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        重載鐵路岔區(qū)施工后限速期間提速行車安全性分析

        2022-04-07 03:51:46白新榮
        鐵道建筑 2022年3期
        關(guān)鍵詞:道床輪軌道岔

        白新榮

        國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司,河北 滄州 062350

        隨著我國重載貨物列車軸重和牽引質(zhì)量的進一步提升,線路設備的傷損以及軌道幾何狀態(tài)惡化速率明顯增加。重載鐵路岔區(qū)由于其軌道結(jié)構(gòu)的復雜性,更易出現(xiàn)道岔損壞和道床臟污[1],定期道床清篩及更換道岔能夠有效解決重載鐵路岔區(qū)病害[2-4]。但是道床清篩和更換道岔會破壞道砟顆粒之間的黏結(jié),影響線路行車安全。李銳等[5]研究得出,朔黃重載線路道床清篩后的道床阻力在清篩后僅為規(guī)范值的90%。TG ∕GW 101—2014《普速鐵路工務安全規(guī)則》也對道床清篩和更換道岔后的線路穩(wěn)定時間和限速作出了規(guī)定。

        伴隨著重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)與大型養(yǎng)路機械的不斷優(yōu)化,原有限速標準已不再適應于目前的重載鐵路,線路作業(yè)后的限速增加了列車慢行附加時分,既影響運輸能力,也影響2 萬t 等大運量列車的運營安全[6]。現(xiàn)有的研究多集中于列車正常過岔時的動力學響應分析[7],缺少養(yǎng)護維修作業(yè)后列車過岔的實測軌道安全性數(shù)據(jù)。為了降低施工后列車階梯提速對運輸?shù)挠绊懠熬徑? 萬t,2 萬t 列車操控難度大的問題,本文通過提速試驗對岔區(qū)道床清篩、更換道岔后限速期間輪軌力和軌道靜態(tài)沉降進行測試,對兩種擾動道床施工后行車安全性進行綜合評估,為重載鐵路限行期間精細化提速提供參考。

        1 提速試驗

        TG∕GW 101—2014 中對限速和測量時間的規(guī)定為:①開通后第一輛列車限速35 km∕h,第一輛列車與第二輛列車到達試驗點的時間間隔;②第二輛列車限速45 km∕h,不少于4 h;③限速60 km∕h,24 h;④恢復常速,4 h。

        本次試驗將第二階段列車限速由原45 km∕h 提升為 55 km∕h ,第三階段列車限速由原 60 km∕h 提升為65 km∕h。其他不變。輪軌力及軌道靜態(tài)沉降兩項測試內(nèi)容共測試128輛列車。

        選取重載鐵路上行線岔區(qū),鋪設PG4∕PG5 重型鋼軌和混凝土Ⅲ型軌枕。岔區(qū)軌道基礎從上到下依次為厚300 mm 碎石層和厚200 mm 砂墊層,其中碎石層起緩沖減震、分擔荷載的作用。岔區(qū)道床清篩采用大型養(yǎng)路機械進行,更換道岔型號為12號單開道岔。

        1.1 測試內(nèi)容及方法

        1)輪軌力

        輪軌力測試采用剪應力法,在鋼軌軌腰和軌底粘貼應變片,采樣頻率1 000 Hz。測試前需對安裝好的輪軌力測試裝置進行標定。

        2)軌道靜態(tài)沉降

        軌道靜態(tài)沉降測試采用全自動全站儀,該全站儀能夠?qū)崿F(xiàn)測點位置的自動搜索、跟蹤、辨識以及后續(xù)精準鎖定工作,便捷高效地獲取三維坐標等信息。軌道靜態(tài)沉降測試時需在曲線兩股鋼軌上分別安裝反射棱鏡,共安裝5組棱鏡,每組棱鏡在垂直于軌道方向上位置保持一致。每組測點間距5 m,以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準確有效。

        道床清篩和更換道岔區(qū)段分別設置5組軌道靜態(tài)沉降測點,輪軌力測點與軌道靜態(tài)沉降中心測點位置重合,如圖1所示。

        圖1 測點布置

        1.2 評價標準

        1)輪軌垂向力。輪軌間垂直力過大會導致輪軌系統(tǒng)各部件傷損和軌道質(zhì)量狀態(tài)惡化。目前我國暫無相關(guān)規(guī)范對該指標的限值予以規(guī)定,一般沿用英國鐵路標準,限值取250 kN。

        2)輪軌橫向力。依據(jù)GB∕T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》,單側(cè)輪軌橫向力的限值為0.4P0(P0為靜軸重,kN)。本次測試機車軸重為250 kN,計算得出輪軌橫向力限值為100 kN。

        3)脫軌系數(shù)。其為爬軌側(cè)車輪作用于鋼軌上的橫向力Q與車輪作用于鋼軌上的垂向力P的比值。GB∕T 5599—2019 中規(guī)定:機車Q∕P≤ 0.8;車輛Q∕P≤1.0。為能夠有效分析機車與車輛在擾動道床施工后運營的安全性,以相對較小的0.8作為脫軌系數(shù)限值。

        4)輪重減載率。其為輪重減載量與列車車軸平均靜輪重的比值,依據(jù)GB∕T 5599—2019限值取0.65。

        1.3 安全儲備量計算方法

        為評判重載線路岔區(qū)道床清篩和更換道岔后限速期間提速行車安全性,需計算岔區(qū)大型養(yǎng)路機械作業(yè)后軌道安全儲備量S。以施工作業(yè)后出現(xiàn)最大輪軌力時為最不利工況,計算該工況下兩種作業(yè)后軌道安全儲備量。S的計算公式為

        式中:Fmax為實測列車輪軌力最大值;F為規(guī)范中規(guī)定的輪軌力安全限值。

        2 測試結(jié)果與分析

        2.1 最大輪軌力分析

        輪軌力影響著重載列車經(jīng)過岔區(qū)時的平順性和安全性。對岔區(qū)道床清篩和更換道岔后128輛列車進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)外軌輪軌橫向力和垂向力均比內(nèi)軌大。因此數(shù)據(jù)分析時均采用外軌輪軌力。

        岔區(qū)道床清篩和更換道岔后各限速階段最大輪軌力見圖2??芍孩贌o論是道床清篩后還是更換道岔后,在目前的限速條件下各階段輪軌垂向力均小于250 kN 的限值,輪軌橫向力均小于100 kN 的限值。②以四個限速階段最大輪軌垂向力計算,岔區(qū)道床清篩、更換道岔后安全儲備量分別為31.90%、24.90%;③以四個限速階段最大輪軌橫向力計算,岔區(qū)道床清篩、更換道岔后安全儲備量分別為40.69%、28.33%。更換道岔后安全儲備量要小于道床清篩,且無論是哪種工況,最大輪軌力均出現(xiàn)在限速運營的第二階段,在后續(xù)測試與修正標準時建議將二者分開考慮,以精細化管控列車限速。

        圖2 岔區(qū)道床清篩和更換道岔后最大輪軌力

        2.2 輪軌力平均值分析

        各限速階段 5 000 t、1 萬 t、2 萬 t 列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力見表1。本次測試時在第一階段通過了1 輛5 000 t 列車,第二階段通過了9 輛列車,第三階段通過了92 輛列車,第四階段常速運行時通過了26 輛列車,數(shù)據(jù)穩(wěn)定后不再監(jiān)測。

        表1 各限速階段平均輪軌垂向力(σv)

        由表1可知:①在第一階段首輛列車經(jīng)過時,岔區(qū)道床清篩、更換道岔后平均輪軌垂向力分別為151.39、167.91 kN,更換道岔后列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力較大,不利于行車安全;②第二至第四階段均呈現(xiàn)出相同規(guī)律,更換道岔后列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力大于道床清篩;③1 萬t、2 萬t 列車經(jīng)過時平均輪軌垂向力大于5 000 t 列車經(jīng)過時,且相差較大,牽引量的變化會影響輪軌力的大小。

        各限速階段平均輪軌橫向力見表2。對比表1、表2 可知:①不同限速階段平均輪軌橫向力所呈現(xiàn)的規(guī)律與平均輪軌垂向力一致,更換道岔后平均輪軌橫向力始終大于道床清篩,且最大輪軌橫向力出現(xiàn)在限速運營的第二階段(參見圖2),由2 萬t 列車通過時引起。②雖然分為四個階段進行限速,但是由于測試列車在重載鐵路岔區(qū)運行速度較低且各個階段速度差異較小,所以本次測試中列車速度帶來的輪軌力改變并不明顯。高速鐵路列車輪軌力與此會有所不同。

        表2 各限速階段平均輪軌橫向力(σt)

        2.3 列車運行安全性分析

        脫軌系數(shù)能夠用來評定列車在輪軌橫向力、輪軌垂向力均滿足要求時列車運行的安全程度。脫軌系數(shù)越大,列車在運行過程中越容易發(fā)生脫軌。

        經(jīng)過計算,岔區(qū)道床清篩、更換道岔后限速階段列車經(jīng)過時最大脫軌系數(shù)分別為0.47、0.48,小于規(guī)范限值0.8。按128 輛列車經(jīng)過計算,岔區(qū)道床清篩、更換道岔后脫軌系數(shù)平均值分別為0.11、0.15。更換道岔后的脫軌系數(shù)較大,但兩者均小于限值。

        測試中發(fā)現(xiàn)同一水平面的兩個測點輪軌垂向力相差較小,輪重減載率在0.08~0.15,道床清篩、更換道岔后限速期間列車經(jīng)過時最大減載率分別為0.13、0.15,均小于規(guī)范限值0.65。按128輛列車經(jīng)過計算,道床清篩、更換道岔后減載率平均值分別為0.10、0.13。更換道岔后輪重減載率較大,但兩者均小于限值。與道床清篩相比,更換道岔后有砟軌道更不利于行車安全。

        2.4 岔區(qū)軌道靜態(tài)沉降量對比

        除了輪軌力之外,岔區(qū)軌道的沉降量是另外一個值得關(guān)注的指標。由文獻[8-10]可知,道床垂向變形與道床密實度存在一定關(guān)聯(lián)。從軌道沉降量能夠看出岔區(qū)道床清篩和更換道岔后有砟道床內(nèi)部的差異。有砟道床擾動越小,軌道靜態(tài)沉降量就越小。

        岔區(qū)道床清篩和更換道岔對道床的擾動程度不同,不同限速階段沉降量、沉降速度自然有所差別。因此,對限速期間沉降量進行分析,從而判斷岔區(qū)道床清篩和更換道岔后行車安全性。

        擾動道床施工后岔區(qū)軌道靜態(tài)累計沉降量變化曲線見圖3??芍孩贁_動道床施工后岔區(qū)軌道沉降總體上隨列車通過數(shù)量增加而逐漸減小,沉降增長速率逐漸減小,說明充足的列車碾壓可以有效改善施工帶來的擾動,使散體道床重新恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。限速結(jié)束時,岔區(qū)道床清篩、更換道岔區(qū)段軌道靜態(tài)累計沉降量分別為7.8、5.1 mm。②限速四個階段岔區(qū)道床清篩區(qū)段軌道靜態(tài)累計沉降量明顯大于更換道岔區(qū)段,且需經(jīng)歷較長時間列車碾壓有砟道床才能進入穩(wěn)定狀態(tài),說明道床清篩對道床密實度影響較大。

        圖3 擾動道床施工后岔區(qū)軌道靜態(tài)累計沉降量變化曲線

        3 結(jié)論

        依據(jù)岔區(qū)道床清篩、道岔更換后輪軌力及軌道靜態(tài)沉降測試結(jié)果,分析了岔區(qū)擾動道床施工后限速期間提速行車安全性。結(jié)論如下:

        1)與道床清篩相比,更換道岔施工后道床狀態(tài)更加復雜,軌道安全儲備量更小。

        2)更換道岔后列車通過時輪軌力、脫軌系數(shù)與輪重減載率均大于道床清篩后,但其均小于規(guī)范限值。

        3)更換道岔、道床清篩后軌道靜態(tài)累計沉降分別為5.1、7.8 mm。道床清篩后道砟顆粒密實度不足,建議安排穩(wěn)定車補強擾動施工后軌道質(zhì)量。

        綜上,在現(xiàn)有試驗條件下岔區(qū)道床清篩、更換道岔施工區(qū)段均具備安全行車條件。

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