重載鐵路高密度行車條件下軌溫變化規(guī)律試驗(yàn)研究

羅慧剛

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司肅寧分公司，河北肅寧 062350)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路貨物運(yùn)量迅速增長(zhǎng)，重載運(yùn)輸己成為我國(guó)鐵路貨運(yùn)的發(fā)展方向[1]。重載鐵路由于列車長(zhǎng)、軸重大，輪載往復(fù)作用會(huì)造成車輪與鋼軌的摩擦生熱[2-3]，使鋼軌溫度發(fā)生變化。軌溫變化會(huì)使無(wú)縫線路鋼軌產(chǎn)生軸向溫度力[4-5]。過(guò)大的溫度力會(huì)引起鋼軌爬行、臌曲失穩(wěn)或斷裂，甚至導(dǎo)致車輛脫軌，危及行車安全[6-7]。

相關(guān)研究表明行車對(duì)軌溫有一定影響[8-10]，但其影響程度，尤其對(duì)特殊地段(岔區(qū)、小半徑曲線、橋上無(wú)縫線路、大坡道)軌溫的影響研究依然欠缺，目前鮮有重載列車行駛過(guò)后鋼軌升溫大小的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。因此，有必要對(duì)重載列車過(guò)后軌溫變化的大小進(jìn)行測(cè)量，研究高密度重載行車條件下無(wú)縫線路軌溫的變化規(guī)律，為進(jìn)一步研究行車對(duì)鋼軌應(yīng)力狀態(tài)及軌道穩(wěn)定性的影響提供依據(jù)。

試驗(yàn)以朔黃鐵路為工程背景，其重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究不同時(shí)段、速度、位置處重載列車通行對(duì)鋼軌不同部位軌溫的影響，試驗(yàn)結(jié)果將有效地指導(dǎo)重載鐵路無(wú)縫線路的養(yǎng)護(hù)維修。

圖1 朔黃重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)地點(diǎn)選在朔黃鐵路安國(guó)站附近，經(jīng)過(guò)測(cè)定得知此段列車通過(guò)速度約為79 km/h，行車密度為126列/d，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)外部自然天氣為夏季晴天。

由于道岔區(qū)和曲線地段鋼軌與車輪摩擦較為劇烈，列車通過(guò)時(shí)軌溫變化明顯，且道岔區(qū)和曲線地段無(wú)縫線路穩(wěn)定性最難以保持，試驗(yàn)選定道岔區(qū)直線段上行線和曲線段上行線為2個(gè)典型測(cè)試斷面。其中安國(guó)站上行線某12號(hào)道岔里程為K360+380，安國(guó)至博野區(qū)間上行線某曲線段里程為K361+520。直線段上行線斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為護(hù)軌前部、護(hù)軌中部、護(hù)軌前一段距離處的直線段鋼軌;曲線段上行線設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于曲線段磨耗最大處。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 軌溫測(cè)點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用了砂輪打磨機(jī)、PT100溫度傳感器、IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、FAMOS軟件、筆記本電腦、電源線、膠水等試驗(yàn)設(shè)備。利用砂輪打磨機(jī)打磨測(cè)點(diǎn)，利用PT100溫度傳感器測(cè)試鋼軌溫度，利用IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)傳感器所傳信號(hào)進(jìn)行調(diào)試收集，并使用與IMC數(shù)據(jù)采集儀配套的FAMOS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主要試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介如下:

1)IMC數(shù)據(jù)采集儀。德國(guó)IMC數(shù)據(jù)采集儀可廣泛測(cè)量電壓、電流、溫度、應(yīng)力應(yīng)變、加速度、數(shù)字輸入/輸出、轉(zhuǎn)角、角速度、位移、頻率等工業(yè)常用信號(hào)，同時(shí)還提供了操控軟件搭配使用。由于其操作簡(jiǎn)便，適用范圍廣，IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀已廣泛應(yīng)用于鐵路軌溫測(cè)試、加速度測(cè)試、位移測(cè)試等數(shù)據(jù)采集工作中。

2)PT100溫度傳感器。PT100溫度傳感器是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)溫元件，在－50℃ ～600℃范圍內(nèi)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。本試驗(yàn)PT100溫度傳感測(cè)量范圍為－50℃ ～450℃，測(cè)量精度為0.015℃。

3)FAMOS(Fast Analysis＆Monitoring Of Signal)快速信號(hào)分析軟件。該軟件是世界上第一套在Windows下應(yīng)用的、目前歐洲市場(chǎng)占有率最高的信號(hào)分析軟件，能實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的分析報(bào)告，還可進(jìn)行簡(jiǎn)易的二次開(kāi)發(fā)，自行編制用戶化界面。

1.3 試驗(yàn)方法

1)用砂輪打磨機(jī)把選好的測(cè)點(diǎn)打磨光亮，將PT100溫度傳感器分別粘貼于測(cè)點(diǎn)的軌頭、軌腰和軌底，并通過(guò)數(shù)據(jù)線組成橋路接入IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PT100溫度傳感器粘貼布置見(jiàn)圖3。

圖3 PT100溫度傳感器粘貼布置

3)開(kāi)始測(cè)量。設(shè)備調(diào)試完畢后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量，IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)軌溫進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)測(cè)量，并自動(dòng)保存測(cè)量數(shù)據(jù)。

4)測(cè)量完成后，拆卸試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行下一斷面的測(cè)量工作。所有測(cè)試完畢后，拆除試驗(yàn)設(shè)備，清理測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 第一列列車通過(guò)后軌溫變化

試驗(yàn)設(shè)備的安裝均在天窗內(nèi)完成，在天窗結(jié)束后列車開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，開(kāi)始測(cè)試。第一列列車從安國(guó)站發(fā)出，發(fā)車速度較低，不會(huì)形成列車風(fēng)。第一列列車通過(guò)后護(hù)軌軌溫和直線段鋼軌軌溫變化見(jiàn)圖4。

圖4 第一列列車通過(guò)后軌溫變化

2)調(diào)試IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先對(duì)鋼軌溫度測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行預(yù)測(cè)量，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析所設(shè)置的參數(shù)是否合適。如果設(shè)置的參數(shù)合適，設(shè)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，并保存測(cè)量結(jié)果;如果設(shè)置的參數(shù)不合適，適當(dāng)調(diào)整，重新預(yù)測(cè)量直到所得的數(shù)據(jù)合適為止。

由圖4可見(jiàn)，在第一列列車通過(guò)前，外界大氣溫度為27.6℃，鋼軌不同位置處的溫度略有不同，但差別不大且高于大氣溫度。鋼軌溫度高于大氣溫度是由于鋼鐵能吸熱升溫所致，又由于鋼軌不同位置所受陽(yáng)光的照射程度不同，導(dǎo)致鋼軌的不同位置溫度有所差異。

第一列列車通過(guò)后鋼軌軌溫變化見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，在第一列列車通過(guò)前護(hù)軌中部軌頭溫度為29.8℃，通過(guò)后護(hù)軌中部軌頭的軌溫急劇升高，最大軌溫為33.4℃，最大升高值為3.6℃。之后護(hù)軌中部軌底的溫度也較大幅度上升，最大升溫值為2℃，小于護(hù)軌中部軌頭升溫值。護(hù)軌前部和直線段鋼軌溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)也緩慢上升，但并不明顯。不同位置軌溫變化差別是由于在列車通過(guò)時(shí)，列車車輪與護(hù)軌中部的摩擦遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于護(hù)軌前部與直線段鋼軌，護(hù)軌中部所產(chǎn)生的熱量也高于護(hù)軌前部和直線段鋼軌。

表1 第一列列車通過(guò)后鋼軌軌溫變化 ℃

鋼軌溫度的升高幅度由軌頭、軌腰、軌底依次降低，且鋼軌溫度的升高幅度隨著列車通過(guò)速度的增大而增大。由于列車通過(guò)時(shí)，列車車輪與鋼軌頭部發(fā)生摩擦，且摩擦所產(chǎn)生的熱量從軌頭、軌腰、軌底依次傳遞，軌溫依次降低。當(dāng)列車速度增大時(shí)，車輪與鋼軌間的摩擦程度加大，軌溫變化幅度也加大。

2.2 線路正常運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)后軌溫變化

線路正常運(yùn)營(yíng)多列列車通過(guò)后護(hù)軌和直線段鋼軌的溫度變化見(jiàn)圖5。可見(jiàn)，多列列車通過(guò)后軌溫的變化是一種往復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。在列車通過(guò)時(shí)，鋼軌的溫度先降低，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后升高。由于列車通過(guò)時(shí)帶來(lái)列車風(fēng)，出現(xiàn)溫度降低現(xiàn)象;當(dāng)摩擦產(chǎn)生的熱量達(dá)到一定程度之后，鋼軌溫度出現(xiàn)上升。無(wú)論是護(hù)軌中部還是護(hù)軌前部，其軌頭溫度都要比軌底溫度高1℃～2℃。由于行車密度大、間隔短，車輪與鋼軌摩擦熱由軌頭逐漸向軌底傳遞時(shí)，并不會(huì)達(dá)到同樣的溫度值，軌頭溫度仍相對(duì)較高，整個(gè)鋼軌會(huì)存在一個(gè)由上至下的溫度梯度。

圖5 線路正常運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)后軌溫變化

線路正常運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)后軌溫變化見(jiàn)表2。

表2 線路正常運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)后軌溫變化 ℃

由表2可見(jiàn)，列車通過(guò)后護(hù)軌中部軌頭的溫度變化最為明顯，比列車通過(guò)前的軌溫最大升高3℃;直線段鋼軌軌頭溫度升高0.3℃，均小于第一列列車通過(guò)時(shí)軌溫升高幅度。護(hù)軌前部軌溫在列車通過(guò)時(shí)有降低，但是變化幅度很小。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于護(hù)軌中部軌頭摩擦最為嚴(yán)重，溫度變化最大。護(hù)軌前部由于沒(méi)有受到摩擦，列車通過(guò)后最終溫度基本不發(fā)生改變。第一列列車通行前鋼軌溫度較低，多列列車通過(guò)后鋼軌溫度較高，在同等摩擦程度所產(chǎn)生的熱量情況下，溫度較低時(shí)鋼軌溫度變化更為明顯。

2.3 不同時(shí)間段列車通過(guò)后軌溫變化

在不同時(shí)間段，外界的大氣溫度不同，列車通過(guò)后鋼軌的溫度變化也有所差異。不同時(shí)間段列車通過(guò)后護(hù)軌和直線段鋼軌的軌溫變化見(jiàn)圖6。

為研究外界大氣溫度對(duì)列車通過(guò)后軌溫變化的影響，將圖5和圖6不同時(shí)間段下多列列車通過(guò)后的軌溫變化進(jìn)行對(duì)比分析。其中圖5測(cè)試時(shí)間為13:00～14:00(工況1)，外界大氣溫度在34℃ ～36℃;圖6中測(cè)試時(shí)間為0:00～1:00(工況2)，外界大氣溫度在31℃ ～32℃。

由圖6可見(jiàn)，列車通過(guò)后軌溫的變化趨勢(shì)與圖5基本相同，列車通過(guò)后軌溫都是先降低，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再升高。但是白天的鋼軌溫度與外界大氣溫度的差值要比夜間鋼軌溫度與外界大氣溫度的差值大許多。以直線段鋼軌為例，直線段鋼軌在白天與外界大氣溫度的差值約為10℃，而在夜間與外界大氣溫度的差值約為1℃。造成此差異的原因?yàn)殇撥壴诎滋觳粌H受到列車車輪的摩擦作用，更重要的是受到陽(yáng)光的照射作用，鋼軌吸熱升溫導(dǎo)致鋼軌溫度要比外界大氣溫度高許多。不同時(shí)間段列車通過(guò)后軌溫升高幅度見(jiàn)表3。

圖6 不同時(shí)間段列車通過(guò)后軌溫變化

表3 不同時(shí)間段列車通過(guò)后軌溫升高幅度 ℃

由表3可知，工況2列車通過(guò)后護(hù)軌中部軌溫變化最大幅度為3.5℃，大于工況1列車通過(guò)后護(hù)軌中部軌溫變化最大幅度。其他位置處的鋼軌軌溫在晚上的變化幅度也大于或等于在白天的變化幅度。說(shuō)明列車通過(guò)后，鋼軌在溫度低環(huán)境中的溫度變化幅度要高于溫度高環(huán)境中的溫度變化幅度。

2.4 直、曲線段列車通過(guò)后軌溫變化

列車通過(guò)直線段和曲線段時(shí)，由于車輪與鋼軌之間的摩擦程度不同，產(chǎn)生的熱量也不同，造成列車通過(guò)后軌溫變化的不同。在同一時(shí)間下列車通過(guò)直線段和曲線段軌溫變化見(jiàn)圖7。

圖7 直、曲線段列車通過(guò)后的軌溫變化

由圖7可見(jiàn)，列車通過(guò)直線段和曲線段的軌溫變化趨勢(shì)基本相同，都是先有小幅度降溫，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再升溫，但是曲線段鋼軌的溫度要比直線段鋼軌溫度高出2℃左右。原因在于列車通過(guò)曲線段時(shí)車輪與鋼軌的摩擦程度大于列車通過(guò)直線段車輪與鋼軌的摩擦程度，產(chǎn)生的熱量也比直線段高。由于列車行車間隔很小，鋼軌溫度來(lái)不及擴(kuò)散降低，所以在同等外界條件下，曲線段軌溫要高于直線段軌溫。

直、曲線段列車通過(guò)后軌溫變化見(jiàn)表4。

表4 直、曲線段列車通過(guò)后軌溫變化 ℃

由表4可知，列車通過(guò)后曲線段鋼軌軌頭溫度升高幅度為0.6℃，直線段鋼軌軌頭溫度升高幅度為0.3℃，曲線段鋼軌溫度升高幅度略大于直線段。原因在于列車在曲線地段受到較大的橫向力作用，導(dǎo)致車輪與鋼軌在曲線段的摩擦程度大于直線段，在曲線段鋼軌所產(chǎn)生的熱量也比直線段高。

3 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試研究不同時(shí)段、速度、位置處重載列車通行對(duì)鋼軌不同部位軌溫的影響，得到以下結(jié)論:

1)重載列車通過(guò)后，不同位置的鋼軌溫度都將有所增加，增加幅度由軌頭、軌腰、軌底依次減小，其中護(hù)軌溫度增加幅度要比直線段鋼軌大。

2)第一列列車通過(guò)后鋼軌溫度直接升高，其中護(hù)軌中部軌頭的溫度急劇增大，最大升高值為3.6℃，之后護(hù)軌中部軌底的溫度也較大幅度上升。護(hù)軌前部和直線段鋼軌溫度雖有一定幅度上升，但并不是非常明顯。

3)當(dāng)線路正常運(yùn)營(yíng)多列列車通過(guò)后，軌溫的變化是一種往復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。在列車通過(guò)時(shí)，軌溫由于受到列車風(fēng)作用先降低，之后才升高，護(hù)軌溫度最大升高值約為3℃，直線段鋼軌溫度最大升高值約為0.3℃。

4)列車通過(guò)直線段和曲線段的軌溫變化趨勢(shì)基本相同，都是先小幅度降溫，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間后再升溫。曲線段軌溫變化幅度大于直線段，其中曲線段鋼軌軌頭溫升幅度約為0.6℃，直線段鋼軌軌頭溫升幅度約為0.3℃，且曲線段軌溫要比直線段約高出2℃。

5)重載列車通過(guò)時(shí)軌溫的變化幅度還與列車的長(zhǎng)度密切相關(guān)。目前朔黃鐵路重載列車主要為萬(wàn)t和5 000 t編組，在預(yù)期開(kāi)行2萬(wàn)t重載列車情況下，其軌溫變化幅度必將更明顯，應(yīng)繼續(xù)加以研究。

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