有砟軌道軌道剛度與道床剛度實(shí)驗(yàn)研究

李 帆 王少華 杜佳橋

西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031

0 引言

道床的剛度是評(píng)價(jià)有砟軌道道床質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，故道床剛度的測(cè)量非常重要。根據(jù)鐵路碎石道床狀態(tài)參數(shù)測(cè)試方法可知[1]，道床剛度是指軌枕承軌面每單位位移對(duì)應(yīng)的垂向載荷。由于實(shí)驗(yàn)的特殊性，本文所述道床剛度包括了道床碎石層剛度、路基剛度等有砟軌道系統(tǒng)中軌枕以下所有部分的整體剛度。

軌道剛度定義為當(dāng)一個(gè)集中載荷作用在鋼軌上，鋼軌產(chǎn)生單位下沉所對(duì)應(yīng)的集中載荷的大小[2]。軌道剛度值的大小對(duì)于起重機(jī)的安全性和舒適性有重要影響。在軌道剛度的測(cè)量方面，潘振等[3]研究了載荷動(dòng)態(tài)加載與軌道變形檢測(cè)，對(duì)比了靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載時(shí)測(cè)得的軌道剛度；金花等[4]研究了移動(dòng)加載車在不同線路、不同地段（路基段、橋梁段、隧道段等）的軌道剛度測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了軌道剛度的在線快速測(cè)量。

目前，測(cè)量道床剛度的裝置有很多，但在線測(cè)量能力較弱，且在測(cè)量時(shí)需解除鋼軌扣件和橡膠墊板等，這種離線測(cè)量方法造成了資源和時(shí)間的浪費(fèi)，故而提出了通過測(cè)量軌道剛度來推出道床剛度的方法，以提高道床剛度測(cè)量的效率。為此，本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究軌道剛度與道床剛度的關(guān)系來驗(yàn)證此方法的合理性。

1 實(shí)驗(yàn)線路及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇正常工作狀態(tài)下的軌道線路，軌道上鋼軌為50 kg/m型，軌枕為混凝土Ⅲ型，扣件為彈條Ⅱ型，一級(jí)碎石道砟，道砟厚度為0.3 m，砟肩寬為0.45 m，堆高為0.15 m，道床頂寬為3.5 m，邊坡斜度為1：1.75，該實(shí)驗(yàn)線路總長(zhǎng)為100 m。

2 軌道剛度實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

軌道剛度的測(cè)量方法是在軌道垂向上施加載荷并測(cè)出對(duì)應(yīng)的位移，計(jì)算出軌道剛度。假設(shè)垂向載荷為P，鋼軌產(chǎn)生的最大位移為Z，則軌道剛度k可表示為

在現(xiàn)有的鐵路規(guī)范以及標(biāo)準(zhǔn)中，尚未有明確說明軌道剛度測(cè)量時(shí)垂向載荷施加的具體位置和大小、軌道垂向位移測(cè)量的具體位置。因此，在測(cè)量時(shí)的測(cè)點(diǎn)處軌枕正上方的鋼軌處進(jìn)行加載，并測(cè)量加載點(diǎn)處的垂向位移，根據(jù)式（1）計(jì)算此處的軌道剛度。軌道剛度的測(cè)量示意圖如圖1所示，軌道剛度試驗(yàn)的原理如圖2所示。

圖1 軌道剛度測(cè)量示意圖

圖2 軌道剛度試驗(yàn)原理

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

1）實(shí)驗(yàn)裝置

軌道剛度測(cè)量裝置包括加載裝置、壓力采集裝置和位移采集裝置等，實(shí)驗(yàn)裝置的三維模型如圖3所示。壓力采集裝置包括壓力傳感器、變送器等，在進(jìn)行壓力采集時(shí)需連續(xù)手動(dòng)進(jìn)行，采集時(shí)間為4 s一次。位移采集裝置包括激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等。位移采集為電腦連續(xù)采集，同時(shí)根據(jù)實(shí)際調(diào)整采集頻率。

圖3 試驗(yàn)裝置三維模型

測(cè)試裝置安裝時(shí)，因穩(wěn)定車安裝位置的限制，只能將試驗(yàn)裝置安裝在動(dòng)力穩(wěn)定車車頭位置，豎梁直接掛在穩(wěn)定車的H形梁上，上端使用螺釘緊固，橫梁與豎梁通過螺栓連接。千斤頂需放置在軌道上表面，為防止千斤頂受力傾倒，在鋼軌與千斤頂之間放置了一個(gè)千斤頂支座，壓力傳感器放置在千斤頂上。如圖4實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝情況所示。

圖4 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

2）軌道剛度測(cè)試流程

①將試驗(yàn)裝置安裝在穩(wěn)定車車頭位置處，檢查緊固螺栓與螺釘是否鎖緊；將穩(wěn)定車開行至測(cè)點(diǎn)處，使試驗(yàn)裝置與測(cè)點(diǎn)對(duì)齊；

②安裝千斤頂支座、千斤頂、壓力傳感器，接通壓力傳感器的電源，壓力參數(shù)通過USB與RS485轉(zhuǎn)換器傳輸至壓力采集系統(tǒng)；

③通過手搖泵將千斤頂壓出，使壓力傳感器壓緊試驗(yàn)裝置橫梁下表面產(chǎn)生預(yù)壓力，并在道床適當(dāng)位置上打入鋼釬，安裝位移傳感器支架；

④接通位移傳感器電源，將數(shù)據(jù)采集卡與筆記本電腦連接，調(diào)整位移傳感器與鋼軌之間的距離，使其在位移傳感器的量程（50±15 mm）內(nèi)；

⑤在數(shù)據(jù)采集時(shí)，一人操作手搖泵進(jìn)行加壓，一人操作筆記本電腦進(jìn)行壓力和位移的采集，壓力和位移需同時(shí)采集；

⑥在同一位置處，需同時(shí)測(cè)量左軌和右軌的壓力和位移數(shù)據(jù)，左軌和右軌同時(shí)進(jìn)行步驟②～⑤；

⑦一個(gè)點(diǎn)采集完成后，將實(shí)驗(yàn)裝置移至下個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，直到所有待測(cè)點(diǎn)位測(cè)試完畢。

3 道床剛度實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

在測(cè)量道床剛度時(shí)，以鋼軌作為反力架對(duì)軌枕施加垂向載荷，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性需拆除2根相鄰軌枕的扣件，1根軌枕作為加載的對(duì)象，1根軌枕用于安裝位移測(cè)量裝置。在鐵路碎石道床狀態(tài)參數(shù)測(cè)試方法中并未明確指出載荷加載點(diǎn)距離鋼軌中心的距離和位移測(cè)量點(diǎn)距離鋼軌中心的距離，根據(jù)道床剛度的定義，載荷加載點(diǎn)和位移加載點(diǎn)均應(yīng)盡量靠近承軌面。然而，在實(shí)際測(cè)量過程中，這2個(gè)距離卻要參考道床質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)進(jìn)行道床剛度測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)距離。計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的位移，即有

式中：D7.5為垂向載荷為7.5 kN時(shí)測(cè)點(diǎn)的平均位移，D35為垂向載荷為35 kN時(shí)測(cè)點(diǎn)的平均位移，D17.5為垂向載荷為7.5 kN時(shí)測(cè)點(diǎn)1的位移，D27.5為垂向載荷為7.5 kN時(shí)測(cè)點(diǎn)2的位移，D135為垂向載荷為35 kN時(shí)測(cè)點(diǎn)1的位移，D235為垂向載荷為35 kN時(shí)測(cè)點(diǎn)2的位移。

道床剛度的計(jì)算可表示為

式中：Fi為被測(cè)軌枕下的道床剛度，P35為垂向載荷為35 kN，P7.5為垂向載荷為7.5 kN。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

1）實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置在安裝時(shí)，由于千斤頂?shù)男谐梯^短，故要在千斤頂?shù)南路皆黾訅|塊。垂向載荷施加部分從下往上依次為墊塊、千斤頂、壓力傳感器、反力架。位移測(cè)量采用的是激光位移傳感器，軌枕上表面較粗糙，對(duì)激光的反射能力較差，故在軌枕上放置一段矩形管作為位移測(cè)量的輔助裝置。位移測(cè)量部分從下往上依次為矩形管、激光位移傳感器、位移傳感器支架。道床剛度實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖5所示。

圖5 道床剛度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝

2）道床剛度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)流程

①將壓力傳感器安裝在反力架下側(cè)，位移傳感器安裝在支架上，拆除被測(cè)軌枕與相鄰一根軌枕的扣件，并將被測(cè)軌枕表面的沙土清理干凈；

②安裝千斤頂、反力架，接通壓力傳感器電源，壓力參數(shù)通過USB與RS485轉(zhuǎn)換器傳輸至壓力采集系統(tǒng)；

③通過手搖泵將千斤頂壓出，使千斤頂壓緊壓力傳感器產(chǎn)生預(yù)壓力，保證反力架不傾倒；

④在道床上打入鋼釬，安裝位移傳感器支架，在被測(cè)軌枕上放置矩形管，接通位移傳感器電源，調(diào)整位移傳感器與矩形管之間的距離，使其在50 mm左右；

⑤在數(shù)據(jù)采集時(shí)，壓力和位移需同時(shí)采集，2人操作手搖泵進(jìn)行加壓，另2人操作筆記本電腦進(jìn)行壓力和位移的采集，加壓的2人需根據(jù)所采集數(shù)據(jù)調(diào)整自己的加圧速度，盡量保證2個(gè)千斤頂施加的壓力相等；

⑥當(dāng)一個(gè)測(cè)點(diǎn)采集完成后，將實(shí)驗(yàn)裝置移至下個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，直到所有待測(cè)點(diǎn)位測(cè)試完畢。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在此次實(shí)驗(yàn)中，共采集9個(gè)測(cè)點(diǎn)（各測(cè)點(diǎn)距離相等）進(jìn)行軌道剛度以及道床剛度的測(cè)量，通過所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)軌道剛度以及道床剛度。由于在鐵路標(biāo)準(zhǔn)中未明確指出軌道剛度的測(cè)量應(yīng)當(dāng)施加載荷的大小，在對(duì)軌道壓力位移數(shù)據(jù)初步處理后發(fā)現(xiàn)，軌道壓力與位移近似線性關(guān)系。因此，將軌道壓力和位移進(jìn)行線性擬合，將擬合的線性表達(dá)式的斜率作為軌道剛度，圖6為某一測(cè)點(diǎn)的垂向位移—垂向載荷散點(diǎn)圖。

圖6 某測(cè)點(diǎn)載荷－位移數(shù)據(jù)

軌道剛度以及道床剛度的計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，道床剛度在8.67～45.91 kN/mm時(shí)對(duì)應(yīng)的軌道剛度（實(shí)驗(yàn)值）為23.13～68.08 kN/mm，得出軌道剛度（實(shí)驗(yàn)值）的平均值約為道床剛度的2倍。由于試驗(yàn)線路經(jīng)常進(jìn)行試驗(yàn)且維修較少，導(dǎo)致軌道試驗(yàn)數(shù)據(jù)不理想，為了更為準(zhǔn)確地研究?jī)烧哧P(guān)系，對(duì)軌道建立了有限元模型進(jìn)行仿真，其值為20.58～69.49 kN/mm。

表1 各測(cè)點(diǎn)軌道剛度與道床剛度 kN/mm

如圖7所示，第2、3、5點(diǎn)處的軌道剛度實(shí)驗(yàn)值與仿真值具有一定差別，但整體趨勢(shì)較一致。軌道剛度與道床剛度的值近似為線性關(guān)系，軌道剛度隨道床剛度的增加呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)，由此可通過測(cè)量軌道剛度來推測(cè)道床剛度。

圖7 實(shí)驗(yàn)和仿真中軌道剛度和道床剛度關(guān)系

5 結(jié)論

1）軌道剛度的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示軌道壓力與位移近似線性關(guān)系，由此可將壓力與位移擬合的線性表達(dá)式的斜率作為軌道剛度；

2）軌道剛度與道床剛度之間具有較明顯的近似線性的關(guān)系。

綜上所述，針對(duì)軌道剛度能實(shí)現(xiàn)不拆除任何部件而快速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，建議在測(cè)量道床剛度時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況通過軌道剛度來進(jìn)行推測(cè)，從而提高道床剛度的測(cè)量效率。