濟青高速鐵路聚氨酯固化道床的動力特性測試分析

楊書生，柴 強，蔣函珂，郄錄朝，徐 旸

（1.濟青高速鐵路有限公司，山東濟南 250109；2.中國鐵路濟南局集團有限公司，山東濟南 250001；3.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038；4.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

聚氨酯固化道床是一種兼具有砟與無砟軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)點的新型軌道結(jié)構(gòu)［1-2］，能夠起到有效衰減傳遞至下部基礎(chǔ)荷載，并降低傳統(tǒng)散體有砟道床累積變形的作用［3］。由于高速列車運營條件下存在道砟飛濺問題，我國既有高速鐵路聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)最高試驗速度300 km/h。濟青高速鐵路活動斷裂帶K206+667—K209+610 區(qū)段采用聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)，軌道幾何參數(shù)按照高速鐵路有砟軌道設(shè)計［4］。該區(qū)段設(shè)計速度 350 km/h，鋼軌采用長 100 m 的 U71MnG，60N 無螺栓孔新鋼軌；軌枕采用Ⅲc 型混凝土枕，軌枕鋪設(shè)根數(shù)為1 667 根/km；扣件采用彈條Ⅴ型扣件；道床采用雙梯形聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)，道砟為特級道砟，并采用防道砟飛濺涂層對道床表面散體道砟進行封閉［5-6］。

為驗證350 km/h 高速列車運營條件下聚氨酯固化道床的安全性、振動特性以及道床表面風(fēng)場分布規(guī)律，于2018年12月10日在濟青高速鐵路按照340，350，360，370，380，385 km/h開展了逐級提速試驗。

1 測試內(nèi)容及方法

線路測試內(nèi)容主要包括輪軌力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力，軌道各個部件的加速度及道砟飛濺情況。聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)及測點布置見圖1。

圖1 濟青高速鐵路聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)及測點布置

參照TB/T 2489—2016《輪軌橫向力、垂向力地面測試方法》［7］采用全橋剪應(yīng)力法測試車輛通過軌道結(jié)構(gòu)作用力測點時輪軌橫向、垂向作用力。測試應(yīng)變片分別貼在鋼軌中和軸、軌底上表面，與鋼軌縱向成±45 ℃夾角。測試鋼軌垂向力和水平力前須采用標(biāo)定架現(xiàn)場進行傳感器的標(biāo)定。根據(jù)測試的鋼軌垂向力和水平力計算動車組內(nèi)外軌脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等列車運行安全性參數(shù)。測試鋼軌垂向、橫向位移時將簧片式位移傳感器設(shè)置于鋼軌側(cè)方或底部，應(yīng)變片對稱貼于簧片上。全橋通過屏蔽電纜接入動態(tài)應(yīng)變儀進行信號濾波和放大。輪軌力及位移測點布置在鋼軌外側(cè)，見圖2。

圖2 輪軌力及位移測點布置

選取與固化道床相鄰的Ⅲ型板式無砟軌道區(qū)段作為減振性能的對比測試區(qū)段。測試鋼軌、軌道板垂向振動加速度時，將壓電式或電阻應(yīng)變式加速度傳感器粘貼于被測體上，通過同軸電纜接入電荷放大器或動態(tài)應(yīng)變儀進行信號濾波和放大。分別在扣件正下方、線路中心、軌枕端部布設(shè)風(fēng)壓傳感器，以獲取高速列車通過時軌道結(jié)構(gòu)不同斷面處風(fēng)壓分布規(guī)律。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 行車安全性指標(biāo)分析

脫軌系數(shù)Dq、輪重減載率Ur、輪軸橫向力H計算公式分別為

式中：P，Q分別為爬軌側(cè)車輪作用于鋼軌上的垂向力和橫向力；ΔP為輪重減載量；Pˉ為平均靜輪重；QL，QR分別為左輪、右輪橫向力。

列車以不同速度通過2種軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時行車安全性指標(biāo)峰值實測結(jié)果見圖3。

圖3 行車安全性指標(biāo)峰值實測結(jié)果

從圖3可以看出：當(dāng)列車運行速度在335～385 km/h變化，列車通過2 種軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時3 項安全性指標(biāo)均滿足規(guī)范［8］中的限值要求，且具有較大的安全余量。

2.2 聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)減振效果

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方法參考文獻［9-10］。采用插入損失評價減振效果。插入損失L為有無隔振裝置情況下振動加速度級之差，其定義為

式中：as，ab分別為無砟軌道、聚氨酯固化道床的振動響應(yīng)；a0為基準(zhǔn)振動加速度，a0=10-6m/s2。

當(dāng)L＞0時聚氨酯固化道床相比無砟軌道能起到隔振作用；L≤0時聚氨酯固化道床則沒有減振效果。

列車以385 km/h 的速度通過2 種軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時，線路外側(cè)5 m處路基加速度時程曲線見圖4。

圖4 線路外側(cè)5 m處路基加速度時程曲線

由圖4可以看出：列車以385 km/h通過時，無砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段加速度絕對值的最大值為0.92 m/s2，聚氨酯固化道床區(qū)段加速度絕對值的最大值為0.11 m/s2，僅為無砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段的12%。

列車通過2 種軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時，線路外側(cè)5 m 處路基加速度時域最大值隨列車運行速度變化曲線見圖5?？梢?，列車通過無砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時路基加速度時域最大值的平均值約為列車通過聚氨酯固化道床區(qū)段時的4.96倍。

圖5 路基加速度時域最大值隨列車運行速度變化曲線

對圖4進行頻譜分析，得到列車通過2 種軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時路基處不計權(quán)分頻振級，見圖6?？梢姡?/3倍頻程中心頻率在20 Hz以上時聚氨酯固化道床具有顯著的減振效果，中心頻率在20 Hz 以下時其減振效果不明顯。

列車以385 km/h 的速度通過時，聚氨酯固化道床區(qū)段相比于無砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段的Z記權(quán)插入損失見圖7?？梢?，聚氨酯固化道床對于高頻振動具有較好的減振效果。

圖6 路基處不計權(quán)分頻振級

圖7 聚氨酯固化道床區(qū)段相比于無砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段的Z 計權(quán)插入損失

列車以385 km/h的速度通過2種軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時路基處減振效果對比見表1?？梢钥闯觯啾扔跓o砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段聚氨酯固化道床區(qū)段的Z計權(quán)插入損失為9.4 dB。

表1 列車通過2種軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段時路基處減振效果對比

2.3 道床表面風(fēng)場分布

列車以385 km/h 的速度經(jīng)過時鋼軌扣件正下方道床表面風(fēng)壓時程曲線見圖8。

圖8 鋼軌扣件正下方道床表面風(fēng)壓時程曲線

由圖8可以看出：列車經(jīng)過時鋼軌扣件正下方道床表面風(fēng)壓會在第1 節(jié)車廂經(jīng)過時發(fā)生劇烈變化，并存在從正壓至負壓的突變，這是引起道砟飛濺的主要原因。

現(xiàn)場測試結(jié)果還表明，扣件正下方、線路中心、軌枕端部3 處道床表面的風(fēng)壓時程曲線線型基本一致，僅峰值有所不同。3 個測試位置道床表面正負風(fēng)壓最大值對比見圖9。

圖9 3個測試位置道床表面正負風(fēng)壓最大值對比

由圖9可見：線路中心正負風(fēng)壓變化更為劇烈，是線路橫斷面中最容易發(fā)生道砟飛濺處。可采取降低枕盒中心道砟高度、掃除軌枕表面道砟等措施避免道砟飛濺現(xiàn)象發(fā)生。

3 結(jié)論及建議

1）列車以335～385 km/h 的速度通過聚氨酯固化道床區(qū)段時，列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力3 項安全性指標(biāo)均滿足規(guī)范中的限值要求，且具有較大的安全余量。

2）在高速列車運營條件下，相比于無砟軌道結(jié)構(gòu)聚氨酯固化道床具有更好的減振效果，在Z 記權(quán)條件下聚氨酯固化道床插入損失約為9.4 dB，且對于高頻振動具有較好的減振效果。

3）列車以385 km/h 的速度經(jīng)過時，道床表面風(fēng)壓會在第1 節(jié)車廂經(jīng)過時發(fā)生劇烈變化，并存在從正壓至負壓的突變，這是引起道砟飛濺的主要原因。

4）相比于扣件正下方及軌枕端部，線路中心正負風(fēng)壓變化更為劇烈，是線路橫斷面中最容易發(fā)生道砟飛濺處。可采取降低枕盒中心道砟高度、掃除軌枕表面道砟等措施避免道砟飛濺現(xiàn)象發(fā)生。