朔黃重載線(xiàn)路道床清篩后行車(chē)動(dòng)力特性分析

李 銳，郄錄朝，徐 旸，王 璞

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 原平分公司，山西原平 034100；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

朔黃鐵路于2012年成功開(kāi)行1+1組合C64萬(wàn)t列車(chē)；2013年運(yùn)量首次突破2億t；2016年2萬(wàn) t重載列車(chē)在朔黃鐵路正式開(kāi)行；2017年煤炭運(yùn)量達(dá)到2.94億t；2018年煤炭運(yùn)輸目標(biāo)將達(dá)到3.05億t。貨物列車(chē)軸重和牽引質(zhì)量的進(jìn)一步提升，雖然極大程度地提高了線(xiàn)路的運(yùn)能，但線(xiàn)路設(shè)備的傷損以及軌道幾何狀態(tài)惡化速率明顯增加。尤其是有砟軌道結(jié)構(gòu)的碎石道床經(jīng)過(guò)重載列車(chē)的反復(fù)碾壓后，會(huì)因道砟的破碎、臟污，道床內(nèi)部的空隙填滿(mǎn)小顆粒碎石和石粉，逐漸喪失彈性。

清篩換砟整道作業(yè)可以恢復(fù)碎石道床的功能，但是清篩換砟整道作業(yè)會(huì)破壞原有道砟顆粒之間相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，引起道床剛度、阻力降低，干擾線(xiàn)路的正常運(yùn)營(yíng)，影響線(xiàn)路的運(yùn)輸能力[1]。TG/GW 101—2014《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》[2]對(duì)道床清篩后線(xiàn)路穩(wěn)定的時(shí)間和限速要求作出了規(guī)定，但是限速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)線(xiàn)路運(yùn)輸?shù)挠绊戄^大。因此，在深入研究道床擾動(dòng)后列車(chē)動(dòng)力特性的基礎(chǔ)上，同時(shí)保證線(xiàn)路穩(wěn)定性及行車(chē)安全的前提下，對(duì)限速要求進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于提升朔黃鐵路的運(yùn)輸能力具有重要價(jià)值。

1 清篩作業(yè)對(duì)道床性能的影響

在工程實(shí)際中，道床阻力主要影響無(wú)縫線(xiàn)路的穩(wěn)定性，而支承剛度主要影響列車(chē)的動(dòng)力特性。因此，本文選取了典型試驗(yàn)段，重點(diǎn)對(duì)清篩前、后道床阻力及支承剛度的變化規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。綜合分析擾動(dòng)道床作業(yè)對(duì)線(xiàn)路動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)特性的影響規(guī)律，以期為清篩后線(xiàn)路限速要求提供理論依據(jù)。

1.1 清篩作業(yè)對(duì)道床阻力的影響

清篩作業(yè)是將原本臟污程度較高的道床重新進(jìn)行篩分，排除污土后，再將清潔的道砟顆粒重新進(jìn)行回填。而既有研究[3]表明，回填后的道砟接觸狀態(tài)相對(duì)松散，會(huì)引起道床縱、橫向阻力的大幅降低，對(duì)線(xiàn)路的穩(wěn)定性具有很大影響。因此，除需要通過(guò)搗固、穩(wěn)定作業(yè)并結(jié)合一定量的列車(chē)碾壓使道床重新達(dá)到密實(shí)狀態(tài)之外，還需要嚴(yán)格控制作業(yè)時(shí)的軌溫，以確保無(wú)縫線(xiàn)路的穩(wěn)定性與行車(chē)安全性。

為研究清篩作業(yè)后道床阻力隨通車(chē)天數(shù)的變化規(guī)律，在朔黃鐵路選擇典型區(qū)段，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]的要求，分別針對(duì)清篩作業(yè)后不同通車(chē)天數(shù)時(shí)道床縱、橫向阻力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。具體測(cè)試步驟為:①將2根軌枕所有扣件松開(kāi)；②取下軌下橡膠墊板，使2根測(cè)試軌枕脫離與鋼軌的接觸；③在一側(cè)枕端安裝千斤頂；④在另一側(cè)枕端安裝位移傳感器；⑤利用液壓設(shè)備同時(shí)將2根軌枕橫向拉動(dòng)；⑥緩慢加載并記錄軌枕阻力及其相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)。為消除誤差，每組選取6根軌枕進(jìn)行分析，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果。所采用的道床橫向阻力測(cè)試設(shè)備如圖1所示。

圖1 道床橫向阻力測(cè)試設(shè)備

清篩前，朔黃鐵路道床的橫向阻力約為14 kN/mm，縱向阻力約為16 kN/mm。鐵路清篩后道床阻力隨清篩后通車(chē)天數(shù)的變化情況見(jiàn)表1。

表1 鐵路清篩后道床阻力隨清篩后通車(chē)天數(shù)的變化情況kN/mm

由表1可見(jiàn):清篩后線(xiàn)路的縱、橫向阻力大大降低，但會(huì)隨著列車(chē)的通行逐漸恢復(fù)。

1.2 清篩作業(yè)對(duì)道床支承剛度的影響

清篩作業(yè)除會(huì)削弱道床阻力之外，還會(huì)影響道床的支承剛度。既有研究[5]表明，大修后道床的支承剛度通常僅有規(guī)定值的40%。為明確清篩作業(yè)對(duì)于道床支承剛度的影響規(guī)律，本文對(duì)朔黃鐵路清篩前后道床支承剛度進(jìn)行測(cè)試。道床支承剛度測(cè)試步驟為:①解除測(cè)試軌枕和相鄰軌枕的扣件；②取下軌下膠墊，使測(cè)試軌枕和相鄰一根軌枕脫離與鋼軌的接觸；③在測(cè)試軌枕安裝加力設(shè)備；④借助鋼軌給軌枕施加垂向荷載；⑤安裝位移傳感器；⑥記錄垂向荷載及所對(duì)應(yīng)的軌枕位移數(shù)據(jù)。

道床支承剛度測(cè)試設(shè)備如圖2所示。

朔黃鐵路上行重車(chē)線(xiàn)K69—K70區(qū)段清篩前后道床支承剛度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn):清篩后道床的支承剛度不足清篩前剛度的30%，說(shuō)明清篩擾動(dòng)道床，采用大機(jī)搗固后，道床的彈性恢復(fù)需要一定的時(shí)間。

圖2 道床支承剛度測(cè)試設(shè)備

表2 清篩前后道床支承剛度測(cè)試結(jié)果 kN/mm

2 清篩后無(wú)縫線(xiàn)路穩(wěn)定性分析

朔黃鐵路區(qū)間采用由長(zhǎng)鋼軌焊接而成的無(wú)縫線(xiàn)路。軌溫變化時(shí)鋼軌由于扣件或道床阻力的約束作用不能自由伸縮，在鋼軌內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的溫度力。清篩作業(yè)后道床縱、橫向阻力降低，如鎖定軌溫與當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度變化不匹配，就更易引起軌道失穩(wěn)，影響線(xiàn)路的安全運(yùn)營(yíng)。

為明確朔黃鐵路溫度變化規(guī)律及不同區(qū)段鋼軌溫度與氣溫的差異，本文對(duì)朔黃鐵路上行重車(chē)線(xiàn)K69—K70區(qū)段鋼軌軌頭、軌腰和軌底處的軌溫及其附近的環(huán)境溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)區(qū)段曲線(xiàn)半徑600 m，超高60 mm，設(shè)計(jì)速度55 km/h。2016年8月至2017年7月軌溫和環(huán)境溫度極值見(jiàn)表3。

表3 軌溫和環(huán)境溫度極值 ℃

由表3可見(jiàn):監(jiān)測(cè)期間軌腰處最高軌溫為67.6℃，對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為33.1℃，兩者相差34.5℃。軌腰處最低軌溫為5.9℃，對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為1.6℃，兩者相差4.3℃。最高環(huán)境溫度條件下，軌頭最高溫度比軌腰最高溫度高4.6℃，比軌底最高溫度高12.5℃。最低環(huán)境溫度條件下，軌頭、軌腰和軌底的最低溫度相差不大。鋼軌軌頭、軌腰和軌底溫度變化趨勢(shì)相同，鋼軌軌頭、軌腰和軌底處的軌溫平均值和鋼軌軌腰處軌溫相當(dāng)。因此，軌溫可以采用軌腰處溫度表示。故朔黃鐵路上行重車(chē)線(xiàn)K69—K70區(qū)段最高軌溫為67.6℃，最低軌溫為5.9℃，最大軌溫差為61.7℃，而線(xiàn)路清篩前的實(shí)際鎖定軌溫為28℃，最大可能升溫幅度為39.6℃。

對(duì)于長(zhǎng)度為l可自由伸縮的鋼軌，當(dāng)軌溫變化Δt時(shí)，其伸縮量Δl可表示為

式中:α為鋼軌的線(xiàn)膨脹系數(shù)，取11.8×10-6/℃。

如果將處于自由狀態(tài)的鋼軌兩端完全固定，不能隨軌溫變化而自由伸縮，則鋼軌內(nèi)部將產(chǎn)生溫度應(yīng)力。依據(jù)虎克定律，鋼軌內(nèi)部的溫度應(yīng)力σt可表示為

式中:E為鋼軌的彈性模量，取2.1×105MPa；εt為鋼軌的溫度應(yīng)變。

將E，α值代入式(2)，則σt可表示為

1根鋼軌所受的溫度力Pt為

式中:F為鋼軌的斷面面積，mm2。

朔黃鐵路正線(xiàn)采用75 kg/m鋼軌，F(xiàn)＝95.04 cm2，線(xiàn)路最大升溫時(shí)所對(duì)應(yīng)的軌溫變化Δt＝39.6℃。將該條件代入式(4)可知，朔黃鐵路K69—K70區(qū)段鋼軌所受的最大溫度壓力為933.4 kN，該區(qū)段2017年4月24日清篩后道床的橫向阻力為2.93 kN/mm，縱向阻力為3.12 kN/mm。根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]，取安全系數(shù)為1.3，則線(xiàn)路的允許溫度壓力為1 037.1 kN。

分析結(jié)果表明，對(duì)于朔黃鐵路K69—K70區(qū)段，線(xiàn)路清篩后，道床阻力約可達(dá)到無(wú)縫線(xiàn)路穩(wěn)定性要求的90%。可通過(guò)加強(qiáng)動(dòng)力穩(wěn)定作業(yè)等措施，確保清篩作業(yè)后無(wú)縫線(xiàn)路的穩(wěn)定性。

3 清篩后線(xiàn)路的行車(chē)動(dòng)力特性分析

清篩作業(yè)除會(huì)降低道床的縱、橫向阻力之外，還會(huì)降低道床的枕下支承剛度，而支承剛度主要影響列車(chē)的行車(chē)安全。對(duì)既有線(xiàn)有砟道床進(jìn)行機(jī)械清篩作業(yè)，一般要經(jīng)過(guò)維修申請(qǐng)、封閉線(xiàn)路、清篩、搗固、限速通車(chē)、恢復(fù)穩(wěn)定等流程。在 TG/GW 101—2014[2]中規(guī)定:對(duì)于影響道床、路基穩(wěn)定的施工作業(yè)，應(yīng)在兩搗一穩(wěn)作業(yè)后再開(kāi)通線(xiàn)路，且開(kāi)通時(shí)第1列限速35 km/h，第2列限速45 km/h，自第3列起限速60 km/h。該限速要求對(duì)朔黃鐵路線(xiàn)路正常運(yùn)輸?shù)挠绊戄^突出。

3.1 數(shù)值模型的建立

基于多體動(dòng)力學(xué)軟件UM，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)道床實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)道床擾動(dòng)后不同行駛速度的行車(chē)動(dòng)力特性進(jìn)行仿真分析。轉(zhuǎn)向架及部件模型見(jiàn)圖3。車(chē)體、搖枕、側(cè)架均采用6自由度剛體模擬，一系懸掛和二系懸掛采用線(xiàn)性彈簧阻尼單元模擬，楔塊減振器采用非線(xiàn)性組合摩擦單元模擬，旁承采用點(diǎn)-面接觸單元模擬，心盤(pán)采用點(diǎn)-面接觸單元(多點(diǎn)接觸)和Bushing單元組合進(jìn)行模擬，輪對(duì)及軸箱采用多個(gè)剛體組成的子系統(tǒng)進(jìn)行模擬，取車(chē)輛軸重為30 t的滿(mǎn)載情況進(jìn)行分析。對(duì)于輪軌接觸模型，采用 Hertz理論以及 Kalker的FASTSIM算法進(jìn)行接觸斑、蠕滑力的分析[9-10]。

圖3 轉(zhuǎn)向架及部件模型

仿真模型的軌道不平順依據(jù)美國(guó)五級(jí)軌道不平順譜設(shè)置。所建立的車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型

為研究擾動(dòng)道床后，列車(chē)以不同速度運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力特性，在數(shù)值模型中按照朔黃鐵路的實(shí)測(cè)結(jié)果，取道床支承剛度為34.1 kN/mm，研究列車(chē)分別以35，45，60，80，120 km/h的速度運(yùn)行時(shí)輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

1)輪軌垂向力

輪軌垂向力是判定輪軌接觸狀態(tài)以及行車(chē)安全性的重要參數(shù)。選取不同運(yùn)行速度條件下輪軌垂向力峰值進(jìn)行分析。左、右側(cè)車(chē)輪的輪軌垂向力峰值隨運(yùn)行速度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 輪軌垂向力峰值隨運(yùn)行速度變化曲線(xiàn)

由圖5可見(jiàn):當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度由35 km/h提升至45，60，80，120 km/h 時(shí)，左側(cè)車(chē)輪輪軌垂向力峰值分別提高0.50%，1.99%，3.08%，9.14%，右側(cè)車(chē)輪輪軌垂向力峰值分別提高0.32%，0.62%，0.46%，2.10%。說(shuō)明列車(chē)運(yùn)行速度的增加會(huì)導(dǎo)致輪軌垂向力峰值小幅增加，但影響并不顯著。

2)脫軌系數(shù)

車(chē)輛輪對(duì)的脫軌系數(shù)是判定行車(chē)安全性的重要指標(biāo)。選取不同運(yùn)行速度條件下脫軌系數(shù)峰值(見(jiàn)圖6)進(jìn)行分析。由圖6可以看出:擾動(dòng)道床條件下脫軌系數(shù)峰值基本在0.100～0.140變動(dòng)，但量值遠(yuǎn)小于安全限值。

圖6 車(chē)輛輪對(duì)脫軌系數(shù)峰值隨列車(chē)運(yùn)行速度變化曲線(xiàn)

3)輪重減載率

輪重減載率為單個(gè)輪對(duì)左右側(cè)車(chē)輪壓力之差與壓力之和的比值，是評(píng)判行車(chē)動(dòng)力特性的重要指標(biāo)之一。輪重減載率峰值隨列車(chē)運(yùn)行速度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 輪重減載率峰值隨列車(chē)運(yùn)行速度變化曲線(xiàn)

由圖7可見(jiàn):當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度由35 km/h提升至45，60，80，120 km/h 時(shí)，輪重減載率峰值分別提高5.26%，15.79%，31.58%，78.95%。說(shuō)明在擾動(dòng)道床條件下列車(chē)運(yùn)行速度的增加會(huì)引起輪重減載率峰值明顯增長(zhǎng)。

4)車(chē)體加速度

車(chē)體加速度峰值隨列車(chē)運(yùn)行速度的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。可見(jiàn):當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度由35 km/h提升至45，60，80，120 km/h時(shí)，車(chē)體的垂向加速度峰值分別提高了3.95%，15.79%，19.08%，25.00%，車(chē)體的橫向加速度峰值分別提高了3.39%，1.86%，3.39%，32.20%。說(shuō)明車(chē)體的垂向、橫向加速度均會(huì)隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加而增大。

圖8 車(chē)體加速度峰值隨列車(chē)運(yùn)行速度的變化曲線(xiàn)

對(duì)比道床清篩后不同運(yùn)行速度條件下列車(chē)的動(dòng)力特性可知:列車(chē)運(yùn)行速度在45～120 km/h時(shí)，輪軌垂向力及脫軌系數(shù)均會(huì)隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加而增大，但增幅不顯著；列車(chē)運(yùn)行速度的增加會(huì)引起輪重減載率及車(chē)體加速度增大且增幅較大，但均處于安全限值以?xún)?nèi)。

4 結(jié)論及建議

依據(jù)朔黃鐵路清篩后道床狀態(tài)和無(wú)縫線(xiàn)路穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，分析了不同運(yùn)行速度下線(xiàn)路的穩(wěn)定性和列車(chē)的安全性，得到主要結(jié)論如下:

1)清篩后道床的縱、橫向阻力會(huì)降低，但道床阻力值仍可達(dá)到無(wú)縫線(xiàn)路穩(wěn)定性要求的90%。應(yīng)加強(qiáng)搗固穩(wěn)定作業(yè)，盡量縮短有砟道床達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。

2)清篩后道床剛度變化對(duì)行車(chē)動(dòng)力特性的影響并不顯著。

3)道床清篩后，列車(chē)運(yùn)行速度在120 km/h以?xún)?nèi)時(shí)列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)輪軌垂向力及脫軌系數(shù)的影響不明顯，其量值均位于安全限值以?xún)?nèi)。列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)輪重減載率及車(chē)體加速度的影響顯著，但其量值亦在安全限值以?xún)?nèi)。

4)道床清篩后，開(kāi)行速度在120 km/h以?xún)?nèi)時(shí)列車(chē)是安全的，但是由于道砟顆粒之間縫隙較大，易產(chǎn)生不平順，并快速發(fā)展成病害。因此，建議線(xiàn)路開(kāi)通后當(dāng)日列車(chē)仍按限速要求開(kāi)行，以達(dá)到碾壓道床，提高道床的密實(shí)度和橫向阻力的目的。開(kāi)通次日，在對(duì)線(xiàn)路加強(qiáng)巡檢的前提下，可依據(jù)軌道的實(shí)際狀態(tài)確定限速要求。