大秦重載鐵路軌道強化技術方案的探討

張建峰

(太原鐵路局 工務處，山西太原 030013)

大秦重載鐵路軌道強化技術方案的探討

張建峰

(太原鐵路局 工務處，山西太原 030013)

我國現(xiàn)有重載鐵路軌道結構體系的安全儲備不足，重載線路各種傷損和破壞現(xiàn)象嚴重，本文分析研究了重載鐵路軌道強化技術，并在大秦鐵路安裝了軌撐、加強型彈條和橫向阻力器等加強設備，各種加強措施經過了設計、結構分析、室內疲勞試驗、現(xiàn)場鋪設、動態(tài)測試試驗、現(xiàn)場長期觀測和效果評估等驗證程序。研究結果表明:在小半徑曲線、長大下坡道地段和特殊傷損地段上采取軌道加強措施后，軌道強化效果顯著，起到了保持軌道結構線形的作用，間接減小了小半徑曲線上鋼軌磨耗，延長了小半徑曲線鋼軌使用壽命，減少了養(yǎng)護維修工作量。

重載鐵路 軌道強化 曲線減磨

在北美(包括美國、加拿大、墨西哥)、澳大利亞、南非和巴西等地域面積遼闊、散裝貨物運量大、流向集中的國家重載鐵路運輸已有很大發(fā)展。中國重載鐵路運輸經過20年的發(fā)展，已形成了以大秦煤炭運輸專線為代表，多條干線綜合采用不同重量級別、不同組織形式的重載運輸模式。在大秦線已開行萬t、2萬t重載列車，2009年實現(xiàn)年運量3.3億t，2010年實現(xiàn)年運量4億t。一般認為，重載鐵路單條鐵路年運量的極限是2億t，而年設計運量為1億t的大秦鐵路，不僅早就突破設計運量，而且還大大突破了世界重載鐵路運量的理論極限。

隨著重載列車運行密度加大，以及運量的顯著增加，加速了軌道結構的傷損和線路狀態(tài)的惡化。既有重載鐵路運營現(xiàn)狀表明，當前運量的條件下，既有重載鐵路軌道結構體系的安全儲備不足。目前新的重載軌道結構體系正在研發(fā)中，還需要大量的前期研究儲備，各種相應的部件需要理論分析、設計、試驗、優(yōu)化完善和定型后，才能進行批量產，需要的周期較長。針對目前我國重載鐵路運輸的現(xiàn)狀，通過對大秦重載線路軌道結構產生的動力破壞程度進行分析，結合大秦重載鐵路運營的實際情況，研究在既有軌道結構基礎上，采取有效的軌道強化措施，提高軌道結構的強度，為重載鐵路的養(yǎng)護維修提供指導，為新型重載軌道體系的建立提供借鑒。

1 大秦重載鐵路軌道存在的主要問題

近年來隨著運量、軸重和車速的不斷提高，軌道各部件傷損明顯增加，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:①曲線鋼軌磨耗傷損加劇，曲線地段不均勻側磨現(xiàn)象較為突出;②鋼軌核傷、裂紋、剝離掉塊等傷損明顯增加(如表1);③曲線混凝土枕切槽(如圖1)，擋肩破損;④動態(tài)下鋼軌外傾，造成軌距擴大，鋼軌外闖(如圖2)、里口扣件離象較為普遍;⑤扣件磨損變薄(如圖3)，彈條疲勞，膠墊壓潰破損，尼龍底座破損;⑥軌距桿剪切折斷(如圖4)。

由此可見，隨著運量的不斷增加，鋼軌傷損加劇，在列車動荷載作用下，鋼軌受力后會造成軌距擴大、鋼軌外傾，并由此引發(fā)曲線軌向變化，造成鋼軌的不均勻側磨以及軌枕切槽、軌距桿折損、零配件破損等設備病害，縮短了鋼軌、扣板、尼龍座、膠墊、軌距桿等的使用壽命，同時造成軌道養(yǎng)護工作量增加，線路維修周期縮短。

表1 大秦線近年鋼軌傷損統(tǒng)計表

圖1 混凝土枕切槽

圖2 鋼軌外闖

圖3 扣件磨損

圖4 軌距桿剪切折斷

2 主要強化措施的設計

分析了國外重載鐵路軌道強化措施以及國內重載鐵路軌道結構參數、養(yǎng)護維修狀態(tài)、各種傷損和破壞現(xiàn)象，重點研究了軌撐、加強型彈條、橫向阻力器以及熱塑性彈性體軌下墊板等軌道加強設備;將各種加強設備在線路薄弱地段進行試鋪，對安裝前后軌道結構狀態(tài)進行測試和跟蹤觀測，進一步優(yōu)化完善強化方案。

安裝軌撐、加裝橫向阻力器、更換加強型彈條、鋪設熱塑性彈性體長壽命軌下墊板是現(xiàn)有線路條件下比較可行的軌道加強措施，也是最簡單易行的方法。

1)軌撐

在曲線半徑R≤400 m地段，每隔2根軌枕上安裝一對;曲線半徑400 m＜R≤600 m地段，每隔3根軌枕上安裝一對;曲線半徑600 m﹤R＜800 m地段，每隔4根軌枕上安裝一對;曲線半徑R≥800 m地段，每隔5根軌枕上安裝一對;直線地段，每隔7根軌枕上安裝一對。

2)橫向阻力器

在曲線半徑R≤400 m地段，每隔5根軌枕上安裝一對;曲線半徑400 m＜R＜800 m地段，每隔7根軌枕上安裝一對;曲線半徑R≥800 m地段，每隔9根軌枕上安裝一對;直線地段，每隔14根軌枕上安裝一對;特殊地段，根據具體情況加密。

3)加強型彈條、熱塑性彈性體軌下墊板

加強型彈條、熱塑性彈性體軌下墊板應在重點區(qū)段全部更換。

3 軌道加強后動態(tài)試驗及結果分析

為研究既有重載鐵路軌道加強后的效果，對加強前后軌道性能進行了現(xiàn)場對比測試，沿大秦重車線方向依次布置三個測試點，分別為直線段、直線對比段和曲線段，測點布置如圖5所示。其中兩個直線段測試斷面相距70 m，曲線段和直線段測試工點均測試5種工況，每種工況數據采集1 d，在共計5 d軌道結構動態(tài)檢測期間，曲線段共采集了133趟貨物列車;直線段和直線對比段均采集了125趟貨物列車，現(xiàn)場測試如圖6所示。

通過測試3個工點的行車安全性、軌道結構動力響應和振動變形特征，對測試結果進行對比分析，從而評估安裝軌撐、更換加強型彈條、鋪設熱塑性彈性體軌下墊板等軌道加強措施對列車運行的安全性、軌道穩(wěn)定性、軌道部件承載強度的安全儲備以及線路平順性等性能的改善情況。

1)安全性指標測試。通過測試輪軌垂直力和橫向水平力參數，據此計算機車車輛內外輪脫軌系數、輪重減載率ΔP/P及輪對橫向力，判定試驗列車運行的安全性。

2)軌道結構的動荷載測試。通過測試輪軌垂直力和輪軌水平力等參數，分析貨物列車動力作用對軌道結構部件的受力性能的影響。

圖5 軌道動力特性試驗測點布置

圖6 現(xiàn)場測試

3)軌道結構的動變形測試。通過測試鋼軌垂向位移、鋼軌橫向位移、軌枕垂向位移、軌枕橫向位移、鋼軌動態(tài)軌距變化量等參數，結合輪軌垂直力、水平力，綜合分析軌道動態(tài)變形性能和穩(wěn)定性。

4)軌道結構的振動測試。通過測試鋼軌、軌枕的垂向振動加速度，分析列車動載作用下鋼軌、軌枕的振動傳遞關系和特性。

通過對測試數據的分析，可以得出，①車速相對較高時的軌道加強措施效果優(yōu)于車速較低時的效果，曲線段的效果優(yōu)于直線段;②同時安裝了軌撐、換成加強型彈條、鋪設熱塑性彈性體軌下墊板的線路，脫軌系數和輪軌減載率減小;③采取軌道加強措施可以防止軌距擴大，使鋼軌垂向位移減小;④在曲線段軌撐、加強型彈條、熱塑性彈性體軌下墊板可使鋼軌加速度與軌枕加速度均減小;⑤軌撐的使用可以有效保持軌距、保持線型，間接起到減緩鋼軌側磨的作用。

4 軌道加強后效果分析

按軌道強化方案實施軌道加強后，曲線側磨速度有所緩解，用工投入大幅下降，以大秦重車線K306曲線為例:

1)鋼軌使用壽命延長

該段為R=500 m曲線，曲線長585.26 m，位于8.7‰下坡道，2008年該段曲線由于上股側磨、下股壓潰，上股更換3次，下股更換2次;2008年10月末大修換軌后安裝了軌道加強設備，截止到2009年3月中旬共5個月，上股基本無側磨，下股無壓潰;截止到2009年10月份該段鋼軌上股在集中修期間換下，下股未更換，再次使用1年，至2010年10月份更換，2011年4月份大修換軌時側磨＜6 mm。

2)修理用工減少

安裝加強設備之前，平均每周要對該段曲線進行一次改道作業(yè)，平均每月在該段曲線投工(主要作業(yè)項目有換軌、改道、撥道、復緊和起道)200個左右;安裝加強設備之后平均每半個月對該段曲線進行一次改道作業(yè)，平均每月投工(主要作業(yè)項目有復緊、撥道和起道)65個左右。

5 結語

研究結果表明，在小半徑曲線、長大下坡道地段和特殊傷損地段安裝軌道加強設備后，軌道強化效果顯著，同時起到了保持軌道結構線形的作用，間接減小了小半徑曲線上鋼軌的磨耗，延長了小半徑曲線鋼軌使用壽命，減少了養(yǎng)護維修工作量。

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[2]中國鐵道科學研究院.既有線提速200 km/h關鍵技術的試驗研究—軌道結構強化[R].北京:中國鐵道科學研究院，2008.

[3]孫加林，劉磊.重載鐵路12號固定轍叉道岔軌道剛度變化分布研究[J].鐵道建筑，2012(2):87-89.

[4]中國鐵道科學研究院.重載鐵路軌道強化技術研究[R].北京:中國鐵道科學研究院，2009.

[5]中國鐵道科學研究院.貨車提速對軌道結構動力作用影響的研究[R].北京:中國鐵道科學研究院，2010.

U216.42;U239.4

A

1003-1995(2012)06-0136-03

2012-02-20;

2012-04-20

張建峰(1962— )，男，山西榆次人，高級工程師。

(責任審編 王 紅)