鋼軌摩阻力對(duì)無縫線路鎖定軌溫影響的研究

徐德強(qiáng)

(津?yàn)I城際鐵路有限責(zé)任公司，天津 300450)

隨著列車高速、重載的發(fā)展，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，首先要減少鋼軌接頭，因此有條件的正線鋼軌已基本上焊聯(lián)為區(qū)間無縫線路或跨區(qū)間無縫線路。隨著軌溫的變化無縫鋼軌內(nèi)將產(chǎn)生溫度力，鋼軌溫度力是誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)變形的原因。度量無縫線路溫度力的大小，是以無縫線路鎖定時(shí)測(cè)得的鋼軌溫度為基準(zhǔn)，此時(shí)無縫線路的溫度應(yīng)力為零，因此無縫線路處于零應(yīng)力狀態(tài)測(cè)得的鋼軌溫度定義為鎖定軌溫[1－2]。長(zhǎng)軌條既長(zhǎng)又重，整根長(zhǎng)軌條很難做到處于自由伸縮狀態(tài)，且施工中鎖定鋼軌需要一定的時(shí)間，因此，長(zhǎng)鋼軌施工鎖定時(shí)軌條內(nèi)已經(jīng)存在了初始縱向力[3]。無縫線路施工鎖定軌溫應(yīng)盡可能與零應(yīng)力狀態(tài)的軌溫接近，養(yǎng)護(hù)維修中應(yīng)加強(qiáng)鎖定，并經(jīng)常監(jiān)視實(shí)際鎖定軌溫的變化，使實(shí)際鎖定軌溫保持在設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)，這些是無縫線路安全應(yīng)用的保證。

1 鋼軌摩阻力測(cè)試內(nèi)容和方法

1.1 測(cè)試內(nèi)容

(1)鋼軌在鋼筋棍(直徑2 cm)上縱向移動(dòng)阻力。

(2)鋼軌在支架滾筒(直徑4 cm)上縱向移動(dòng)阻力。

(3)鋼軌在膠墊上縱向移動(dòng)阻力。

(4)鋼軌在道床頂面上縱向移動(dòng)阻力。

1.2 測(cè)試方法

(1)拉力測(cè)試法:將短鋼軌放在上述4種條件的界面上，通過縱向拉動(dòng)鋼軌，測(cè)得不同界面上鋼軌移動(dòng)摩阻力。

(2)推力測(cè)試法:在軌道試驗(yàn)室7.98 m長(zhǎng)的軌道上進(jìn)行，將一股鋼軌扣件松開，在鋼軌一端安裝千斤頂和壓力傳感器來加力，在鋼軌另一端安裝百分表記錄不同推力下的鋼軌縱向位移。分別做了鋼筋棍阻力試驗(yàn)、支架滾筒阻力試驗(yàn)及膠墊阻力試驗(yàn);為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，每種試驗(yàn)測(cè)試3次，取平均值。

2 阻力測(cè)試結(jié)果

2.1 拉力法測(cè)試結(jié)果

不同的試件當(dāng)砝碼加到一定的拉力時(shí)鋼軌突然移動(dòng)，記錄此時(shí)拉力P值，即為阻力值。將鋼軌重力N與P之比，即為摩擦系數(shù)f

式中P——阻力;

N——短鋼軌重。鋼軌底面粗糙程度不同，不同的鋼筋棍粗糙程度也不同，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)靈活程度也不同，也就是說它們之間的摩擦系數(shù)都不一樣。取3根0.6 m長(zhǎng)的60 kg/m短鋼軌，3根鋼筋棍，3個(gè)滾筒，2組(每組3塊)新舊膠墊做阻力試驗(yàn);每組測(cè)試3次，取平均值。測(cè)試結(jié)果如表1～表3所示。

表1 鋼軌放在鋼筋棍上摩阻力

表2 鋼軌放在滾筒上摩阻力

表3 鋼軌放在膠墊及道床上摩阻力

2.2 推力法測(cè)試結(jié)果

隨著千斤頂加力，鋼軌位移增大直至加力增加到一定P值時(shí)，位移突然加大，此時(shí)千斤頂再也加不上力去，將此時(shí)的P作為阻力。不同工況的阻力和摩擦系數(shù)如表4所示。摩擦系數(shù)由公式(1)求得，式中的N為606.4 N/m×7.98 m=4 839.1 N。

表4 推力法測(cè)試的阻力

3 阻力測(cè)試結(jié)果分析

3.1 測(cè)試結(jié)論

由公式⑴可知，阻力大小與測(cè)試用的鋼軌重N有關(guān)，拉力法和推力法由于所用的N不同，不能用阻力大小來比較，但是它們相對(duì)應(yīng)的f是N和P的比值。N增加，則P值也增大，P/N不變，f與兩界面粗糙程度等因素有關(guān)。因此，比較各種工況時(shí)的阻力大小，應(yīng)當(dāng)用摩擦系數(shù)f。從表1～表4可以看出:

(1)用2種方法測(cè)得的各種工況摩擦系數(shù)很接近，用2種方法測(cè)得的鋼筋棍在膠墊上的阻力很接近;滾筒上的阻力，用拉力法測(cè)得的大一些;

(2)鋼筋棍測(cè)得的阻力只有滾筒阻力的25%～33%，且鋼筋棍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于攜帶，安裝方便，是一種放散應(yīng)力用的好工具;

(3)新膠墊上的阻力要比舊膠墊上的阻力大14%;

(4)綜合2種測(cè)試結(jié)果，建議各種工況的摩擦系數(shù)f如表5所示。

表5 各種界面的摩擦系數(shù)

3.2 摩阻力對(duì)鎖定軌溫的影響

對(duì)于60、75 kg/m鋼軌而言，根據(jù)表5的摩擦系數(shù)，可以求得當(dāng)放散應(yīng)力時(shí)每米摩阻力p為表6所示(p=nf，其中n為每米鋼軌重)。摩阻力影響鎖定軌溫大小可用下式表示

式中p——每米鋼軌摩擦阻力;

L——被放散應(yīng)力的鋼軌長(zhǎng)度;

F——鋼軌斷面積;

α——鋼軌膨脹系數(shù)，α=11.8 ×10－6/℃;

E——鋼軌彈性模量，取2.1 ×105MPa。

對(duì)于L=1 000 m的長(zhǎng)鋼軌在不同工況下放散應(yīng)力時(shí)，摩擦阻力影響鎖定軌溫如表6所示。

表6 每千米長(zhǎng)鋼軌摩阻力及軌溫

由表6可知，用鋼筋棍放散應(yīng)力時(shí)，每1 000 m鋼軌的摩阻力對(duì)鎖定軌溫的影響不到1℃。無縫線路由若干單元軌節(jié)組成，單元軌節(jié)是指軌道施工時(shí)一次鋪設(shè)鎖定的軌條。單元軌節(jié)的布置應(yīng)根據(jù)線路條件、工點(diǎn)情況、施工工藝及養(yǎng)護(hù)維修等因素綜合研究確定[4]。單元軌節(jié)長(zhǎng)度一般為1 000 ～ 2 000 m[5]。鋼軌既長(zhǎng)且重，每單元軌節(jié)鎖定需要一定時(shí)間，并且還有曲線線路。因此，長(zhǎng)鋼軌鎖定前鋼軌不能處于零應(yīng)力狀態(tài)。用鋼筋棍放散應(yīng)力時(shí)每單元軌節(jié)影響鎖定軌溫約為2～3℃。

3.3 放散應(yīng)力時(shí)鋼筋棍或滾筒放置位置

用鋼筋棍放散時(shí)，鋼筋棍放在膠墊上;用滾筒放散時(shí)，滾筒放在枕木盒的道床上。隔多少軌枕放置1個(gè)支承物，主要是考慮兩支承物間鋼軌撓度，為了減少摩阻力，其最大撓度不應(yīng)超過滾筒或鋼筋棍的直徑，以防止鋼軌搭在膠墊或道床上。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，視兩支承滾筒間鋼軌為簡(jiǎn)支梁，其荷載即為鋼軌重力且為均布荷載，由材料力學(xué)可知[6]，簡(jiǎn)支梁中部撓度fmax可用下式表示

式中q——均布荷載(每米鋼軌重);

L——兩支承物跨距;

E——鋼軌彈性模量;

I——鋼軌對(duì)水平軸慣性矩;

[f]——允許撓度(鋼筋棍為2.0 cm，滾筒為4.0 cm)。

由式(3)求得在允許撓度[f]條件下兩滾筒之間的跨距如表7所示。

根據(jù)表7計(jì)算結(jié)果，考慮一定的安全度，無論60 kg/m或75 kg/m鋼軌，也不考慮軌枕如何布置，使用鋼筋棍放散時(shí)最大間距為15根軌枕，滾筒放散時(shí)最大間距為20根軌枕。

表7 放散應(yīng)力時(shí)兩支承物最大跨距 m

4 結(jié)論與建議

(1)用鋼筋棍放散應(yīng)力的方法是簡(jiǎn)便可靠的，每隔15根軌枕放置1個(gè)φ20 mm的鋼筋棍比較合適。每1 000 m長(zhǎng)鋼軌影響鎖定軌溫1℃。

(2)用滾筒放散應(yīng)力時(shí)，對(duì)鎖定軌溫的影響與滾筒涂油等狀況有關(guān)。一般每1 000 m長(zhǎng)的鋼軌，影響鎖定軌溫2.5～3.0℃，為了減小摩阻力，最好采用滾珠軸承的滾筒。用滾筒放散的最大間距為20根軌枕。

(3)在膠墊上或道床上縱向移動(dòng)鋼軌嚴(yán)重影響鎖定軌溫，是不可取的;每1 000 m長(zhǎng)鋼軌影響鎖定軌溫13℃以上。

(4)鋪設(shè)跨區(qū)間或區(qū)間無縫線路應(yīng)按單元軌節(jié)長(zhǎng)度依次分段鋪設(shè)，長(zhǎng)軌入槽時(shí)從一端向另一端依次撥入，如果施工鎖定軌溫不在設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)(含軌條始終端入槽時(shí)的軌溫)，無縫線路鋪設(shè)后必須進(jìn)行應(yīng)力放散或調(diào)整，并重新鎖定[7]。

(5)進(jìn)行無縫線路作業(yè)必須掌握軌溫，觀測(cè)鋼軌位移，分析鎖定軌溫變化，根據(jù)作業(yè)軌溫條件進(jìn)行作業(yè)，嚴(yán)格執(zhí)行“作業(yè)前，作業(yè)中，作業(yè)后測(cè)量軌溫”制度[8]。

[1]盧耀榮.無縫線路研究與應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社，2004.

[2]雷曉燕，圣小珍.現(xiàn)代軌道理論研究[M].北京:中國鐵道出版社，2006.

[3]廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].4版.北京:中國鐵道出版社，2005.

[4]梁新明.客運(yùn)專線換軌大修設(shè)計(jì)、施工中注意的幾個(gè)問題[J].鐵道建筑技術(shù)，2008(S1):20-25.

[5]中華人民共和國鐵道部.TB100082—2005 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]范慕輝，焦永樹.材料力學(xué)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[7]中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)[2006]146號(hào)部令 鐵路線路修理規(guī)則[S].北京:中國鐵道出版社，2006.

[8]中華人民共和國鐵道部.TB10305—2009 鐵路軌道工程施工安全技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社，2009.