站線鋪設(shè)60kg/m鋼軌無(wú)縫線路可行性研究

盧 平

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 工電檢測(cè)所，工程師，廣西 南寧 530003）

1 研究背景

無(wú)縫線路是軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，是當(dāng)今軌道結(jié)構(gòu)的最佳選擇，高速、普速鐵路干線軌道結(jié)構(gòu)均選用無(wú)縫線路。目前，南寧局站線多為鋪設(shè)50kg/m的普通線路，存在大量接頭，極易產(chǎn)生病害，養(yǎng)護(hù)維修成本巨大，危及行車安全。近年來(lái)，南寧局利用正線無(wú)縫線路更換下的60kg/m 鋼軌替換站線P50普通線路，消除鋼軌接頭，極大改善設(shè)備狀況。

站線鋪設(shè)P60無(wú)縫線路，具有行車平穩(wěn)，機(jī)車車輛和軌道維修費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，無(wú)縫線路比普通線路可節(jié)約維修費(fèi)用50%～70%。通常站線鐵路軌枕間距較大，道床厚度不足，曲線半徑小，導(dǎo)致橫向阻力不足，軌道不平順，鎖定軌溫下降，鋪設(shè)無(wú)縫線路易脹軌跑道，嚴(yán)重危及行車安全，因此，站線無(wú)縫線路的鋪設(shè)需進(jìn)行檢算。

2 檢算過(guò)程

2.1 基本參數(shù)和條件

曲線是鐵路線路重要組成部分，是線路薄弱環(huán)節(jié)，曲線病害制約行車速度和列車平穩(wěn)、安全，使設(shè)備狀態(tài)不易控制。為滿足鋪設(shè)條件，對(duì)鋪設(shè)60kg/m無(wú)縫線路站線的附帶曲線地段軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性分別進(jìn)行檢算，選用參數(shù)和條件如下：

①軌溫：南寧局歷年最高軌溫62.5℃、最低軌溫-4.9℃；

②鋼軌：60kg/m再用軌（U75V）；

③焊接：鋁熱焊；

④軌枕∶按1520根/km鋪設(shè)的Ⅱ型混凝土軌枕；

⑤扣件∶彈條Ⅱ型扣件；

⑥道床∶碎石道床外側(cè)肩寬45cm（即碎石道碴頂面寬度為3.5m）；

⑦機(jī)車類型：東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車；

⑧最高通過(guò)速度：Vmax=45km/h。

2.2 軌道強(qiáng)度計(jì)算

2.2.1 計(jì)算有關(guān)參數(shù) 鋼軌支座剛度：D=27200N/mm；預(yù)期鋼軌垂直磨耗：≤6mm；鋼軌對(duì)水平中性軸的慣性矩：Ix=28790000mm4；軌枕間距：a=658mm；鋼軌鋼的彈性模量：E=2.1×105MPa；鋼軌基礎(chǔ)彈性模量：u=D/a=27200/658=41.337MPa；剛度相對(duì)比值公式如下：

2.2.2 計(jì)算鋼軌靜彎矩M0以連續(xù)支承法計(jì)算東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車的鋼軌靜彎矩，東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車第一轉(zhuǎn)向架中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪的靜重、間距均相同，如圖1所示，計(jì)算Ⅰ、Ⅱ輪放在計(jì)算截面產(chǎn)生的最不利輪位時(shí)M0最大值。

Ⅰ、Ⅱ輪分別放在計(jì)算截面引起的ΣPμ和ΣPη列表計(jì)算如表1 所示，可以看出引起ΣPμ 最大的是Ⅰ輪，Ⅰ輪為最不利輪位。

圖1 東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車的輪重和軸距 單位：m

表1 東風(fēng)4型參數(shù)計(jì)算表

東風(fēng)4型最大靜彎矩M0計(jì)算公式如下：

2.2.3 計(jì)算鋼軌動(dòng)彎矩Md軌道動(dòng)荷載參數(shù)如下：

①東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車速度系數(shù)α＝0.4V／100＝（0.4×45）／100＝0.18；

②橫向水平力系數(shù)f，當(dāng)曲線半徑R＝300m 時(shí)，f=2.0，未被平衡超高Δh=75mm，偏載系數(shù)β=0.002Δh=0.002×75=0.15。

在列車動(dòng)荷載作用下，鋼軌動(dòng)彎矩Md計(jì)算公式如下：

2.2.4 鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力計(jì)算 對(duì)于60kg/m再用鋼軌，當(dāng)預(yù)期鋼軌垂直磨耗等于6mm時(shí)，鋼軌頭部對(duì)水平中性軸的截面模量：W頭=291000mm3，鋼軌底部對(duì)水平中性軸的截面模量：W底=375000mm3；鋼軌對(duì)垂直中性軸慣性矩Ix=4980000mm4。

軌頭邊緣最大可能動(dòng)彎應(yīng)力計(jì)算公式如下：

軌底邊緣最大可能動(dòng)彎應(yīng)力計(jì)算公式如下：

2.2.5 鋼軌強(qiáng)度檢算 鋼軌強(qiáng)度檢算公式如下：

式中：∑s 代表鋼軌鋼抗拉強(qiáng)度和屈服度，取457MPa；K代表安全系數(shù)，取1.3。

2.2.6 鋼軌最大溫度應(yīng)力σt制動(dòng)附加應(yīng)力σf＝10MPa；鋼軌溫度應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：Δt 代表最大軌溫差；ts 代表無(wú)縫線路鎖定軌溫。

計(jì)算軌頭壓應(yīng)力計(jì)算公式如下：

計(jì)算軌底拉應(yīng)力計(jì)算公式如下：

推算軌頭鋼軌溫度應(yīng)力計(jì)算公式如下：

推算軌底鋼軌溫度應(yīng)力計(jì)算公式如下：

得到軌頭σj＝σjd＋σt＋σf＝195.5＋63.8＋10＝269.3MPa＜［σ］＝351.5MPa；軌底σg＝σgd＋σt＋σf＝151.7＋104.8＋10＝266.5MPa＜［σ］＝351.5MPa，軌道強(qiáng)度檢算結(jié)果滿足允許應(yīng)力要求。

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算

2.3.1 計(jì)算有關(guān)參數(shù) 軌道原始彈性彎曲矢度：foe＝0.2cm；軌道原始塑性彎曲矢度：fop＝0.2cm；軌道彎曲變形矢度：f＝0.2cm。

軌道原始塑性彎曲曲率計(jì)算公式如下∶

鋼軌對(duì)垂直中性軸慣性矩Iy=498cm4；兩根鋼軌對(duì)垂直軸的慣性矩I＝2×498＝996cm4；鋼軌斷面面積：F＝77.45cm2；軌道框架剛度系數(shù)β＝1；使用舊軌和鋁熱焊，安全系數(shù)K＝1.3；等效道床橫向阻力沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用插值法計(jì)算。肩寬為30cm的碎石道床，鋪設(shè)1760 根/km 鉿枕Q=7.72N/mm，鋪設(shè)1840根/km 鉿枕Q=8.02N/mm，其增量值為：（8.02-7.72）/（1840-1760）＝0.00375；肩寬為40cm 的碎石道床，鋪設(shè)1760根/km鉿枕Q=8.53N/mm，肩寬影響的增量值為：（8.53-7.72）/（40-30）＝0.081；車站站線碎石道床平均肩寬假設(shè)為45cm，鉿枕鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為1520根/km，Q=7.72-0.00375×240+15×0.081＝8.04N/mm。

2.3.2 計(jì)算溫度力PN 換算曲率計(jì)算公式如下：

2.3.3 計(jì)算允許溫度壓力［P］ 60kg/m 再用鋼軌，安全系數(shù)K=1.3，允許溫度壓力［P］計(jì)算公式如下：

2.3.4 計(jì)算允許溫升［ΔTw］ 由軌道允許的最大溫度壓力不大于［P］，鋼軌斷面積F=77.45cm2，允許軌溫升高度數(shù)［ΔTu］計(jì)算公式如下：

2.3.5 計(jì)算強(qiáng)度條件允許的軌溫變化幅度 鋼軌線性膨脹系數(shù)α=1.18×10-5℃；σt＝EαΔTdmax，軌底允許的降溫變化幅度計(jì)算公式如下：

軌頭允許的增溫變化幅度計(jì)算公式如下：

2.3.6 計(jì)算設(shè)計(jì)鎖定軌溫TeΔTk為設(shè)計(jì)鎖定軌溫修正值，可取0～5℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫Te計(jì)算公式如下：

2.3.7 確定鋪軌鎖定軌溫范圍 設(shè)計(jì)鎖定軌溫上限：Tu＝Te＋3＝37.7＋3＝40.7；設(shè)計(jì)鎖定軌溫下限：Td＝Te-5＝37.7-5＝32.7，故鋪軌鎖定軌溫范圍為32.7℃～40.7℃。

最大升溫幅度ΔTumax計(jì)算公式如下：

最大降溫幅度ΔTdmax計(jì)算公式如下∶

穩(wěn)定性檢算滿足要求。

3 結(jié)論

對(duì)于運(yùn)行東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車的道岔附帶曲線地段，檢算結(jié)果表明：站線線路碎石道床外側(cè)肩寬為45cm，鉿枕鋪設(shè)數(shù)為每千米1520 根，當(dāng)曲線半徑R不小于300m 時(shí)，軌道強(qiáng)度、穩(wěn)定性的檢算結(jié)果都符合規(guī)定要求，滿足鋪設(shè)無(wú)縫線路的條件。