提速線路軌溫對軌道橫向位移影響實測分析＊

陳敏敏 練松良 程小平

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海∥第一作者，碩士研究生）

無縫線路消滅了鋼軌接頭軌縫，減小了輪軌力對鋼軌的沖擊，既有利于列車高速運行，也減少了軌道維修養(yǎng)護成本。然而，在無縫線路中，鋼軌不能自由伸縮，軌溫變化將使鋼軌產(chǎn)生縱向溫度力。過大的溫度力將使鋼軌發(fā)生臌曲甚至斷裂，導(dǎo)致無縫線路失穩(wěn)而引起車輛脫軌，危害行車安全［1－4］。因此，研究無縫線路穩(wěn)定性，尤其是軌溫變化對軌道橫向位移的影響有著重要意義。

目前，無縫線路穩(wěn)定性的研究方法主要有解析法［5］、有限元法［6］、試驗法。解析法先假設(shè)變形曲線，然后運用勢能駐值原理進行數(shù)學(xué)分析。該方法最早是由中國鐵道科學(xué)研究院和長沙鐵道學(xué)院為主的課題組提出的“無縫線路穩(wěn)定性統(tǒng)一計算公式”［7］（以下簡為“統(tǒng)一公式”）。解析法有它的局限性，即計算結(jié)果在很大程度上受制于變形曲線和橫向位移限值的選取，無法十分貼切地模擬實際情況。有限元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個單元。由于單元可以設(shè)計成不同的幾何形狀，因此可以較真實地模擬許多現(xiàn)場情況，較為全面、準(zhǔn)確地再現(xiàn)軌道的受力變形過程。1988年，鐵道科學(xué)研究院的周毅［8］首次以單根軌條和一個橫向約束彈簧、一個轉(zhuǎn)動約束彈簧模擬軌道狀況建立了模型，把系統(tǒng)看成一個非線性問題，利用荷載增量法進行研究；并編制了TBAP程序，與試驗數(shù)據(jù)、統(tǒng)一公式進行了比較，結(jié)果顯示有限元方法比統(tǒng)一公式更接近于試驗數(shù)據(jù)。試驗法一般是通過對無縫線路某個關(guān)鍵部位的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)進行現(xiàn)場實測，分析實測數(shù)據(jù)，得到一些無縫線路軌道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)。這些參數(shù)既可以作為工務(wù)維修養(yǎng)護的參考依據(jù)［9－10］，也可以作為無縫線路軌道結(jié)構(gòu)進一步研究和分析的材料［11］。

本文通過對提速干線軌道軌溫變化對橫向位移的影響進行現(xiàn)場實測，分析了影響曲線段軌道結(jié)構(gòu)橫向位移變換的主要因素。其結(jié)論可為無縫線路軌道養(yǎng)護工務(wù)提供參考依據(jù)。

1 試驗儀器及試驗方法

本試驗選用京廣線上行某段圓曲線緩和曲線線形進行測試。試驗段的鋼軌為標(biāo)準(zhǔn)60型，鎖定軌溫為30℃，軌枕為Ⅲ型枕。試驗內(nèi)容包括軌排橫向位移、軌溫的監(jiān)測。在試驗地段安裝位移監(jiān)測裝置，觀測曲線地段軌排橫向位移；利用軌溫測試儀器，監(jiān)測鋼軌橫向位移對應(yīng)軌溫。

位移監(jiān)測裝置的立面和平面布置如圖1所示。一臺儀器可監(jiān)測4點鋼軌的位移，每隔4根軌枕布置一位移計，軌道的監(jiān)測長度為7.2m。儀器的精度為0.01mm，采樣頻率為1次/min。位移計固定樁樁徑為30～35mm，樁長為1.3～1.5m。

圖1 鋼軌位移監(jiān)測裝置示意圖

該試驗段曲線半徑為3 000m，緩和曲線長度為70m，曲線超高為30mm。其測點分布為：在緩圓點處設(shè)1個測點（測點3），圓曲線段上設(shè)2個測點（測點1、2），緩和曲線段設(shè)1個測點（測點4）。為了能較好地研究鋼軌長時間處于較高溫度和較低溫度時的軌道橫移情況，分別在2個不同的時間段（2009年5月22日～26日，2009年8月8日～12日）對軌道進行了觀測試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 第一次試驗結(jié)果分析

第一次測試從5月22日15：26開始，到24日13：25結(jié)束，天氣情況為小雨，記錄下了2條鋼軌的軌溫和4個測點的位移量。把2條鋼軌的軌溫進行平均，得到平均軌溫（見圖2）。

圖2 第一次測試平均軌溫

圖2 中出現(xiàn)了一個明顯的階躍。這是因為24日6：38至9：31儀器故障未收集數(shù)據(jù)。由于這段時間正好是上午，氣溫較低（均處于鎖定軌溫以下）且沒有出現(xiàn)很大波動，因此儀器故障對試驗最終結(jié)論影響不大。在第一次測試中，曲線段測試軌溫范圍為16.8～42.3℃，波動幅度為25.5℃，平均軌溫高于30℃的時間僅為6.7h，故從整體來說，曲線段測試時軌溫是較低的。

對4個測點的軌道橫移量作統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3、4所示。其中，溫度差表示軌溫和鎖定軌溫的差值，位移表示軌道溫度相對于鎖定軌溫時軌道的橫移量。

圖3 第一次測試橫向位移時程統(tǒng)計

圖4 第一次測試橫向位移散點統(tǒng)計

由圖3可知：當(dāng)軌溫為鎖定軌溫時，4個測點的軌道橫向位移不全為零（這是因為線路在長時間使用后其實際鎖定軌溫發(fā)生了變化）；軌排橫向位移值在一晝夜的波動較為明顯，其中軌排橫向位移變化最大值為0.63mm（測點2），4個測點橫向位移的變化范圍為－0.42～0.63mm；4個測點的橫向位移整體趨勢不明顯，和軌溫的變化聯(lián)系不是很大。

由圖4可以看到：測試時大部分軌溫低于鎖定軌溫，最小低于鎖定軌溫14℃，最高大于鎖定軌溫6℃；測點1和2在軌溫低于鎖定軌溫時，位移均為負(fù)值，表示軌排在此時朝曲線外側(cè)移動，測點3和4則不明顯；當(dāng)軌溫等于或大于鎖定軌溫時，4個測點的軌排位移均在零值附近波動。

考慮列車通過激擾等隨機因素影響后，軌排橫向位移穩(wěn)定變化量最大值為0.84mm（測點2），4個測點橫向位移的變化范圍為－0.41～0.84mm。由此可知，相對軌溫因素，列車通過激擾等隨機因素對軌排橫向位移影響是最嚴(yán)重的。但是，軌溫因素影響也不容忽視。因為在當(dāng)前軌溫條件下，軌排橫向位移穩(wěn)定波動范圍已達到－0.42～0.63mm。軌排橫向位移變化和軌溫差變化之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系，但表現(xiàn)不是很明顯。

2.2 第二次測試試驗分析

第二次測試從8月8日10：07開始，至10日14：41結(jié)束；天氣狀況為上午晴轉(zhuǎn)多云，中午和下午晴。第二次測試的平均軌溫見圖5。

圖5 第二次測試平均軌溫

從圖5可以看到：在該測試段中軌溫峰值分別為37.4℃、41.1℃、47.5℃，出現(xiàn)在8月8日12：39、8月9日13：19和8月10日13：55；軌溫最低為24.7℃。相對于第一次測試，第二次測試的平均軌溫較高。

統(tǒng)計分析4個測點的軌道橫移量，結(jié)果如圖6、7所示。

在圖6中，有4個時刻平均軌溫達到了鎖定軌溫，在這4個時刻，4個測點的橫向位移均比較靠近零值。從各曲線總體趨勢來看，隨著軌溫不斷變化，各個測點軌排橫向位移變化很明顯，在－0.53～0.43mm范圍之內(nèi)波動。但各測點波形出現(xiàn)的尖峰相似性較差，說明曲線段各個測點在列車通過等隨機因素影響下的橫向位移是不同的。

圖7中可以看到：軌溫差大部分大于零，最高時高于鎖定軌溫18℃，最低時低于鎖定軌溫6℃；且隨著軌溫差的增大，4個測點的軌道橫移量均增大，表明軌道橫移量和軌溫變化的關(guān)系明顯。

圖6 第二次測試橫向位移時程統(tǒng)計

圖7 第二次測試橫向位移散點統(tǒng)計

2.3 兩次測試數(shù)據(jù)對比

將試驗分析結(jié)果匯總為表1及表2。對比表1和表2可知，第二次測試時軌溫比第一次測試高5.2～7.9℃；朝曲線外側(cè)的橫向位移第二次測試時比第一次大，朝曲線內(nèi)側(cè)的橫向位移第一次測試時比第二次大。

表1 第一次測試分析結(jié)果匯總表

表2 第二次測試分析結(jié)果匯總表

3 結(jié)論

（1）當(dāng)軌溫較低（16.8～42.3℃）時，軌排橫向位移變化比較大，且表現(xiàn)出很強的隨機性。這主要是由于列車通過激擾等隨機因素引起的，由軌溫變化引起的軌排橫向位移變化相對較小。這表明當(dāng)軌溫較低時，列車通過激擾等隨機因素對無縫線路曲線段軌排橫向位移的影響大于軌溫的影響。

（2）當(dāng)軌溫較高（24.7～47.5℃）時，各測點軌排橫向位移變化與溫度變化有很好的對應(yīng)關(guān)系，且各個測點位移的變化規(guī)律差異性較小。說明溫度應(yīng)力對無縫線路曲線段軌排橫向位移有較大的影響，軌溫變化是軌排橫向位移變化的主要因素。

（3）軌溫較高時無縫線路曲線段鋼軌容易朝曲線外側(cè)移動，軌溫較低時則容易朝曲線內(nèi)側(cè)移動。

（4）在日常的工務(wù)養(yǎng)護中，緩圓點附近的圓曲線以及緩和曲線應(yīng)作為養(yǎng)護重點。

［1］練松良.軌道工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

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