雅萬高速鐵路建設用軌印尼鐵路 運輸裝載加固方案研究

馬玉坤，劉 飛，汪正義，李善坡

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081）

雅萬高速鐵路是中國高速鐵路全系統(tǒng)、全要素、全生產(chǎn)鏈走出國門的“第一單”，也是“一帶一路”倡議的標志性工程[1]，其起于雅加達Halim站，止于萬隆TegalLuar站，正線長度142.3 km。正線及到發(fā)線設計采用50 m長60 kg/m U71MnG定尺鋼軌，全線共需約3.5萬t，由攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司生產(chǎn)提供。鋼軌從攀枝花運輸至防城港，裝船后海運至印尼，在印尼境內(nèi)通過既有鐵路線路運輸至鋪軌基地，鋼軌在印尼需要經(jīng)過的鐵路運距約240 km[2]。印尼缺乏50 m長鋼軌鐵路運輸經(jīng)驗，亦沒有運輸裝載加固方案，同時，印尼國內(nèi)長鋼軌運輸徑路的鐵路軌距為 1 067 mm，且其常用車輛的技術(shù)參數(shù)與我國車輛有較大差異，因而我國國內(nèi)的50 m長鋼軌運輸裝載加固方案無法直接在印尼使用，需要根據(jù)印尼鐵路運輸條件，研究制定適合印尼鐵路的50 m長鋼軌鐵路運輸裝載加固方案。

1 裝載加固方案總體設計

從2002年開始，我國研究形成了50 m，75 m，100 m和500 m長鋼軌系列普通平車運輸裝載加固方案，擁有成熟的長鋼軌鐵路運輸技術(shù)體系[3]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，印尼鐵路運輸長鋼軌的最長紀錄是 25 m，雅萬高速鐵路建設用軌的運輸徑路上存在17處半徑為150 m的小半徑曲線，且多為“S”形曲線，“S”形曲線最小夾直線長度為15 m，線路條件非常復雜。在充分借鑒國內(nèi)成熟的長鋼軌運輸技術(shù)的基礎上，根據(jù)印尼國內(nèi)鐵路車輛、線路、作業(yè)條件和管理標準，進行裝載加固方案的設計。

1.1 車輛選擇

作為長鋼軌的載運工具，運輸車輛的技術(shù)參數(shù)對裝載加固方案有很大影響。根據(jù)國內(nèi)50 m長鋼軌裝載加固方案設計經(jīng)驗，應盡量選擇具有相同長度的平車，以便于編組。不同于我國常見的換長1.3和1.5的木地板普通平車，印尼鐵路平車均為集裝箱專用鐵地板平車。考慮50 m長鋼軌規(guī)格尺寸，綜合比較車輛技術(shù)狀態(tài)、數(shù)量和車體結(jié)構(gòu)，選擇地板面長度為12 495 mm的集裝箱專用平車作為裝運長鋼軌車輛。每個運輸車組采用4輛平車，車體寬度為2 438 mm，車地板高 935 mm，車輛定距為8 687 mm，軸重14 t。

1.2 裝載加固裝置設計

我國普通平車運輸長鋼軌時，采用座架承載，依靠鋼軌自由彎曲通過曲線。這種運輸方式經(jīng)多年運輸實踐證明，安全可靠。通過實際考察印尼鐵路線路、限界條件和車輛，長鋼軌采用座架承載方式也適用于印尼鐵路運輸。印尼國內(nèi)沒有專門的裝載加固技術(shù)標準，借鑒我國《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》中相關技術(shù)條例和國際上鐵路貨物裝載加固一般規(guī)定，結(jié)合印尼鐵路實際運輸條件，設計了裝載加固裝置，即座架和緊固裝置[4]。

座架是裝載加固裝置的基礎，它承受所裝長鋼軌的重量，并將重量傳給車底架。在長鋼軌運輸時，它還承受長鋼軌和列車運行產(chǎn)生的各種沖擊力，所以必須具有足夠的強度和剛度。根據(jù)座架結(jié)構(gòu)和用途，座架分為普通座架和鎖定座架，其中普通座架6個，鎖定座架2個。鎖定座架和普通座架的區(qū)別在于，鎖定座架對應的鎖定隔梁上沒有端擋，而普通座架的隔梁兩側(cè)均設有端擋。普通座架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 普通座架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of common seat frame structure

緊固裝置和鎖定座架配合使用，用于鎖定鋼軌，限制鋼軌縱向移動，防止鋼軌側(cè)翻。緊固裝置是采用大墊塊、中墊塊、小墊塊和夾板通過螺栓和螺母連接而成的結(jié)構(gòu)，用6根螺栓將同一層鋼軌加固為一個單元，通過夾板的卡槽將鋼軌固定于鎖定隔梁上，每層鋼軌鎖定一處。

1.3 裝載加固方法

印尼鐵路為窄軌線路，小曲線較多?？紤]車輛運行安全，盡量減小鋼軌彎曲變形產(chǎn)生的橫向力，應盡可能少裝鋼軌；考慮鋼軌運輸效率和經(jīng)濟性，盡可能多裝鋼軌。綜合分析，50 m長鋼軌運輸采用4車跨裝，共裝載2層，每層裝載10根，共裝載20根，裝載總重60.64 t。

第1、第4車各安放2個普通座架；第2、第3車各安放1個普通座架和1個鎖定座架，每輛車上座架間距約為5 090 mm。座架位于車輛中部集裝箱鎖頭內(nèi)側(cè)，所有座架落入集裝箱鎖頭，將鎖頭轉(zhuǎn)動90°并固定，另一側(cè)采用座架鎖將座架與平車側(cè)梁固定，使座架處于鎖定狀態(tài)。沿車輛長度方向均衡裝載鋼軌，每一層鋼軌裝載完畢后，在1個鎖定座架處使用1套和鋼軌型號對應的緊固裝置將本層鋼軌緊固并與座架固定為一體。鋼軌裝載完畢后，鎖定鋼軌隔梁。均衡裝載時，鋼軌端部距端部座架距離約 2 510 mm，因技術(shù)原因不能均衡裝載時，鋼軌端部長短差不大于200 mm。50 m長鋼軌裝載示意圖如圖2所示。

圖2 50 m長鋼軌裝載示意圖Fig.2 Schematic diagram of 50 m long-rail loading

2 加固強度計算

2.1 車輛承重計算

50 m長鋼軌共支承在8個座架上，屬于多跨連續(xù)超靜定梁。通過建立垂向力學模型編程計算[2]，求解典型工況下每個座架承載重量和各車輛承重數(shù)據(jù)。計算時，僅考慮轉(zhuǎn)向架懸掛剛度，不考慮平車車體的彈性。座架承重、車輛承重、轉(zhuǎn)向架承重和轉(zhuǎn)向架承重差等計算數(shù)據(jù)均取最大值，車輛承重計算結(jié)果如表1所示。由表1可知，各典型工況計算結(jié)果中，座架最大承重為11.97 t，車輛最大承重為19.50 t，轉(zhuǎn)向架最大承重為10.70 t，轉(zhuǎn)向架最大承重差為4.53 t，車輛承重均在車輛技術(shù)要求范圍內(nèi)。

2.2 橫向力計算

運輸時，50 m長鋼軌車組通過的最小曲線為半徑150 m的曲線。車組通過曲線時，鋼軌因座架約束發(fā)生彎曲，由此產(chǎn)生的橫向力作用在各座架上。以4輛車均進入曲線內(nèi)為例，通過建立力學求解方程[3]，計算得出因鋼軌彎曲作用在各座架上的橫向力，150 m曲線半徑上鋼軌彎曲產(chǎn)生的橫向載荷如表2 所示，表中的“-”表示力的方向相反。根據(jù)計算結(jié)果，第2、第7座架承受的橫向力最大，為39.88 kN。

表2 150 m曲線半徑上鋼軌彎曲產(chǎn)生的橫向載荷Tab.2 Transverse load caused by rail bending with a curve radius of 150 m

2.3 座架強度

座架強度主要計算隔梁和圓立柱強度，端擋剪切強度，以及支座抗壓強度。

（1）隔梁強度。由表1可知，裝載50 m長鋼軌時座架最大承重為11.97 t，即117.31 kN，10根鋼軌的自重載荷分布于隔梁上，隔梁受力簡圖如圖3所示。考慮垂向動載系數(shù)1.4，則鋼軌對隔梁的垂向載荷線密度為51.32 N/mm。座架隔梁采用220 mm×77 mm的Q235槽鋼和鋼板焊接而成，通過建立力學平衡方程可求解得出座架隔梁產(chǎn)生的最大彎曲應力為55.25 MPa，小于材料許用應力 160 MPa。

圖3 隔梁受力簡圖Fig.3 Simplified force diagram of beams

表1 車輛承重計算結(jié)果 tTab.1 Calculation results of vehicle load

（2）圓立柱強度。座架圓立柱采用20號無縫鋼管制造，外徑為194 mm，內(nèi)徑為174 mm，壁厚為10 mm，抗彎截面系數(shù)為252 815 mm3。根據(jù)前述基本載荷計算數(shù)據(jù)，座架受最大鋼軌橫向力為39.88 kN，座架最大垂向載荷為117.31 kN。

圓立柱受力簡圖如圖4所示。第二層鋼軌圓立柱處所受橫向力為19 940 N，則圓立柱根部所受最大彎矩為6 380 800 N·mm，從而得出圓立柱最大彎曲應力為25.24 MPa。再根據(jù)鋼軌垂向力，計算得出鋼軌垂向作用對圓立柱產(chǎn)生的壓應力為2.09 MPa。因此，圓立柱受到的最大合成壓應力為25.33 MPa，小于材料許用應力188 MPa。

圖4 圓立柱受力簡圖Fig.4 Force diagram of circular columns

（3）端擋剪切強度。端擋采用Q235鋼板，厚度為20 mm，長度為70 mm，剪切面積為1 400 mm2。根據(jù)橫向力計算得知，單個座架受到的最大橫向力為39.88 kN，因而單個端擋受到的最大剪切力為9.97 kN。由此得出，端擋受到的最大剪應力為 7.12 MPa，小于材料許用剪應力112 MPa。

（4）支座抗壓強度。支座采用Q235鋼板，厚度為20 mm，承壓面長度為220 mm。座架最大承重為11.97 t，根據(jù)圖3計算可知中部支座承受最大載荷為58 546 N，因而中部支座承受的壓應力為13.3 MPa，小于材料許用應力160 MPa。

2.4 鋼軌加固強度

鋼軌分層緊固，每層一個鎖定點，只需驗算一層鋼軌的加固強度即可。計算時考慮鋼軌與聚甲醛塑料板的摩擦系數(shù)0.25，鋼軌整體的最大加速度為amax= 0.485 g[3]。

緊固裝置螺栓直徑24 mm，材質(zhì)為45號鋼，性能等級為6.8，許用應力282.3 MPa?？紤]螺栓預緊系數(shù)k= 1.2，則單根螺栓的許用預緊力為 83 043.25 N；方案采用的預緊力矩為320 N·m，擰緊力矩系數(shù)K= 0.28時，單根螺栓可達到的預緊力為47 169 N＜83 043.25 N，則螺栓預緊力矩滿足螺栓強度的使用要求。

每套緊固裝置采用6根鎖緊螺栓，每層鋼軌的縱向加固力計算公式為

式中：F加固為每層鋼軌的縱向加固力；N為螺栓總預緊力，取值為285 714 N；μ為緊固裝置與鋼軌的摩擦系數(shù)，取值為0.3。

因此，F(xiàn)加固= 2×285 714×0.3 = 171 428 N。

考慮動載系數(shù)為1.4，則每層鋼軌產(chǎn)生的最小摩擦力計算公式為

式中：fmin為每層鋼軌產(chǎn)生的最小摩擦力；n為座架每層裝載的鋼軌根數(shù)，取值為10；m為每根鋼軌質(zhì)量，取值為3 032 kg；g為重力加速度，取值為 9.8 m/s2；μ1為鋼軌與座架的摩擦系數(shù)，取值為0.25。

每層鋼軌產(chǎn)生的縱向慣性力T的計算公式為

因此，T= 10×3 032×9.8×0.485 = 144 111 N。

考慮線路坡度為δ= 0.03，每層鋼軌的坡道力T1的計算公式為

因此，T1= 10×3 032×9.8×0.03 = 8 914.08 N。

以整層鋼軌為研究對象，F(xiàn)加固+fmin= 224 488 N ＞T+T1= 153 025.08 N。因此，緊固裝置對每層鋼軌的縱向加固強度滿足鋼軌縱向穩(wěn)定性要求。

3 動力學仿真計算

50 m長鋼軌運輸過程中，由于線路條件不斷變化，鋼軌會對車輛產(chǎn)生相應的力學作用。為進一步驗證方案的運輸安全性，在裝載加固計算的基礎上，構(gòu)建動力學仿真模型，計算運輸過程中的車輛運行安全性。

3.1 車輛模型

印尼鐵路運輸長鋼軌采用集裝箱專用平車，該車采用傳統(tǒng)的鑄鋼三大件式轉(zhuǎn)向架，車體與轉(zhuǎn)向架之間采用平面心盤和常接觸旁承。在動力學建模時，將車輛考慮為19個剛體，分別是1個車體、2個搖枕、4個側(cè)架、4個輪對及8個軸箱，車輛系統(tǒng)共60個獨立自由度[5-7]。

3.2 長鋼軌模型

將20根50 m長鋼軌作為整體考慮，分成相同長度的多段，在各段之間建立扭轉(zhuǎn)彈性單元來表現(xiàn)長鋼軌的彈性性能，緊固裝置對鋼軌的加固，通過在鎖定座架處對鋼軌實施空間3個方向的剛度約束來模擬[8]。采用文獻[8]中的計算方法，選取鋼軌的離散長度l= 2.5 m，k= 5，已知鋼軌彈性模量E= 2.06×1011Pa，鋼軌x軸橫截面慣性矩Ix= 3.129×10-5m4，y軸橫截面慣性矩Iy= 5.2147× 10-6m4，從而得出單根鋼軌離散模型x軸和y軸方向的等效扭轉(zhuǎn)剛度分別為1.856×106Nm·rad-1和3.113×105Nm·rad-1，因而20根50 m長鋼軌整體各段之間的等效扭轉(zhuǎn)剛度：x軸方向為3.712× 107Nm·rad-1，y軸方向為6.226×107Nm·rad-1。其 中，x軸指鋼軌截面的水平方向，y軸指鋼軌截面的垂直方向，x軸與y軸的交點為鋼軌截面的質(zhì)心點，與文獻[8]相同。

3.3 計算工況及評判標準

3.3.1 計算工況

仿真的線路模型盡可能貼近車輛實際運行時的線路，以提高仿真結(jié)果的可靠性。根據(jù)印尼國內(nèi)長鋼軌實際運輸徑路，選取半徑分別為150 m， 200 m，250 m，300 m和500 m的“S”形曲線，軌道激勵采用美國五級譜，印尼50 m長鋼軌運輸動力學仿真計算工況如表3所示。

表3 印尼50 m長鋼軌運輸動力學仿真計算工況Tab.3 Dynamics simulation conditions of 50m long-rail transportation in Indonesia

3.3.2 評判標準

以GB/T5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》為評判標準，將長鋼軌運輸車組中各車第一輪對脫軌系數(shù)（Q/P）、輪重減載率（ΔP/P） 和輪軸橫向力的計算數(shù)據(jù)作為分析對象，評判長鋼軌運輸車組的運行安全性。車輛運行安全性評判標準如表4所示，其中輪軸橫向力評判值分別為第1至第4車第一軸輪軸橫向力評判值[8-9]，計算公式為

表4 車輛運行安全性評判標準Tab.4 Judgment standards for vehicle operation safety

式中：Q為輪軸橫向力，kN；P10，P20為靜輪重，kN。

3.4 仿真計算結(jié)果

150 m半徑曲線計算結(jié)果如表5所示，200 m半徑曲線計算結(jié)果如表6所示，250 m半徑曲線計算結(jié)果如表7所示，300 m半徑曲線計算結(jié)果如表8所示，500 m半徑曲線計算結(jié)果如表9所示。車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力各項指標均取計算最大值。由計算結(jié)果可知，各工況下的車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力計算值均在評判標準范圍內(nèi)，車輛運行安全性滿足要求。

表6 200 m半徑曲線計算結(jié)果Tab.6 Calculations with a curve radius of 200 m

表7 250 m半徑曲線計算結(jié)果Tab.7 Calculations with a curve radius of 250 m

表8 300 m半徑曲線計算結(jié)果Tab.8 Calculations with a curve radius of 300 m

由表5—表9得出：在所有計算工況中，輪軸橫向力最大值為24.78 kN，發(fā)生在車組通過半徑為150 m曲線時；輪重減載率最大值為0.49，發(fā)生在車組通過半徑為500 m曲線時；脫軌系數(shù)最大值為0.59，發(fā)生在車組通過半徑為150 m曲線時。各計算工況下，車輛動力學安全性指標均滿足評判標準要求。

表5 150 m半徑曲線計算結(jié)果Tab.5 Calculations with a curve radius of 150 m

表9 500 m半徑曲線計算結(jié)果Tab.9 Calculations with a curve radius of 500 m

4 運輸試驗

在理論計算的基礎上，設計的50 m長鋼軌運輸裝載加固方案于2020年11月在印尼進行了實際運輸試驗。試驗在Maos站和Gedebage站之間進行，分別進行了直線、曲線、“S”形曲線、側(cè)向通過道岔試驗，其中在Nagreg站3號道岔進行了側(cè)向通過10號道岔試驗，在K193 + 311 ～ K193 + 698和 K193 + 713 ～ K193 + 894兩條半徑150 m曲線上進行了“S”形曲線試驗，在Maos站至Cilacap站間進行了直線、曲線試驗。車組在Cilacap港至Gedebage車站間運行試驗時，在Cilacap港至Cilacap站間運行速度不超過15 km/h，在Cilacap站至Gedebage站間通過200 m及以下半徑曲線和側(cè)向通過10號道岔速度不超過15 km/h，側(cè)向通過其他道岔速度不超過20 km/h，其他區(qū)段最大速度不超過40 km/h。

整個50 m長鋼軌運輸試驗過程中，鋼軌相對于緊固裝置沒有明顯的位移，裝載加固狀態(tài)良好，座架強度滿足要求；試驗車輛的運行穩(wěn)定性（輪軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)）滿足 GB/T5599-1985的要求。試驗結(jié)果表明，設計的50 m長鋼軌印尼鐵路運輸裝載加固方案滿足印尼50 m長鋼軌的運輸要求。根據(jù)試驗結(jié)果，建議運輸車組從Cilacap港口到Cilacap站最大運輸速度不超過15 km/h；Cilacap站—Maos站—Gedebage站最大運輸速度不超過40 km/h，其中在曲線半徑為200 m及以下的路段運輸速度不超過15 km/h，側(cè)向通過10號道岔速度不超過15 km/h，側(cè)向通過其他道岔速度不超過20 km/h。

目前該方案已成功運用于雅萬高速鐵路建設用軌的運輸工作中，運用效果良好。

5 結(jié)束語

雅萬高速鐵路建設用軌窄軌鐵路運輸方案研究是一項系統(tǒng)工程。根據(jù)國內(nèi)既有長鋼軌運輸經(jīng)驗，結(jié)合印尼鐵路運輸線路條件，研究提出了雅萬高速鐵路建設用軌窄軌鐵路運輸裝載加固方案，解決了制約雅萬高速鐵路鋪軌工作的關鍵一環(huán)，保證了雅萬高速鐵路建設的順利推進。雅萬高速鐵路建設用軌運輸裝載加固方案在印尼國內(nèi)的成功運用是我國鐵路運輸長鋼軌技術(shù)第一次走出國門，同時也填補了我國窄軌鐵路運輸長鋼軌的技術(shù)空白。目前該方案每車組共裝載50 m長鋼軌20根，后續(xù)還可根據(jù)實際運輸經(jīng)驗，進一步優(yōu)化鋼軌裝載量，提高鋼軌運輸效率和經(jīng)濟效益。