30 t軸重重載鐵路軌道結構強化改造技術

曹海濱（神華集團有限責任公司，北京　100011）

30 t軸重重載鐵路軌道結構強化改造技術

曹海濱
（神華集團有限責任公司，北京100011）

朔黃重載鐵路軌道結構基礎設施均按25 t軸重設計與建造，將貨車軸重提高至30 t同時開行2萬t以上的重載列車，將導致基礎設施的強度與疲勞性能發(fā)生顯著變化。根據(jù)朔黃重載鐵路既有基礎設施現(xiàn)狀，對30 t軸重運輸條件下基礎設施存在的薄弱環(huán)節(jié)進行了現(xiàn)場調研，并通過大軸重實車試驗對直線、不同半徑曲線地段軌道部件受力和軌道幾何狀態(tài)進行了測試與分析，給出了鋪設新型重載軌枕與重載扣件等結構強化改造技術措施。

重載鐵路；軌道結構；適應性評估；軌道強化技術

重載鐵路運輸受到世界各國的廣泛重視，美國、巴西、澳大利亞、南非等國已大力發(fā)展重載鐵路。目前重載鐵路已被國際公認為鐵路貨運的發(fā)展方向，成為世界鐵路發(fā)展的重要方向之一。從國外發(fā)展重載運輸?shù)膶嵺`來看，大軸重重載運輸具有很好的經(jīng)濟性：一方面其運能大、效率高、運輸成本低；另一方面大軸重、高牽引質量重載運輸可顯著提高機車車輛運轉效率，減少機車車輛數(shù)量，同時降低牽引能耗，降低機車車輛維護費用和設備占用時間。目前國外重載煤運鐵路貨車軸重大多集中在26.5～32.4 t，如澳大利亞昆士蘭地區(qū)煤運鐵路軸重最大為26.5 t，北美地區(qū)煤運鐵路最大軸重達32.4 t。

隨著神華集團各煤炭基地建設步伐的加快和礦區(qū)開采規(guī)模的擴大，神華鐵路骨干網(wǎng)絡的運輸能力已不能適應發(fā)展的需求，通過多種技術途徑擴大神華鐵路運輸能力十分緊迫。經(jīng)過近2年的廣泛調研、咨詢和論證，提出了在既有鐵路基礎設施強化改造基礎上，通過提高軸重，增加牽引質量，規(guī)模開行2萬t及以上重載列車等技術途徑，提高神華鐵路的運輸效率和能力。但提高貨車軸重至30 t及以上，其荷載將超出軌道結構和部件設計標準。首先，既有軌道結構和部件將面臨安全儲備下降、耐久性降低、疲勞傷損加劇、使用壽命縮短等問題。其次，神華鐵路主要位于我國西部山區(qū)，小半經(jīng)曲線和長大下坡道較多，在30 t軸重下會進一步影響無縫線路橫向穩(wěn)定性。

本文針對30 t軸重下軌道結構面臨的技術問題，結合30 t軸重實車試驗，從軌道部件強度、疲勞傷損等方面進行了既有軌道結構的適應性分析，并提出了30 t軸重運營條件下的軌道結構強化技術。

1　軌道結構受力狀態(tài)現(xiàn)場測試

為掌握30 t軸重條件下軌道結構荷載特征，選擇北大?！伉P區(qū)間（K65+047—K108+443）建設綜合示范段，于2013年7月11—28日進行了30 t軸重重載列車綜合試驗。

本次試驗采用大軸重試驗列車進行動態(tài)測試，試驗列車編組為：SS4機車（黃驊港側）+客車（工作車）+2節(jié)C96+2節(jié)C80+2節(jié)C80+6節(jié)C80+4節(jié)C96+ 2節(jié)C96+2節(jié)C96+6節(jié)KM96B+1節(jié)KM96+10節(jié)C70+8節(jié)C64K+SS4機車（神池南側）。

大軸重貨車（C96，KM96B/96）采用不同裝載質量進行試驗，裝載質量實行逐步遞增，裝載后軸重分25，27 和30 t共3種工況，試驗時裝載質量根據(jù)前一級裝載質量試驗結果進行安全評估后逐級增加。試驗列車各裝載工況下區(qū)間試驗速度為65，75和80 km/h。

1.1脫軌系數(shù)

測力輪對的測試結果表明，全區(qū)段試驗C96的脫軌系數(shù)最大值為0.54，輪重減載率最大值為0.27，輪軸橫向力最大值為40.0 kN，最大值均出現(xiàn)在小半徑曲線上，但各參數(shù)最大值均未超出相關標準規(guī)定的限值，運行安全穩(wěn)定性良好。

列車以速度75 km/h通過不同地段時外軌脫軌系數(shù)最大值統(tǒng)計結果見圖1，地面測點的最大脫軌系數(shù)為0.37。結合測力輪對的測試結果可知：不同軸重及不同速度下試驗列車通過不同半徑曲線及直線時，實測脫軌系數(shù)的最大值在安全限值之內。說明試驗期間大軸重貨車的運營是安全的。

圖1　外軌脫軌系數(shù)最大值統(tǒng)計（75 km/h）

由于最大值反映的是測試過程中試驗車和運營車的實際運行狀態(tài)，而通過數(shù)理統(tǒng)計的最大可能值則能在一定程度上反映測試樣本分布中可能發(fā)生的極值，從而對將來運營列車的狀態(tài)進行數(shù)理推斷。最大可能值計算方法為：最大可能值=平均值+2.5×標準差。

30 t軸重的 C96與 KM96和25 t軸重的 C80試驗車通過各個測點脫軌系數(shù)最大可能值分別為0.51，0.49和0.57。在不同測試工點，與 C80貨車相比，大軸重貨車的脫軌系數(shù)最大可能值有一定程度的增加。

測試結果中C80，C70和C64運營車脫軌系數(shù)一般大于試驗車對應車型的測試結果，這也說明30 t軸重貨車正式運營后，隨著車輛和輪對狀態(tài)的變化，其脫軌系數(shù)也會較目前試驗列車測試結果有所增大。

1.2輪重減載率

不同類型貨車在不同運行速度條件下，通過不同線下基礎時實測減載率的最大可能值均在安全限制之內。

列車以速度75 km/h通過不同地段時減載率最大可能值統(tǒng)計結果見圖2。可知，減載率最大可能值為0.23，且列車通過不同線下基礎時，與C80相比，C96與KM96輪重減載率基本相當。曲線段減載率較直線段略大，車型、軸重（21～30 t）對減載率實測值影響不大。

圖2　減載率最大可能值統(tǒng)計（75 km/h）

1.3輪軌垂向力

列車以速度75 km/h通過不同地段時輪軌垂直力最大可能值統(tǒng)計結果見圖3?？梢?，C96，KM96和 C80試驗車通過各個測點輪軌垂直力最大值分別為198.0，200.6和172.3 kN。C96與KM96輪軌垂直力最大值分別比C80增大了14.9%，16.4%。

圖3　輪軌垂直力最大可能值統(tǒng)計（75 km/h）

1.4輪軌橫向力

列車以速度75 km/h通過不同地段時輪軌橫向力最大可能值統(tǒng)計結果見圖4?？梢姡涸囼灹熊囃ㄟ^不同半徑曲線及直線時，C96，KM96，C80輪軌橫向力最大值分別為 57.9，57.7和 41.5 kN；與 C80相比，C96，KM96分別增大了39.5%，39.0%。同時，結合運營列車的測試結果可知，各運營車輛輪軌橫向力最大值明顯大于試驗貨車。以C80為例，試驗貨車輪軌橫向力為50.8 kN，運營貨車為68.0 kN，增大了33.8%。這主要與貨車車輛以及車輪狀態(tài)有關。隨貨車車輛運營里程的增加，車輪踏面狀態(tài)必然會進一步惡化，造成輪軌的動力響應增加，其輪軌橫向力必然會進一步增大。

圖4　外軌橫向力最大可能值統(tǒng)計（75 km/h）

2　既有軌道結構適應性評估

對于傳統(tǒng)有砟軌道結構，曲線是線路中的一個薄弱環(huán)節(jié)，尤其對于小半徑曲線。由于小半徑曲線地段列車傳遞至左右股鋼軌的垂向荷載不均，且橫向荷載值較大，因此不僅對扣件及軌枕強度提出更高的要求，而且對其保持軌道幾何狀態(tài)、抵抗線路縱橫向位移的能力也提出更高的要求。目前我國大秦、大包等重載鐵路的運營實踐表明，列車軸重和年運量的增加將帶來扣件、軌枕等軌道部件傷損增多、軌道幾何狀態(tài)變化加劇、軌道大中修周期縮短等不利影響，在小半徑曲線地段這些影響更為顯著。

2.1運營安全性分析

大軸重實車試驗時，分別對不同半徑曲線的安全性參數(shù)進行了測試，不同類型貨車通過不同半徑曲線時，其脫軌系數(shù)最大值不僅與貨車類型以及狀態(tài)有關，還與曲線半徑有關。曲線半徑越小脫軌系數(shù)越大。

R500 m曲線實測脫軌系數(shù)最大值達0.56。試驗時該曲線剛換軌不久，軌道幾何狀態(tài)好。但小半徑曲線鋼軌磨耗較快，易造成軌道幾何狀態(tài)變化。在實際運營中，由于曲線鋼軌的磨耗，造成軌距、方向等不良，且隨著貨車運行里程的增加，貨車車輛與車輪狀態(tài)也會隨之惡化。在軌道、車輛等各種不良因素的影響下，通過小半徑曲線時，貨車的脫軌系數(shù)等安全參數(shù)會隨之增大，影響列車的安全運營。

根據(jù)大包、大秦等重載鐵路小半徑曲線的實踐經(jīng)驗，若貨車的脫軌系數(shù)接近或超過0.7～0.8時，就應分析原因，并采取針對性的強化措施，以保證運營安全。R500 m曲線實測脫軌系數(shù)最大值已達到0.56，隨著軌道狀態(tài)以及車輛狀態(tài)的惡化，其脫軌系數(shù)會有進一步增大的趨勢。隨著大軸重貨車的開行以及運量的增加，線路的維修天窗時間會相應減小。為提高貨車運行的安全性，應強化軌道結構。

2.2軌道部件受力分析

目前我國暫無重載鐵路專用扣件和軌枕，朔黃鐵路重車線已逐步更換Ⅲ型軌枕及配套彈條Ⅱ型扣件。本次試驗針對現(xiàn)場情況，在直線，R500 m，R600 m以及R800 m曲線地段分別測試了軌枕軌下截面及枕中截面彎矩、扣件節(jié)點橫向力和軌距動態(tài)擴大量。測試結果分析如下：

盡管我們都知道不應該不假思索地全盤接受對方所說的一切。但是，在傾聽的過程中不善于控制自己、隨性發(fā)出質疑是最妨礙有效傾聽的行為和心理。

1）實測枕中彎矩最大值為7.9 kN·m，小于Ⅲ型軌枕枕中設計承載彎矩；同一測點枕中彎矩值差異不大，曲線地段枕中彎矩最大值大于直線地段枕中彎矩。

2）實測軌下斷面彎矩最大值為10.3 kN·m，小于Ⅲ型軌枕軌下設計承載彎矩；軌下彎矩隨軸重的增加提高得比較明顯。以 R600 m曲線地段測試數(shù)據(jù)為例，當30 t軸重KM96車輛通過時軌下彎矩平均值為8.5 kN·m，相對于 C80車輛通過時軌下彎矩平均值（5.6 kN·m）提高了約34%。

3）實測扣件橫向力最大值為23.9 kN，小于彈條Ⅱ型扣件橫向承載能力設計值；由于扣件橫向測力擋板與鋼軌配合的松緊程度及距離軌撐的遠近不同，造成了不同曲線地段扣件橫向力無明顯變化規(guī)律，但曲線地段扣件橫向力較直線地段增加明顯；30 t軸重C96和KM96貨車通過各工點時，扣件橫向力較其他車型略有增加。

4）實測軌距動態(tài)擴大量最大值為2.49 mm，小于有砟軌道容許偏差管理值；30 t軸重車輛在R500 m和R800 m曲線引起的軌距擴大均值較 C80車輛分別增加66.1%和23.1%，動態(tài)增量較為明顯。

綜合試驗結果表明，30 t軸重C96，KM96貨車通過各工點實測軌下彎矩、扣件橫向力和軌距動態(tài)擴大量均較C80，C70，C64貨車有一定程度提高，但均小于相應限值。由此可見，Ⅲ型軌枕和彈條Ⅱ型扣件可滿足朔黃鐵路近期開行30 t軸重貨車的安全性要求。

3　軌道結構強化技術

3.1曲線軌道強化

1）對R＜500 m曲線，鋪設適用于30 t軸重的重載SH-I型軌枕與配套SH-I型扣件。

2）對R500 m，R600 m曲線地段軌枕配置根數(shù)由1 667根/km變?yōu)? 760根/km，每1 km增加93根Ⅲ型軌枕，同時采用SH-J型重載扣件。

3）對于R＞600 m曲線地段，采用SH-J型扣件。

采用軌枕加密、SH-J型扣件的方案主要是考慮到既有Ⅲ型枕使用時間不長，使用狀態(tài)較好，先暫時予以保留。在后期大修換枕時，可更換為適用于30 t軸重的重載SH-I型軌枕與配套SH-I型扣件。

3.2直線軌道強化

朔黃鐵路自2009年逐步將Ⅱ型混凝土軌枕更換為Ⅲ型混凝土軌枕，扣件采用彈條Ⅱ型扣件。在重載列車荷載頻繁作用下彈條松弛現(xiàn)象普遍存在。由于行車密度大、天窗作業(yè)時間有限，扣件得不到及時復擰，影響軌道的整體工作狀態(tài)。既有線扣件強化應在保持原有軌枕不更換的前提下采取強化措施，對彈條、軌下墊板、軌距擋板等部件進行強化以提高彈條扣壓力保持能力，增大扣件抵抗鋼軌傾翻能力并減少養(yǎng)護維修工作量。

3.3強化措施

研究設計了SH-I型扣件，此扣件在彈條Ⅱ型扣件基礎上提高了扣件抗橫向荷載能力，延長了使用壽命，減小了養(yǎng)護維修工作量。該扣件具有結構簡單、造價低廉、技術成熟的特點。主要技術參數(shù)如下：①扣件按承受70 kN橫向荷載設計，軌距調整量為 -16～+12 mm；②彈條設計扣壓力12.5 kN，彈程12 mm，比Ⅱ型彈條分別增大25%和20%，最大工作應力低于Ⅱ型彈條，有較大的安全儲備，疲勞強度高；③軌下墊板采用熱塑性彈性體材料，靜剛度120±20 kN/mm。

研究了軌枕在重載條件下的荷載特性，對扣件和軌枕進行了匹配設計，研發(fā)了適應朔黃鐵路30 t軸重改造用的重載軌枕。主要性能指標如下：①軌枕按動力系數(shù)取2.5并耦合70 kN橫向荷載設計；②SH-I型軌枕軌下截面和枕中截面設計承載能力分別為22.57 kN·m和21.33 kN·m，與Ⅲ型軌枕相比分別提高了18.5%和23.3%，滿足 30 t軸重軌枕荷載彎矩要求；③SH-I型軌枕端部面積、底面積和質量等相關參數(shù)比Ⅲ型枕均有所提高，可達到降低道床平均應力、延緩道砟粉化和道床下沉、提高道床橫向阻力的目的。

4　結論

1）目前重車線小半徑曲線區(qū)段鋪設Ⅲ型軌枕及彈條Ⅱ型扣件可滿足朔黃鐵路近期少量開行30 t軸重貨車的運營安全和結構強度要求。隨著軸重和運量的提高，列車荷載作用的增大，軌枕及扣件傷損情況會加劇，同時軌道幾何狀態(tài)惡化，養(yǎng)護維修工作量相應增加。

2）采用Ⅲ型枕的半徑≤500 m曲線大坡道地段無縫線路高溫穩(wěn)定性儲備量不足。從提高列車運營安全性，增強小半徑曲線穩(wěn)定性，減小軌道養(yǎng)護維修周期等方面考慮，大軸重貨物列車長期大量投入運營后，需加強車輛狀態(tài)的檢修和道床狀態(tài)的維護，同時對半徑≤500 m區(qū)段及其他軌道狀態(tài)不易保持的區(qū)段應逐步強化其軌道結構。

3）采用研發(fā)的SH-I型重載軌枕及其配套扣件對不同工況下的軌道結構進行強化改造。經(jīng)實車試驗，具有良好的使用效果。

［1］中國鐵道科學研究院.朔黃鐵路軌道結構調研報告［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2012.

［2］中國鐵道科學研究院.軸重30 t以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制——朔黃鐵路軌道結構強化技術研究報告［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2014.

［3］薛繼連.30 t軸重下朔黃鐵路軌道結構強化技術試驗研究［J］.鐵道學報，2015，37（3）：100-105.

［4］易思蓉.鐵道工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2000.

［5］中國鐵道科學研究院.神華鐵路大軸重重載運輸成套技術研究——基礎設施檢測、評估和強化改造技術研究綜合試驗報告［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2013.

［6］American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association.Manual for Railway Engineering—Chapter 30 Concrete Ties［M］.Lanhan M D，USA：AREMA，2011.

［7］Standards Australia.Railway Track Materials，Part 14：Railway Prestressed Concrete Sleepers［S］.Sydney，Australia：Standards Australia，2012.

［8］European Committee for Standardization.EN 13230 Railway Applications Track Concrete Sleepers and Bearers［S］.England，2009：10-19.

［9］佐藤吉彥.新軌道力學［M］.徐涌，譯.北京：中國鐵道出版社，2001.

（責任審編李付軍）

Strengthening-oriented Reconstruction Technology for Track Structure of 30 t Axle Load Heavy Haul Railway

CAO Haibin
（Shenhua Group Corporation Ltd.，Beijing 100011，China）

Shuozhou-Huanghuagang heavy haul railway were designed and built based on 25 t axle load.T he axle load would be increased to 30 t and the whole weight of freight train would be more than 20 000 t.T he strength and fatigue properties of railway infrastructure would be significant changed.According to the existing infrastructure situation，the railway track structure were investigated in field to find the week sections not meeting the requirement of 30 t axle load operation conditions.T rack components mechanic characteristics and track geometries state were analyzed by site tests at heavy haul conditions in straight sections and different radiuses curve sections.T he railway track structure strengthening technology such as using new designed sleepers and fastenings were suggested.

Heavy haul railway；T rack structure；Adaptability evaluation；T rack strengthen technology

曹海濱（1970— ），男，高級工程師。

U239.2；U213.2+11

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.32

1003-1995（2016）07-0132-04

2016-03-13；

2016-04-22