神朔线三机集中牵引单元万吨列车条件下线桥适应性试验研究

张雯

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081)

神朔线三机集中牵引单元万吨列车条件下线桥适应性试验研究

张雯

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081)

采用三机集中(以下简称3+0)牵引单元万吨列车与分散牵引相比可显著提高站场作业效率。通过在神朔线选取小半径曲线和长大坡道的轨道结构和典型桥梁，试验研究了在神华号机车3+0牵引万吨列车条件下线桥动力性能。结果表明:实测轨道结构的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等安全参数和钢轨横向位移、轨距扩大量等轨道结构稳定性参数均在安全限值和允许范围内;梁体横向和竖向动力响应满足规定要求;与运营货车相比，线桥各参数实测值无明显变大，可以常态化开行集中牵引单元万吨列车，但须对小半径曲线(曲线半径≤500 m)、连续曲线及长大坡道地段的线桥状态加以监测。

轨道结构 桥梁 集中牵引 试验研究

1 概述

为减少站场的作业时间、提高运输效率、增加运输总量、提高铁路运能，神华集团神朔铁路公司计划将万吨列车由原来组合式分散牵引模式调整为集中牵引模式。为试验研究集中牵引对线路、桥涵等设备的影响，评估集中牵引模式的可行性，中国铁道科学研究院铁道建筑研究所开展了3+0集中牵引下线桥设备试验研究工作。

试验主要目的是:通过测试神朔线神华号交流机车3+0集中牵引C80货车116辆单元万吨列车运行条件下典型轨道、桥梁设备的动态响应，掌握线桥设备的受力状态，为评估线桥设备对集中牵引的适应性和制定强化改造对策提供技术依据;研究在3+0集中牵引模式下，小半径曲线及S形曲线上列车运行的安全性，测试试验列车通过各测试工点时的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等安全参数，为试验列车的安全运行和下一步开行集中牵引万吨列车提供技术支撑;研究分析在3+0集中牵引模式下长大桥梁、桥上曲线、高墩桥梁的梁体横向振幅、横向加速度等安全参数，为试验列车的安全运营提供依据。

2 试验概况

2.1 试验工点及试验列车

1)试验工点

结合神朔铁路的线路特点与3+0集中牵引对轨道结构的影响选择测试工点。所选工点分述如下。

轨道工点1:小半径曲线(常用于制动停车)。选取神朔上行K63+300—K63+900，坡度11.8‰，11‰下坡，R450 m，L475.38 m，l130 m，h95 mm。

轨道工点2:S形曲线，R450 m(牵引区段)。选取K126+500(R400 m，坡度10.0‰)。

根据神朔线工务设备特点及病害情况，选择有代表性的桥涵工点进行监测，以评估3+0集中牵引的安全性及对桥涵的影响。结合桥梁设备的运营情况和列车集中牵引条件下对桥梁运营性能的影响，重点选择桥上小半径曲线、大坡道、高墩、长大桥梁以及特殊结构等4个试验工点进行动态试验。

桥涵工点1:神朔线乌兰木伦河1号特大桥。中心里程K23+014，桥式为22×32 m预应力混凝土 T梁，是位于S形曲线上的长大桥梁。

桥涵工点2:前梁黄羊城沟大桥。中心里程K51 +158，桥式为2×24+2×32 m预应力混凝土T梁，墩身有裂纹。

桥涵工点 3:地界川 2#大桥。中心里程 K70+ 316，1×16+2×24+6×32 m预应力混凝土T梁，墩高约40 m，桥墩为空心墩。

桥涵工点4:神朔线黄河大桥。中心里程K100+ 159，主跨为(48+8×80+48)m连续箱梁，其余为32 m预应力混凝土T梁。

2)试验列车

试验用机车为已安装机车同步操纵系统的神华号HXD1交流机车，试验用货车为 C80型，编组最大为116辆。编组方式为:3台交流机车+116辆C80货车+1辆试验车。为对比分析神华号交流机车3+0集中牵引模式对线路设备的影响，同时测试了运营列车。

2.2 试验内容

1)轨道结构

①K63+600制动试验。试验列车在K63+600 m进行制动停车试验，测试10个断面的钢轨纵向力及4个断面的钢轨纵向位移，纵向力测点断面间隔6 m。

②K126+500曲线试验。曲线测点位置为曲中点和圆缓点，根据钢轨磨耗以及轨道状态确定测点位置。选取钢轨磨耗较大区段，主要测试内容包括:轮轨垂直力、轮轨横向力、轨头横移、支点压力、轨枕垂移及横移、钢轨垂移、钢轨和轨枕振动加速度。

2)桥涵结构

桥涵结构试验主要测试试验列车和运营列车通过时的桥梁动力响应，包括梁体竖向和横向振动位移，桥面横向和竖向振动加速度。

2.3 试验评判标准

轨道结构各测试参数的安全评判指标采用脱轨系数、轮重减载率和轮对横向力，其标准按表1执行。

表1 轨道结构安全评判标准

桥梁运营性能评估主要依据《铁路桥梁检定规范》(铁运函［2004］120号，以下简称《桥检规》)，采用行车安全限值和通常值两个标准予以评判。列车通过时，钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁简支桥跨结构在荷载平面处跨中横向振幅行车安全限值为L/9 000，L为跨度。横向振动加速度不应超过1.4 m/s2。预应力混凝土梁在货列重车(速度≤80 km/h)通过时跨中横向最大振幅通常值≤L/(7.0 B)，B为支座中心距。横向最低自振频率通常值≥90/L。

3 试验主要结果及分析

3.1 轨道结构

1)轮轨作用力

试验列车通过时机车轮轨垂直力最大值171.0 kN，轮轨横向力最大值55.7 kN，车辆轮轨垂直力最大值168.4 kN，轮轨横向力最大值60.1 kN。运营列车通过时，机车轮轨垂直力最大值164.8 kN，轮轨横向力最大值86.6 kN，车辆轮轨垂直力最大值178.8 kN，轮轨横向力最大值73.2 kN。将圆曲线曲中和圆缓点两个断面外轨、内轨的数据取平均值进行统计，试验列车机车轮轨垂直力平均值141.6 kN，轮轨横向力平均值21.2 kN，C80车辆轮轨垂直力平均值137.7 kN，轮轨横向力平均值18.2 kN;运营列车机车轮轨垂直力平均值131.9 kN，轮轨横向力平均值30.2 kN，C80车辆轮轨垂直力平均值 137.2 kN，轮轨横向力平均值19.3 kN。试验结果表明:采用3+0集中牵引与现有牵引方式相比，对车辆产生的垂向、横向荷载影响不明显。

2)列车运行安全性

试验列车、运营列车的脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力对比分别见图1—图3。由于试验车车辆型号为C80，仅选取车辆为 C80的运营车辆进行对比。试验列车通过时，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力最大值机车分别为0.38，0.16，42.3 kN，车辆分别为0.47，0.18，40.2 kN;运营列车通过时，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力最大值机车分别为0.70，0.27，58.1 kN，车辆分别为0.83，0.32，60.1 kN。所测数据均小于安全限值。从安全参数测试结果看，试验列车所用的HXD1机车测得结果均小于运营列车SS4机车测得的结果，HXD1机车3+0集中牵引模式并没有导致轨道结构脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力数值变大。

图1 脱轨系数最大值、平均值对比

3)轨道结构稳定性

试验列车通过 R400小半径曲线时，其钢轨横向位移最大值2.70 mm，轨距扩大量最大值4.39 mm，轨枕横移最大值0.33 mm;运营列车钢轨横向位移最大值3.28 mm，轨距扩大量最大值4.42 mm，轨枕横移最大值0.32 mm。《铁路线路修理规则》(铁运［2006］146号)第6.3.1条规定，当列车速度不大于120 km/h时临时补修标准要求动态轨距变化量不超过－10～+20 mm。可见轨距扩大量满足要求。试验结果显示试验列车和运营列车测试结果基本一致，采用3+0集中牵引模式，钢轨横向位移、轨距扩大量及轨枕横移并没有变大。

图2 轮重减载率最大值、平均值对比

图3 轮轴横向力最大值、平均值对比

4)钢轨、轨枕垂向振动加速度

试验列车通过时钢轨、轨枕垂向振动加速度最大值分别为328.1g，29.9g;运营列车通过时钢轨、轨枕垂向振动加速度最大值分别为143.9g，18.2g。大秦线C80万吨列车通过时实测钢轨、轨枕垂向振动加速度最大分别为316.5g，86.9g。试验列车机车由于轴重较大，测得的钢轨、轨枕振动加速度稍大于运营列车，但与大秦线测得的结果相当，处于正常范围。

5)常用制动区段轨道响应

列车制动时由于减加速度的影响，轮轨之间产生附加制动力，钢轨制动附加力与车钩制动力不同，钢轨制动附加力与列车轴重、制动加速度有关，而与制动初速度无关。理论分析表明停车前车前制动力最大。轮轨制动力不能直接测出，一般采用测量钢轨中和轴处纵向应力的办法，通过测得的纵向应力计算制动附加力。列车制动时，由于制动风管压力传递有一个过程，可能造成车辆之间相互冲击。假定前车已经制动，而后车没有制动，就可能形成车辆之间的冲击。此冲击力部分由车钩传递到了前车并依次向前传递，部分由车轮传递到了钢轨。

在R450 m小半径曲线常用制动停车区段，实测钢轨制动附加纵向力最大值47.5 kN，钢轨纵向位移最大值0.25 mm，钢轨横向位移最大值2.26 mm。在大秦线长大下坡地段，减加速度为0.53 m/s2时测得钢轨制动附加纵向力为142 kN，钢轨纵向位移为0.85 mm。由于本次试验列车制动时机车处于测点范围外，且减加速度约为0.15 m/s2，测得钢轨制动附加纵向力、钢轨纵向位移均较小，与运营列车测试结果基本一致。

3.2 桥涵结构

1)梁体跨中横向振动

实测乌兰木伦河1#特大桥第3～6孔梁跨中横向振幅最大值见图4。第5，第6孔梁体实测振幅与列车速度关系见图5。试验列车、运营列车作用下32 m预应力混凝土梁跨中横向振幅最大值分别为 1.61与1.87 mm，均小于《桥检规》通常值(2.54 mm)及安全限值(3.56 mm)。测试速度范围内，梁体横向振幅随列车速度增长的趋势不明显，没有出现共振峰值。试验列车通过时，机车引起的横向振幅小于货车车辆，3 +0牵引模式列车产生的梁体横向振幅与运营列车基本相当。

表2列出了在神华号集中牵引3+0试验列车作用下，实测神朔线乌兰木伦河1#特大桥、前梁黄羊城沟大桥、地界川2#大桥和黄河大桥等4座桥梁梁体横向振幅最大值。可知，梁体跨中横向振幅均满足《桥检规》安全限值要求。实测4座桥梁梁体跨中横向加速度，试验列车作用下最大为0.55 m/s2，运营列车为1.18 m/s2，除地界川2号大桥外，试验列车与运营列车基本相当，但均＜1.40 m/s2，满足《桥检规》要求。值见表3，梁体竖向振动加速度最大值见表4。可知，速度相近时，试验列车引起的梁体竖向振幅及梁体竖向加速度与运营列车C80基本相当。实测梁体竖向振动加速度最大值均满足《铁路桥涵设计基本规范》中道砟桥面强振频率不大于20 Hz的列车竖向加速度不应超过3.5 m/s2的要求。

图5 运营列车与试验列车作用下跨中横向振幅与列车速度的关系

表2 神华号集中牵引3+0试验车与运营车作用下实测梁体横向振幅

2)梁体跨中竖向振动

实测乌兰木伦河1#特大桥第5孔梁跨中竖向振幅最大值见图6。实测跨中竖向振动加速度与列车速度的关系见图7。实测4座桥梁的梁体竖向振幅最大

图6 运营列车与试验列车作用下测试孔跨竖向振幅与列车速度的关系

图7 运营列车与试验列车作用下测试孔跨竖向加速度与列车时速的关系

表3 神华号集中牵引3+0试验列车与运营列车作用下实测梁体竖向振幅汇总 mm

表4 神华号集中牵引3+0试验列车与运营列车作用下实测梁体竖向加速度汇总 m/s2

4 结论

1)采用3+0集中牵引模式的试验列车实测脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力等安全参数和钢轨横向位移、轨枕横向位移、轨距扩大量等轨道结构稳定性参数均在安全限值和允许范围内，与运营列车相比，量值并没有明显变大。神朔铁路测试区段R400，R450 m小半径曲线现有轨道结构状态能够适应3+0集中牵引25 t轴重货物列车运行的安全性、轨道结构稳定性要求。

2)在神华号集中牵引3+0试验列车作用下，通过4座典型桥梁的实测分析表明，梁体横向和竖向振动满足规范行车安全限值要求，桥梁的振动和位移实测值与运营货物列车基本相当。因此，桥梁可满足集中牵引万吨列车的开行要求。

3)本次试验的试验列车次数有限，获取的试验数据量较少。在神华号交流机车3+0集中牵引万吨列车常态化开行条件下，应加强对小半径曲线(R≤ 500 m)、连续曲线及长大坡道地段轨道和桥梁状态的观测。

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Experimental study on adaptability of line and bridge on Daliuta-Shuozhou railway to pulling train(ten thousand tons)using three locomotives centralized traction

ZHANG Wen
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Compared with decentralized traction，three locomotive centralized traction(hereinafter using abbreviation 3+0)of 10 000 t trains can significantly improve the efficiency of station yard．T he dynamic performance of track structure and bridge was tested on typical bridges located at sharp curves and long steep grades，loaded with Shenhua locomotives 3+0 hauling 10 000 t trains．T he results show that the track structure safety parameters(P/Q ratio，reduction rate of wheel load，lateral axle load and etc．)are below the limits and stability parameters(lateral rail displacement，gage widen and etc．)are within the allowable range．T he lateral and vertical dynamic response of bridge girders meet the requirements．T he measured parameter values of track and bridge have no obvious difference comparing with those values while loaded with common vehicles．T hus，10 000 t trains with centralized traction is acceptable to the current bridge and track structure．However，the track and bridge located at specific sharp curves (curve radius not larger than 500 m)，continuous curves or long steep grade shall be observed and monitiored．

T rack structure;Bridge;Centralized traction;Experimental study

U211.8;U441+．3

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．02

(责任审编 李付军)

2015-03-15;

:2015-04-20

国家科技支撑计划(2013BAG20B01)

张雯(1983— )，女，北京人，工程师。

1003-1995(2015)08-0005-05