李善坡，馬玉坤，劉 飛

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定，重載鐵路正線軌道應(yīng)采用長(zhǎng)定尺、無螺栓孔新鋼軌。當(dāng)通過總質(zhì)量大于100 Mt/a，小于250 Mt/a，而且設(shè)計(jì)軸重大于等于300 kN 時(shí)，或通過總質(zhì)量大于等于250 Mt/a 時(shí)，重車線宜采用75 kg/m 鋼軌。與60 kg/m 鋼軌相比，75 kg/m 鋼軌具有軌道整體性好、安全性高、維修工作量少、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。隨著新線建設(shè)和舊線改造的逐步實(shí)施，75 kg/m 鋼軌的用量將逐步增加。為了保障此類鋼軌在重載鐵路新線建設(shè)和舊線改造過程中的運(yùn)輸，已經(jīng)制訂75 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固方案[3](以下簡(jiǎn)稱“75 m 長(zhǎng)鋼軌方案”)。隨著鋼軌軋制技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備技術(shù)升級(jí)，長(zhǎng)度為100 m 的75 kg/m 鋼軌已經(jīng)投產(chǎn)，使用此類鋼軌可以進(jìn)一步減少鋼軌焊接接頭數(shù)量和接頭損傷總量[4]，降低鋼軌焊接成本，提高重載鐵路列車運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性和可靠性。

1 重載鐵路100m 長(zhǎng)75kg/m 鋼軌普通平車裝運(yùn)方案設(shè)計(jì)

重載鐵路建設(shè)和改造存在大量的100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌運(yùn)輸需求，研究制訂100 m 長(zhǎng)75 kg/m鋼軌普通平車裝運(yùn)方案，可以提升貨物和車輛安全性，提高鋼軌裝卸效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效的鋼軌運(yùn)輸。為此，綜合考慮車輛及座架安裝位置、裝載加固裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的因素，結(jié)合100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌截面特性，設(shè)計(jì)普通平車裝運(yùn)方案。

1.1 車輛及座架安裝位置

我國(guó)鐵路現(xiàn)有的普通平車地板面長(zhǎng)度主要有13 m(載重60 t 或70 t)和15.4 m (載重61 t 或70 t) 2 種。綜合考慮車輛和鋼軌長(zhǎng)度匹配，使車輛承載效果最佳，方案選用5 輛13 m 長(zhǎng)和2 輛15.4 m 長(zhǎng)的普通木地板平車作為研究對(duì)象，研究座架安裝位置。方案采用5 個(gè)普通座架、2 個(gè)端車座架、4 個(gè)次端車座架和3 個(gè)鎖定座架。鋼軌的質(zhì)量通過座架傳遞到車地板上，座架的安裝位置對(duì)車輛承重影響較大。通過承重計(jì)算，確定具體的座架最佳安裝位置。

（1）座架類型和數(shù)量。第1 和第7 車每車分別放置1 個(gè)普通座架和1 個(gè)端車座架；第2 和第6 車每車放置2 個(gè)次端車座架；第3 車放置1 個(gè)普通座架和1 個(gè)鎖定座架；第4 車放置2 個(gè)鎖定座架；第5車放置2 個(gè)普通座架。

（2）座架位置。第1 和第7車的端車座架分別位于從車輛內(nèi)端數(shù)第3 和第4 支柱槽之間，座架兩側(cè)插板插入第3 個(gè)支柱槽內(nèi)；第2 和第6 車的次端車座架分別位于從車輛兩端數(shù)第2 和第3 支柱槽間，座架兩側(cè)插板插入第3 個(gè)支柱槽內(nèi)；其余座架分別位于從車輛兩端數(shù)第3 支柱槽處(第1 和第7 車從車輛外端數(shù)第3 個(gè)支柱槽處)，座架兩側(cè)插板插入支柱槽內(nèi)。100 m 長(zhǎng)75 kg/m鋼軌普通平車裝運(yùn)方案如圖1所示。

1.2 裝載加固裝置

裝載加固裝置主要包括座架和緊固裝置，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)足以承受鋼軌質(zhì)量，防止鋼軌的縱向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)合理，便于加工和運(yùn)輸。基于這些原則，設(shè)計(jì)普通座架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。普通座架由底梁、矩形側(cè)柱、隔梁、隔梁栓、斜撐、圓側(cè)柱等構(gòu)成，為3 層承載結(jié)構(gòu)。插板位于側(cè)柱中心線上，配有與車體連接的方墊板，連接螺栓和螺母。鎖定座架與普通座架的主要區(qū)別是鎖定座架在兩側(cè)焊有拉牽環(huán)，同時(shí)鎖定底梁或鎖定隔梁兩側(cè)無端部擋塊。端車座架、次端車座架與普通座架的主要區(qū)別是插板的位置不同，端車座架、次端車座架插板與側(cè)柱中心線的距離分別為500 mm和700 mm。

與現(xiàn)有長(zhǎng)鋼軌普通平車裝運(yùn)方案使用的緊固裝置相似，100 m 長(zhǎng)重載鐵路用鋼軌普通平車裝運(yùn)方案使用的緊固裝置仍采用橫向整層夾緊鋼軌的方式，緊固力矩為320 N·m。緊固裝置工作原理如圖3 所示。

圖1 100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌普通平車裝運(yùn)方案Fig.1 Loading Plan of the Regular Flat Cars on the 100m-long 75kg/m Steel Rail

圖2 普通座架結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Common Gestells

圖3 緊固裝置工作原理Fig.3 Working Principle of Clamp Device

2 重載鐵路100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌普通平車裝運(yùn)方案理論計(jì)算

2.1 車輛承重計(jì)算

車輛承重計(jì)算屬多支點(diǎn)超靜定力學(xué)問題，可以通過編寫計(jì)算機(jī)程序求解[5]。進(jìn)行承重計(jì)算時(shí)[6]，考慮各車輛高差15 mm 和鋼軌整體縱向偏移200 mm組合的25 種工況，假設(shè)座架質(zhì)量為0.74 t，緊固裝置質(zhì)量為0.23 t。計(jì)算得到理想工況及3 個(gè)較惡劣工況下的車輛承重計(jì)算結(jié)果。各工況下車輛承重極值計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，方案在各種可能的工況下，座架承重最大為33.58 t，車輛最大承重為60.81 t，轉(zhuǎn)向架最大承重為32.45 t，轉(zhuǎn)向架承重差最大為8.29 t，滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[7]（以下簡(jiǎn)稱“《加規(guī)》”）要求。

2.2 橫向力計(jì)算

100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌采用多車聯(lián)掛方式運(yùn)輸。車輛通過曲線時(shí)，鋼軌在座架約束下發(fā)生彎曲，鋼軌產(chǎn)生的橫向力作用在座架側(cè)柱上。建立橫向力計(jì)算模型，通過編程計(jì)算得到車組通過半徑為150 m的曲線時(shí)，各座架承受的橫向力。座架橫向力計(jì)算結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，鋼軌對(duì)座架的最大橫向力為118 286 N，略小于75 m 長(zhǎng)鋼軌方案[4]和100 m 長(zhǎng)60 kg/m 鋼軌矩形裝載加固方案在同等工況下的橫向力[8]。

2.3 座架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及鋼軌加固強(qiáng)度計(jì)算

座架各部件所采用型鋼的型號(hào)需要根據(jù)所受最大垂向和橫向載荷，通過材料力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行核算。座架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要通過有限元分析方法計(jì)算[9]。建立有限元模型時(shí)，采用梁?jiǎn)卧琢簝啥瞬捎霉潭s束，底梁其余部分限制垂向位移。受力主要考慮以下4 種載荷工況。

（1）垂向力。當(dāng)重力加速度取值為9.8 m/s2時(shí)，由車輛承重計(jì)算結(jié)果可以計(jì)算得到座架所受的最大垂向力為33.58×1 000×9.8 = 329 084 N。

（2）橫向力。由橫向力計(jì)算結(jié)果可知，座架所受的最大橫向力為118 286 N。

（3）扭轉(zhuǎn)力偶。車組通過曲線時(shí)，鎖定座架承受的扭轉(zhuǎn)力偶約為55 000 N[10]。

（4）摩擦力。如果鋼軌與座架隔梁上表面聚甲醛板的摩擦系數(shù)μ = 0.25，則座架所受的摩擦力為329 084×0.25 = 82 271 N。

對(duì)各類型座架進(jìn)行有限元分析，得到在第1 層鋼軌鎖定座架底梁端部組合應(yīng)力最大，為107.3 MPa，滿足《加規(guī)》要求。鎖定座架組合應(yīng)力云圖如圖4所示。

由于鋼軌分層緊固，每層含有1 個(gè)鎖定點(diǎn)，因而只需要驗(yàn)算第1 層鎖定點(diǎn)的緊固強(qiáng)度。以整層鋼軌為研究對(duì)象，每層鋼軌的數(shù)量n = 14，鋼軌長(zhǎng)度l =100 m，單位長(zhǎng)度鋼軌的質(zhì)量m = 75 kg/m；重力加速度g = 9.8 m/s2，鋼軌整體縱向最大加速度為amax=0.07×g[5]。緊固螺栓設(shè)計(jì)直徑d = 24 mm；公稱應(yīng)力截面積As= 353 mm2；采用性能等級(jí)為6.8 的45號(hào)鋼，其屈服應(yīng)力σs= 480 MPa，當(dāng)安全系數(shù)ns= 1.7時(shí)，其許用應(yīng)力為

表1 各工況下車輛承重極值計(jì)算結(jié)果Tab.1 Extreme Results of Car Loading with Different Working Conditions

表2 座架橫向力計(jì)算結(jié)果 NTab.2 Results of Lateral Force for Gestells

圖4 鎖定座架組合應(yīng)力云圖Fig.4 Stress Nephogram of Fastened Gestells

式中：[σ]為緊固螺栓的許用應(yīng)力。

如果預(yù)緊系數(shù)k = 1.2，則螺栓的許用預(yù)緊力為

式中：[N]為螺栓的許用預(yù)緊力。

當(dāng)緊固力矩T = 320 N·m 時(shí)，如果擰緊力矩系數(shù)K = 0.28，單根螺栓可以達(dá)到的預(yù)緊力為

式中：F 為鋼軌的縱向加固力。

鋼軌與底梁間的摩擦力為

式中：f 為鋼軌與底梁間的摩擦力。

鋼軌的縱向慣性力為

式中：T1為鋼軌的縱向慣性力。

如果線路最大坡度為30‰，鋼軌的坡道力為

式中：T2為鋼軌的坡道力。

由以上公式計(jì)算可知，F(xiàn) + f = 428 678 N，T1+T2= 102 900 N。因?yàn)镕 + f ＞ T1+ T2，所以緊固裝置對(duì)每層鋼軌的縱向加固強(qiáng)度滿足縱向穩(wěn)定性要求。

3 裝運(yùn)方案試驗(yàn)

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，對(duì)重載鐵路100 m 長(zhǎng)75 kg/m 軌普通平車裝運(yùn)方案開展了綜合試驗(yàn)研究[11]，對(duì)裝載加固性能、車輛承重、車輛動(dòng)力學(xué)性能、地面小半徑曲線和道岔輪軌動(dòng)力響應(yīng)等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試考慮小半徑“S”形曲線、側(cè)向通過9 號(hào)道岔和12 號(hào)道岔、提速至120 km/h 和沖擊試驗(yàn)等較惡劣工況。小半徑“S”形曲線試驗(yàn)在成渝線(成都—重慶)銅罐驛至石場(chǎng)區(qū)段(K463 + 322—K463 + 923)進(jìn)行；側(cè)向通過9 號(hào)道岔在密地站116 號(hào)岔位60—9 號(hào)道岔進(jìn)行；側(cè)向通過12 號(hào)道岔在密地站2 號(hào)岔位60—12 號(hào)道岔進(jìn)行；提速試驗(yàn)在包西線(包頭—西安)張橋至延安間進(jìn)行；沖擊試驗(yàn)在中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司湖東焊軌基地進(jìn)行。運(yùn)行試驗(yàn)徑路為攀枝花—成都—達(dá)州—安康—新豐鎮(zhèn)—張橋—延安—綏德—吳堡—北六堡—榆次—太原南—原平—韓家?guī)X—湖東，線路總長(zhǎng)約3 168 km，運(yùn)行試驗(yàn)全程最小曲線半徑為285 m。

3.1 裝載加固性能測(cè)試

裝載加固性能測(cè)試主要包括長(zhǎng)鋼軌和座架裝載加固狀態(tài)檢查和座架強(qiáng)度測(cè)試，在理論計(jì)算受力較大的第3 座架上粘貼應(yīng)變片，同時(shí)為了得到?jīng)_擊試驗(yàn)時(shí)座架的強(qiáng)度，在第3 層鋼軌鎖定座架上粘貼應(yīng)變片。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，長(zhǎng)鋼軌相對(duì)于緊固裝置、座架相對(duì)車地板均沒有產(chǎn)生明顯位移；長(zhǎng)鋼軌裝載加固狀態(tài)良好，各層鋼軌擺放整齊，沒有發(fā)生相互擠爬現(xiàn)象；座架加固狀態(tài)良好。座架最大合成應(yīng)力發(fā)生在方側(cè)柱底部，最大值為127.4 MPa，小于許用應(yīng)力160 MPa，滿足《加規(guī)》[7]要求。

3.2 車輛承重測(cè)試

試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)車組經(jīng)途經(jīng)8 個(gè)超偏載檢測(cè)儀。在所有檢測(cè)數(shù)據(jù)中，單輛貨車的2 個(gè)轉(zhuǎn)向架最大承重差為6.9 t，單輛貨車貨物最大重心橫向偏離量為47 mm，滿足《加規(guī)》要求。

3.3 車輛動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試

車輛動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試包括運(yùn)行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性測(cè)試。為試驗(yàn)車組第1，2，4 車的第1 軸更換測(cè)力輪對(duì)，測(cè)試輪軌橫向力和垂向力，計(jì)算脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等穩(wěn)定性指標(biāo)。在測(cè)力輪對(duì)對(duì)應(yīng)第1，2，4 車的前心盤內(nèi)側(cè)距心盤中心線小于1 000 mm的車底架中梁下蓋板上布置加速度傳感器，測(cè)試車體橫向、垂向加速度，計(jì)算平穩(wěn)性指標(biāo)。根據(jù)規(guī)范[12]，被測(cè)試車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

在試驗(yàn)過程中，各被測(cè)試車輛的車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)極值如表4 所示。由表4 可知，所有穩(wěn)定性指標(biāo)和橫向加速度均未超過評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)限值，垂向、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)為“優(yōu)”級(jí)，第1 車的垂向加速度最大值為7.36 m/s2，雖然超過了6.87m/s2的限值，但是全部試驗(yàn)超限點(diǎn)共10 個(gè)，而試驗(yàn)全程運(yùn)行約3 168 km，平均每100 km 試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)超限個(gè)數(shù)不大于3 個(gè)，滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 地面小半徑曲線和道岔輪軌動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

在成渝線K463+480—K463+550 曲線的圓曲線和緩和曲線地段布置輪軌力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試車組通過時(shí)的輪軌橫向力及垂向力，并計(jì)算脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力。在曲線上、下股鋼軌安裝位移計(jì)，測(cè)試鋼軌軌頭相對(duì)于基樁的橫向位移。在曲線上股一側(cè)軌枕上安裝位移計(jì)，測(cè)試軌枕相對(duì)于基樁的橫向位移。以試驗(yàn)速度5 km/h 運(yùn)行1 次，以試驗(yàn)速度35 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h 各運(yùn)行3 次。

在9 號(hào)和12 號(hào)單開道岔的尖軌尖端和導(dǎo)曲線地段各布置1 個(gè)輪軌力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試車組通過時(shí)的輪軌橫向力及垂向力，計(jì)算脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力。在道岔尖軌尖端和導(dǎo)曲線上、下股鋼軌安裝位移計(jì)，測(cè)試鋼軌軌頭相對(duì)于基樁的橫向位移。在道岔尖軌尖端和導(dǎo)曲線外股一側(cè)軌枕上安裝位移計(jì)，測(cè)試軌枕相對(duì)于基樁的橫向位移。以試驗(yàn)速度5 km/h 側(cè)向通過9 號(hào)道岔1 次，以試驗(yàn)速度10 km/h和20 km/h 各運(yùn)行2 個(gè)往返，以試驗(yàn)速度30 km/h 運(yùn)行3 個(gè)往返；以試驗(yàn)速度5 km/h 側(cè)向通過12 號(hào)道岔1次，以試驗(yàn)速度25 km/h和35 km/h各運(yùn)行2個(gè)往返，以試驗(yàn)速度45 km/h 運(yùn)行3 個(gè)往返。輪軌動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果極值如表5 所示。

由表5 可知，輪軌動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果均滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)過程中，鋼軌橫向位移最大為2.86 mm，軌枕橫向位移最大為0.68 mm，試驗(yàn)后均基本恢復(fù)至原位置，軌道靜態(tài)幾何尺寸符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證軌道結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。

表3 被測(cè)試車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Assessment Criteria of Dynamics Performance Index for Railway Freight Cars

表4 車輛動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果極值Tab.4 Extreme Results of Dynamics Performance for Railway Freight Cars

表5 輪軌動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果極值Tab.5 Extreme Results of the Rail-wheel Dynamic Response Test

3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

與現(xiàn)有75 m 長(zhǎng)鋼軌方案相比，100 m 長(zhǎng)75 kg/m鋼軌普通平車裝運(yùn)方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用。本方案不需要限速，而75 m長(zhǎng)鋼軌方案在實(shí)際應(yīng)用中需要限速運(yùn)行，按照《鐵路貨物運(yùn)價(jià)規(guī)則》規(guī)定，需要限速運(yùn)行的貨物按運(yùn)價(jià)率加150%計(jì)費(fèi)，因而采用本方案運(yùn)輸100 m 長(zhǎng)鋼軌的每噸鋼軌運(yùn)費(fèi)僅為采用75 m 長(zhǎng)鋼軌方案運(yùn)輸?shù)?0%。

（2）提高鋼軌焊接效率。鋼軌正式上道前，需要在焊軌廠將鋼軌焊接成500 m 長(zhǎng)鋼軌。目前，我國(guó)焊軌廠的焊接工藝和設(shè)備均是針對(duì)100 m 長(zhǎng)定尺鋼軌設(shè)計(jì)的，如果采用75 m 長(zhǎng)鋼軌進(jìn)行焊接，一條焊軌線每天可以焊接1 km 鋼軌，而采用100 m 長(zhǎng)定尺鋼軌，一條焊軌線每天可以焊接2.5 km 鋼軌，焊接效率提高了150%。

（3）減少焊接接頭數(shù)量。從焊接接頭數(shù)量上看，鋪設(shè)1 km 單線線路，如果采用75 m 長(zhǎng)鋼軌，至少需要焊接26 個(gè)接頭，而采用100 m 長(zhǎng)鋼軌只需要焊接18 個(gè)接頭，焊接成本降低31%。同時(shí)，焊接接頭數(shù)量的減少還可以提升重載鐵路的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全可靠性。

4 結(jié)束語

重載鐵路100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌普通平車運(yùn)輸裝運(yùn)方案可以進(jìn)一步豐富我國(guó)長(zhǎng)鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固技術(shù)體系。理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果均表明，100 m長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌普通平車運(yùn)輸裝運(yùn)方案可以滿足重載線路100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌運(yùn)輸要求。100 m 長(zhǎng)75 kg/m 鋼軌普通平車裝運(yùn)方案投入運(yùn)用后，可以解決該型號(hào)鋼軌在線路建設(shè)和改造過程中的運(yùn)輸問題，為我國(guó)重載鐵路建設(shè)和維修用軌運(yùn)輸提供可靠的技術(shù)支撐。與現(xiàn)有75 m 長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸方案相比，可以大幅降低75 kg/m 長(zhǎng)鋼軌的運(yùn)輸和焊接成本，進(jìn)一步提高重載鐵路運(yùn)行安全性和75 kg/m 鋼軌運(yùn)輸效率。