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        高速鐵路無縫道岔基礎參數(shù)的試驗研究

        2014-05-04 08:41:30孫加林許紹輝
        鐵道建筑 2014年4期
        關鍵詞:限位器軌枕無縫

        孫加林,梁 晨,許紹輝

        (1.中國鐵道科學研究院鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心,北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081)

        1 高速鐵路無縫道岔的基礎參數(shù)

        針對橋上鋪設客運專線道岔存在的問題,西南交大、北京交大和中國鐵道科學研究院進行了大量的理論研究,建立了橋上無縫道岔力學模型,利用既有的無縫道岔基礎參數(shù)(道床縱向阻力、鋼軌扣件推移阻力、轍跟及岔跟摩阻力、接頭阻力)進行了較為系統(tǒng)的理論計算。但目前尚未對無縫道岔的基礎參數(shù)進行過系統(tǒng)的研究,無縫道岔理論計算仍采用十幾年前提速道岔或秦沈線道岔的參數(shù),導致無縫道岔理論計算與實際情況很難符合。客運專線道岔結(jié)構(gòu)和提速道岔差別較大,因此有必要對無縫道岔基礎參數(shù)進行研究。

        為保證無縫道岔計算結(jié)果和現(xiàn)場實際情況符合,除了計算模型應合理,計算參數(shù)也應符合現(xiàn)場實際。無縫道岔的基礎參數(shù)主要有4個:①鋼軌扣件推移阻力(鋼軌發(fā)生相對于扣件的位移時,扣件提供的縱向阻力);②轍跟間隔鐵和限位器摩阻力(圖1中尖軌跟端和基本軌之間的間隔鐵和限位器)及岔跟間隔鐵摩阻力(圖2中心軌跟端和翼軌之間的間隔鐵);③普通接頭阻力(圖1中道岔尾部側(cè)股的普通接頭);④道床縱向阻力(有砟道岔)。

        圖1 可動心軌半焊無縫道岔

        圖2 可動心軌轍叉示意

        2 高速無縫道岔基礎參數(shù)的測試

        2.1 道床縱向阻力和剛度

        道床縱向阻力指道床抵抗軌道框架縱向位移的阻力。一般以每根軌枕的阻力R,或每延厘米分布阻力r標識。它是抵抗鋼軌伸縮,防止線路爬行的重要參數(shù)。道床縱向阻力受道砟材質(zhì)、顆粒大小、道床斷面、搗固質(zhì)量、臟污程度、軌道框架重量等因素的影響。只要鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于道床抵抗軌枕縱向移動的阻力,則無縫線路長鋼軌的溫度應力和溫度應變的縱向分布規(guī)律將完全由接頭阻力和道床縱向阻力確定。

        道床縱向阻力測試沿線路縱向,每隔4根軌枕選相鄰2根軌枕為測試枕。首先,卸2根測試枕的所有扣件,并且用手動起道機頂起鋼軌,取出鋼軌與軌枕之間的墊板,此時被測軌枕完全脫離鋼軌;然后,在2根測試枕間枕盒內(nèi),撿出道砟,在靠近鋼軌內(nèi)側(cè)位置通過加載墊塊將2個千斤頂安裝在2個測試枕之間。在軌枕的中間頂面上安裝位移計,位移計的頂針頂在測試軌枕的外側(cè)面上。道床縱向阻力檢測裝置安裝示意如圖3。

        圖3 道床縱向阻力檢測裝置安裝示意

        2010年7月在海南東環(huán)鐵路靈水車站18號道岔做了道床阻力縱向測試,該道岔已經(jīng)經(jīng)過了充分的搗固作業(yè),分別在岔區(qū)不同位置實測了4次道床阻力,現(xiàn)場實測曲線如圖4所示,試驗位置分別為道岔轉(zhuǎn)轍器第3跟岔枕和道岔連接部分第4跟岔枕。

        圖4 道床縱向阻力關系曲線

        海南東環(huán)鐵路實測道床縱向阻力最大值為40~48 kN、秦沈客專實測為43 kN,兩者比較接近,說明試驗結(jié)果能較好地體現(xiàn)我國250 km/h有砟道岔的道床阻力剛度分布特征。根據(jù)仿真計算結(jié)果,道床縱向阻力越小,基本軌附加溫度力及其影響范圍就越大,同時基本軌伸縮位移、尖軌跟端與心軌跟端的伸縮位移也越大,限位器及間隔鐵所受作用力受道床縱向阻力的影響也較小。綜合分析來看,增加道床縱向阻力,對減小基本軌受力、控制尖軌及心軌的伸縮位移十分有利,因此,宜在無縫道岔養(yǎng)護維修中盡量增加道床縱向阻力。

        2.2 鋼軌扣件縱向阻力和剛度

        鋼軌縱向阻力的測試參照歐洲標準EN 13146—1《鐵路應用—軌道—扣件系統(tǒng)試驗方法—第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》,縱向阻力值取鋼軌滑移時荷載值。

        如圖5所示,按扣件組裝方式將1段長度0.5 m的60 kg/m鋼軌固定在特制預應力混凝土無擋肩軌枕上。鋼軌無剝離,表面無浮銹,軌底因重復試驗被磨光。用特制加力架夾住軌枕,防止軌枕轉(zhuǎn)動,以及沿平行鋼軌方向移動。利用橫向雙動液壓千斤頂,通過特制加力架以垂直軌枕的方向并以(10±5)kN/min的加載速率對鋼軌軌底施加縱向拉力。采用拉力傳感器(量程50 kN,精度±0.1 kN)測試拉力值,并采用位移計(量程±5 mm,精度±0.01 mm)測試鋼軌相對于軌枕的縱向位移。拉力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將信號輸出到計算機上,利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。當鋼軌滑移時可馬上卸載。從荷載—位移曲線上可得出產(chǎn)生非彈性位移之前鋼軌所承受的最大縱向力。

        圖5 試驗設備

        2010年12月在京石客運專線定州車站進行了高速無縫道岔扣件縱向阻力—位移的測試。試驗時分別測試了18號道岔普通墊板扣件和滑床板扣件的縱向阻力,并且每種扣件又分別進行了單節(jié)點、兩節(jié)點和三節(jié)點的縱向阻力試驗。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性,每個相同節(jié)點試驗都進行了3次,最后取平均值。普通墊板扣件縱向阻力測試結(jié)果如表1所示,滑床板扣件縱向阻力測試結(jié)果如表2所示。

        采用不同的扣件形式及不同的扣件螺栓扭矩,扣件縱向阻力不一樣。根據(jù)已有研究成果,扣件縱向阻力越小,通過岔枕傳遞給基本軌的溫度力就越小,在軌溫變化幅度較大的情況下,通過限位器傳遞的溫度力也越大??奂v向阻力減小,雖然基本軌最大附加溫度力有所降低,但尖軌跟端及心軌跟端的伸縮位移均將增大,同時限位器所受作用力會大大增加,間隔鐵受力也有所增加,限位器子母塊開始貼靠時的軌溫變化幅度越低,即限位器所起的限制尖軌伸縮位移的作用越大。道床縱向阻力越大、道岔號碼越大,扣件縱向阻力的影響將越大。綜合來看,在能確保鋼軌強度的條件下,采用大阻力扣件,對無縫道岔的受力與變形是比較有利的。對照高速道岔用扣件和彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件的縱向阻力,前者采用三節(jié)點測試平均值為24.7 kN,文獻[2]測得彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件為16 kN,表明高速無縫道岔用扣件縱向傳力性能大大強于普通彈條型扣件。

        表1 普通墊板扣件鋼軌縱向阻力試驗結(jié)果

        表2 滑床板扣件鋼軌縱向阻力試驗結(jié)果

        2.3 鋼軌接頭摩阻力和剛度

        開始試驗前,鋼軌接頭間的縫隙調(diào)整到最大距離,然后對接頭夾板的螺栓施加固定扭矩。將安裝好的鋼軌接頭豎立,使鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程±5 mm,精度±0.01 mm)測試兩個接頭鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載,壓力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號到計算機,利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理,測試結(jié)果如表3所示,鋼軌接頭摩阻力—位移關系曲線如圖6所示。

        表3 鋼軌接頭滑移阻力測試結(jié)果

        圖6 鋼軌接頭摩阻力—位移關系曲線

        2.4 限位器滑移阻力和剛度

        開始試驗前,限位器間的縫隙調(diào)整到最大距離,對螺栓施加固定扭矩。安裝限位器,鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程 ±5 mm,精度±0.01 mm)測試中間鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載,壓力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號到計算機,利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。測試結(jié)果如表4所示,限位器滑移阻力—位移關系曲線如圖7所示。

        表4 限位器滑移阻力測試結(jié)果

        圖7 限位器滑移阻力—位移關系曲線

        試驗結(jié)果表明:限位器滑移位移隨著施加荷載的增大而增大,當位移達到某一值后,鋼軌開始滑移,此時鋼軌接頭滑移阻力不再增加;隨著螺栓安裝扭矩的增大,鋼軌接頭滑移阻力也隨之增大,基本呈線性增長。

        限位器阻力越大,基本軌附加溫度力、基本軌伸縮位移、間隔鐵所承受的作用力也越大,而尖軌跟端、心軌跟端伸縮位移就越小;限位器向基本軌傳遞溫度力的過程中所起作用越大,該影響效果就越明顯。

        2.5 間隔鐵滑移阻力和剛度試驗

        開始試驗前,間隔鐵間的縫隙調(diào)整到最大距離,然后對螺栓施加固定扭矩。安裝好限位器,鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程±5 mm,精度±0.01 mm)測試中間鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載,壓力和位移采用專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號到計算機,利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。測試結(jié)果如表5所示,間隔鐵滑移阻力—位移關系曲線如圖8所示。

        圖8 間隔鐵滑移阻力—位移關系曲線

        表5 間隔鐵滑移阻力測試結(jié)果

        試驗結(jié)果表明:①間隔鐵滑移位移隨著施加荷載的增大而增大,當位移達到某一值后,鋼軌開始滑移,此時鋼軌接頭滑移阻力不再增加;②隨著螺栓安裝扭矩的增大,鋼軌接頭滑移阻力也隨之增大,基本呈線性增長。

        高速鐵路無縫道岔間隔鐵塊數(shù)、螺栓數(shù)量較提速線、秦沈客專要多,滑移阻力變大(增幅也較大)。根據(jù)已有研究成果,增加間隔鐵數(shù)量,對單個間隔鐵的受力十分有利;增加間隔鐵緊固力,對間隔鐵螺栓的受力也是有利的。間隔鐵阻力越大,尖軌跟端的伸縮位移越小,同時也將有更多的溫度力由尖軌傳遞給導軌,繼而傳遞給基本軌。

        3 結(jié)論

        在海南東環(huán)鐵路進行了高速鐵路無縫道岔的道床縱向阻力現(xiàn)場試驗,京石客運專線進行了鋼軌扣件阻力現(xiàn)場試驗,國家軌道工程重點實驗室進行了道岔尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)間隔鐵、限位器的滑移阻力剛度以及普通鋼軌接頭摩阻力剛度的室內(nèi)試驗,得出了5個基礎參數(shù)的力—位移關系曲線。

        1)時速250 km/h的有砟道岔混凝土岔枕道床縱向阻力最大值在40~48 kN。

        2)對扣件多節(jié)點阻力剛度進行了測試,高速無縫道岔普通墊板扣件縱向阻力最大值為單節(jié)點29.4 kN、兩節(jié)點23.2 kN、三節(jié)點24.7 kN,縱向傳力性能優(yōu)于傳統(tǒng)的彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件。

        3)對滑床臺扣件縱向阻力剛度進行了試驗測試,縱向阻力最大值為單節(jié)點26.1 kN、兩節(jié)點20.9 kN、三節(jié)點23.3 kN,相應數(shù)值小于普通墊板扣件的縱向阻力。

        4)對普通鋼軌接頭摩擦阻力進行了測試,螺栓扭矩按 800,900,1 000 N·m,其測試結(jié)果分別為 628,736,819 kN,較提速線、秦沈客專的接頭阻力傳力性能有了較大提升。

        5)首次對無縫道岔尖軌跟端限位器結(jié)構(gòu)滑移阻力進行了測試,螺栓扭矩按800,900,1 000 N·m,其測試結(jié)果分別為180,208,240 kN。

        6)對道岔尖軌跟端間隔鐵結(jié)構(gòu)滑移阻力進行了測試,螺栓扭矩按800,900,1 000 N·m,其測試結(jié)果分別為185,220,250 kN,數(shù)值稍大于限位器結(jié)構(gòu)。高速無縫道岔由于增加了間隔鐵數(shù)量,阻力剛度較以前的結(jié)構(gòu)形式大為提升,有利于減少尖軌跟端的伸縮位移。

        [1]中國鐵道科學研究院.高速鐵路無縫道岔基礎參數(shù)的研究[R].北京:中國鐵道科學研究院,2009.

        [2]王樹國,林吉生.大號碼無縫道岔溫度力和變形的有限元計算[J].中國鐵道科學,2005(5):68-72.

        [3]蔣金洲,魏周春,梁晨,等.高速鐵路高架橋無縫道岔“渭南模式”的試驗研究[J].鐵道建筑,2011(6):123-127.

        [4]王平,劉學毅.無縫道岔計算理論與設計方法[M].成都:西南交通大學出版社,2007.

        [5]中國鐵道科學研究院.鄭西客運專線新渭南站橋上無縫道岔試驗研究[R].北京:中國鐵道科學研究院,2010.

        [6]康熊.鐵路試驗檢測評估技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2012.

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