軌道不平順的成因及其控制

劉哲哲

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

鐵路軌道多支承在密實(shí)度和彈性很不均勻的路基和道床上，需要承受隨機(jī)性很大的列車動荷載的反復(fù)作用，其幾何形狀、位置和尺寸是經(jīng)常變化的。在實(shí)際工程中，鐵路軌道除需滿足強(qiáng)度要求外，還必須嚴(yán)格滿足平順性的要求。

1 軌道不平順的成因

軌道不平順往往起源于軌道材料的缺陷及各組成部件在生產(chǎn)制造過程中的誤差或公差，以及施工過程中產(chǎn)生的各種初始不平順。線路開通運(yùn)營后，在列車荷載、自然環(huán)境等因素的作用下，軌道的幾何形狀、尺寸和空間位置發(fā)生變化，軌道不平順進(jìn)一步發(fā)展。

1)材料與制造因素。鋼軌在生產(chǎn)過程中，難免會有雜質(zhì)、氣泡等隱藏于鋼軌內(nèi)部。在列車作用下，這些瑕疵將導(dǎo)致鋼軌表面出現(xiàn)凹陷、剝落等缺陷。另外，在高溫下軋制成形的鋼軌，因軌頭較厚，冷卻的速度比軌腰和軌底慢，在冷卻過程中會產(chǎn)生彎曲。國產(chǎn)50 kg/m和60 kg/m鋼軌在軋制過程中普遍存在軌身周期性不平順，波長多為1.6 m ～3.2 m，幅值多為0.2 mm ～0.8 mm。

2)設(shè)計(jì)與施工因素。在工程設(shè)計(jì)中，對土質(zhì)路基的剛度均勻性、道砟材質(zhì)和級配、道岔平順性、橋梁撓度、折角、橋隧與路基間過渡段長度等參數(shù)的選擇考慮不周、設(shè)計(jì)不當(dāng)時，都將導(dǎo)致軌道產(chǎn)生較大的局部或周期性初始不平順。

3)自然環(huán)境因素。雨水、風(fēng)沙、冰凍、溫度變化以及化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境因素，會使軌道結(jié)構(gòu)損壞，如鋼軌、扣件銹蝕，軌枕產(chǎn)生裂縫，道床臟污等，導(dǎo)致軌道幾何形狀發(fā)生變化，產(chǎn)生軌道不平順。

4)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)因素。在軌道養(yǎng)護(hù)維修過程中，由于測量誤差、整修校正機(jī)具的公差和操作不規(guī)范等原因，使得校正效果產(chǎn)生偏差，這不僅會使殘留部分軌道不平順，甚至還可能成為新的軌道不平順源。

5)列車荷載作用因素。a.不規(guī)則列車荷載列車車輪上的制造公差或擦傷等，鋼軌上存在的初始不平順，這些都會形成不規(guī)則的輪軌作用力。不同機(jī)車車輛的輪載是隨機(jī)變化的，輪軌作用力沿鋼軌延伸方向的分布，或在左右兩側(cè)鋼軌上的分布都是不均勻的。這些不規(guī)則的列車荷載，對道床和路基的壓力也是不均勻的，這就導(dǎo)致不同位置的軌道產(chǎn)生不同的沉降，形成垂向的軌道不平順。b.過大的機(jī)車車輛荷載。過大的機(jī)車車輛荷載會使軌道部件失效、傷損，道床路基的不均勻殘余變形增大，軌道結(jié)構(gòu)抗變形能力減弱，產(chǎn)生軌道不平順。c.列車荷載對道床路基的夯拍抽吸作用。列車經(jīng)過時，將鋼軌及軌枕壓下，車輪過后鋼軌、軌枕產(chǎn)生回彈，這種脈沖式夯拍抽吸作用迫使泥土從道砟之間的空隙中擠出，產(chǎn)生翻漿冒泥現(xiàn)象。不僅導(dǎo)致道床臟污，還常使道砟大量陷入軟化了的路基，產(chǎn)生嚴(yán)重的暗坑吊板現(xiàn)象，形成很大的高低不平順。

6)運(yùn)輸條件因素。通過總重、軸重、行車速度等運(yùn)輸條件直接影響軌道幾何形狀的變化。通過總重包含車輛輪重和作用次數(shù)兩個因素，反映了列車荷載作用大小和作用次數(shù)的組合特征。國內(nèi)外大多通過總重來表示軌道平順狀態(tài)的惡化周期、校正軌道狀態(tài)的維修周期、鋼軌及軌道部件的壽命周期。軌道不平順的發(fā)展變化需要經(jīng)歷一個逐漸積累的過程，變化的快慢和程度與作用力大小、次數(shù)的組合緊密相關(guān)。在通過總重相同的前提下，平均軸重較大的線路，軌道狀態(tài)惡化的速度更快，惡化程度更嚴(yán)重。

7)其他因素。鋼軌重量較輕，結(jié)構(gòu)較薄弱的軌道結(jié)構(gòu)，保持軌道平順性的承載能力較低。采用抗彎剛度大的重型鋼軌，匹配彈性較好的膠墊，有利于將車輪荷載更好的分散到軌枕上，使道床路基承受的壓力減小，從而使軌道保持平順性的能力增強(qiáng)。有縫線路的鋼軌接頭是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱部位，輪軌間巨大的沖擊力會造成鋼軌端部的變形，使接頭軌面處更加不平順。輪軌間的動作用力也會傳到道砟、路基，造成其在接頭處軌枕下的殘余變形比其他部位更大。道岔、伸縮調(diào)節(jié)器也是軌道結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，這些部位軌道有不連續(xù)的薄弱點(diǎn)，因而軌道不平順更嚴(yán)重。

2 軌道不平順的控制

2.1 控制軌道不平順的意義

軌道不平順會引起機(jī)車車輛振動，導(dǎo)致輪軌動作用力增大。嚴(yán)重的軌道不平順會引起車輛劇烈振動，直接影響行車運(yùn)動的平穩(wěn)舒適性和行車安全，對機(jī)車車輛、軌道部件、維修工作量和軌道的疲勞壽命也有很大的影響。而在高速行車條件下軌道不平順造成的影響更大，一旦引發(fā)事故，其危害也要比中、低速時嚴(yán)重得多。

2.2 控制軌道不平順的方法

1)嚴(yán)格限制軌道初始不平順。初始平順性差的軌道，不僅維修周期短，及時增加維修作業(yè)次數(shù)也難以改變軌道初期“先天不良”的缺陷。日、法、德等國都制定了非常嚴(yán)格的鋼軌平直性標(biāo)準(zhǔn)和高速軌道鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)。鋼軌的平直性對軌道的平順性有決定性的影響，而高速鐵路對鋼軌平直性的要求比一般鐵路更為嚴(yán)格，控制指標(biāo)也更全面。如對一般線路的鋼軌未作規(guī)定的軌身、小腰平直性、鋼軌全長的彎曲、扭曲等，對用于高速鐵路的鋼軌都補(bǔ)充了相關(guān)的、較嚴(yán)格的規(guī)定。嚴(yán)格控制軌道的鋪設(shè)精度是建成高平順高速線路的重要技術(shù)措施，對于保證高速鐵路的建設(shè)質(zhì)量和開通速度，確保高速車輛安全、平穩(wěn)、舒適的運(yùn)行，減少軌道和機(jī)車車輛的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，都十分重要。

2)監(jiān)測掌握軌道的平順狀態(tài)。準(zhǔn)確掌握軌道不平順的實(shí)際情況是對軌道平順狀態(tài)控制的前提條件，要正確量測出對行車有重要影響的軌道不平順，軌道檢查車等檢測設(shè)備的量測基準(zhǔn)，傳遞函數(shù)、分辨精度、可測波長范圍、可測幅值范圍必須符合要求。在曲線圓緩點(diǎn)、直緩點(diǎn)、道岔區(qū)等軌道薄弱環(huán)節(jié)，狀態(tài)容易變化、容易發(fā)生脫軌事故的處所，檢測的真實(shí)性、可靠性更應(yīng)得到保證，不得漏檢或失真。軌道不平順的測定方法直接決定著取得結(jié)果的真實(shí)可靠性，目前世界各國用來測量高低、軌向不平順的方法可歸納為弦測法和慣性基準(zhǔn)法兩大類。

由于在行進(jìn)中的檢測車上找不到靜止不動的測量基準(zhǔn)線，多年來世界各國普遍采用弦測法進(jìn)行測量。弦測法具有裝置簡單、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但弦測法的傳遞函數(shù)是隨弦長與不平順波長的比值變化的，只有在部分情況下方能正確測量或近似反映軌道的平順狀態(tài)。慣性基準(zhǔn)法是利用慣性原理獲得測量基準(zhǔn)的現(xiàn)代先進(jìn)檢測方法，克服了弦測法的缺陷，能比較如實(shí)的反映實(shí)際的軌道不平順。但是由于必須采用高通濾波器等原因，當(dāng)速度低于15 km/h時不能正確測量，且系統(tǒng)比較復(fù)雜，對系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和修正補(bǔ)償要求嚴(yán)格，價(jià)格昂貴。

3)建立科學(xué)合理的軌道狀態(tài)管理體系。根據(jù)國內(nèi)外的研究成果和各國長期管理軌道平順狀態(tài)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在軌道不平順發(fā)生、發(fā)展變化的各個階段，都應(yīng)層層把關(guān)。除需對新線施工和大修、維修作業(yè)后的軌道初始平順性進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)收管理外，多數(shù)國家的鐵路都在軌道狀態(tài)變化的不同階段進(jìn)行相應(yīng)的管理，制定了針對優(yōu)良、中等、惡化等不同狀態(tài)階段實(shí)施管理的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

基于輪軌相互作用的觀點(diǎn)，從緩和車軌相互作用的角度出發(fā)，科學(xué)管理軌道平順狀態(tài)，應(yīng)在以下方面加大研究力度:

1)進(jìn)一步深入研究高速領(lǐng)域軌道動力學(xué)、車軌相互作用等方面的專業(yè)基礎(chǔ)理論和測試技術(shù)，以便采用更為經(jīng)濟(jì)、有效的維修手段來保證軌道平順性。2)加快研究制定根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)和幾何狀態(tài)允許機(jī)車車輛上道運(yùn)行的制度、試驗(yàn)方法和評定標(biāo)準(zhǔn);研究車輪扁疤對軌道破壞的影響及控制標(biāo)準(zhǔn);研究貨車車輛扭曲剛度對軌道扭曲適應(yīng)性及相應(yīng)的控制技術(shù)條件。3)研究采用先進(jìn)的軌道檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)診斷技術(shù)，進(jìn)一步深入研究根據(jù)軌道狀態(tài)對列車振動、輪軌作用力及行車安全性和平穩(wěn)性的影響，來正確評價(jià)軌道狀態(tài)的理論和技術(shù)。4)對各工務(wù)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容做進(jìn)一步的研究，對數(shù)據(jù)庫的關(guān)系、信息傳遞方式、信息的使用進(jìn)行深入探討，建立先進(jìn)、高效的工務(wù)管理信息系統(tǒng)。5)進(jìn)一步研究開發(fā)高速綜合軌道電氣檢查車，集軌道狀態(tài)、輪軌力、接觸網(wǎng)、通信信號等檢測技術(shù)于一體，以提高檢測效率、數(shù)據(jù)共享程度及綜合管理水平。

3 結(jié)語

軌道不平順是輪軌相互作用研究領(lǐng)域中的最基本的內(nèi)容，也是很復(fù)雜的問題。目前鐵路技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是逐步實(shí)現(xiàn)客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載、行車高密度，鐵路線路設(shè)備作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，將面臨快速和重載的雙重壓力。研究軌道不平順，對于車輛、線路的設(shè)計(jì)，車軌系統(tǒng)動力學(xué)研究以及軌道狀態(tài)的科學(xué)評定都有重要意義。

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