唐永康,張大偉,馬戰(zhàn)國

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北 肅寧 062350；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貨物運(yùn)輸能力與運(yùn)輸需求的矛盾日趨嚴(yán)峻，亟需進(jìn)一步發(fā)展重載鐵路運(yùn)輸。開行長編組、大軸重編組列車是鐵路部門和相關(guān)企業(yè)的關(guān)注重點。朔黃鐵路、大秦鐵路均已成功試開行30 t軸重的編組列車。

隨著30 t軸重重載列車的應(yīng)用逐漸提上日程，圍繞大軸重條件下的車輛、軌道及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振動問題出現(xiàn)了一些研究成果。楊春雷等[1]采用機(jī)車車輛與線路最佳匹配設(shè)計方法,進(jìn)行貨車大軸重與速度的匹配研究；常衛(wèi)華[2]研究了30 t軸重重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，分析了貨車軸重、鋼軌類型、道床彈性模量、軌下墊板剛度等關(guān)鍵參數(shù)對重載鐵道軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響規(guī)律，為30 t軸重的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)選取及決策提供了理論上的依據(jù)；伍泓樺[3]對蒙華鐵路30 t軸重重載列車動力學(xué)特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)牽引相同質(zhì)量的重載列車，通過大軸重化更有利于減小列車的縱向沖動；齊斐斐等[4]探索了30 t軸重貨車速度匹配及其輪徑選擇問題，發(fā)現(xiàn)30 t軸重的貨車比較適宜的輪徑為915 mm；吳斌等[5]依托重載鐵路30 t軸重實車綜合試驗揭示了不同軸重重載列車作用下輪軌垂向力分布特征以及變化規(guī)律。然而，由于既有鐵路線路條件的限制，且大軸重條件下的重載鐵路保障技術(shù)體系嚴(yán)重匱乏，能否長期開行大軸重列車尚需深入的理論和試驗研究。此外，重載鐵路工程運(yùn)營實踐表明，重載行車條件下的鐵路軌道結(jié)構(gòu)破壞作用日趨嚴(yán)重[6]，繼續(xù)提高列車軸重必然進(jìn)一步加劇輪軌動力相互作用，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的重載鐵路動力學(xué)與振動問題。因此，為了緩解大軸重條件下的軌道結(jié)構(gòu)承載水平和振動強(qiáng)度，既有軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)[7-9]也逐漸得到重視。

綜上可知，長編組、大軸重編組列車條件下的輪軌動力特征研究尚處于初步探索階段，列車、軌道及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的影響也不明確。鑒于此，本文針對長編組、大軸重運(yùn)輸條件，在朔黃鐵路線路上實施了線路動力學(xué)性能現(xiàn)場測試，研究了2萬t大軸重重載列車制動-起動條件下的輪軌動力特性，以掌握大軸重重載列車作用下重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)特征，同時為重載鐵路列車-軌道動力相互作用的研究提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗概況

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港口貨場，正線總長近600 km，是我國西煤東運(yùn)的第二條主干線。該線于2000年5月18日開通，當(dāng)年完成煤炭運(yùn)量547萬t，此后逐年增加，2006年首次超過1億t，2017年超過3億t。

本試驗測試地點位于朔黃鐵路某區(qū)段，線路為橋梁直線段，軌道鋪設(shè)75 kg /m 重型鋼軌，Ⅲ型混凝土橋枕，一級道砟，道床厚度為30 cm。測試地點軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。列車編組：神十二機(jī)車+試驗車+20組KM98AH+神八機(jī)車+18組KM98+可控列尾。其中，每組含貨車5輛，2.3萬t編組試驗列車中，每輛貨車裝載質(zhì)量為98 t，裝載后總質(zhì)量分別為120.4±2 t，總牽引質(zhì)量為 22 850 t，全長 2 625 m。

為探明2萬t重載試驗列車的動力學(xué)特性，特選取7項指標(biāo)作為測試對象，分別為輪軌橫向、垂向力，鋼軌垂向振動位移，軌枕垂向振動位移，鋼軌、軌枕、道床垂向振動加速度。測點布置如圖1所示。采用德國的IMC數(shù)據(jù)采集儀對測試信號進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。輪軌垂向力和橫向力采用剪力法進(jìn)行測試，分別在軌腰和軌底上表面粘貼應(yīng)變片組成全橋[10]。軌道結(jié)構(gòu)位移采用上海天沐自動化儀表有限公司生產(chǎn)的NS-WY02位移傳感器進(jìn)行測試。軌道結(jié)構(gòu)的振動加速度利用壓電式加速度傳感器進(jìn)行測試。測試方法詳見文獻(xiàn)[11]。

圖1 測點布置

圖2 制動及起動過程中列車運(yùn)行速度時程

試驗列車經(jīng)過測點時，先以一定的制動力開始制動直至完全停止，后以一定的牽引力從速度0開始起動直至正常運(yùn)行速度，因此列車的速度隨制動和起動的發(fā)生而不斷變化。2萬t試驗列車制動及起動過程中列車運(yùn)行速度時程見圖2。列車制動過程所需時間約為90 s，而起動時間約為260 s。制動時間遠(yuǎn)小于起動時間，2種條件下的列車運(yùn)行加速度不同。

2 列車制動條件下的輪軌特性

列車制動及起動過程中，由于運(yùn)行速度逐漸發(fā)生變化，不可避免地對輪軌動力性能帶來影響。此外，列車制動及起動引起的車鉤偏轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致車間作用力會傳遞至軌道結(jié)構(gòu)，對軌道的振動特性產(chǎn)生一定的影響。為了掌握制動及起動條件下，輪軌作用力、軌道結(jié)構(gòu)位移和振動加速度的變化情況，特以制動條件下上述指標(biāo)隨時間的變化關(guān)系為例，研究制動及起動對輪軌性能和軌道結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的影響。

列車制動條件下的輪軌垂向、橫向力時程見圖3。為了更清晰地了解輪軌作用力隨制動時間的變化規(guī)律，圖3中僅給出了制動后半程的輪軌作用力響應(yīng)。可見，從40 s至90 s過程中，輪軌垂向力略有下降，由175 kN下降至150 kN(靜輪重)，而輪軌橫向力總體變化不大，始終保持在15 kN 左右?？梢?，輪軌垂向力受列車制動的影響較大，而輪軌橫向力基本不受其影響。

圖3 列車制動過程中的輪軌力時程

圖4 列車制動過程中鋼軌、軌枕垂向位移時程

列車制動過程中鋼軌、軌枕垂向位移時程見圖4?？梢?，從40 s至90 s過程中，鋼軌垂向位移始終在1.35 mm左右，軌枕垂向位移始終在1 mm左右。列車制動對軌道結(jié)構(gòu)位移的影響甚微。原因是軌道結(jié)構(gòu)位移主要由車輛的靜軸重引起的，輪軌動態(tài)作用力對其影響不大。

列車制動過程中鋼軌、軌枕及道床垂向加速度時程見圖5。圖中給出了列車制動全過程的加速度響應(yīng)。鋼軌、軌枕及道床垂向加速度均隨制動時間的增加而逐漸減小，三者分別由10g,4g,2g減小到0?？梢姡熊囍苿訉壍澜Y(jié)構(gòu)加速度的影響較大。

圖5 列車制動過程中鋼軌、軌枕及道床垂向加速度時程

以上分析表明列車制動對輪軌垂向力及軌道結(jié)構(gòu)振動加速度的影響較大，且它們均隨制動時間的增加而逐漸減小。不同于列車制動，列車起動過程中，速度逐漸增加引起的上述指標(biāo)的變化與列車制動正相反，輪軌垂向力及軌道結(jié)構(gòu)振動加速度隨列車起動時間的增加而增大，直至列車速度穩(wěn)定下來。這里不再給出上述指標(biāo)的時程圖。軌道結(jié)構(gòu)位移的變化規(guī)律與列車制動情況相同，而輪軌作用力及軌道結(jié)構(gòu)振動加速度的變化規(guī)律與上述相反。

3 列車制動與起動條件下的輪軌特性對比

由于制動時間明顯小于起動時間，列車制動加速度比起動加速度要大，不同的列車運(yùn)行加速度必然對輪軌特性產(chǎn)生一定的影響。為了便于比較，提取每個指標(biāo)速度為10,20,30,40,50 km/h對應(yīng)時刻的幅值，將其隨時間的變化規(guī)律轉(zhuǎn)化為隨速度的變化規(guī)律。

圖6 列車制動與起動條件下的輪軌力對比

列車制動與起動條件下的輪軌力的對比見圖6?？芍?，當(dāng)試驗列車以10～50 km/h的速度通過測點時，隨著速度的增加，輪軌垂向力增加明顯。在測試的速度區(qū)間內(nèi)，輪軌垂向力在175～225 kN 的范圍內(nèi)變化，均小于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的限值，表明列車運(yùn)行安全性可得到保障。用線性函數(shù)擬合輪軌垂向力與速度的關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)列車制動時的輪軌垂向力明顯大于起動時的輪軌垂向力。這說明列車加速度的大小對輪軌垂向力有一定的影響，列車加速度越大，引起的輪軌作用力越大。對于輪軌橫向力，其對速度的變化并不敏感，列車制動與起動條件下的輪軌橫向力分別保持在14 kN和10 kN附近，這也表明較大的列車加速度會導(dǎo)致較大的輪軌橫向力。

列車制動與起動條件下的鋼軌、軌枕垂向位移對比見圖7?？芍?，當(dāng)試驗列車以10～50 km/h 的速度通過測點時，鋼軌、軌枕位移隨速度的增加變化不大。列車制動與起動條件下的鋼軌垂向位移分別為1.35,1.31 mm，列車制動與起動條件下的軌枕垂向位移分別為1.02,0.99 mm。列車制動條件下的軌道結(jié)構(gòu)位移略大，即較大的列車加速度引起較大的軌道結(jié)構(gòu)位移。

列車制動與起動條件下的軌道結(jié)構(gòu)垂向加速度對比見圖8?？芍?，當(dāng)試驗列車以10～50 km/h的速度通過測點時，鋼軌、軌枕及道床垂向加速度隨速度的增加而明顯增大。在測試的速度區(qū)間內(nèi)，鋼軌垂向加速度在6g以下，軌枕垂向加速度在2.5g以下，道床垂向加速度在1g以下。自上而下，軌道結(jié)構(gòu)振動加速度得到了有效的衰減。列車制動時3個指標(biāo)明顯比起動時大。這說明列車運(yùn)行加速度的大小對軌道結(jié)構(gòu)振動加速度有一定的影響，列車運(yùn)行加速度越大，軌道結(jié)構(gòu)振動加速度也越大。

圖7 列車制動與起動條件下的鋼軌、軌枕垂向位移對比

圖8 列車制動與起動條件下的軌道結(jié)構(gòu)垂向加速度對比

4 結(jié)論

本文針對長編組、大軸重運(yùn)輸條件，通過現(xiàn)場試驗分析2萬t大軸重重載列車制動與起動條件下的輪軌動力特性。主要研究結(jié)論如下：

1)列車制動對輪軌垂向力及軌道結(jié)構(gòu)振動加速度的影響較大，且加速度值均隨制動時間的增加而逐漸減小；列車起動過程中上述指標(biāo)的變化規(guī)律與列車制動相反，輪軌垂向力及軌道結(jié)構(gòu)振動加速度隨列車起動時間的增加而增大，直至列車速度穩(wěn)定下來。

2)列車制動和起動對輪軌橫向力及軌道結(jié)構(gòu)位移的影響不大，軌道結(jié)構(gòu)位移主要由靜軸重引起，對動荷載并不敏感。

3)列車制動和起動條件下的輪軌性能對比發(fā)現(xiàn)，由于制動時間短，列車運(yùn)行加速度大，輪軌作用力、軌道結(jié)構(gòu)位移和振動加速度均比起動時大。