大秦重载铁路轨道强化技术方案的探讨

2012-09-04张建峰

铁道建筑 2012年6期

关键词：弹条加强型伤损

张建峰

(太原铁路局工务处，山西太原 030013)

大秦重载铁路轨道强化技术方案的探讨

张建峰

(太原铁路局工务处，山西太原 030013)

我国现有重载铁路轨道结构体系的安全储备不足，重载线路各种伤损和破坏现象严重，本文分析研究了重载铁路轨道强化技术，并在大秦铁路安装了轨撑、加强型弹条和横向阻力器等加强设备，各种加强措施经过了设计、结构分析、室内疲劳试验、现场铺设、动态测试试验、现场长期观测和效果评估等验证程序。研究结果表明:在小半径曲线、长大下坡道地段和特殊伤损地段上采取轨道加强措施后，轨道强化效果显著，起到了保持轨道结构线形的作用，间接减小了小半径曲线上钢轨磨耗，延长了小半径曲线钢轨使用寿命，减少了养护维修工作量。

重载铁路轨道强化曲线减磨

在北美(包括美国、加拿大、墨西哥)、澳大利亚、南非和巴西等地域面积辽阔、散装货物运量大、流向集中的国家重载铁路运输已有很大发展。中国重载铁路运输经过20年的发展，已形成了以大秦煤炭运输专线为代表，多条干线综合采用不同重量级别、不同组织形式的重载运输模式。在大秦线已开行万t、2万t重载列车，2009年实现年运量3.3亿t，2010年实现年运量4亿t。一般认为，重载铁路单条铁路年运量的极限是2亿t，而年设计运量为1亿t的大秦铁路，不仅早就突破设计运量，而且还大大突破了世界重载铁路运量的理论极限。

随着重载列车运行密度加大，以及运量的显著增加，加速了轨道结构的伤损和线路状态的恶化。既有重载铁路运营现状表明，当前运量的条件下，既有重载铁路轨道结构体系的安全储备不足。目前新的重载轨道结构体系正在研发中，还需要大量的前期研究储备，各种相应的部件需要理论分析、设计、试验、优化完善和定型后，才能进行批量产，需要的周期较长。针对目前我国重载铁路运输的现状，通过对大秦重载线路轨道结构产生的动力破坏程度进行分析，结合大秦重载铁路运营的实际情况，研究在既有轨道结构基础上，采取有效的轨道强化措施，提高轨道结构的强度，为重载铁路的养护维修提供指导，为新型重载轨道体系的建立提供借鉴。

1 大秦重载铁路轨道存在的主要问题

近年来随着运量、轴重和车速的不断提高，轨道各部件伤损明显增加，主要表现在以下几个方面:①曲线钢轨磨耗伤损加剧，曲线地段不均匀侧磨现象较为突出;②钢轨核伤、裂纹、剥离掉块等伤损明显增加(如表1);③曲线混凝土枕切槽(如图1)，挡肩破损;④动态下钢轨外倾，造成轨距扩大，钢轨外闯(如图2)、里口扣件离象较为普遍;⑤扣件磨损变薄(如图3)，弹条疲劳，胶垫压溃破损，尼龙底座破损;⑥轨距杆剪切折断(如图4)。

由此可见，随着运量的不断增加，钢轨伤损加剧，在列车动荷载作用下，钢轨受力后会造成轨距扩大、钢轨外倾，并由此引发曲线轨向变化，造成钢轨的不均匀侧磨以及轨枕切槽、轨距杆折损、零配件破损等设备病害，缩短了钢轨、扣板、尼龙座、胶垫、轨距杆等的使用寿命，同时造成轨道养护工作量增加，线路维修周期缩短。

表1 大秦线近年钢轨伤损统计表

图1 混凝土枕切槽

图2 钢轨外闯

图3 扣件磨损

图4 轨距杆剪切折断

2 主要强化措施的设计

分析了国外重载铁路轨道强化措施以及国内重载铁路轨道结构参数、养护维修状态、各种伤损和破坏现象，重点研究了轨撑、加强型弹条、横向阻力器以及热塑性弹性体轨下垫板等轨道加强设备;将各种加强设备在线路薄弱地段进行试铺，对安装前后轨道结构状态进行测试和跟踪观测，进一步优化完善强化方案。

安装轨撑、加装横向阻力器、更换加强型弹条、铺设热塑性弹性体长寿命轨下垫板是现有线路条件下比较可行的轨道加强措施，也是最简单易行的方法。

1)轨撑

在曲线半径R≤400 m地段，每隔2根轨枕上安装一对;曲线半径400 m＜R≤600 m地段，每隔3根轨枕上安装一对;曲线半径600 m﹤R＜800 m地段，每隔4根轨枕上安装一对;曲线半径R≥800 m地段，每隔5根轨枕上安装一对;直线地段，每隔7根轨枕上安装一对。

2)横向阻力器

在曲线半径R≤400 m地段，每隔5根轨枕上安装一对;曲线半径400 m＜R＜800 m地段，每隔7根轨枕上安装一对;曲线半径R≥800 m地段，每隔9根轨枕上安装一对;直线地段，每隔14根轨枕上安装一对;特殊地段，根据具体情况加密。

3)加强型弹条、热塑性弹性体轨下垫板

加强型弹条、热塑性弹性体轨下垫板应在重点区段全部更换。

3 轨道加强后动态试验及结果分析

为研究既有重载铁路轨道加强后的效果，对加强前后轨道性能进行了现场对比测试，沿大秦重车线方向依次布置三个测试点，分别为直线段、直线对比段和曲线段，测点布置如图5所示。其中两个直线段测试断面相距70 m，曲线段和直线段测试工点均测试5种工况，每种工况数据采集1 d，在共计5 d轨道结构动态检测期间，曲线段共采集了133趟货物列车;直线段和直线对比段均采集了125趟货物列车，现场测试如图6所示。

通过测试3个工点的行车安全性、轨道结构动力响应和振动变形特征，对测试结果进行对比分析，从而评估安装轨撑、更换加强型弹条、铺设热塑性弹性体轨下垫板等轨道加强措施对列车运行的安全性、轨道稳定性、轨道部件承载强度的安全储备以及线路平顺性等性能的改善情况。

1)安全性指标测试。通过测试轮轨垂直力和横向水平力参数，据此计算机车车辆内外轮脱轨系数、轮重减载率ΔP/P及轮对横向力，判定试验列车运行的安全性。

2)轨道结构的动荷载测试。通过测试轮轨垂直力和轮轨水平力等参数，分析货物列车动力作用对轨道结构部件的受力性能的影响。

图5 轨道动力特性试验测点布置

图6 现场测试

3)轨道结构的动变形测试。通过测试钢轨垂向位移、钢轨横向位移、轨枕垂向位移、轨枕横向位移、钢轨动态轨距变化量等参数，结合轮轨垂直力、水平力，综合分析轨道动态变形性能和稳定性。

4)轨道结构的振动测试。通过测试钢轨、轨枕的垂向振动加速度，分析列车动载作用下钢轨、轨枕的振动传递关系和特性。

通过对测试数据的分析，可以得出，①车速相对较高时的轨道加强措施效果优于车速较低时的效果，曲线段的效果优于直线段;②同时安装了轨撑、换成加强型弹条、铺设热塑性弹性体轨下垫板的线路，脱轨系数和轮轨减载率减小;③采取轨道加强措施可以防止轨距扩大，使钢轨垂向位移减小;④在曲线段轨撑、加强型弹条、热塑性弹性体轨下垫板可使钢轨加速度与轨枕加速度均减小;⑤轨撑的使用可以有效保持轨距、保持线型，间接起到减缓钢轨侧磨的作用。

4 轨道加强后效果分析

按轨道强化方案实施轨道加强后，曲线侧磨速度有所缓解，用工投入大幅下降，以大秦重车线K306曲线为例:

1)钢轨使用寿命延长

该段为R=500 m曲线，曲线长585.26 m，位于8.7‰下坡道，2008年该段曲线由于上股侧磨、下股压溃，上股更换3次，下股更换2次;2008年10月末大修换轨后安装了轨道加强设备，截止到2009年3月中旬共5个月，上股基本无侧磨，下股无压溃;截止到2009年10月份该段钢轨上股在集中修期间换下，下股未更换，再次使用1年，至2010年10月份更换，2011年4月份大修换轨时侧磨＜6 mm。

2)修理用工减少

安装加强设备之前，平均每周要对该段曲线进行一次改道作业，平均每月在该段曲线投工(主要作业项目有换轨、改道、拨道、复紧和起道)200个左右;安装加强设备之后平均每半个月对该段曲线进行一次改道作业，平均每月投工(主要作业项目有复紧、拨道和起道)65个左右。