艮东联络线铺设无缝线路设计探讨

2017-04-12上海铁路局工务处

上海铁道增刊 2017年4期

黄　兵　上海铁路局工务处

随着铁路高速化、重载化的发展，无缝线路技术日益成熟，无缝线路的作用越来越重要，无缝线路已逐步取代普通有缝线路。无缝线路与普通线路相比，不仅消灭了大量的钢轨接头和接头病害，节省了大量的接头零件和线路维修养护的工作量，而且减少了列车车轮对接头处钢轨的撞击，使列车运行更平稳，降低了噪声，同时又延长了线路设备、机车车辆的使用年限和维修周期，因此无缝线路是线路大修改造的优先选择。但是无缝线路钢轨内部随着轨温的变化会产生巨大的温度压力，温度压力的存在会对无缝线路的轨道稳定性造成影响。因此铺设无缝线路时应根据具体情况对轨道强度和轨道稳定性进行计算，以判断线路是否具备铺设无缝线路条件。本文主要针对艮东联络线小半径曲线地段是否能够铺设无缝线路进行强度和稳定性计算分析。

1　线路概况

艮东联络线位于浙江省杭州地区，南起杭州东站普速场，北至艮山门线路所，是连接杭州东站的一条重要联络线，电气化线路。该线路有曲线5条，曲线半径分别为350m、350 m、450m、1100m、1400m；桥梁 6座，其中带护轨桥 2座；线路上轨枕以Ⅱ、XⅡ型铪枕为主，桥梁区段为Ⅱ型或XⅢ型铪桥枕，轨枕配置：Ⅱ型枕地段为1760根/km，Ⅲ型枕地段为1667根/km；扣件类型为Ⅱ型弹条扣件；碎石道床，道床肩宽0.4m，碴肩无堆高。

2　轨道强度和稳定性计算

2.1　强度计算

为防止钢轨断裂，无缝线路钢轨应具有足够的强度。无缝线路强度计算的要求：在列车动力作用下，要求钢轨所承受的各种应力的总和不超过规定的容许值。即长钢轨的动弯应力、温度应力及其他附加应力的总和不超过钢轨的容许应力。

通过轨道强度的计算可以得到钢轨允许温降[△Td]，采用式（2）进行计算。

计算依据及参数：小半径曲线地段轨枕布置按1840根/km 计算。[σ]为钢轨容许应力，[σ]= σs/K=405/1.35=300MPa，σs为钢轨屈服强度（MPa），K为钢轨安全系数，取 1.35；σd为钢轨轨底边缘动弯应力；σt为钢轨最大温度应力；σf为钢轨最大附加应力，按10MPa计算。钢轨基础弹性模量为钢轨支座刚度，Ⅱ型铪枕取30kN/mm，a为轨枕间距；钢轨基础与钢轨的刚比系数；当量荷载，P、x分别为车轮群中各车轮的轮载、轴距（以SS8型电力机车为计算依据）；最大静弯矩；电力机车速度系数α1=0.6V/100；偏载系数β=0.002h，其中未被平衡的超高△h，取 75mm；最大动弯矩Md=Mo(1+α'+β)；轨底，轨头；其中Ix为钢轨水平惯性矩，W底、W头为轨底截面系数；P60再用钢轨垂直磨耗为6mm时，Ix=2879cm4、W底=375cm3、W头=291cm3；f为横向水平力系数。

通过计算得到允许温降，如表1。

表1　钢轨允许温降

2.2　稳定性计算

无缝线路得最大特点是夏季高温季节在钢轨内部存在巨大的温度压力，容易引起轨道横向变形。在列车动力或人工作业等干扰下，轨道弯曲变形有时会突然增大，这一现象常称为胀轨跑道（也称膨曲），理论上称为丧失稳定。无缝线路稳定性计算的主要目的就是研究轨道膨曲的发生规律，分析其产生的力学条件，计算出保证线路稳定的允许温度压力，防止无缝线路失稳。

在无缝线路稳定性计算时以轨道产生横向位移f=2mm时的温度压力PN除以安全系数K后得出的温度力[P]作为控制温度力，从而计算出允许温升[△Tu]。相应的计算公式如下：

式中，β为轨道框架刚度换算系数，取1.0；Iy为钢轨竖直惯性矩，取524cm4；f0e为轨道原始弹性弯曲矢度，取2.5mm；l为轨道原始弯曲半波长；Q为等效道床横向阻力，每公里铺设1840根Ⅱ型铪枕时，取87N/cm；1/R'为合成曲率，1/R'=1/R+8f0p/l2，其中R为曲线半径，f0p为轨道原始塑性弯曲矢度，取2.5mm；K为安全系数，取1.35；F为钢轨截面面积，取77.45 cm2。

在保证轨道弹性原始弯曲曲率（f0e/l2）不变的条件下，利用式（4）对轨道原始弯曲半波长进行试算，即由式（4）计算得l值，如果与轨道原始弯曲半波长l0（取4m）有较大出入，令l=l0，重新计算f0e'，将f0e'代人式（4）重新计算l，直至与最后假定的l0差值为0.1cm，从而确定出最不利的轨道原始弯曲半波长。通过计算得到允许温升，如表2。

表2　钢轨允许温升

3　铺设无缝线路分析

查表可知杭州地区最高轨温为62.1℃，最低轨温为-10.5℃。该地区能否铺设无缝线路，主要决定于轨道的允许温升[△Tu]与允许温降[△Td]之和是否大于该地区的年轨温变化幅度。允许铺设无缝线路的条件为：

式中，△t锁为无缝线路允许的锁定轨温范围，一般取8℃～10℃。通过表1、表2中的允许温降、允许温升可知，R=350 m的曲线地段[△Tu]+[△Td]-（Tmax-Tmin）＜8℃，不满足铺设无缝线路条件；R=450的曲线地段 [△Tu]+[△Td]-（Tmax-Tmin）＞8℃满足铺设无缝线路条件。

确定半径450m曲线地段无缝线路设计锁定轨温。无缝线路设计锁定轨温应根据当地气象资料，无缝线路的允许温升、允许温降，并考虑一定的修正量计算确定。设计锁定轨温计算公式为：

取修正值ΔTk=0.75℃，则Te=34℃。设计锁定轨温幅度为34±3℃。

最大温降幅度：ΔTdmax=Tm-Tmin=37-(-10.5)=47.5℃≤[ΔTd]=50.7℃；

最大温升幅度：ΔTumax=Tmax-Tn=62.1-31=31.1℃≤[ΔTu]=32.8℃，满足要求。

4　无缝线路前期整治

无缝线路铺设前，应对线路进行综合整治，以满足铺设条件。要求路基稳定，无道床翻浆、路基冒浆，线路排水状态良好；补充道床石碴，道床应保持饱满、均匀和整齐，道床顶面宽度应达到3.4m，R≤600m曲线外侧道床应加宽0.1m，碴肩堆高0.15m，边坡坡度1：1.75；更换线路上的失效轨枕，对锈蚀严重及失效的螺杆进行改锚。