重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評估及強(qiáng)化技術(shù)研究

李振基

（國能朔黃鐵路公司肅寧分公司，河北滄州062350）

0 引言

通過全面評估重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，應(yīng)用強(qiáng)化技術(shù)，不僅能全面了解和掌握軌道部件的傷損規(guī)律，還能將輪軌動力作用降到最低，有效提升軌道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長軌道部件的使用壽命，為完善養(yǎng)護(hù)、維修制度及提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩⒖煽啃?，提供了重要的技術(shù)支撐。因此，如何科學(xué)地評估重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、應(yīng)用強(qiáng)化技術(shù)，是相關(guān)技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 重載列車對軌道結(jié)構(gòu)的影響

通過對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)化計(jì)算與分析，可以全面了解和把握軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對鋼軌部件受力性能的影響程度。同時(shí)，還能全面了解和把握不同軸重參數(shù)對軌道強(qiáng)度的影響程度，確保重載列車穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行。

2 朔黃線軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性及安全性分析

對于重載鐵路軌道而言，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、傷損程度與列車的軸重、列車牽引重量之間存在著密切聯(lián)系。軌道各部件位移、作用頻率會隨著列車密度和軸重增加成正比增長[1]。結(jié)合朔黃線軌道設(shè)備測力，采用數(shù)據(jù)對比的方式，全面分析鋼軌、軌枕、道岔等結(jié)構(gòu)部件的疲勞受損程度，對朔黃線軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和安全性進(jìn)行綜合分析和評判[2]。

2.1 軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度動態(tài)試驗(yàn)分析

2.1.1 測力輪的測量結(jié)果與分析

在朔黃線試驗(yàn)中，主要選用了C80 重載測試車，車輛上安裝了相應(yīng)的測試儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，第一軸位安裝了ECS 系統(tǒng)軸測力輪對和加速度傳感器，對道岔進(jìn)行全方位測試與分析[3]。測試車輛在經(jīng)過朔黃線黃驊南42#道岔期間，其行駛時(shí)速為28km/h，輪軌橫向力、輪軌曲基本股、輪軌脫軌系數(shù)曲導(dǎo)股、輪軌曲基本股最大值、輪軌輪重減載率最大值分別為119kN、70kN、0.9、0.65、0.44。側(cè)向過岔動力學(xué)指標(biāo)最大值如表1所示。從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)列車側(cè)向經(jīng)過道岔曲股時(shí)，脫軌系數(shù)等指標(biāo)不斷增加。其中，輪軌橫向力最大值、脫軌系數(shù)最大值分別達(dá)到了114kN、0.9，接近安全限值。通過對岔區(qū)設(shè)備檢查情況分析，道岔區(qū)段心軌掉塊，尖軌側(cè)磨，彈條變形失效，道岔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足等問題顯現(xiàn)[4]。

表1 側(cè)向過岔動力學(xué)指標(biāo)最大值

2.1.2 地面布點(diǎn)動力性能試驗(yàn)與分析

在該試驗(yàn)中，通過全面測試C80 萬噸大列（該大列主要是由朔黃線運(yùn)營），在全面結(jié)合運(yùn)營線路現(xiàn)場情況的基礎(chǔ)上，確定具有代表性的區(qū)段，并將該區(qū)段作為試驗(yàn)工點(diǎn)進(jìn)行處理。試驗(yàn)工點(diǎn)主要包括以下幾部分：

（1）橋上有砟軌道。該試驗(yàn)地點(diǎn)所對應(yīng)的線路必須設(shè)置為直線形式，鋼軌上線時(shí)間和線路坡度分別為1年和1.3%。此外，還布置了兩個(gè)測試斷面，一個(gè)是跨中測試斷面，另一個(gè)是梁端測試斷面[5]?，F(xiàn)場實(shí)測橋?qū)?yīng)的上道砟厚度為200mm。

（2）60-12 號可動心軌道岔。將集寧南站設(shè)置為試驗(yàn)地點(diǎn)K497+746，將道岔部件上線時(shí)間控制在一年內(nèi)，并確保萬噸大列均通過所設(shè)置好的直側(cè)方向，道岔支距不斷下降至5mm，查照間隔通常被設(shè)置為1389mm。此外，道岔內(nèi)含有兩種接頭，一種是普通絕緣接頭，另一種是膠接絕緣接頭，且護(hù)軌與軌間通常會存在大量金屬屑。

（3）60-12 號固定型道岔。道岔上線時(shí)間為一個(gè)月，萬噸大列對應(yīng)的過岔相對較多，鋼軌內(nèi)部接頭出現(xiàn)比較嚴(yán)重的傷損現(xiàn)象。此外，尖軌出現(xiàn)明顯的拱起現(xiàn)象，導(dǎo)致尖軌與滑床板之間的距離不斷增加，使其間隙值達(dá)到了5mm。三個(gè)工點(diǎn)的動態(tài)化試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，型號為60-12 專線4249 的固定型道岔在直向通過期間，其脫軌系數(shù)為0.13，輪重減載率為0.1；在側(cè)向通過時(shí)，其脫軌系數(shù)為0.79，輪重減載率為0.29。型號為75-12SC559 的固定型道岔，在直向通過時(shí)，其脫軌系數(shù)為0.30，輪重減載率為0.19；在側(cè)向通過時(shí)，其脫軌系數(shù)為0.87，輪重減載率為0.19。盡管這些安全性指標(biāo)低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，但是，脫軌系數(shù)和輪重減載率呈現(xiàn)上升趨勢，說明安全儲備量相對較小。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2 鋼軌適應(yīng)性分析

軸重增加直接影響了輪軌接觸應(yīng)力，同時(shí)，鋼軌接觸疲勞傷損、軌面剝離、壓潰及波磨病害顯著。將鋼軌軸重分別設(shè)置為22t、24t、26t，然后采用赫茲接觸理論，精確計(jì)算在不同軸重條件下，84kg/m 鋼軌的接觸應(yīng)力和剪應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表3。輪軌接觸面附近位置容易出現(xiàn)輪軌接觸最大剪應(yīng)力，當(dāng)軸重從22t 增加到26t 時(shí)，其輪軌接觸應(yīng)力從原來的1284.8MPa 上升至1362.2MPa，表面最大剪應(yīng)力從398.3MPa 上升至424.8MPa。

表3 鋼軌適應(yīng)性分析

2.3 軌枕扣件適應(yīng)性分析

2.3.1 軌枕狀態(tài)評估

現(xiàn)階段，導(dǎo)致朔黃線軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)枕失效問題的主要原因是鋼軌缺陷、道床板結(jié)、排水不暢。所以，在進(jìn)行砟軌道維修期間，相關(guān)人員應(yīng)做好對軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)化和完善。對于朔黃線III 型軌枕而言，其曲線地段經(jīng)常出現(xiàn)開裂、折斷、掉塊等現(xiàn)象[6]。但是，整體裂縫寬度低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，III 型軌枕的傷損率較低，而II 型軌枕出現(xiàn)的傷損往往比較嚴(yán)重。

2.3.2 扣件狀態(tài)評估

在施工現(xiàn)場，通過利用游標(biāo)卡尺，對朔黃線內(nèi)的III 型軌枕釘根部直徑進(jìn)行精確測量。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，螺旋道釘?shù)闹睆狡骄颠_(dá)20.19mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了螺旋道釘直徑。但是，位于曲線下端的螺旋道釘直徑平均值和直徑最小值分別為18.18mm 和17.25mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了螺旋道釘直徑的最小值，這表明，螺旋道釘設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)，并沒有出現(xiàn)失效問題[7]。但是，由于曲線下股直徑值相對較小，導(dǎo)致螺旋道釘出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕問題。此外，經(jīng)過全面檢查，發(fā)現(xiàn)螺旋道釘?shù)馁|(zhì)量達(dá)標(biāo)。

2.4 道床狀態(tài)適應(yīng)性評估

道砟層具有厚度不均勻的特點(diǎn)，其平均值被控制在0.3～0.7m 之間。當(dāng)?shù)理膶游挥诘刭|(zhì)條件優(yōu)越、施工現(xiàn)場環(huán)境較好的地段時(shí)，其厚度平均值被控制在0.2～0.4m 之間；當(dāng)?shù)理膶游挥诘刭|(zhì)條件差、施工現(xiàn)場環(huán)境差的地段時(shí)，其厚度平均值被控制在1～2m 之間。朔黃線道砟下方與基床接觸，會對基床產(chǎn)生一定的影響[8]。由于地基處理操作不科學(xué)，導(dǎo)致路基面出現(xiàn)過大沉降區(qū)段問題，經(jīng)過抬道整治處理后，往往會出現(xiàn)路肩寬度不足的問題，嚴(yán)重影響了道床的整體穩(wěn)定性。

3 朔黃線軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化對策

在進(jìn)行朔黃線軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化期間，相關(guān)人員可從以下幾方面入手：

3.1 鋼軌及鋼軌接頭的強(qiáng)化

在這一環(huán)節(jié)中，相關(guān)人員要利用凍結(jié)膠黏接法，不斷優(yōu)化接頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，使輪軌動力沖擊程度降到最低。同時(shí)，加裝新型重載聯(lián)結(jié)零件、熱塑性膠墊，全面提高框架剛度。

3.2 軌枕類型選擇

朔黃線上行線軌枕已全部更換為Ⅲ型軌枕，經(jīng)過近年來的實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn)，III 型軌枕在重載運(yùn)營中傷損較少，建議在軸重為25t 的條件下，將下行線及部分站場的兩萬噸重車線站場更換為Ⅲ型軌枕。

3.3 道岔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

針對運(yùn)量及軸重的增加，兩萬噸徑路道岔及連接曲線，通過道岔安裝整體式軌距桿、多功能防爬裝置、成組道岔通長軌撐鐵墊板；連接曲線安裝軌撐、軌距桿、地錨，絕緣膠接等多項(xiàng)措施，同時(shí)，使用心軌加寬型重載轍叉，周期性涂覆干式潤滑劑和打磨的方式，提升道岔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前，設(shè)備維修周期由原來的15d 延長至45d，軌料使用周期可延長45～75d。

4 結(jié)語

綜上所述，為了保證軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評估結(jié)果的精確性和真實(shí)性，現(xiàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算法、動態(tài)試驗(yàn)法、車載探地雷達(dá)檢測法，對鋼軌結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性進(jìn)行全面分析，并制定出一套系統(tǒng)、完善的軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化方案，將軸重增大、運(yùn)量增多等風(fēng)險(xiǎn)降到最低，為后期科學(xué)的維修線路提供重要的技術(shù)指導(dǎo)。