高速鐵路無縫道岔基礎參數(shù)的試驗研究

孫加林，梁 晨，許紹輝

(1.中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 高速鐵路無縫道岔的基礎參數(shù)

針對橋上鋪設客運專線道岔存在的問題，西南交大、北京交大和中國鐵道科學研究院進行了大量的理論研究，建立了橋上無縫道岔力學模型，利用既有的無縫道岔基礎參數(shù)(道床縱向阻力、鋼軌扣件推移阻力、轍跟及岔跟摩阻力、接頭阻力)進行了較為系統(tǒng)的理論計算。但目前尚未對無縫道岔的基礎參數(shù)進行過系統(tǒng)的研究，無縫道岔理論計算仍采用十幾年前提速道岔或秦沈線道岔的參數(shù)，導致無縫道岔理論計算與實際情況很難符合。客運專線道岔結構和提速道岔差別較大，因此有必要對無縫道岔基礎參數(shù)進行研究。

為保證無縫道岔計算結果和現(xiàn)場實際情況符合，除了計算模型應合理，計算參數(shù)也應符合現(xiàn)場實際。無縫道岔的基礎參數(shù)主要有4個:①鋼軌扣件推移阻力(鋼軌發(fā)生相對于扣件的位移時，扣件提供的縱向阻力);②轍跟間隔鐵和限位器摩阻力(圖1中尖軌跟端和基本軌之間的間隔鐵和限位器)及岔跟間隔鐵摩阻力(圖2中心軌跟端和翼軌之間的間隔鐵);③普通接頭阻力(圖1中道岔尾部側股的普通接頭);④道床縱向阻力(有砟道岔)。

圖1 可動心軌半焊無縫道岔

圖2 可動心軌轍叉示意

2 高速無縫道岔基礎參數(shù)的測試

2.1 道床縱向阻力和剛度

道床縱向阻力指道床抵抗軌道框架縱向位移的阻力。一般以每根軌枕的阻力R，或每延厘米分布阻力r標識。它是抵抗鋼軌伸縮，防止線路爬行的重要參數(shù)。道床縱向阻力受道砟材質(zhì)、顆粒大小、道床斷面、搗固質(zhì)量、臟污程度、軌道框架重量等因素的影響。只要鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于道床抵抗軌枕縱向移動的阻力，則無縫線路長鋼軌的溫度應力和溫度應變的縱向分布規(guī)律將完全由接頭阻力和道床縱向阻力確定。

道床縱向阻力測試沿線路縱向，每隔4根軌枕選相鄰2根軌枕為測試枕。首先，卸2根測試枕的所有扣件，并且用手動起道機頂起鋼軌，取出鋼軌與軌枕之間的墊板，此時被測軌枕完全脫離鋼軌;然后，在2根測試枕間枕盒內(nèi)，撿出道砟，在靠近鋼軌內(nèi)側位置通過加載墊塊將2個千斤頂安裝在2個測試枕之間。在軌枕的中間頂面上安裝位移計，位移計的頂針頂在測試軌枕的外側面上。道床縱向阻力檢測裝置安裝示意如圖3。

圖3 道床縱向阻力檢測裝置安裝示意

2010年7月在海南東環(huán)鐵路靈水車站18號道岔做了道床阻力縱向測試，該道岔已經(jīng)經(jīng)過了充分的搗固作業(yè)，分別在岔區(qū)不同位置實測了4次道床阻力，現(xiàn)場實測曲線如圖4所示，試驗位置分別為道岔轉轍器第3跟岔枕和道岔連接部分第4跟岔枕。

圖4 道床縱向阻力關系曲線

海南東環(huán)鐵路實測道床縱向阻力最大值為40～48 kN、秦沈客專實測為43 kN，兩者比較接近，說明試驗結果能較好地體現(xiàn)我國250 km/h有砟道岔的道床阻力剛度分布特征。根據(jù)仿真計算結果，道床縱向阻力越小，基本軌附加溫度力及其影響范圍就越大，同時基本軌伸縮位移、尖軌跟端與心軌跟端的伸縮位移也越大，限位器及間隔鐵所受作用力受道床縱向阻力的影響也較小。綜合分析來看，增加道床縱向阻力，對減小基本軌受力、控制尖軌及心軌的伸縮位移十分有利，因此，宜在無縫道岔養(yǎng)護維修中盡量增加道床縱向阻力。

2.2 鋼軌扣件縱向阻力和剛度

鋼軌縱向阻力的測試參照歐洲標準EN 13146—1《鐵路應用—軌道—扣件系統(tǒng)試驗方法—第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》，縱向阻力值取鋼軌滑移時荷載值。

如圖5所示，按扣件組裝方式將1段長度0.5 m的60 kg/m鋼軌固定在特制預應力混凝土無擋肩軌枕上。鋼軌無剝離，表面無浮銹，軌底因重復試驗被磨光。用特制加力架夾住軌枕，防止軌枕轉動，以及沿平行鋼軌方向移動。利用橫向雙動液壓千斤頂，通過特制加力架以垂直軌枕的方向并以(10±5)kN/min的加載速率對鋼軌軌底施加縱向拉力。采用拉力傳感器(量程50 kN，精度±0.1 kN)測試拉力值，并采用位移計(量程±5 mm，精度±0.01 mm)測試鋼軌相對于軌枕的縱向位移。拉力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將信號輸出到計算機上，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。當鋼軌滑移時可馬上卸載。從荷載—位移曲線上可得出產(chǎn)生非彈性位移之前鋼軌所承受的最大縱向力。

圖5 試驗設備

2010年12月在京石客運專線定州車站進行了高速無縫道岔扣件縱向阻力—位移的測試。試驗時分別測試了18號道岔普通墊板扣件和滑床板扣件的縱向阻力，并且每種扣件又分別進行了單節(jié)點、兩節(jié)點和三節(jié)點的縱向阻力試驗。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，每個相同節(jié)點試驗都進行了3次，最后取平均值。普通墊板扣件縱向阻力測試結果如表1所示，滑床板扣件縱向阻力測試結果如表2所示。

采用不同的扣件形式及不同的扣件螺栓扭矩，扣件縱向阻力不一樣。根據(jù)已有研究成果，扣件縱向阻力越小，通過岔枕傳遞給基本軌的溫度力就越小，在軌溫變化幅度較大的情況下，通過限位器傳遞的溫度力也越大?？奂v向阻力減小，雖然基本軌最大附加溫度力有所降低，但尖軌跟端及心軌跟端的伸縮位移均將增大，同時限位器所受作用力會大大增加，間隔鐵受力也有所增加，限位器子母塊開始貼靠時的軌溫變化幅度越低，即限位器所起的限制尖軌伸縮位移的作用越大。道床縱向阻力越大、道岔號碼越大，扣件縱向阻力的影響將越大。綜合來看，在能確保鋼軌強度的條件下，采用大阻力扣件，對無縫道岔的受力與變形是比較有利的。對照高速道岔用扣件和彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件的縱向阻力，前者采用三節(jié)點測試平均值為24.7 kN，文獻［2］測得彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件為16 kN，表明高速無縫道岔用扣件縱向傳力性能大大強于普通彈條型扣件。

表1 普通墊板扣件鋼軌縱向阻力試驗結果

表2 滑床板扣件鋼軌縱向阻力試驗結果

2.3 鋼軌接頭摩阻力和剛度

開始試驗前，鋼軌接頭間的縫隙調(diào)整到最大距離，然后對接頭夾板的螺栓施加固定扭矩。將安裝好的鋼軌接頭豎立，使鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程±5 mm，精度±0.01 mm)測試兩個接頭鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載，壓力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號到計算機，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理，測試結果如表3所示，鋼軌接頭摩阻力—位移關系曲線如圖6所示。

表3 鋼軌接頭滑移阻力測試結果

圖6 鋼軌接頭摩阻力—位移關系曲線

2.4 限位器滑移阻力和剛度

開始試驗前，限位器間的縫隙調(diào)整到最大距離，對螺栓施加固定扭矩。安裝限位器，鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程 ±5 mm，精度±0.01 mm)測試中間鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載，壓力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號到計算機，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。測試結果如表4所示，限位器滑移阻力—位移關系曲線如圖7所示。

表4 限位器滑移阻力測試結果

圖7 限位器滑移阻力—位移關系曲線

試驗結果表明:限位器滑移位移隨著施加荷載的增大而增大，當位移達到某一值后，鋼軌開始滑移，此時鋼軌接頭滑移阻力不再增加;隨著螺栓安裝扭矩的增大，鋼軌接頭滑移阻力也隨之增大，基本呈線性增長。

限位器阻力越大，基本軌附加溫度力、基本軌伸縮位移、間隔鐵所承受的作用力也越大，而尖軌跟端、心軌跟端伸縮位移就越小;限位器向基本軌傳遞溫度力的過程中所起作用越大，該影響效果就越明顯。

2.5 間隔鐵滑移阻力和剛度試驗

開始試驗前，間隔鐵間的縫隙調(diào)整到最大距離，然后對螺栓施加固定扭矩。安裝好限位器，鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程±5 mm，精度±0.01 mm)測試中間鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載，壓力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號到計算機，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。測試結果如表5所示，間隔鐵滑移阻力—位移關系曲線如圖8所示。

圖8 間隔鐵滑移阻力—位移關系曲線

表5 間隔鐵滑移阻力測試結果

試驗結果表明:①間隔鐵滑移位移隨著施加荷載的增大而增大，當位移達到某一值后，鋼軌開始滑移，此時鋼軌接頭滑移阻力不再增加;②隨著螺栓安裝扭矩的增大，鋼軌接頭滑移阻力也隨之增大，基本呈線性增長。

高速鐵路無縫道岔間隔鐵塊數(shù)、螺栓數(shù)量較提速線、秦沈客專要多，滑移阻力變大(增幅也較大)。根據(jù)已有研究成果，增加間隔鐵數(shù)量，對單個間隔鐵的受力十分有利;增加間隔鐵緊固力，對間隔鐵螺栓的受力也是有利的。間隔鐵阻力越大，尖軌跟端的伸縮位移越小，同時也將有更多的溫度力由尖軌傳遞給導軌，繼而傳遞給基本軌。

3 結論

在海南東環(huán)鐵路進行了高速鐵路無縫道岔的道床縱向阻力現(xiàn)場試驗，京石客運專線進行了鋼軌扣件阻力現(xiàn)場試驗，國家軌道工程重點實驗室進行了道岔尖軌跟端傳力結構間隔鐵、限位器的滑移阻力剛度以及普通鋼軌接頭摩阻力剛度的室內(nèi)試驗，得出了5個基礎參數(shù)的力—位移關系曲線。

1)時速250 km/h的有砟道岔混凝土岔枕道床縱向阻力最大值在40～48 kN。

2)對扣件多節(jié)點阻力剛度進行了測試，高速無縫道岔普通墊板扣件縱向阻力最大值為單節(jié)點29.4 kN、兩節(jié)點23.2 kN、三節(jié)點24.7 kN，縱向傳力性能優(yōu)于傳統(tǒng)的彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件。

3)對滑床臺扣件縱向阻力剛度進行了試驗測試，縱向阻力最大值為單節(jié)點26.1 kN、兩節(jié)點20.9 kN、三節(jié)點23.3 kN，相應數(shù)值小于普通墊板扣件的縱向阻力。

4)對普通鋼軌接頭摩擦阻力進行了測試，螺栓扭矩按 800，900，1 000 N·m，其測試結果分別為 628，736，819 kN，較提速線、秦沈客專的接頭阻力傳力性能有了較大提升。

5)首次對無縫道岔尖軌跟端限位器結構滑移阻力進行了測試，螺栓扭矩按800，900，1 000 N·m，其測試結果分別為180，208，240 kN。

6)對道岔尖軌跟端間隔鐵結構滑移阻力進行了測試，螺栓扭矩按800，900，1 000 N·m，其測試結果分別為185，220，250 kN，數(shù)值稍大于限位器結構。高速無縫道岔由于增加了間隔鐵數(shù)量，阻力剛度較以前的結構形式大為提升，有利于減少尖軌跟端的伸縮位移。

［1］中國鐵道科學研究院.高速鐵路無縫道岔基礎參數(shù)的研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2009.

［2］王樹國，林吉生.大號碼無縫道岔溫度力和變形的有限元計算［J］.中國鐵道科學，2005(5):68-72.

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［4］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設計方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2007.

［5］中國鐵道科學研究院.鄭西客運專線新渭南站橋上無縫道岔試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2010.

［6］康熊.鐵路試驗檢測評估技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2012.