神朔線三機(jī)集中牽引單元萬(wàn)噸列車條件下線橋適應(yīng)性試驗(yàn)研究

張?chǎng)?/p>

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

神朔線三機(jī)集中牽引單元萬(wàn)噸列車條件下線橋適應(yīng)性試驗(yàn)研究

張?chǎng)?/p>

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

采用三機(jī)集中(以下簡(jiǎn)稱3+0)牽引單元萬(wàn)噸列車與分散牽引相比可顯著提高站場(chǎng)作業(yè)效率。通過(guò)在神朔線選取小半徑曲線和長(zhǎng)大坡道的軌道結(jié)構(gòu)和典型橋梁，試驗(yàn)研究了在神華號(hào)機(jī)車3+0牽引萬(wàn)噸列車條件下線橋動(dòng)力性能。結(jié)果表明:實(shí)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等安全參數(shù)和鋼軌橫向位移、軌距擴(kuò)大量等軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)均在安全限值和允許范圍內(nèi);梁體橫向和豎向動(dòng)力響應(yīng)滿足規(guī)定要求;與運(yùn)營(yíng)貨車相比，線橋各參數(shù)實(shí)測(cè)值無(wú)明顯變大，可以常態(tài)化開(kāi)行集中牽引單元萬(wàn)噸列車，但須對(duì)小半徑曲線(曲線半徑≤500 m)、連續(xù)曲線及長(zhǎng)大坡道地段的線橋狀態(tài)加以監(jiān)測(cè)。

軌道結(jié)構(gòu) 橋梁 集中牽引 試驗(yàn)研究

1 概述

為減少站場(chǎng)的作業(yè)時(shí)間、提高運(yùn)輸效率、增加運(yùn)輸總量、提高鐵路運(yùn)能，神華集團(tuán)神朔鐵路公司計(jì)劃將萬(wàn)噸列車由原來(lái)組合式分散牽引模式調(diào)整為集中牽引模式。為試驗(yàn)研究集中牽引對(duì)線路、橋涵等設(shè)備的影響，評(píng)估集中牽引模式的可行性，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所開(kāi)展了3+0集中牽引下線橋設(shè)備試驗(yàn)研究工作。

試驗(yàn)主要目的是:通過(guò)測(cè)試神朔線神華號(hào)交流機(jī)車3+0集中牽引C80貨車116輛單元萬(wàn)噸列車運(yùn)行條件下典型軌道、橋梁設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，掌握線橋設(shè)備的受力狀態(tài)，為評(píng)估線橋設(shè)備對(duì)集中牽引的適應(yīng)性和制定強(qiáng)化改造對(duì)策提供技術(shù)依據(jù);研究在3+0集中牽引模式下，小半徑曲線及S形曲線上列車運(yùn)行的安全性，測(cè)試試驗(yàn)列車通過(guò)各測(cè)試工點(diǎn)時(shí)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等安全參數(shù)，為試驗(yàn)列車的安全運(yùn)行和下一步開(kāi)行集中牽引萬(wàn)噸列車提供技術(shù)支撐;研究分析在3+0集中牽引模式下長(zhǎng)大橋梁、橋上曲線、高墩橋梁的梁體橫向振幅、橫向加速度等安全參數(shù)，為試驗(yàn)列車的安全運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)工點(diǎn)及試驗(yàn)列車

1)試驗(yàn)工點(diǎn)

結(jié)合神朔鐵路的線路特點(diǎn)與3+0集中牽引對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響選擇測(cè)試工點(diǎn)。所選工點(diǎn)分述如下。

軌道工點(diǎn)1:小半徑曲線(常用于制動(dòng)停車)。選取神朔上行K63+300—K63+900，坡度11.8‰，11‰下坡，R450 m，L475.38 m，l130 m，h95 mm。

軌道工點(diǎn)2:S形曲線，R450 m(牽引區(qū)段)。選取K126+500(R400 m，坡度10.0‰)。

根據(jù)神朔線工務(wù)設(shè)備特點(diǎn)及病害情況，選擇有代表性的橋涵工點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以評(píng)估3+0集中牽引的安全性及對(duì)橋涵的影響。結(jié)合橋梁設(shè)備的運(yùn)營(yíng)情況和列車集中牽引條件下對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)性能的影響，重點(diǎn)選擇橋上小半徑曲線、大坡道、高墩、長(zhǎng)大橋梁以及特殊結(jié)構(gòu)等4個(gè)試驗(yàn)工點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

橋涵工點(diǎn)1:神朔線烏蘭木倫河1號(hào)特大橋。中心里程K23+014，橋式為22×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土 T梁，是位于S形曲線上的長(zhǎng)大橋梁。

橋涵工點(diǎn)2:前梁黃羊城溝大橋。中心里程K51 +158，橋式為2×24+2×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，墩身有裂紋。

橋涵工點(diǎn) 3:地界川 2#大橋。中心里程 K70+ 316，1×16+2×24+6×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，墩高約40 m，橋墩為空心墩。

橋涵工點(diǎn)4:神朔線黃河大橋。中心里程K100+ 159，主跨為(48+8×80+48)m連續(xù)箱梁，其余為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。

2)試驗(yàn)列車

試驗(yàn)用機(jī)車為已安裝機(jī)車同步操縱系統(tǒng)的神華號(hào)HXD1交流機(jī)車，試驗(yàn)用貨車為 C80型，編組最大為116輛。編組方式為:3臺(tái)交流機(jī)車+116輛C80貨車+1輛試驗(yàn)車。為對(duì)比分析神華號(hào)交流機(jī)車3+0集中牽引模式對(duì)線路設(shè)備的影響，同時(shí)測(cè)試了運(yùn)營(yíng)列車。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1)軌道結(jié)構(gòu)

①K63+600制動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)列車在K63+600 m進(jìn)行制動(dòng)停車試驗(yàn)，測(cè)試10個(gè)斷面的鋼軌縱向力及4個(gè)斷面的鋼軌縱向位移，縱向力測(cè)點(diǎn)斷面間隔6 m。

②K126+500曲線試驗(yàn)。曲線測(cè)點(diǎn)位置為曲中點(diǎn)和圓緩點(diǎn)，根據(jù)鋼軌磨耗以及軌道狀態(tài)確定測(cè)點(diǎn)位置。選取鋼軌磨耗較大區(qū)段，主要測(cè)試內(nèi)容包括:輪軌垂直力、輪軌橫向力、軌頭橫移、支點(diǎn)壓力、軌枕垂移及橫移、鋼軌垂移、鋼軌和軌枕振動(dòng)加速度。

2)橋涵結(jié)構(gòu)

橋涵結(jié)構(gòu)試驗(yàn)主要測(cè)試試驗(yàn)列車和運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)時(shí)的橋梁動(dòng)力響應(yīng)，包括梁體豎向和橫向振動(dòng)位移，橋面橫向和豎向振動(dòng)加速度。

2.3 試驗(yàn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

軌道結(jié)構(gòu)各測(cè)試參數(shù)的安全評(píng)判指標(biāo)采用脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪對(duì)橫向力，其標(biāo)準(zhǔn)按表1執(zhí)行。

表1 軌道結(jié)構(gòu)安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

橋梁運(yùn)營(yíng)性能評(píng)估主要依據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運(yùn)函［2004］120號(hào)，以下簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》)，采用行車安全限值和通常值兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)予以評(píng)判。列車通過(guò)時(shí)，鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁簡(jiǎn)支橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面處跨中橫向振幅行車安全限值為L(zhǎng)/9 000，L為跨度。橫向振動(dòng)加速度不應(yīng)超過(guò)1.4 m/s2。預(yù)應(yīng)力混凝土梁在貨列重車(速度≤80 km/h)通過(guò)時(shí)跨中橫向最大振幅通常值≤L/(7.0 B)，B為支座中心距。橫向最低自振頻率通常值≥90/L。

3 試驗(yàn)主要結(jié)果及分析

3.1 軌道結(jié)構(gòu)

1)輪軌作用力

試驗(yàn)列車通過(guò)時(shí)機(jī)車輪軌垂直力最大值171.0 kN，輪軌橫向力最大值55.7 kN，車輛輪軌垂直力最大值168.4 kN，輪軌橫向力最大值60.1 kN。運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)時(shí)，機(jī)車輪軌垂直力最大值164.8 kN，輪軌橫向力最大值86.6 kN，車輛輪軌垂直力最大值178.8 kN，輪軌橫向力最大值73.2 kN。將圓曲線曲中和圓緩點(diǎn)兩個(gè)斷面外軌、內(nèi)軌的數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)列車機(jī)車輪軌垂直力平均值141.6 kN，輪軌橫向力平均值21.2 kN，C80車輛輪軌垂直力平均值137.7 kN，輪軌橫向力平均值18.2 kN;運(yùn)營(yíng)列車機(jī)車輪軌垂直力平均值131.9 kN，輪軌橫向力平均值30.2 kN，C80車輛輪軌垂直力平均值 137.2 kN，輪軌橫向力平均值19.3 kN。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用3+0集中牽引與現(xiàn)有牽引方式相比，對(duì)車輛產(chǎn)生的垂向、橫向荷載影響不明顯。

2)列車運(yùn)行安全性

試驗(yàn)列車、運(yùn)營(yíng)列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力對(duì)比分別見(jiàn)圖1—圖3。由于試驗(yàn)車車輛型號(hào)為C80，僅選取車輛為 C80的運(yùn)營(yíng)車輛進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)列車通過(guò)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力最大值機(jī)車分別為0.38，0.16，42.3 kN，車輛分別為0.47，0.18，40.2 kN;運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力最大值機(jī)車分別為0.70，0.27，58.1 kN，車輛分別為0.83，0.32，60.1 kN。所測(cè)數(shù)據(jù)均小于安全限值。從安全參數(shù)測(cè)試結(jié)果看，試驗(yàn)列車所用的HXD1機(jī)車測(cè)得結(jié)果均小于運(yùn)營(yíng)列車SS4機(jī)車測(cè)得的結(jié)果，HXD1機(jī)車3+0集中牽引模式并沒(méi)有導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力數(shù)值變大。

圖1 脫軌系數(shù)最大值、平均值對(duì)比

3)軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

試驗(yàn)列車通過(guò) R400小半徑曲線時(shí)，其鋼軌橫向位移最大值2.70 mm，軌距擴(kuò)大量最大值4.39 mm，軌枕橫移最大值0.33 mm;運(yùn)營(yíng)列車鋼軌橫向位移最大值3.28 mm，軌距擴(kuò)大量最大值4.42 mm，軌枕橫移最大值0.32 mm?！惰F路線路修理規(guī)則》(鐵運(yùn)［2006］146號(hào))第6.3.1條規(guī)定，當(dāng)列車速度不大于120 km/h時(shí)臨時(shí)補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)要求動(dòng)態(tài)軌距變化量不超過(guò)－10～+20 mm。可見(jiàn)軌距擴(kuò)大量滿足要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示試驗(yàn)列車和運(yùn)營(yíng)列車測(cè)試結(jié)果基本一致，采用3+0集中牽引模式，鋼軌橫向位移、軌距擴(kuò)大量及軌枕橫移并沒(méi)有變大。

圖2 輪重減載率最大值、平均值對(duì)比

圖3 輪軸橫向力最大值、平均值對(duì)比

4)鋼軌、軌枕垂向振動(dòng)加速度

試驗(yàn)列車通過(guò)時(shí)鋼軌、軌枕垂向振動(dòng)加速度最大值分別為328.1g，29.9g;運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)時(shí)鋼軌、軌枕垂向振動(dòng)加速度最大值分別為143.9g，18.2g。大秦線C80萬(wàn)噸列車通過(guò)時(shí)實(shí)測(cè)鋼軌、軌枕垂向振動(dòng)加速度最大分別為316.5g，86.9g。試驗(yàn)列車機(jī)車由于軸重較大，測(cè)得的鋼軌、軌枕振動(dòng)加速度稍大于運(yùn)營(yíng)列車，但與大秦線測(cè)得的結(jié)果相當(dāng)，處于正常范圍。

5)常用制動(dòng)區(qū)段軌道響應(yīng)

列車制動(dòng)時(shí)由于減加速度的影響，輪軌之間產(chǎn)生附加制動(dòng)力，鋼軌制動(dòng)附加力與車鉤制動(dòng)力不同，鋼軌制動(dòng)附加力與列車軸重、制動(dòng)加速度有關(guān)，而與制動(dòng)初速度無(wú)關(guān)。理論分析表明停車前車前制動(dòng)力最大。輪軌制動(dòng)力不能直接測(cè)出，一般采用測(cè)量鋼軌中和軸處縱向應(yīng)力的辦法，通過(guò)測(cè)得的縱向應(yīng)力計(jì)算制動(dòng)附加力。列車制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)風(fēng)管壓力傳遞有一個(gè)過(guò)程，可能造成車輛之間相互沖擊。假定前車已經(jīng)制動(dòng)，而后車沒(méi)有制動(dòng)，就可能形成車輛之間的沖擊。此沖擊力部分由車鉤傳遞到了前車并依次向前傳遞，部分由車輪傳遞到了鋼軌。

在R450 m小半徑曲線常用制動(dòng)停車區(qū)段，實(shí)測(cè)鋼軌制動(dòng)附加縱向力最大值47.5 kN，鋼軌縱向位移最大值0.25 mm，鋼軌橫向位移最大值2.26 mm。在大秦線長(zhǎng)大下坡地段，減加速度為0.53 m/s2時(shí)測(cè)得鋼軌制動(dòng)附加縱向力為142 kN，鋼軌縱向位移為0.85 mm。由于本次試驗(yàn)列車制動(dòng)時(shí)機(jī)車處于測(cè)點(diǎn)范圍外，且減加速度約為0.15 m/s2，測(cè)得鋼軌制動(dòng)附加縱向力、鋼軌縱向位移均較小，與運(yùn)營(yíng)列車測(cè)試結(jié)果基本一致。

3.2 橋涵結(jié)構(gòu)

1)梁體跨中橫向振動(dòng)

實(shí)測(cè)烏蘭木倫河1#特大橋第3～6孔梁跨中橫向振幅最大值見(jiàn)圖4。第5，第6孔梁體實(shí)測(cè)振幅與列車速度關(guān)系見(jiàn)圖5。試驗(yàn)列車、運(yùn)營(yíng)列車作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振幅最大值分別為 1.61與1.87 mm，均小于《橋檢規(guī)》通常值(2.54 mm)及安全限值(3.56 mm)。測(cè)試速度范圍內(nèi)，梁體橫向振幅隨列車速度增長(zhǎng)的趨勢(shì)不明顯，沒(méi)有出現(xiàn)共振峰值。試驗(yàn)列車通過(guò)時(shí)，機(jī)車引起的橫向振幅小于貨車車輛，3 +0牽引模式列車產(chǎn)生的梁體橫向振幅與運(yùn)營(yíng)列車基本相當(dāng)。

表2列出了在神華號(hào)集中牽引3+0試驗(yàn)列車作用下，實(shí)測(cè)神朔線烏蘭木倫河1#特大橋、前梁黃羊城溝大橋、地界川2#大橋和黃河大橋等4座橋梁梁體橫向振幅最大值?？芍后w跨中橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》安全限值要求。實(shí)測(cè)4座橋梁梁體跨中橫向加速度，試驗(yàn)列車作用下最大為0.55 m/s2，運(yùn)營(yíng)列車為1.18 m/s2，除地界川2號(hào)大橋外，試驗(yàn)列車與運(yùn)營(yíng)列車基本相當(dāng)，但均＜1.40 m/s2，滿足《橋檢規(guī)》要求。值見(jiàn)表3，梁體豎向振動(dòng)加速度最大值見(jiàn)表4?？芍?，速度相近時(shí)，試驗(yàn)列車引起的梁體豎向振幅及梁體豎向加速度與運(yùn)營(yíng)列車C80基本相當(dāng)。實(shí)測(cè)梁體豎向振動(dòng)加速度最大值均滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中道砟橋面強(qiáng)振頻率不大于20 Hz的列車豎向加速度不應(yīng)超過(guò)3.5 m/s2的要求。

圖5 運(yùn)營(yíng)列車與試驗(yàn)列車作用下跨中橫向振幅與列車速度的關(guān)系

表2 神華號(hào)集中牽引3+0試驗(yàn)車與運(yùn)營(yíng)車作用下實(shí)測(cè)梁體橫向振幅

2)梁體跨中豎向振動(dòng)

實(shí)測(cè)烏蘭木倫河1#特大橋第5孔梁跨中豎向振幅最大值見(jiàn)圖6。實(shí)測(cè)跨中豎向振動(dòng)加速度與列車速度的關(guān)系見(jiàn)圖7。實(shí)測(cè)4座橋梁的梁體豎向振幅最大

圖6 運(yùn)營(yíng)列車與試驗(yàn)列車作用下測(cè)試孔跨豎向振幅與列車速度的關(guān)系

圖7 運(yùn)營(yíng)列車與試驗(yàn)列車作用下測(cè)試孔跨豎向加速度與列車時(shí)速的關(guān)系

表3 神華號(hào)集中牽引3+0試驗(yàn)列車與運(yùn)營(yíng)列車作用下實(shí)測(cè)梁體豎向振幅匯總 mm

表4 神華號(hào)集中牽引3+0試驗(yàn)列車與運(yùn)營(yíng)列車作用下實(shí)測(cè)梁體豎向加速度匯總 m/s2

4 結(jié)論

1)采用3+0集中牽引模式的試驗(yàn)列車實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等安全參數(shù)和鋼軌橫向位移、軌枕橫向位移、軌距擴(kuò)大量等軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)均在安全限值和允許范圍內(nèi)，與運(yùn)營(yíng)列車相比，量值并沒(méi)有明顯變大。神朔鐵路測(cè)試區(qū)段R400，R450 m小半徑曲線現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)能夠適應(yīng)3+0集中牽引25 t軸重貨物列車運(yùn)行的安全性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2)在神華號(hào)集中牽引3+0試驗(yàn)列車作用下，通過(guò)4座典型橋梁的實(shí)測(cè)分析表明，梁體橫向和豎向振動(dòng)滿足規(guī)范行車安全限值要求，橋梁的振動(dòng)和位移實(shí)測(cè)值與運(yùn)營(yíng)貨物列車基本相當(dāng)。因此，橋梁可滿足集中牽引萬(wàn)噸列車的開(kāi)行要求。

3)本次試驗(yàn)的試驗(yàn)列車次數(shù)有限，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較少。在神華號(hào)交流機(jī)車3+0集中牽引萬(wàn)噸列車常態(tài)化開(kāi)行條件下，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)小半徑曲線(R≤ 500 m)、連續(xù)曲線及長(zhǎng)大坡道地段軌道和橋梁狀態(tài)的觀測(cè)。

［1］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．神華號(hào)交流機(jī)車3+0集中牽引C80貨車116輛單元萬(wàn)噸列車線橋設(shè)備試驗(yàn)報(bào)告［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014．

［2］王定舉．朔黃鐵路韓村大橋單圓柱橋墩加固效果試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2015(2):5-7．

［3］徐新利．朔黃鐵路西留肖中橋病害整治方案研究及施工技術(shù)探討［J］．鐵道建筑，2015(2):8-11．

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)函［2004］120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［5］翟婉明．車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)［M］．3版．北京:科學(xué)出版社，2007．

［6］賈晉中．鐵路跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁橋試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2014(6):20-23．

［7］孟憲洪．朔黃鐵路橋涵結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)行大軸重重載貨物列車適應(yīng)性研究［J］．鐵道建筑，2013(4):9-12．

［8］李谷．轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架橫向擺振問(wèn)題探討［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，1996，17(1):32-42．

Experimental study on adaptability of line and bridge on Daliuta-Shuozhou railway to pulling train(ten thousand tons)using three locomotives centralized traction

ZHANG Wen
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Compared with decentralized traction，three locomotive centralized traction(hereinafter using abbreviation 3+0)of 10 000 t trains can significantly improve the efficiency of station yard．T he dynamic performance of track structure and bridge was tested on typical bridges located at sharp curves and long steep grades，loaded with Shenhua locomotives 3+0 hauling 10 000 t trains．T he results show that the track structure safety parameters(P/Q ratio，reduction rate of wheel load，lateral axle load and etc．)are below the limits and stability parameters(lateral rail displacement，gage widen and etc．)are within the allowable range．T he lateral and vertical dynamic response of bridge girders meet the requirements．T he measured parameter values of track and bridge have no obvious difference comparing with those values while loaded with common vehicles．T hus，10 000 t trains with centralized traction is acceptable to the current bridge and track structure．However，the track and bridge located at specific sharp curves (curve radius not larger than 500 m)，continuous curves or long steep grade shall be observed and monitiored．

T rack structure;Bridge;Centralized traction;Experimental study

U211.8;U441+．3

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．02

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-03-15;

:2015-04-20

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAG20B01)

張?chǎng)?1983— )，女，北京人，工程師。

1003-1995(2015)08-0005-05