高速鐵路有砟軌道冰雪飛濺試驗(yàn)研究

李 毅,徐 旸,涂英輝,郄錄朝,戚志剛,趙一馨

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司,蘭州 730000;4.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心,北京 100081)

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于理論分析與仿真手段,初步研究了冰雪飛濺的形成機(jī)理[7-9],并通過室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了道砟飛濺的影響因素[10-11]。然而,對(duì)于冰雪對(duì)運(yùn)營(yíng)期高鐵線路影響的試驗(yàn)研究較少,在冰雪天氣條件下,通常只能在冬季采取限速措施,降低冰雪條件下道砟飛濺的風(fēng)險(xiǎn)。本文首次在我國(guó)某有砟高鐵開展了冰雪條件下有砟軌道空氣動(dòng)力學(xué)及行車動(dòng)力性能試驗(yàn),研究了冰雪條件下異物飛濺的形成機(jī)理,可為嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路安全達(dá)速運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐,同時(shí)為相關(guān)理論研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)概況

為了研究列車在不同天氣條件下的軌道振動(dòng)特征以及道床風(fēng)壓分布特性,揭示道砟在冰雪條件下的飛濺機(jī)理,在我國(guó)某有砟高鐵開展了軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能、空氣動(dòng)力效應(yīng)測(cè)試和道砟冰雪飛濺觀測(cè)。

試驗(yàn)過程中,布置軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測(cè)點(diǎn),如圖1所示。通過測(cè)試輪軌垂向力和輪軌橫向力,計(jì)算試驗(yàn)列車內(nèi)外輪脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等參數(shù),分析冰雪條件下對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響;通過測(cè)試鋼軌、軌枕、道床的垂向振動(dòng)加速度,分析列車荷載作用下軌道振動(dòng)對(duì)道砟飛濺的影響[12]。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測(cè)點(diǎn)

布置風(fēng)壓傳感器,測(cè)試列車通過時(shí)道床頂面道心、枕底、砟肩等不同位置處空氣動(dòng)力效應(yīng),如圖2所示。同時(shí)在道床頂面噴涂彩色自噴漆設(shè)置如圖2所示的道砟飛濺觀測(cè)區(qū),觀察道床頂面道砟顆粒在列車通過后的運(yùn)動(dòng)軌跡,并在隧道內(nèi)及路基區(qū)段架設(shè)高速攝像機(jī),捕捉列車運(yùn)行時(shí)冰雪和道砟飛濺的現(xiàn)象,研究冰雪飛濺機(jī)理和特性。

(a)

試驗(yàn)測(cè)試區(qū)段包括了隧道出口、橋梁段以及路橋過渡段3種不同線下基礎(chǔ)條件,試驗(yàn)天氣涵蓋了晴天以及雪天。直接采集運(yùn)營(yíng)列車通過時(shí)的軌道動(dòng)力響應(yīng)及風(fēng)壓數(shù)據(jù),列車的速度范圍為140～250 km/h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 行車安全性指標(biāo)

列車試驗(yàn)期間的運(yùn)行速度分為150 km/h,180 km/h,210 km/h和240 km/h 4個(gè)速度級(jí),當(dāng)列車通過隧道口、橋梁段、路橋過渡段測(cè)點(diǎn)時(shí),不同速度級(jí)、不同天氣條件下實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力最大值對(duì)比如圖3所示。

各個(gè)速度級(jí)運(yùn)行條件下,列車通過隧道口、橋梁段、路橋過渡段處脫軌系數(shù)的實(shí)測(cè)最大值為0.4,滿足0.8的限值要求;輪重減載率的實(shí)測(cè)最大值為0.36,滿足0.8的限值要求;輪軸橫向力的實(shí)測(cè)最大值為33.73 kN,滿足48.3 kN的限值要求。

根據(jù)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告及錄波數(shù)據(jù)分析，110kV陽石甲線發(fā)生單相高阻接地故障時(shí)，各保護(hù)動(dòng)作情況可以分為以下四個(gè)階段：

在冰雪條件下,不同行車速度測(cè)得的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等行車安全性指標(biāo)較晴天時(shí)大部分有所增加。隧道口的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力3項(xiàng)指標(biāo)最高增長(zhǎng)了63.1%,17.9%,98.1%;橋梁段的3項(xiàng)指標(biāo)最高增長(zhǎng)了100%,57.9%,82.3;路橋過渡段的3項(xiàng)指標(biāo)最高增長(zhǎng)了44.4%,52.4%,155.1%。隧道口的3項(xiàng)行車安全性指標(biāo)測(cè)試值較大,在晴天及雪天時(shí)最高分別超過橋梁測(cè)點(diǎn)的96.9%和56.9%。

上述分析結(jié)果表明,雖然晴天及冰雪條件下的行車安全性指標(biāo)均小于安全限值且安全余量較大,但在雪天3項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)了一定程度的增長(zhǎng)。試驗(yàn)過程中,僅有天氣條件發(fā)生了變化,雪天的行車安全性指標(biāo)較晴天大,因此冰雪飛濺與列車運(yùn)行安全性之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。隧道口的行車安全性指標(biāo)測(cè)試值較橋梁段及路橋過渡段大,可考慮優(yōu)先設(shè)置冰雪飛濺防治措施。

2.2 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性

當(dāng)列車通過隧道口、橋梁段、路橋過渡段處測(cè)點(diǎn)時(shí),不同速度級(jí)、不同天氣條件下實(shí)測(cè)鋼軌、軌枕、道床振動(dòng)加速度最大值及平均值對(duì)比如圖4所示。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性指標(biāo)與速度關(guān)系

隧道口、橋梁段、路橋過渡段鋼軌振動(dòng)加速度最大值分別為：2 270.50 m/s2,2 434.90 m/s2,2 396.62 m/s2,滿足3 000 m/s2的限值要求;軌枕振動(dòng)加速度最大值分別為：442.51 m/s2,419.03 m/s2,172.33 m/s2,滿足500 m/s2的限值要求;道床振動(dòng)加速度最大值分別為：95.82 m/s2,175.45 m/s2,72.38 m/s2。

在晴天,大部分測(cè)點(diǎn)的鋼軌、軌枕、道床振動(dòng)加速度均隨行車速度的增加而呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。冰雪條件下,當(dāng)列車運(yùn)行速度為150 km/h時(shí)軌道振動(dòng)加速度最大值較其他速度情況大,說明冰雪天氣對(duì)低速運(yùn)行的列車也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。在雪天,隧道口、橋梁段、路橋過渡段的軌枕振動(dòng)加速度平均值最高增長(zhǎng)了141.3%,39.5%,21.7%。其中,橋梁段測(cè)點(diǎn)的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度最大值和平均值較大,在風(fēng)振耦合作用下易發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象。

不同天氣條件下,鋼軌、軌枕與道床加速度統(tǒng)計(jì)規(guī)律,如圖5所示。

(a) 晴天鋼軌加速度分布

受到冰雪的影響,鋼軌、軌枕、道床的振動(dòng)加速度的平均值與最大值都出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)。在雪天列車以150 km/h行駛時(shí),鋼軌、軌枕、道床的振動(dòng)加速度最大值分別提升了418%,2 184%和321%,增幅明顯,軌枕振動(dòng)加速度已經(jīng)達(dá)到規(guī)范要求限值的88.4%。因此,冰雪條件使軌道振動(dòng)加速度提高,導(dǎo)致顆粒在冰雪風(fēng)場(chǎng)作用下更容易飛濺。

2.3 空氣動(dòng)力效應(yīng)

為測(cè)試晴天和冰雪天氣條件下軌道的空氣動(dòng)力特性,對(duì)隧道口、橋梁段、路橋過渡段測(cè)點(diǎn)的道心、枕底與砟肩位置處的風(fēng)壓進(jìn)行了測(cè)試,不同天氣條件下的風(fēng)壓平均值測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

(a) 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)道心風(fēng)壓平均值與速度關(guān)系圖

隨著列車運(yùn)行速度增加,大部分測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓平均值呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于隧道口的復(fù)雜空氣動(dòng)力效應(yīng)[13],冰雪天氣低速運(yùn)行時(shí)道心風(fēng)壓實(shí)測(cè)值較大。以隧道口為例,道床斷面不同位置處的風(fēng)壓分布如圖7所示。其中：道心位置處風(fēng)壓值最大,實(shí)測(cè)平均值最大為1 886.2 Pa;枕底測(cè)點(diǎn)次之,實(shí)測(cè)平均值最大為814.69 Pa;砟肩測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓較小,實(shí)測(cè)平均值最大為440.34 Pa。

圖7 道床不同位置處的風(fēng)壓分布情況

從線路測(cè)點(diǎn)位置來看,隧道口的道心風(fēng)壓最大為其他位置測(cè)點(diǎn)道心風(fēng)壓的2倍;橋梁段砟肩風(fēng)壓較大,當(dāng)列車時(shí)速為150 km/h時(shí)最大為其他測(cè)點(diǎn)砟肩風(fēng)壓的1.6倍。由于隧道口道心風(fēng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他測(cè)點(diǎn)位置處的風(fēng)壓,可考慮在隧道口優(yōu)先設(shè)置防飛濺措施。

不同天氣條件下,道心、枕底與砟肩風(fēng)壓測(cè)試值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律如圖8所示。

(a) 晴天道心風(fēng)壓分布

在冰雪天氣條件下,道心、枕底及砟肩測(cè)點(diǎn)位置處的風(fēng)壓有小幅度的提升,3處風(fēng)壓測(cè)試值最高分別增加了43.5%,48.5%,6.2%。風(fēng)壓增大導(dǎo)致道砟及冰雪顆粒容易飛起,并向列車轉(zhuǎn)向架、車廂連接部位等位置積聚[14-17],進(jìn)而形成擊打車體及軌旁設(shè)備的情況。在軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣動(dòng)力效應(yīng)耦合的情況下,更易發(fā)生冰雪飛濺。

2.4 冰雪飛濺監(jiān)測(cè)

在隧道出口、橋梁段、路橋過渡段的軌道動(dòng)力學(xué)及風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)噴涂如圖2所示的彩色自噴漆,形成道砟飛濺觀測(cè)區(qū)。在車輛限界外的安全區(qū)域內(nèi)架設(shè)高速攝像機(jī),拍攝每一輛列車經(jīng)過時(shí)全程的飛濺觀測(cè)區(qū)視頻影像,可以分析列車運(yùn)行過程中的道砟及冰雪飛濺情況。

晴天時(shí),列車經(jīng)過前后道砟飛濺觀測(cè)區(qū)的觀測(cè)結(jié)果如圖9和圖10所示。冰雪條件下,隧道口、橋梁、路橋過渡段3處測(cè)點(diǎn)的典型雪后試驗(yàn)記錄如圖11所示。

(a) 隧道口

(a) 隧道口

在晴天列車經(jīng)過隧道口、橋上、路橋過渡段道砟飛濺觀測(cè)區(qū)時(shí),未發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象,列車運(yùn)行平穩(wěn)性較高,道床穩(wěn)定性好。在冰雪條件下,隧道口、橋上、路橋過渡段飛濺觀測(cè)區(qū)都觀察到了積雪飛起現(xiàn)象。

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果,在冰雪天氣條件下,需要在隧道口等風(fēng)振耦合效應(yīng)明顯的區(qū)段采取相應(yīng)措施防止飛濺現(xiàn)象的發(fā)生,如車體防護(hù)層、優(yōu)化軌道斷面結(jié)構(gòu)及表層道砟顆粒級(jí)配、噴涂防飛濺涂層、鋪設(shè)防飛濺格柵等[18-19]。

3 結(jié) 論

通過我國(guó)某有砟高鐵冰雪條件下行車動(dòng)力性能、道床空氣動(dòng)力效應(yīng)及冰雪飛濺觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得到了冰雪天氣高速鐵路有砟軌道運(yùn)營(yíng)過程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料,形成了以下研究結(jié)論：

(1) 不同天氣情況,行車安全性性指標(biāo)有較大的安全余量。在冰雪條件下,隧道口、橋梁段、路橋過渡段測(cè)點(diǎn)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力較晴天時(shí)均有所增加,最大增幅分別為98.1%,100%,155.1%,隧道口的行車安全性指標(biāo)測(cè)試值較橋梁段及路橋過渡段大。

(2) 在不同天氣運(yùn)行條件下,鋼軌、軌枕及道床的垂向振動(dòng)加速度最大值均在安全限值內(nèi)。當(dāng)列車在雪天以150 km/h行駛時(shí),3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)加速度最大值分別提升了418%,2 184%和321%。橋梁段測(cè)點(diǎn)的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度較大,軌枕振動(dòng)加速度已經(jīng)達(dá)到規(guī)范要求限值的88.4%。冰雪條件使軌道振動(dòng)加速度提高,導(dǎo)致顆粒在冰雪風(fēng)場(chǎng)作用下更容易飛濺。

(3) 道心、枕底及砟肩測(cè)點(diǎn)位置的風(fēng)壓測(cè)試值均隨著列車運(yùn)行速度增加而增加。隧道口的道心風(fēng)壓測(cè)試值遠(yuǎn)超其他位置,最大值為其他位置測(cè)點(diǎn)道心風(fēng)壓最大值的2倍。在冰雪條件下,不同測(cè)點(diǎn)位置處的風(fēng)壓較晴天均有小幅度的提升,風(fēng)壓測(cè)試值最高分別增加了43.5%,48.5%,6.2%,導(dǎo)致道砟及冰雪顆粒容易飛起。在軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣動(dòng)力效應(yīng)耦合的情況下,更易發(fā)生冰雪飛濺。

(4) 在晴天列車經(jīng)過隧道口、橋上、路橋過渡段道砟飛濺觀測(cè)區(qū)時(shí),未發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象;雪天隧道口、橋上、路橋過渡段飛濺觀測(cè)區(qū)都觀察到了明顯的積雪飛起現(xiàn)象。建議在隧道口等風(fēng)振耦合效應(yīng)明顯地段采用相應(yīng)措施防治冰雪飛濺發(fā)生。