高速铁路无缝道岔基础参数的试验研究

2014-05-04孙加林许绍辉

铁道建筑 2014年4期

孙加林，梁晨，许绍辉

(1.中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京 100081;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

1 高速铁路无缝道岔的基础参数

针对桥上铺设客运专线道岔存在的问题，西南交大、北京交大和中国铁道科学研究院进行了大量的理论研究，建立了桥上无缝道岔力学模型，利用既有的无缝道岔基础参数(道床纵向阻力、钢轨扣件推移阻力、辙跟及岔跟摩阻力、接头阻力)进行了较为系统的理论计算。但目前尚未对无缝道岔的基础参数进行过系统的研究，无缝道岔理论计算仍采用十几年前提速道岔或秦沈线道岔的参数，导致无缝道岔理论计算与实际情况很难符合。客运专线道岔结构和提速道岔差别较大，因此有必要对无缝道岔基础参数进行研究。

为保证无缝道岔计算结果和现场实际情况符合，除了计算模型应合理，计算参数也应符合现场实际。无缝道岔的基础参数主要有4个:①钢轨扣件推移阻力(钢轨发生相对于扣件的位移时，扣件提供的纵向阻力);②辙跟间隔铁和限位器摩阻力(图1中尖轨跟端和基本轨之间的间隔铁和限位器)及岔跟间隔铁摩阻力(图2中心轨跟端和翼轨之间的间隔铁);③普通接头阻力(图1中道岔尾部侧股的普通接头);④道床纵向阻力(有砟道岔)。

图1 可动心轨半焊无缝道岔

图2 可动心轨辙叉示意

2 高速无缝道岔基础参数的测试

2.1 道床纵向阻力和刚度

道床纵向阻力指道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力。一般以每根轨枕的阻力R，或每延厘米分布阻力r标识。它是抵抗钢轨伸缩，防止线路爬行的重要参数。道床纵向阻力受道砟材质、颗粒大小、道床断面、捣固质量、脏污程度、轨道框架重量等因素的影响。只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床抵抗轨枕纵向移动的阻力，则无缝线路长钢轨的温度应力和温度应变的纵向分布规律将完全由接头阻力和道床纵向阻力确定。

道床纵向阻力测试沿线路纵向，每隔4根轨枕选相邻2根轨枕为测试枕。首先，卸2根测试枕的所有扣件，并且用手动起道机顶起钢轨，取出钢轨与轨枕之间的垫板，此时被测轨枕完全脱离钢轨;然后，在2根测试枕间枕盒内，捡出道砟，在靠近钢轨内侧位置通过加载垫块将2个千斤顶安装在2个测试枕之间。在轨枕的中间顶面上安装位移计，位移计的顶针顶在测试轨枕的外侧面上。道床纵向阻力检测装置安装示意如图3。

图3 道床纵向阻力检测装置安装示意

2010年7月在海南东环铁路灵水车站18号道岔做了道床阻力纵向测试，该道岔已经经过了充分的捣固作业，分别在岔区不同位置实测了4次道床阻力，现场实测曲线如图4所示，试验位置分别为道岔转辙器第3跟岔枕和道岔连接部分第4跟岔枕。

图4 道床纵向阻力关系曲线

海南东环铁路实测道床纵向阻力最大值为40～48 kN、秦沈客专实测为43 kN，两者比较接近，说明试验结果能较好地体现我国250 km/h有砟道岔的道床阻力刚度分布特征。根据仿真计算结果，道床纵向阻力越小，基本轨附加温度力及其影响范围就越大，同时基本轨伸缩位移、尖轨跟端与心轨跟端的伸缩位移也越大，限位器及间隔铁所受作用力受道床纵向阻力的影响也较小。综合分析来看，增加道床纵向阻力，对减小基本轨受力、控制尖轨及心轨的伸缩位移十分有利，因此，宜在无缝道岔养护维修中尽量增加道床纵向阻力。

2.2 钢轨扣件纵向阻力和刚度

钢轨纵向阻力的测试参照欧洲标准EN 13146—1《铁路应用—轨道—扣件系统试验方法—第1部分:钢轨纵向阻力的测定》，纵向阻力值取钢轨滑移时荷载值。

如图5所示，按扣件组装方式将1段长度0.5 m的60 kg/m钢轨固定在特制预应力混凝土无挡肩轨枕上。钢轨无剥离，表面无浮锈，轨底因重复试验被磨光。用特制加力架夹住轨枕，防止轨枕转动，以及沿平行钢轨方向移动。利用横向双动液压千斤顶，通过特制加力架以垂直轨枕的方向并以(10±5)kN/min的加载速率对钢轨轨底施加纵向拉力。采用拉力传感器(量程50 kN，精度±0.1 kN)测试拉力值，并采用位移计(量程±5 mm，精度±0.01 mm)测试钢轨相对于轨枕的纵向位移。拉力和位移采用专用数据采集系统，将信号输出到计算机上，利用专门编制的软件在计算机上进行分析处理。当钢轨滑移时可马上卸载。从荷载—位移曲线上可得出产生非弹性位移之前钢轨所承受的最大纵向力。

图5 试验设备

2010年12月在京石客运专线定州车站进行了高速无缝道岔扣件纵向阻力—位移的测试。试验时分别测试了18号道岔普通垫板扣件和滑床板扣件的纵向阻力，并且每种扣件又分别进行了单节点、两节点和三节点的纵向阻力试验。为了保证试验数据的准确性，每个相同节点试验都进行了3次，最后取平均值。普通垫板扣件纵向阻力测试结果如表1所示，滑床板扣件纵向阻力测试结果如表2所示。

采用不同的扣件形式及不同的扣件螺栓扭矩，扣件纵向阻力不一样。根据已有研究成果，扣件纵向阻力越小，通过岔枕传递给基本轨的温度力就越小，在轨温变化幅度较大的情况下，通过限位器传递的温度力也越大。扣件纵向阻力减小，虽然基本轨最大附加温度力有所降低，但尖轨跟端及心轨跟端的伸缩位移均将增大，同时限位器所受作用力会大大增加，间隔铁受力也有所增加，限位器子母块开始贴靠时的轨温变化幅度越低，即限位器所起的限制尖轨伸缩位移的作用越大。道床纵向阻力越大、道岔号码越大，扣件纵向阻力的影响将越大。综合来看，在能确保钢轨强度的条件下，采用大阻力扣件，对无缝道岔的受力与变形是比较有利的。对照高速道岔用扣件和弹条Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件的纵向阻力，前者采用三节点测试平均值为24.7 kN，文献［2］测得弹条Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件为16 kN，表明高速无缝道岔用扣件纵向传力性能大大强于普通弹条型扣件。

表1 普通垫板扣件钢轨纵向阻力试验结果

表2 滑床板扣件钢轨纵向阻力试验结果

2.3 钢轨接头摩阻力和刚度

开始试验前，钢轨接头间的缝隙调整到最大距离，然后对接头夹板的螺栓施加固定扭矩。将安装好的钢轨接头竖立，使钢轨的断面垂直于试验机加载头。采用位移计(量程±5 mm，精度±0.01 mm)测试两个接头钢轨相对位移。对钢轨断面施加0.5 kN/s匀速荷载，压力和位移采用专用数据采集系统输出信号到计算机，利用专门编制的软件在计算机上进行分析处理，测试结果如表3所示，钢轨接头摩阻力—位移关系曲线如图6所示。

表3 钢轨接头滑移阻力测试结果

图6 钢轨接头摩阻力—位移关系曲线

2.4 限位器滑移阻力和刚度

开始试验前，限位器间的缝隙调整到最大距离，对螺栓施加固定扭矩。安装限位器，钢轨的断面垂直于试验机加载头。采用位移计(量程 ±5 mm，精度±0.01 mm)测试中间钢轨相对位移。对钢轨断面施加0.5 kN/s匀速荷载，压力和位移采用专用数据采集系统输出信号到计算机，利用专门编制的软件在计算机上进行分析处理。测试结果如表4所示，限位器滑移阻力—位移关系曲线如图7所示。

表4 限位器滑移阻力测试结果

图7 限位器滑移阻力—位移关系曲线

试验结果表明:限位器滑移位移随着施加荷载的增大而增大，当位移达到某一值后，钢轨开始滑移，此时钢轨接头滑移阻力不再增加;随着螺栓安装扭矩的增大，钢轨接头滑移阻力也随之增大，基本呈线性增长。

限位器阻力越大，基本轨附加温度力、基本轨伸缩位移、间隔铁所承受的作用力也越大，而尖轨跟端、心轨跟端伸缩位移就越小;限位器向基本轨传递温度力的过程中所起作用越大，该影响效果就越明显。

2.5 间隔铁滑移阻力和刚度试验

开始试验前，间隔铁间的缝隙调整到最大距离，然后对螺栓施加固定扭矩。安装好限位器，钢轨的断面垂直于试验机加载头。采用位移计(量程±5 mm，精度±0.01 mm)测试中间钢轨相对位移。对钢轨断面施加0.5 kN/s匀速荷载，压力和位移采用专用数据采集系统输出信号到计算机，利用专门编制的软件在计算机上进行分析处理。测试结果如表5所示，间隔铁滑移阻力—位移关系曲线如图8所示。