無(wú)縫線路撥軌技術(shù)及撥軌裝置研究

夏海濤 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 前言

由于消除了接頭和焊縫，無(wú)縫線路相比于普通線路具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鋼軌病害少、車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)、便于維修保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。軌道板位于鋼軌下方，開(kāi)展軌道板更換作業(yè)時(shí)，可通過(guò)“鋸軌+撥移鋼軌”方式為新舊軌道板交換提供空間，但鋸軌會(huì)增加鋼軌的焊縫數(shù)量，增加了鋼軌病害的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而采用撥軌方式則可以避免焊縫的出現(xiàn)以保證線路的連續(xù)性。

本文以無(wú)砟軌道板更換為研究基礎(chǔ)，開(kāi)展撥軌工藝研究及撥軌裝置研發(fā)，研究扣件松開(kāi)長(zhǎng)度、施工軌溫與鎖定軌溫差（以下簡(jiǎn)稱軌溫差）、曲線半徑、軌道板擋肩高度、撥軌裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)對(duì)撥軌中鋼軌受力情況的影響，以撥軌過(guò)程產(chǎn)生鋼軌應(yīng)力低于鋼軌屈服強(qiáng)度和撥軌裝置現(xiàn)場(chǎng)操作便利性為準(zhǔn)則，得出撥軌裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，以該撥軌裝置為基礎(chǔ)形成適合多工況的撥軌工藝參數(shù)圖表，充分保證撥軌方式下軌道板更換施工中鋼軌的安全性。

2 撥軌方式施工總體技術(shù)方案

采用撥軌方式進(jìn)行軌道板更換，是將鋼軌撥至傷損軌道板外側(cè)，為新舊軌道板的垂直交換提供空間，完成軌道板更換作業(yè)，如圖1所示。

圖1 撥軌方式更換軌道板布局圖-半幅

撥軌技術(shù)方案主要從兩個(gè)方面進(jìn)行研究：①扣件松開(kāi)長(zhǎng)度、軌溫差、曲線半徑、撥軌量等參數(shù)對(duì)鋼軌的影響；②配套的撥軌裝置研發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)。

不同類(lèi)型軌道板寬度及承軌臺(tái)擋肩、鐵墊板高度不同，因此鋼軌的外撥量也有所不同，此外鋼軌外撥量的尺寸還受軌道板吊裝工裝尺寸的影響，具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSIII型三類(lèi)軌道板撥軌量

3 關(guān)鍵參數(shù)理論分析

利用有限元方法模擬撥軌方式更換軌道板時(shí)鋼軌的受力工況，將仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化完善理論計(jì)算模型。再利用該模型分析不同工況下鋼軌的受力與變形，提出合理的撥軌工藝參數(shù)，以用于撥軌裝置的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

撥軌方式進(jìn)行軌道板更換施工作業(yè)，扣件松開(kāi)長(zhǎng)度、鋼軌抬升量（越過(guò)承軌臺(tái)擋肩）及撥軌量是施工中撥軌裝置實(shí)際執(zhí)行的目標(biāo)參數(shù)。撥軌量只需滿足軌道板吊裝出入即可，因此關(guān)于撥軌方式的理論計(jì)算，主要是分析計(jì)算扣件松開(kāi)長(zhǎng)度和軌溫差、曲線半徑以及鋼軌抬升量的關(guān)系。

3.1 理論模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論模型仿真結(jié)果，分別在南翔試驗(yàn)線和滬寧城際高鐵線路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，基于同等工況下理論仿真撥軌力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)撥軌力的擬合進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 實(shí)測(cè)撥軌力與仿真撥軌力比對(duì)

由圖2可知在南翔試驗(yàn)線實(shí)測(cè)撥軌力與理論仿真撥軌力線性擬合較好。滬寧城際高鐵線路實(shí)測(cè)撥軌力與理論仿真撥軌力比對(duì)，除第2次外其它幾次測(cè)試比對(duì)擬合也較好。第2次差值較大原因?yàn)閾苘壯b置液壓油缸操作不當(dāng)造成，因此可利用該模型進(jìn)行多種工況的理論計(jì)算，可將結(jié)果用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)撥軌作業(yè)并且為撥軌裝置的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化提供參數(shù)參考。

3.2 鋼軌抬升量對(duì)扣件松開(kāi)長(zhǎng)度影響

圖3 不同抬軌量與扣件松開(kāi)長(zhǎng)度的關(guān)系

以軌溫差為5℃為定量，計(jì)算了直線段鋼軌不同抬升量對(duì)扣件松開(kāi)長(zhǎng)度的影響，由圖3可知，鋼軌抬升量隨著扣件松開(kāi)長(zhǎng)度的增大對(duì)于扣件受力的影響越來(lái)越小。

扣件松開(kāi)長(zhǎng)度、鋼軌抬升量以及撥軌量等參數(shù)決定了撥軌裝置的結(jié)構(gòu)形式，撥軌量受軌道板寬度和吊裝工裝尺寸影響，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工便利性以及吊裝工裝的結(jié)構(gòu)尺寸，統(tǒng)一按撥軌量720 mm計(jì)算；鋼軌抬升量由撥軌裝置墊支，為了簡(jiǎn)化撥軌裝置，提高現(xiàn)場(chǎng)撥軌的可操作性，應(yīng)選定確定的抬軌量進(jìn)行撥軌裝置的設(shè)計(jì)，結(jié)合圖1，撥軌裝置主框架處鋼軌提升量取120 mm，滑道處鋼軌抬升量取100 mm。

3.3 軌溫差與曲線半徑對(duì)鋼軌扣件松開(kāi)長(zhǎng)度的影響

前面小節(jié)確定了鋼軌抬升量以及撥軌量等參數(shù)，本小節(jié)以扣件松開(kāi)長(zhǎng)度為目標(biāo)參數(shù)，分析軌溫差、曲線半徑對(duì)其的影響。

圖4 計(jì)算分析了幾種常見(jiàn)曲線半徑下不同軌溫差與扣件松開(kāi)長(zhǎng)度之間的關(guān)系，可看出相同曲線半徑條件下，軌溫差越大，需松開(kāi)扣件長(zhǎng)度越大。撥軌作業(yè)方式扣件松開(kāi)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，并且涉及到不同的施工工況（一般指不同板型、軌溫差、曲線半徑以及超高情況），因此撥軌裝置采用模塊化設(shè)計(jì)思路，可根據(jù)不同施工工況進(jìn)行模塊化組合?？傮w布局圖如圖1所示，主要包括：撥道裝置主框架、滑道、鋼軌位移約束模塊。以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研發(fā)的撥軌裝置在線上進(jìn)行撥軌作業(yè)時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D4所示扣件松開(kāi)長(zhǎng)度進(jìn)行撥軌裝置的布局。

圖4 不同軌溫差、曲線半徑與扣件松開(kāi)長(zhǎng)度關(guān)系

3.4 撥軌后鋼軌復(fù)位情況分析

鋼軌復(fù)位時(shí)，在軌溫差大于0℃時(shí)存在脹軌的隱患，導(dǎo)致部分鋼軌無(wú)法順利復(fù)位，表2為鋼軌復(fù)位時(shí)未落入承軌臺(tái)部分分別剩余10 m和5 m鋼軌時(shí)所需復(fù)位力。如軌溫差5℃時(shí)發(fā)生脹軌，鋼軌復(fù)位時(shí)剩10 m鋼軌未落位時(shí)，鋼軌伸長(zhǎng)量并未改變，如若將這段鋼軌完全落槽復(fù)位需要至少5.87 kN的復(fù)位力才行，鋼軌剩余5 m時(shí)則需8.06 kN的復(fù)位力，由此可看出軌溫差相同時(shí)剩余鋼軌越短，復(fù)位鋼軌所需復(fù)位力越大，并且隨著溫差增大，復(fù)位力明顯升高。

以上復(fù)位力計(jì)算為理想狀態(tài)下的鋼軌復(fù)位力，實(shí)際撥軌作業(yè)過(guò)程中，由于摩擦力、超高等因素的存在剩余未復(fù)位鋼軌不是完全理想的弧形，并且若考慮摩擦力、超高等因素影響，實(shí)際鋼軌復(fù)位力要大于表2所列計(jì)算值。因此在軌溫差大于0℃進(jìn)行撥軌作業(yè)時(shí)要做好鋼軌復(fù)位措施。例如對(duì)鋼軌進(jìn)行物理降溫或采用機(jī)械方式將鋼軌強(qiáng)制復(fù)位，考慮到該種該種工況發(fā)生的可能性撥軌裝置還具備機(jī)械方式復(fù)位鋼軌功能。

表2 剩余10 m、5 m鋼軌伸長(zhǎng)量、最大弧頂量

4 撥軌裝置研發(fā)

由于扣件松開(kāi)長(zhǎng)度較大，撥軌裝置采用模塊化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)不同施工工況進(jìn)行模塊化組合，具備適應(yīng)不同工況下?lián)苘壖颁撥墢?fù)位功能。主要包括：撥軌裝置主框架、滑道、鋼軌位移約束模塊。

4.1 撥軌裝置主框架

撥軌裝置主框架是為動(dòng)力系統(tǒng)提供反力、為鋼軌滑移提供滑道、鎖緊固定鋼軌以及墊支鋼軌作用，圖5為撥軌裝置示意圖及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖5 撥軌裝置及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

撥軌裝置單次撥軌量最大為370 mm，撥道720 mm順利將軌道板進(jìn)行更換，需分兩次進(jìn)行撥道。當(dāng)出現(xiàn)鋼軌難以復(fù)位情況時(shí)（一般為軌溫差較大或超高條件下），頂軌油缸部分可由兩軌內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移放置在鋼軌外側(cè)，反向頂軌實(shí)現(xiàn)鋼軌的復(fù)位。

4.2 滑道

滑道起支撐鋼軌滑移作用，根據(jù)理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，滑道高度為120 mm和100 mm兩種規(guī)格，遇到單個(gè)天窗連續(xù)更換多塊軌道板工況可適當(dāng)增加滑道數(shù)量。圖5所示為滑道現(xiàn)場(chǎng)使用情況。

4.3 鋼軌位移約束模塊

鋼軌位移約束模塊解決了外撥與抬升鋼軌觸碰軌道板承軌臺(tái)擋肩或鐵墊板的問(wèn)題，扣件未松開(kāi)段至松開(kāi)段被滑道墊支抬高是逐漸上升的，如圖1中A所示，鋼軌外撥過(guò)程中受軌道板承軌臺(tái)擋肩或鐵墊板高度影響，容易碰傷承軌臺(tái)擋肩，造成軌道板的傷損。因此撥軌裝置采用軌距拉桿進(jìn)行鋼軌合理位置的約束限制，避免該情況的發(fā)生。同時(shí)該模塊還可實(shí)現(xiàn)鋼軌線形的漸變，防止端部扣件受力。圖6所示為鋼軌位移約束模塊的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖6 鋼軌位移約束模塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 總結(jié)

（1）本文限于篇幅，無(wú)法展開(kāi)撥軌技術(shù)及配套裝置研發(fā)的詳細(xì)論述，僅從撥軌關(guān)鍵工藝參數(shù)及撥軌裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸等方面做了簡(jiǎn)要闡述，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試等內(nèi)容未在文中展開(kāi)說(shuō)明。

（2）本文通過(guò)南翔試驗(yàn)線、滬寧城際高鐵線驗(yàn)證了撥軌理論計(jì)算模型的可靠性，利用理論計(jì)算模型針對(duì)性地計(jì)算了扣件松開(kāi)長(zhǎng)度與軌溫差、曲線半徑、抬軌量等關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系，用以優(yōu)化設(shè)計(jì)撥軌裝置并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)撥軌作業(yè)。

（3）撥軌裝置經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，能完成不同軌溫差、不同板型、不同曲線半徑及不同超高等工況下的撥軌作業(yè)，并通過(guò)軌距拉桿鎖住鋼軌實(shí)現(xiàn)了鋼軌線形的控制，避免了鋼軌外撥時(shí)觸碰承軌臺(tái)擋肩問(wèn)題的發(fā)生。