無縫線路施工期間軌縫值和車速匹配研究

郭 慶, 王建西,3, 王曉曼, 周重陽, 安文杰

(1.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室,河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,河北 石家莊 050043;3.河北省鐵路扣件系統(tǒng)技術創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050043)

近年來,經(jīng)濟和科技進步推動鐵路行業(yè)技術革新,無縫線路作為軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的標志得到廣泛應用。國外某工程受合同制約工期緊張且無焊軌基地,現(xiàn)場施工采用軌排成組焊連無縫線路法鋪設無縫線路,工序為:新單元軌組成軌排→鋪軌機鋪設軌排→短軌焊接為長軌→應力放散與鎖定。軌排焊接前存在大量鋼軌接頭的線路需要作為運輸線多次通過鋪軌設備和工程列車,因此對焊接前的鋼軌暫時采用新型聯(lián)結(jié)裝置進行無損連接,以減弱工程車輛通過接頭處的沖擊作用,減輕后續(xù)軌排焊接前鋸軌和串軌工作量。為滿足現(xiàn)場快速施工需求,需提高工程車輛運輸速度。但運輸速度提升會加劇輪軌間沖擊作用,過大的輪軌沖擊不僅造成接頭區(qū)軌端傷損,不利于后續(xù)軌排焊連工作,還會影響軌道穩(wěn)定性,危及行車安全。因此,為保證工程車輛安全快速運輸?shù)耐瑫r減少鋼軌接頭處的傷損,研究施工階段軌縫值與行車速度的匹配關系具有重要意義。

為確保車輛行車安全同時提高運行速度,學者們對不同類型車輛運行速度進行了大量研究。許自強等[1]從列車安全性能角度得出大風工況下的動車組運行限速?？祮吹萚2]采用動力學仿真與實驗相結(jié)合的方法,研究重載貨車在不同狀態(tài)下分別通過直線和曲線路段時,不同運行速度對輪軌動力響應影響規(guī)律,并提出了安全運行限值。白新榮[3]研究了重載鐵路道岔區(qū)在不同的道床狀態(tài)下,以輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率為評定指標的車輛允許速度。

鋼軌接頭是線路的薄弱環(huán)節(jié)之一,其沖擊力是正常值的2～3倍。為減緩接頭區(qū)的輪軌沖擊,學者們對鋼軌接頭進行了研究。徐曉迪等[4]從時域和頻域角度分析了車輛通過鋼軌接頭的動力響應。陳嶸等[5]根據(jù)監(jiān)測的焊接不平順動態(tài)響應,用有限元法研究鋼軌接頭處應力應變。尹成斐[6]分析了75 kg/m鋼軌接頭的溫度場分布情況。MAZILU et al[7]建立鋼軌接頭模型,分析了鋼軌接頭的靜態(tài)行為,并指出了接頭夾板長度和彎曲剛度以及接頭間隙長度對鋼軌接頭損傷的影響。XIAO et al[8]建立鋼軌接頭有限元模型,研究高速鐵路接頭處輪軌沖擊力對扣件的影響。

上述研究表明,軌縫值和行車速度均是影響鋼軌接頭處動力學響應的重要因素,國內(nèi)外針對無縫線路施工過程中軌縫和行車速度關系研究有限,尤其是對采用新型聯(lián)結(jié)裝置連接的臨時軌道研究更為匱乏。以施工階段代表性平車為研究對象,建立車輛-鋼軌接頭耦合動力學模型,研究平車以空載狀態(tài)和滿載狀態(tài)分別通過直線段和曲線段時,軌縫值和速度對鋼軌接頭動力響應的影響規(guī)律,并綜合考慮現(xiàn)場焊接工藝、車輛運行的安全性、鋼軌傷損和軌道穩(wěn)定性,提出無縫線路施工期間預留軌縫值,找出軌縫值與速度匹配關系,研究結(jié)果可為無縫線路快速施工提供理論指導。

1 鋼軌接頭計算模型與工況

1.1 車輛-鋼軌接頭耦合動力學模型

選取施工階段常見物資運輸車平車為代表,在多體動力學軟件中建立車輛模型,包括1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對,將車體、搖枕、側(cè)架、輪對等非彈性阻尼原件均視作剛性體,通過鉸或者力元進行耦合,每個剛性體均可以繞X、Y、Z軸發(fā)生位移或者轉(zhuǎn)動,以模擬點頭、搖頭、浮沉等行車狀態(tài);采用梁單元法建立精細化三維柔性軌道模型,包括鋼軌、軌枕、扣件和道床等,其中鋼軌采用Timoshenko梁,軌枕為剛性軌枕,扣件為粘彈性力元,采用KP多點接觸算法。

為確保模型正確性和可靠性,從輪軌力、鋼軌加速度和軌枕加速度角度對所建模型驗證。根據(jù)文獻[9]中的公式,文獻[10]實驗中錯牙高度0.5 mm沖擊效果等效于軌縫值40 mm,為使驗證更具合理性,選取與文獻[9]所做實驗吻合的模型驗證仿真工況:平車滿載車速52 km/h,軌縫值40 mm。仿真結(jié)果與文獻[10]實驗值對比如表1所示。由表1可得,本模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合,驗證了本文模型的正確性。

表1 實驗值與模擬值對比表

1.2 仿真工況設計

車輛載重的狀態(tài)、行駛的線路線形、軌縫值大小及道床剛度均是限制運行速度的重要因素。施工階段線路條件較差,經(jīng)驗表明美國三級不平順與現(xiàn)場實際軌道不平順較為契合,故軌道不平順選取美國三級不平順,且施工階段道床分層鋪設達到穩(wěn)定期后剛度通常穩(wěn)定在90 kN/m,基于此選取平車以空載狀態(tài)和滿載狀態(tài)分別通過直線段和曲線段時,不同軌縫值和不同速度工況進行研究。

速度工況以構(gòu)造速度90 km/h為上限并按10 km/h為一等級依次遞減;曲線仿真工況依據(jù)工程實際線路最不利條件選取曲線半徑580 m,圓曲線長340 m,緩和曲線長60 m的右轉(zhuǎn)曲線,直線段長120 m;由于后續(xù)省去換鋪工具軌流程將軌排直接焊連,因此軌縫值的確定應綜合考慮無縫線路現(xiàn)場焊接工藝,且滿足無縫線路預留軌縫伸縮量的需求。鋼軌接頭的焊接一般采用閃光焊、電弧焊和鋁熱焊,參照文獻[11]、文獻[12]并結(jié)合文獻[13]中預留軌縫要求,選取軌縫值范圍為3～18 mm。

2 動力響應規(guī)律分析

提取平車通過接頭區(qū)輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值。施工階段車輛在曲線上運行通常為過超高狀態(tài),內(nèi)軌更不利[14],因此,曲線段提取數(shù)據(jù)均為第一輪對右側(cè)車輪。

2.1 輪軌垂向力

影響接頭區(qū)鋼軌傷損主要因素是輪軌沖擊過大,因此,從鋼軌傷損角度以輪軌垂向力為指標進行分析。輪軌垂向力隨軌縫值和速度變化如圖1所示。由圖1可知,當線路線形相同時,同一軌縫值下,輪軌垂向力最大值隨速度的增加不斷增大,且空載狀態(tài)比滿載狀態(tài)垂向力增加幅度大。以18 mm軌縫為例,車速從10 km/h提升至90 km/h,滿載狀態(tài)下直線段輪軌垂向力增大1.52倍,空載狀態(tài)下直線段輪軌垂向力增大2.11倍,滿載狀態(tài)下曲線段輪軌垂向力增大了1.52倍,空載狀態(tài)下曲線段輪軌垂向力增大2.18倍,但考慮到滿載狀態(tài)下的靜輪載是空車的4.42倍,從傷損角度分析滿載狀態(tài)比空載狀態(tài)更為不利。輪軌垂向力的最大值隨著軌縫的增大而增大,且軌縫值越大,由速度變化引起的輪軌垂向力的差異越大。軌縫值為3 mm時,滿載狀態(tài)下隨速度增大直線段和曲線段輪軌垂向力均增大1.22倍,空載狀態(tài)下隨速度增大直線段和曲線段輪軌垂向力均增大1.62倍,增長率均明顯小于軌縫值18 mm;平車滿載或空載以同一速度經(jīng)過同一大小軌縫時,直線段的輪軌垂向力的最大值比曲線段大。

圖1 輪軌垂向力隨速度和軌縫值變化圖

2.2 輪軌橫向力

無縫線路施工過程中線路條件不完善,道床橫向阻力不足,過大的輪軌橫向力會導致軌排橫移,致使無縫線路喪失穩(wěn)定性。因此,從無縫線路穩(wěn)定性考慮,以輪軌橫向力為指標進行分析。平車以不同速度通過不同軌縫值時,輪軌橫向力最大值如圖2所示。線路線形相同時,同一軌縫值下,輪軌橫向力的最大值隨著速度的增加呈非線性增大趨勢。以18 mm軌縫為例,車速從10 km/h提升至90 km/h,滿載狀態(tài)下曲線段橫向力由38.27 kN增大至101.3 kN,直線段橫向力由29.72 kN增大至90.52 kN,空載狀態(tài)下曲線段橫向力由15.86 kN增大至57.73 kN,直線段橫向力由13.59 kN增大至50.75 kN;輪軌橫向力的最大值隨著軌縫的增大而增大,且軌縫值越大,由速度引起的輪軌橫向力的差異越大。車輛滿載或空載以同一速度通過大小相同的軌縫時,曲線段的輪軌橫向力比直線段大,更容易因橫向力不足發(fā)生軌排移動。

圖2 輪軌橫向力隨速度和軌縫值變化圖

2.3 行車安全指標

以輪重減載率和脫軌系數(shù)為行車安全性指標進行分析。平車以不同速度通過不同軌縫值時行車安全指標如圖3所示。線路線形相同時,同一軌縫值下,脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值均隨著速度增加不斷增大,但脫軌系數(shù)均遠小于規(guī)范限值。平車以同一速度通過大小相同的軌縫時,空載狀態(tài)的脫軌系數(shù)和輪重減載率均大于滿載狀態(tài),以軌縫18 mm、車速40 km/h為例,空載狀態(tài)下直線段脫軌系數(shù)和輪重減載率依次為0.339和0.904,均大于滿載狀態(tài)下的0.289和0.727,空載狀態(tài)下曲線段脫軌系數(shù)和輪重減載率依次為0.414和0.996,均大于滿載狀態(tài)下的0.389和0.811,這是因為平車裝滿貨物后重心位置升高導致的車輛穩(wěn)定性降低。平車滿載或空載以相同的速度經(jīng)過不同大小的軌縫時,脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值均隨著軌縫的增大而增大。曲線段的脫軌系數(shù)和輪重減載率均比直線段大,更易發(fā)生車輛脫軌和傾覆。綜上,接頭處動態(tài)響應隨著速度和軌縫值的增加不斷增大,且軌縫值越大由速度引起的輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的差異越明顯。因此,從鋼軌傷損角度、無縫線路穩(wěn)定性角度及行車安全性角度分析,施工過程中應合理設置軌縫值,并加強對施工車輛行車速度的管控。

圖3 安全指標隨速度和軌縫值變化圖

3 軌縫值與施工車輛行車速度匹配分析

基于軌縫值和施工車輛行車速度動力響應規(guī)律研究,考慮到車輛提速要求,綜合現(xiàn)場焊接工藝、車輛運行安全性、鋼軌傷損和軌道穩(wěn)定性等指標,提出不同指標下直線和曲線段預留軌縫限值,并在預留軌縫限值內(nèi)找到軌縫值與施工車輛行車速度的匹配關系。

3.1 施工階段安全閾分析

以表2為標準對車輛運行安全性、軌道穩(wěn)定性和鋼軌傷損進行評價。目前針對瞬態(tài)沖擊下的輪軌垂向作用力的評定標準一直采用英國鐵路規(guī)范進行限值;中國未對施工階段輪軌橫向力限值有明確要求,為防止軌排橫移應保證輪軌橫向力小于道床橫向阻力,施工階段平車上道前現(xiàn)場已完成4次搗固,線路完工后至少搗固6次,結(jié)合文獻[15]道床橫向阻力和搗固次數(shù)的關系,可知施工階段道床橫向阻力是建成后的70%,因此輪軌橫向力限值將根據(jù)文獻[16]按照危險限值的70%計算。輪重減載率和脫軌系數(shù)安全限值均采用文獻[16]限值。

表2 安全評價指標

3.2 不同指標下的軌縫限值

現(xiàn)場施工平車運行速度通常不超過15 km/h,考慮提速要求,需保證平車速度不低于40 km/h。因此選取車速40 km/h研究軌縫的限值。根據(jù)表2工程車輛運行速度評價指標,結(jié)合焊接工藝可得各個指標下的軌縫限值,見圖4,焊接要求是滿足焊接工藝需要的預留軌縫限值。由圖4可得,輪軌橫向力過大導致軌排橫移是影響滿載狀態(tài)下平車行駛區(qū)段的軌縫限值的主要原因,輪載減載率過大危及行車安全是影響空載狀態(tài)下平車行駛區(qū)段軌縫限值的主要原因;綜合5方面因素分析,根據(jù)“木桶效應”建議直線段預留軌縫值控制在8 mm以內(nèi),曲線段預留軌縫值控制在5 mm以內(nèi)。

圖4 不同指標下軌縫限值

3.3 不同軌縫值對應的施工車輛行車速度限值

根據(jù)圖4不同指標下軌縫限值,可得表3不同軌縫限值內(nèi)對應的施工車輛行車速度限值。為保證無縫線路施工的高效與安全,建議控制平車行車速度在各個軌縫值所允許的安全限值內(nèi)。

表3 不同軌縫值對應速度限值 km/h

4 結(jié)論

基于車輛-鋼軌接頭耦合動力學模型,研究軌縫和速度對工程車輛通過鋼軌接頭區(qū)動力學特性的影響,并綜合焊接工藝、車輛運行安全性、鋼軌傷損和軌道穩(wěn)定性,提出無縫線路施工期間預留軌縫限值,并研究軌縫值與速度匹配關系。

(1)平車通過接頭區(qū)的輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率均隨著軌縫值和速度的增加不斷增大,且軌縫值越大,由速度引起的輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的差異越明顯。在鋼軌接頭處,空載狀態(tài)比滿載狀態(tài)的動力沖擊作用更明顯。

(2)輪軌橫向力是限制滿載狀態(tài)下平車提速及所行駛線路軌縫值大小的主要因素,輪重減載率是限制空載狀態(tài)下平車提速及所行駛線路軌縫值大小的主要因素。

(3)考慮到施工過程中車輛運輸效率,提出無縫線路施工過程中的軌縫限值,直線段軌縫值宜保持在8 mm以內(nèi),曲線段軌縫值宜保持在5 mm以內(nèi)。在直線段,當軌縫值為3、5、8 mm時,平車滿載速度安全限值為80、70、40 km/h,平車空載速度安全限值為80、50、40 km/h;在曲線段,當軌縫值為3、5 mm時,平車滿載速度安全限值為70、40 km/h,平車空載速度安全限值為60、40 km/h。