轨道不平顺的成因及其控制

2012-08-15刘哲哲

山西建筑 2012年14期

关键词：平顺轮轨钢轨

刘哲哲

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

铁路轨道多支承在密实度和弹性很不均匀的路基和道床上，需要承受随机性很大的列车动荷载的反复作用，其几何形状、位置和尺寸是经常变化的。在实际工程中，铁路轨道除需满足强度要求外，还必须严格满足平顺性的要求。

1 轨道不平顺的成因

轨道不平顺往往起源于轨道材料的缺陷及各组成部件在生产制造过程中的误差或公差，以及施工过程中产生的各种初始不平顺。线路开通运营后，在列车荷载、自然环境等因素的作用下，轨道的几何形状、尺寸和空间位置发生变化，轨道不平顺进一步发展。

1)材料与制造因素。钢轨在生产过程中，难免会有杂质、气泡等隐藏于钢轨内部。在列车作用下，这些瑕疵将导致钢轨表面出现凹陷、剥落等缺陷。另外，在高温下轧制成形的钢轨，因轨头较厚，冷却的速度比轨腰和轨底慢，在冷却过程中会产生弯曲。国产50 kg/m和60 kg/m钢轨在轧制过程中普遍存在轨身周期性不平顺，波长多为1.6 m ～3.2 m，幅值多为0.2 mm ～0.8 mm。

2)设计与施工因素。在工程设计中，对土质路基的刚度均匀性、道砟材质和级配、道岔平顺性、桥梁挠度、折角、桥隧与路基间过渡段长度等参数的选择考虑不周、设计不当时，都将导致轨道产生较大的局部或周期性初始不平顺。

3)自然环境因素。雨水、风沙、冰冻、温度变化以及化学物质等环境因素，会使轨道结构损坏，如钢轨、扣件锈蚀，轨枕产生裂缝，道床脏污等，导致轨道几何形状发生变化，产生轨道不平顺。

4)养护维修作业因素。在轨道养护维修过程中，由于测量误差、整修校正机具的公差和操作不规范等原因，使得校正效果产生偏差，这不仅会使残留部分轨道不平顺，甚至还可能成为新的轨道不平顺源。

5)列车荷载作用因素。a.不规则列车荷载列车车轮上的制造公差或擦伤等，钢轨上存在的初始不平顺，这些都会形成不规则的轮轨作用力。不同机车车辆的轮载是随机变化的，轮轨作用力沿钢轨延伸方向的分布，或在左右两侧钢轨上的分布都是不均匀的。这些不规则的列车荷载，对道床和路基的压力也是不均匀的，这就导致不同位置的轨道产生不同的沉降，形成垂向的轨道不平顺。b.过大的机车车辆荷载。过大的机车车辆荷载会使轨道部件失效、伤损，道床路基的不均匀残余变形增大，轨道结构抗变形能力减弱，产生轨道不平顺。c.列车荷载对道床路基的夯拍抽吸作用。列车经过时，将钢轨及轨枕压下，车轮过后钢轨、轨枕产生回弹，这种脉冲式夯拍抽吸作用迫使泥土从道砟之间的空隙中挤出，产生翻浆冒泥现象。不仅导致道床脏污，还常使道砟大量陷入软化了的路基，产生严重的暗坑吊板现象，形成很大的高低不平顺。

6)运输条件因素。通过总重、轴重、行车速度等运输条件直接影响轨道几何形状的变化。通过总重包含车辆轮重和作用次数两个因素，反映了列车荷载作用大小和作用次数的组合特征。国内外大多通过总重来表示轨道平顺状态的恶化周期、校正轨道状态的维修周期、钢轨及轨道部件的寿命周期。轨道不平顺的发展变化需要经历一个逐渐积累的过程，变化的快慢和程度与作用力大小、次数的组合紧密相关。在通过总重相同的前提下，平均轴重较大的线路，轨道状态恶化的速度更快，恶化程度更严重。

7)其他因素。钢轨重量较轻，结构较薄弱的轨道结构，保持轨道平顺性的承载能力较低。采用抗弯刚度大的重型钢轨，匹配弹性较好的胶垫，有利于将车轮荷载更好的分散到轨枕上，使道床路基承受的压力减小，从而使轨道保持平顺性的能力增强。有缝线路的钢轨接头是轨道结构的薄弱部位，轮轨间巨大的冲击力会造成钢轨端部的变形，使接头轨面处更加不平顺。轮轨间的动作用力也会传到道砟、路基，造成其在接头处轨枕下的残余变形比其他部位更大。道岔、伸缩调节器也是轨道结构中的薄弱环节，这些部位轨道有不连续的薄弱点，因而轨道不平顺更严重。

2 轨道不平顺的控制

2.1 控制轨道不平顺的意义

轨道不平顺会引起机车车辆振动，导致轮轨动作用力增大。严重的轨道不平顺会引起车辆剧烈振动，直接影响行车运动的平稳舒适性和行车安全，对机车车辆、轨道部件、维修工作量和轨道的疲劳寿命也有很大的影响。而在高速行车条件下轨道不平顺造成的影响更大，一旦引发事故，其危害也要比中、低速时严重得多。

2.2 控制轨道不平顺的方法

1)严格限制轨道初始不平顺。初始平顺性差的轨道，不仅维修周期短，及时增加维修作业次数也难以改变轨道初期“先天不良”的缺陷。日、法、德等国都制定了非常严格的钢轨平直性标准和高速轨道铺设精度标准。钢轨的平直性对轨道的平顺性有决定性的影响，而高速铁路对钢轨平直性的要求比一般铁路更为严格，控制指标也更全面。如对一般线路的钢轨未作规定的轨身、小腰平直性、钢轨全长的弯曲、扭曲等，对用于高速铁路的钢轨都补充了相关的、较严格的规定。严格控制轨道的铺设精度是建成高平顺高速线路的重要技术措施，对于保证高速铁路的建设质量和开通速度，确保高速车辆安全、平稳、舒适的运行，减少轨道和机车车辆的养护维修费用，都十分重要。

2)监测掌握轨道的平顺状态。准确掌握轨道不平顺的实际情况是对轨道平顺状态控制的前提条件，要正确量测出对行车有重要影响的轨道不平顺，轨道检查车等检测设备的量测基准，传递函数、分辨精度、可测波长范围、可测幅值范围必须符合要求。在曲线圆缓点、直缓点、道岔区等轨道薄弱环节，状态容易变化、容易发生脱轨事故的处所，检测的真实性、可靠性更应得到保证，不得漏检或失真。轨道不平顺的测定方法直接决定着取得结果的真实可靠性，目前世界各国用来测量高低、轨向不平顺的方法可归纳为弦测法和惯性基准法两大类。

由于在行进中的检测车上找不到静止不动的测量基准线，多年来世界各国普遍采用弦测法进行测量。弦测法具有装置简单、使用方便、价格便宜等优点，但弦测法的传递函数是随弦长与不平顺波长的比值变化的，只有在部分情况下方能正确测量或近似反映轨道的平顺状态。惯性基准法是利用惯性原理获得测量基准的现代先进检测方法，克服了弦测法的缺陷，能比较如实的反映实际的轨道不平顺。但是由于必须采用高通滤波器等原因，当速度低于15 km/h时不能正确测量，且系统比较复杂，对系统的瞬态特性和修正补偿要求严格，价格昂贵。

3)建立科学合理的轨道状态管理体系。根据国内外的研究成果和各国长期管理轨道平顺状态的实践经验，在轨道不平顺发生、发展变化的各个阶段，都应层层把关。除需对新线施工和大修、维修作业后的轨道初始平顺性进行严格验收管理外，多数国家的铁路都在轨道状态变化的不同阶段进行相应的管理，制定了针对优良、中等、恶化等不同状态阶段实施管理的相应标准。

基于轮轨相互作用的观点，从缓和车轨相互作用的角度出发，科学管理轨道平顺状态，应在以下方面加大研究力度:

1)进一步深入研究高速领域轨道动力学、车轨相互作用等方面的专业基础理论和测试技术，以便采用更为经济、有效的维修手段来保证轨道平顺性。2)加快研究制定根据轨道结构和几何状态允许机车车辆上道运行的制度、试验方法和评定标准;研究车轮扁疤对轨道破坏的影响及控制标准;研究货车车辆扭曲刚度对轨道扭曲适应性及相应的控制技术条件。3)研究采用先进的轨道检测技术和计算机诊断技术，进一步深入研究根据轨道状态对列车振动、轮轨作用力及行车安全性和平稳性的影响，来正确评价轨道状态的理论和技术。4)对各工务数据库的结构和内容做进一步的研究，对数据库的关系、信息传递方式、信息的使用进行深入探讨，建立先进、高效的工务管理信息系统。5)进一步研究开发高速综合轨道电气检查车，集轨道状态、轮轨力、接触网、通信信号等检测技术于一体，以提高检测效率、数据共享程度及综合管理水平。