傳感器現場安裝圖

4)將輪輻式壓力傳感器與配套壓力變送器連接，壓力變送器與RS485通訊轉接頭連接，然后利用筆記本電腦的USB接口將壓力數據傳遞至壓力采集軟件里。

5)將位移采集軟件和壓力采集軟件調零，人工手搖分離式液壓千斤頂緩慢加載，同時對鋼軌橫向位移和施加的載荷進行連續采集。鋼軌橫向位移接近3 mm時停止加載，將軟件所采集的位移和載荷數據導出，處理后繪制成軌排橫向阻力-鋼軌橫向位移曲線圖，提取鋼軌橫向移動2 mm時所對應的載荷值作為軌排的橫向阻力。

6)本測點完成測量后，將動力穩定車移動至下一個待測點位，直至完成所有標記點位的測量。

3 道床橫向阻力實驗

3.1 實驗原理

道床橫向阻力現場實驗時，在與軌排橫向阻力實驗對應的測點，拆除測試軌枕兩端扣件和橡膠墊，利用Ⅲ型混凝土軌枕扣件螺栓安裝自制反力裝置[4，5]，以鋼軌作為支點，利用分離式液壓千斤頂推動軌枕橫向移動，激光位移傳感器采集軌枕位移數據，輪輻式壓力傳感器采集載荷數據，由此對采集的數據進行分析和處理即可得到軌枕所受道床橫向阻力與軌枕橫向移動位移的關系。

3.2 實驗裝置及測試方法

道床橫向阻力實驗裝置由加載設備、載荷數據測量設備、位移數據測量設備等部分組成，其加載設備中的自制反力架與軌排橫向阻力實驗不同，其他所選用的設備和軌排橫向阻力實驗一致。道床橫向阻力現場實驗具體測試方法有：

1)在與軌排橫向阻力實驗對應的測試點，拆除測試軌枕兩端扣件和橡膠墊板，利用Ⅲ型混凝土軌枕扣件螺栓安裝自制反力裝置，將分離式液壓千斤頂橫放在自制反力裝置的卡槽內，在鋼軌和分離式液壓千斤頂之間放置輪輻式壓力傳感器，對千斤頂施加預壓力，以保證鋼軌、輪輻式壓力傳感器、分離式液壓千斤頂和自制反力裝置之間接觸緊密，不往下掉，整套加載設備現場安裝如圖5所示。

圖5 整套加載設備現場安裝圖

2)在加載設備的適當位置處打鋼釬安裝激光位移傳感器支架，使激光位移傳感器發射面與放在軌枕上的測量方塊表面的距離保持在35～65 mm。位移傳感器現場安裝如圖6所示。

圖6 位移傳感器現場安裝圖

3)將位移采集軟件和壓力采集軟件調零，人工手搖分離式液壓千斤頂緩慢加載，同時對軌枕橫向位移和施加的載荷進行連續采集。軌枕橫向位移接近3 mm時停止加載，將軟件所采集的位移和載荷數據導出，處理后繪制成道床橫向阻力-軌枕位移曲線圖，提取軌枕橫向移動2 mm時所對應的載荷值作為道床的橫向阻力。

5)本測點完成測試后，按以上方法對下一個測點進行測試，直至測量完所有標記點位。

4 實驗結果及分析

本次實驗對整條試驗線路等間距挑選了7個點位進行軌排橫向阻力和道床橫向阻力測試，測試結果如表1所示。表中軌排橫向阻力為鋼軌沿線路橫向移動2 mm時所克服的阻力，道床橫向阻力為軌枕沿線路橫向移動2 mm時所克服的阻力。其中2個測點的軌排橫向阻力和道床橫向阻力的實測曲線如圖7、圖8所示。

圖7 軌排橫向阻力實測曲線

圖8 道床橫向阻力實測曲線

表1 各測點軌排橫向阻力與道床橫向阻力實測值

表1給出了軌枕和軌排橫向位移2 mm時所受橫向阻力的現場實驗測量值，由表可知軌枕所受道床橫向阻力為5.65～13.36 kN時對應軌排的橫向阻力為22.53～42.36 kN，軌排橫向阻力平均值約為道床橫向阻力平均值的3.5倍。由于實驗線路道床質量狀態的不均性，導致實驗所測得的軌排橫向阻力和道床橫向阻力存在較大離散性。由于軌排的橫向阻力同時受到多根軌枕的道床橫向阻力和鋼軌橫向抗彎曲變形阻力的共同作用，故軌排橫向阻力要明顯大于單根軌枕所受的道床橫向阻力。

由圖7可知，軌排橫向阻力隨鋼軌橫向位移的增加而增大，且存在一定非線性。由圖8可知，軌枕所受道床橫向阻力隨軌枕橫向移動位移的增加而呈現增大趨勢，且存在較強的非線性。在小位移階段，軌枕所受道床橫向阻力隨軌枕橫向移動位移的增加有較明顯增長，隨著軌枕橫向移動的繼續增加，軌枕所受道床橫向阻力緩慢增長，曲線趨于平緩。

圖9給出了實驗各測點軌排橫向阻力與軌枕所受道床橫向阻力的關系圖。從圖中可以看出，軌排橫向阻力隨道床橫向阻力的增加呈規律性增長。對實測數據進行擬合，可得到有砟軌道軌排橫向阻力與道床橫向阻力式(1)所示定量關系，從而通過測量軌排橫向阻力即可反推出道床橫向阻力。

圖9 軌排橫向阻力與道床橫向阻力關系圖

式中：R為軌排橫向阻力，r為道床橫向阻力。

5 結論

本文開展了軌排橫向阻力和道床橫向阻力現場實驗，對其實驗原理、實驗設備及測試方法進行了詳細地歸納總結，并對實驗所測得的數據進行分析研究后得到如下結論：

1)軌排橫向阻力R與軌枕所受道床橫向阻力r之間存在明顯的對應關系；

2)測量軌排橫向阻力時無需拆除軌枕扣件和橡膠墊板，且軌排橫向阻力受多根軌枕道床橫向阻力的影響，能反應有砟軌道整體的橫向阻力特性。

由此，建議通過測量軌排橫向阻力來間接測量軌枕所受道床橫向阻力，以提高測量的效率，這對于有砟軌道線路的施工、養護及維修均具有非常重要的實際意義。