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        鐵路線路糾偏維修技術與效果分析

        2023-09-28 02:30:06
        中國新技術新產(chǎn)品 2023年16期
        關鍵詞:跨度鋼軌整體

        崔 帆

        (國能集團鐵路裝備公司神維分公司府谷工務機械段,陜西 神木 719313)

        隨著高鐵技術的快速發(fā)展,我國鐵路運輸進行了又一次技術革命,全國范圍內(nèi)的鐵路網(wǎng)絡規(guī)模進一步發(fā)展和擴大[1]。在我國鐵路網(wǎng)絡的長遠規(guī)劃方案中,將建成八橫八縱的主干鐵路網(wǎng)絡,而枝干鐵路將深入到全國大部分市縣,形成極為便利的鐵路運輸網(wǎng)絡。但是,需要指出的是,我國幅員遼闊、國土面積廣大。鐵路網(wǎng)絡在全國范圍內(nèi)的延伸,將遇到各種復雜的地質(zhì)環(huán)境和氣象條件。再加上高速鐵路的承載量大,行駛速度快,長期使用過程中,鐵路線路會出現(xiàn)各種鐵路病害[2]。這些病害輕者會影響鐵路的正常運輸,重者會導致重大的生命和財產(chǎn)損失。在各種鐵路線路病害中,因路基沉降導致的線路偏移最為常見,影響也較大[3]。線路偏移又有不同方向的區(qū)別,有垂直方向偏移即純沉降,也有水平方向上的偏移,還有水平和垂直方向同時發(fā)生的復合偏移。該文將根據(jù)千斤頂效應模型,提出鐵路線路垂直偏移和水平偏移的具體糾正方法,并通過試驗加以驗證。

        1 基于千斤頂效應模型的垂直偏移糾偏

        鋼軌是鐵路線路的重要組成部分。為保持鋼軌的正確位置和姿態(tài),鋼軌下方都要鋪設具有足夠承載力的軌基。構(gòu)成軌基的常見素材有混凝土支撐、道床板以及枕木等。但是,在長時間的使用過程中,在自然環(huán)境條件的雨水和風力侵蝕下,軌跡可能會因沉降引發(fā)垂直方向上的鋼軌偏移。

        在這種情況下,一個最直觀的想法,就是采用類似千斤頂?shù)闹喂ぞ撸ㄟ^在鋼軌下的合理排步形成對鋼軌的支撐作用,從而避免因軌基沉降導致的鋼軌線路垂直偏移。

        千斤頂在垂直向完成鐵路線路偏移糾偏的原理,如圖1所示。

        圖1 千斤頂在垂直向完成鐵路線路偏移糾偏的原理

        如圖1所示,鋼軌下面是道床板,其下是支撐層,為了糾正因沉降產(chǎn)生的垂直方向上的鐵路線路偏移,可以在支撐層之間兩側(cè)植入千斤頂,利用千斤頂效應限制沉降,從而起到對鐵路線路垂直方向上偏移的糾偏效果。

        使用該糾偏方案應注意以下幾點:千斤頂應在幾個支撐層之間嵌入,尤其是千斤頂上方的支撐層應該具有足夠的強度,能夠配合千斤頂完成支撐糾偏的作用;千斤頂?shù)撞亢推湎碌闹螌颖仨氂蟹€(wěn)定的接觸面,確保千斤頂不發(fā)生滑移;千斤頂要從左右兩側(cè)對稱卡入,形成均衡的支撐效果。

        根據(jù)千斤頂效應,垂直向糾偏過程中使用的千斤頂?shù)囊?guī)格和數(shù)量,與軌道及軌基整體的質(zhì)量密切相關,其計算如公式(1)所示。

        式中:Q為軌道及軌基即道床板、支撐層的總質(zhì)量,單位是kg;lD為道床板的總體長度,單位是m;mD為道床板的總體寬度,單位是m;nD為道床板的總體厚度,單位是m;ρD為道床板的總體材料密度,單位是kg/m3;lZ為支撐層的總體長度,單位是m;mZ為支撐層的總體寬度,單位是m;nZ為支撐層的總體厚度,單位是m;ρZ為支撐層的總體材料密度,單位是kg/m3;lG為鋼軌軌道的總體長度,單位是m;mG為鋼軌軌道的總體寬度,單位是m;nG為鋼軌軌道的總體厚度,單位是m;ρG為鋼軌軌道的材料密度,單位是kg/m3。

        在垂直向糾偏的支撐過程中,需要重點考察支撐形成的抗剪切效果,其能承受的剪切力滿足下面2個校核公式,如公式(2)、公式(3)所示。

        式中:τ為支撐整體截面達到的抗剪切力,β為支撐截面整體對應的高度影響參數(shù),b為支撐整體截面的寬度,h為支撐整體截面的高度,f為混凝土軸心抗拉強度。

        式中:τ為支撐整體截面達到的抗剪切力,G為鐵路鋼軌軌道的重力,p為支撐整體中的總層數(shù)Lp,為支撐整體中每層的寬度,q為支撐整體中的總板數(shù),Lq為支撐整體中每層板的寬度。

        進一步考察垂直向糾偏后,支撐需發(fā)揮的抗彎效果,如公式(4)所示。

        式中:M為支撐整體截面達到的抗彎強度,γ為支撐截面整體抵抗塑性變形的系數(shù),b為支撐整體截面的寬度,h為支撐整體截面的高度,f為混凝土軸心抗拉強度。

        支撐整體截面達到的抗彎強度的計算,還應該滿足下面的條件。,如公式(5)所示。

        式中:M為支撐整體截面達到的抗彎強度,G為鐵路鋼軌軌道的重力,p為支撐整體中的總層數(shù),Gp為支撐層的整體重力,q為支撐整體中的總板數(shù),Gq為支撐板的整體重力,L為支撐之間的最大跨度,L1為為支撐之間整體跨度的第一組成跨度,L2為為支撐之間整體跨度的第二組成跨度。

        2 基于千斤頂效應模型的水平偏移糾偏

        鑒于千斤頂可以發(fā)揮的支撐效果,同樣可以將其應用于水平偏移發(fā)生后的糾偏處理。對于水平偏移的糾偏處理方案,如圖2所示。

        圖2 千斤頂在水平向完成鐵路線路偏移糾偏的原理

        如圖2所示,并行的兩條鋼軌線路是從西南向東北方向延伸,如果因某些條件導致其在水平面內(nèi)發(fā)生偏移,仍然可以采用千斤頂支撐的方法進行糾偏維修。此時,千斤頂也應從垂直方向改變?yōu)樗椒较颉T谒矫鎯?nèi)的合理角度,應該正好垂直于鋼軌。這樣的情況下,千斤頂就可以發(fā)揮出水平支撐力。

        該方案在實際執(zhí)行的過程中,要充分考慮每一條鋼軌發(fā)生偏移的位置,在對應位置時加千斤頂支撐。同時,要注意千斤頂配置的合理數(shù)量和千斤頂?shù)囊?guī)格,避免支撐力過大導致糾偏過量,也避免多支撐形成的彎扭效應。

        根據(jù)糾偏維修經(jīng)驗,水平方向上鋼軌線路進行的糾偏處理,主要和長度、頂推力等因素有關。糾偏過程中,需要考慮的撓度參數(shù)計算如公式(6)所示。

        式中:y為鋼軌線路在發(fā)生水平方向偏移時的撓度大小;l為糾偏過程中的跨度;q為鋼軌線路上的均勻分布的載荷;E為鋼軌線路結(jié)構(gòu)的彈性模量;I為鋼軌線路截面的慣性矩。

        據(jù)此,可以計算出所使用的千斤頂需要承受的載荷,如公式(7)所示。

        式中:F為千斤頂需要承受的載荷的大小,L為兩個千斤頂之間的跨度距離的大小,E為鋼軌線路結(jié)構(gòu)的彈性模量大小,I為鋼軌線路截面的慣性矩大小,y為鋼軌線路在發(fā)生水平方向偏移時的撓度大小,l為糾偏過程中的跨度大小。

        3 鐵路線路糾偏效果試驗與分析

        在前面的工作中,依托千斤頂效應模型,針對鐵路線路的糾偏維修問題,分別提出了垂直方向上的糾偏方案和水平方向上的糾偏方案,并給出了對應數(shù)學模型及核心公式的推導。在該部分的工作中,將通過試驗對糾偏效果進行進一步驗證。

        觀察垂直向糾偏后得到的效果,如圖3所示。

        圖3 垂直向糾偏效果的試驗結(jié)果

        圖3中,橫坐標為時間,單位是s;縱坐標為施加千斤頂糾偏后,鋼軌軌道在垂直向上的動位移,單位是mm。在橫坐標方向,當?shù)谝幻腴_始計時,以0.1s為一個間隔單位,此后逐步增加到1.8s。在縱坐標方向,以0位移量為參考位置,以0.1mm為步進單位,逐步向下增加到-0.9mm。

        在靜態(tài)情況下,鋼軌自身質(zhì)量不足以產(chǎn)生動態(tài)位移,即便考慮周圍環(huán)境復雜因素等產(chǎn)生的震動效果,垂直方向上的動態(tài)位移量也非常小。試驗過程中,以一個四輪的載重小車,從鋼軌上滑過,單側(cè)會形成2個輪同鋼軌軌道面的接觸,從而產(chǎn)生外力施壓。這時,會先后兩次產(chǎn)生垂直方向上的動位移,曲線形成2個向下的峰值。

        從圖3中的結(jié)果可以看出,測試載重小車的經(jīng)過,導致了1.2s~1.3s、1.4~1.5s先后出現(xiàn)了2個較大的垂直方向上的動態(tài)位移量。但是,在該文構(gòu)建的基于千斤頂效應模型的垂直向糾偏處理方案下,兩次動態(tài)位移量非常小,≤0.9mm。這充分表明,該文糾偏方案對于垂直方向上的偏移,產(chǎn)生了很好的糾偏效果。

        進一步觀察水平方向上糾偏方案所達成的效果,如圖4所示。

        圖4 水平向糾偏效果的試驗結(jié)果

        圖4中,橫坐標為糾偏長度,單位是m;縱坐為千斤頂發(fā)揮的頂推力大小,單位是kN;橫坐標方向上,從20m的位置開始計起,以2m為一個步進單位,以4m為一個標記刻度,一直記錄到56m的糾偏長度位置;縱坐標方向上,從0kN的大小開始計起,以100kN為一個步進單位,以100kN為一個標記刻度,一直記錄到1000kN的頂推力大小。

        從圖4中的曲線可以看出,水平方向上的軌道糾偏處理中,千斤頂頂推力和糾偏長度之間的關系曲線表現(xiàn)為反比例曲線。也就是說,隨著糾偏長度逐漸遠離施力點,千斤頂?shù)捻斖屏饾u變小。這樣,就可以在即校正水平方向軌道偏移的同時,又不至于導致軌道糾偏過激的情況發(fā)生。

        4 結(jié)論

        因沉降、地質(zhì)因素、氣候因素、各種復雜環(huán)境因素等導致的鐵路線路偏移,會極大地威脅鐵路運輸?shù)陌踩?。該文針對鐵路線路糾偏及維修問題,在千斤頂效應模型的基礎上,分別針對垂直方向和水平方向上的鐵路軌道偏移,進行了糾偏方案的設計,并給出了具體的數(shù)學模型和關鍵參數(shù)的計算方法。試驗過程中,軌道垂直向的動態(tài)位移量變化曲線在很小的幅度內(nèi)變化,軌道水平方向上頂推力變化曲線的逐漸削弱,都證實了該文糾偏處理方案的有效性。

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