再生復(fù)合軌枕有砟軌道疲勞試驗

徐鐵華

(國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北 肅寧 062350)

重載鐵路是大型原材料貨物運輸?shù)闹匾ǖ?關(guān)系著國計民生。隨著重載鐵路“擴(kuò)能改造”工程的推進(jìn),列車軸重和行車密度不斷增加,道砟粉化現(xiàn)象加劇,誘發(fā)道床翻漿冒泥等病害,惡化軌道服役狀態(tài),威脅重載列車運輸安全。為應(yīng)對道砟粉化問題,目前多采用彈性較好的軌枕,如彈性軌枕、再生復(fù)合軌枕、竹基軌枕等[1]。其中再生復(fù)合軌枕主要以工業(yè)廢料、再生塑料和礦物填料等為原材料,并輔加玻璃纖維絲加勁物而制成,具有彈性好、質(zhì)量輕、來源廣等特點[2],在歐洲、美國、巴西等鐵路線上均有鋪設(shè)。

針對再生復(fù)合軌枕的使用,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量試驗和理論研究。Lotfy等[3]研發(fā)了基于高密度聚乙烯材料的復(fù)合軌枕,通過試驗分析了復(fù)合軌枕的抗彎性能和疲勞性能;Ferdous等[4]研發(fā)了一種適用于窄軌鐵路的復(fù)合軌枕,并通過材料性能和結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗確定了最佳的配比和結(jié)構(gòu)尺寸;趙振航等[1,5]通過落軸試驗,確定了有砟軌道用復(fù)合軌枕的動剛度和阻尼,確定了復(fù)合軌枕的減振性能優(yōu)于彈性軌枕,為復(fù)合軌枕應(yīng)用于有砟軌道提供了支撐。沈毓婷等[6]開展了300萬次的復(fù)合軌枕無砟軌道整體疲勞試驗,驗證了復(fù)合軌枕應(yīng)用于無砟軌道的可行性。張騫等[7]通過建立車-線-橋動力仿真模型,分析了復(fù)合軌枕應(yīng)用于重載鐵路大跨度鋼桁梁橋上的動力響應(yīng),確定了其可作為木枕的替代品。閆雪等[8]基于動力學(xué)仿真模型,針對復(fù)合軌枕應(yīng)用于鋼桁明橋面橋時,從系統(tǒng)動力學(xué)指標(biāo)角度,對軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。已有研究集中于復(fù)合軌枕的基本力學(xué)性能和減振性能方面,但對于復(fù)合軌枕應(yīng)用于有砟軌道的耐久性研究缺乏。

基于此,本文建立再生復(fù)合軌枕有砟軌道足尺模型,并開展300萬次疲勞試驗,觀察軌道結(jié)構(gòu)位移、受力等的變化,為再生復(fù)合軌枕有砟軌道的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗概況

1.1 足尺模型

用于疲勞試驗的再生復(fù)合軌枕有砟軌道足尺模型如圖1所示。再生復(fù)合軌枕有砟軌道足尺模型主要由60 kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型分開式扣件、再生復(fù)合軌枕和有砟道床組成。

圖1 再生復(fù)合軌枕有砟軌道

試驗用再生復(fù)合軌枕主要由再生橡膠、塑料組成,單根軌枕長度為2.7 m;軌枕橫截面為矩形,寬、高分別為220 mm和180 mm。模型中共鋪設(shè)6根軌枕,軌枕間距為0.6 m。彈條Ⅱ型分開式扣件,扣件系統(tǒng)垂向靜剛度約為60 kN/mm。有砟道床采用一級道砟分層鋪設(shè),道床厚度為0.35 m,道床頂面與軌枕頂面平齊;道砟材質(zhì)為玄武巖碎石,道砟級配如圖2所示。

圖2 道砟級配

1.2 試驗設(shè)備

疲勞試驗所采用設(shè)備主要包括加載設(shè)備、加載工裝、激光位移傳感器、傳感器信號采集設(shè)備和軌距尺,其中加載設(shè)備為AMSLER脈沖試驗機。該試驗機所能施加的最大荷載為500 kN,且自帶力傳感器和位移傳感器,用于測試試驗機作動器施加荷載的大小和伸縮位移。每次進(jìn)行道床下沉量測試時,利用試驗機作動器進(jìn)行加載(1.0 kN),記錄此時試驗機的位移傳感器測試作動器的位移量,以試驗開始前的首次位移量測試值為道床下沉零點,從而實現(xiàn)道床下沉量的測試。

加載工裝為荷載分配橫梁及與橫梁相連且用于垂、橫向荷載分配的特制角鋼(如圖3所示),其中橫梁可用于荷載的傳遞,特制角鋼則保證橫梁所傳遞荷載能按要求作用線方向傳遞至鋼軌上;試驗中單側(cè)鋼軌承受的橫向力與垂向力比值約為0.65。

圖3 加載工裝

激光位移計主要用于鋼軌-軌枕相對位移、軌枕-道床垂向相對位移等參數(shù)的測試;激光位移計的量程為10 mm,示值誤差為0.1 mm。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為德國IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。軌距尺則用于軌距的測量,測試位置以緊貼分配橫梁斷面為準(zhǔn)。

1.3 加載方案

試驗中以軸重25 t列車荷載為例,并考慮1.5倍的動力系數(shù),則輪軌垂向力最大值為187.5 kN,故脈沖試驗機施加于分配橫梁上的荷載最大值為375 kN。最小加載值取為125 kN,加載頻率為4 Hz,加載波形為正弦波,加載次數(shù)為300萬次。疲勞試驗開始之前,先進(jìn)行預(yù)加載,確定脈沖試驗機的力傳感器和位移傳感器、激光傳感器及IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀是否正常運行。

1.4 測點布置

再生復(fù)合軌枕有砟軌道疲勞加載過程中,主要進(jìn)行鋼軌-軌枕垂向和橫向相對位移、軌枕-道床垂向相對位移、道床下沉量和軌距的測量,具體測點布置如圖4所示。

圖4 測點布設(shè)位置

試驗過程中同時觀察軌道結(jié)構(gòu)組成部件是否發(fā)生破壞。利用各類傳感器和數(shù)據(jù)采集儀對軌道結(jié)構(gòu)試驗開始前的初始狀態(tài)及試驗過程中每經(jīng)歷30萬次循環(huán)荷載即進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,其中軌距及道床下沉量為靜態(tài)測量。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鋼軌位移

為了便于對比分析,跨中及枕中鋼軌-軌枕相對位移測試結(jié)果均為相對于3號軌枕,圖5為鋼軌-軌枕的垂向和橫向相對位移峰值隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

從圖5結(jié)果看出,鋼軌-軌枕垂向及橫向相對位移整體上均隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢,這主要是由于軌下膠墊在疲勞荷載作用下性能劣化、剛度增加所致。因軌下膠墊剛度增加幅度較小,鋼軌與軌枕相對位移降幅變化也較小。枕中位置鋼軌直接承受扣件、軌枕及道床的支撐作用,相對跨中位置的支撐剛度稍大,故跨中位置的鋼軌-軌枕垂向相對位移在疲勞試驗過程中均大于枕中位置對應(yīng)值。

從圖6結(jié)果看出,當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)小于150萬次變化時,隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加,軌距略有增加,增幅為0.7 mm;當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到150萬次繼續(xù)增加,軌距穩(wěn)定在1 434.9 mm保持不變。表明再生復(fù)合軌枕和配套的扣件系統(tǒng)能夠有效保證軌距的穩(wěn)定,確保實際線路運營過程中軌道幾何形位不超限。

2.2 軌枕位移

圖7為軌枕-道床垂向相對位移峰值隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化曲線。

圖7 軌枕-道床相對位移

從圖7結(jié)果看出,從初始狀態(tài)到荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)30萬時,兩根軌枕對應(yīng)的垂向相對位移均有較大幅度的降低,其中2號、3號軌枕對應(yīng)的垂向相對位移分別減小了0.21 mm和0.35 mm。這是由于軌枕鋪設(shè)過程中與散粒體道床之間存在有縫隙,在經(jīng)歷30萬次循環(huán)荷載后,軌枕與道床之間接觸密實,故垂向相對位移基本保持穩(wěn)定。3號軌枕相對于2號軌枕更靠近加載點,故其受到的荷載較大,垂向相對位移也較大。軌枕-道床垂向相對位移穩(wěn)定時,2號、3號軌枕垂向相對位移相差約1.19 mm。即荷載作用下軌枕自身會發(fā)生較大的變形,表征再生復(fù)合軌枕的剛度較小,對列車通過時的減振功能發(fā)揮是有利的。

2.3 道床下沉量

試驗過程中,道床下沉量隨荷載循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖8所示。

圖8 道床下沉量

從圖8結(jié)果看出,疲勞試驗中道床下沉量曲線與實際線路中的變化規(guī)律基本一致,在加載初期散粒體道床在荷載作用下不斷被壓密實,從而出現(xiàn)急劇的下沉量;后期由于試驗場地周界存在擋砟墻,避免了枕底道砟擠入軌枕頭、道床邊坡溜塌等現(xiàn)象的發(fā)生,從而阻止道床下沉變形,表現(xiàn)在下沉曲線中為:隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加,道床下沉量基本穩(wěn)定。從擬合結(jié)果看出基本穩(wěn)定在4.0 mm,與文獻(xiàn)[8]中彈性軌枕+道砟墊有砟軌道疲勞試驗結(jié)果基本一致,顯著小于文獻(xiàn)[9]中混凝土軌枕下道床下沉量值,表明再生復(fù)合軌枕具有較好的彈性,可以減小對道床的沖擊。

此外,再生復(fù)合軌枕有砟軌道經(jīng)歷300萬次疲勞荷載后,軌道各部件狀態(tài)均良好,未發(fā)生軌枕開裂等現(xiàn)象,表明再生復(fù)合軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)良好,具有較好的耐久性。

3 結(jié)論

通過建立再生復(fù)合軌枕有砟軌道足尺模型,開展300萬次循環(huán)加載,并測試軌道部件變形和鋼軌受力,分析軌道結(jié)構(gòu)疲勞性能,可以得到以下結(jié)論:

(1)鋼軌-軌枕垂向和橫向相對位移、軌距、軌枕-道床垂向相對位移、道床下沉量均隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而變化,當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到150萬次后均趨于穩(wěn)定。

(2)再生復(fù)合軌枕具有很好的彈性性能,在疲勞荷載作用下可有效減小道床下沉量,與彈性軌枕+道砟墊有砟軌道對應(yīng)值相當(dāng)。

(3)再生復(fù)合軌枕有砟軌道具有良好的耐久性,300萬次疲勞荷載作用下仍能保持良好的軌道狀態(tài)。