75 kg/m鋼軌12號單開道岔30 t軸重貨車動力學(xué)試驗(yàn)研究

錢 坤，王樹國

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)能緊張，發(fā)展重載運(yùn)輸可以在較短時間內(nèi)增加運(yùn)力。世界上重載鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家，貨車軸重普遍在30 t左右，最大軸重達(dá)40 t。大軸重、低自重、低動力和低成本已成為重載鐵路的發(fā)展方向。由于我國重載鐵路運(yùn)輸除大軸重外還具有高速度、高密度的特點(diǎn)，對線路條件及養(yǎng)護(hù)維修提出很高的要求，特別是對重載道岔的影響會更加突出［1-4］。為適應(yīng)重載運(yùn)輸?shù)男枰伏S鐵路采用了75 kg/m 12號道岔(75-12型)。采用動態(tài)測試對開行30 t重載軸重列車后，75-12型重載道岔的適應(yīng)性進(jìn)行研究，提出了優(yōu)化建議。

1 30 t軸重動力試驗(yàn)

2007年開始，朔黃鐵路開始進(jìn)行擴(kuò)能改造的可行性研究，提出延長到發(fā)線有效長度、提高列車牽引質(zhì)量、開行萬噸及兩萬噸重載列車的擴(kuò)能改造方案。改造后，出現(xiàn)了提高運(yùn)能的瓶頸問題，兩萬噸重載列車的長度已達(dá)兩百余節(jié)，如進(jìn)一步增加列車長度，列車牽引控制、站線和配套設(shè)施也要進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)建;其次，列車運(yùn)行圖已近飽和，在現(xiàn)有運(yùn)行速度下，尚可保證機(jī)車車輛的周轉(zhuǎn)，但由于維修天窗少、時間短，導(dǎo)致固定設(shè)備維修緊張，設(shè)備折舊比較嚴(yán)重，安全儲備不足。現(xiàn)兩萬噸貨車軸重最大僅為25 t，所以提高貨車軸重是提高運(yùn)能的有效措施;同時，朔黃鐵路部分區(qū)段的運(yùn)行速度只有70 km/h，在改造完成后擬提高運(yùn)行速度。提高軸重和提速對道岔的影響都很大，依托朔黃鐵路30 t軸重提速試驗(yàn)，研究分析現(xiàn)有75-12道岔的重載運(yùn)輸條件適應(yīng)性。

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

朔黃鐵路的上行線路為重車線路，鋪設(shè)CHN75鋼軌，下行為輕車線路，鋪設(shè)CHN60軌。本次僅測試重車線路鋪設(shè)的75 kg/m鋼軌12號單開道岔。該道岔是中鐵山橋生產(chǎn)的固定轍叉單開道岔(圖號為SC559)，道岔設(shè)計軸重為25 t，直向和側(cè)向允許通過速度分別為90 km/h和40 km/h，道岔全長37 800 mm，前長16 592 mm，后長26 608 mm，導(dǎo)曲線半徑350 m，采用75AT可彎式尖軌。

主要測試既有貨物列車和試驗(yàn)列車通過12號道岔時的安全性參數(shù)以及道岔受力、變形及振動等各項(xiàng)指標(biāo)，經(jīng)對比分析，研究不同軸重下道岔結(jié)構(gòu)及部件強(qiáng)度的安全儲備、振動和變形，評估道岔對30 t軸重重載列車運(yùn)行條件的適應(yīng)性，為進(jìn)一步研究道岔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化對策提供技術(shù)依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)工況

測試工點(diǎn)選取原平南站14號岔位12號固定型單開道岔(里程K81+800)，試驗(yàn)列車編組為SS4機(jī)車+客車+1節(jié)C70+2節(jié)KM96+6節(jié)KM96B+10節(jié)C96+10節(jié)C80+9節(jié)C70+8節(jié)C64K+SS4機(jī)車。大軸重貨車(C96、KM96B/96)采用不同裝載重量進(jìn)行試驗(yàn)，裝載后的軸重分別為25，27，30 t，試驗(yàn)過程中，裝載重量根據(jù)前一級裝載重量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行安全評估后逐級增加。試驗(yàn)列車各裝載工況下，道岔直向通過試驗(yàn)速度為65，75，80 km/h，道岔側(cè)向通過試驗(yàn)速度為40，45 km/h。為對比分析，對通過測試工點(diǎn)的萬噸運(yùn)營列車也進(jìn)行了測試。

2 道岔動力性能測試分析

2.1 道岔運(yùn)行安全性測試分析

為驗(yàn)證30 t軸重75-12型道岔的運(yùn)行安全性，對不同軸重重載試驗(yàn)列車和不同速度條件通過道岔時的輪軌垂直力P和輪軌水平力Q進(jìn)行測試，根據(jù)實(shí)測脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率ΔP/P及輪軸橫向力(Q1－Q2)，分析試驗(yàn)列車通過道岔時的運(yùn)行安全性。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1內(nèi)按照道岔直側(cè)向通過不同速度檔的試驗(yàn)工況，分別列出了C96和C80貨車列車的各項(xiàng)安全性參數(shù)。對比完全裝載后的C96和C80貨車實(shí)測結(jié)果可以看出，脫軌系數(shù)和輪重減載率無明顯差異，C96貨車的輪軸橫向力稍大于C80貨車，其運(yùn)行安全性指標(biāo)均在相應(yīng)限值范圍內(nèi)，試驗(yàn)30 t軸重貨車通過道岔的安全性滿足要求?？紤]到試驗(yàn)列車的編組長度較短以及運(yùn)營過程中的車輛狀態(tài)逐漸劣化等因素，實(shí)際運(yùn)營過程中C96貨車的安全性參數(shù)可能會逐漸增大，可以通過對比C80貨車和C80運(yùn)營列車的數(shù)據(jù)看出這一點(diǎn)。

表1 試驗(yàn)列車通過道岔時安全參數(shù)統(tǒng)計

2.2 道岔受力特性測試與分析

2.2.1 輪軌垂直力

貨車軸重的提高對道岔結(jié)構(gòu)最直接的影響是輪軌垂直力的增加，而輪軌垂直力是造成軌道累積變形、磨耗和傷損的最主要因素之一。通過測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，列車直、側(cè)向通過道岔時的輪軌垂直力最大值和平均值如圖1和圖2所示。

圖1 試驗(yàn)列車側(cè)向通過道岔時輪軌垂直力統(tǒng)計

圖2 試驗(yàn)列車直向通過道岔時輪軌垂直力統(tǒng)計

該道岔使用中最突出的問題是道岔尖軌與轍叉軌頂面磨耗嚴(yán)重、剝離掉塊、軌頭壓潰以及出現(xiàn)魚鱗狀裂紋。其原因主要是由于輪軌接觸應(yīng)力超過了鋼軌的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致鋼軌表面產(chǎn)生了微塑性變形，產(chǎn)生了裂紋源。在車輪反復(fù)的碾壓作用下，非對稱的疲勞荷載加速了裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致了鋼軌的加速損傷［5-6］。而輪軌接觸應(yīng)力隨著輪軌垂直力的增大會顯著增加，這也是垂向荷載增大的原因。由圖1和2可以看出，無論是直向還是側(cè)向通過道岔，如以平均值來計算，C96貨車的輪軌垂直力較C80貨車增大15% ～20%，KM96還要略大于C96。試驗(yàn)結(jié)果表明輪軌接觸應(yīng)力進(jìn)一步增大，尖軌、轍叉的傷損會加劇，使用壽命會縮短。

由圖2還可以看出，C64貨車輪軌力指標(biāo)大于C70和 C80。這是由于在試驗(yàn)列車編組時，選取的C64、C70貨車是從運(yùn)營列車中解編出來的，車輛的使用時間較長，使用工況較復(fù)雜，新舊不一，一些輪踏面的磨損較嚴(yán)重，導(dǎo)致垂直力增大且數(shù)據(jù)離散，這說明輪踏面的磨損等因素對輪軌相互作用影響顯著。在道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)營維護(hù)中，要關(guān)注輪軌關(guān)系的變化對道岔受力、變形及后期傷損帶來的影響。

2.2.2 輪軌水平力

水平力影響試驗(yàn)列車在通過道岔時的平順性和安全性，同時，水平力的增大也會引起接觸應(yīng)力的增加，還會在一定程度上導(dǎo)致鋼軌的側(cè)向磨耗加劇。試驗(yàn)列車以40 km/h和45 km/h側(cè)向通過道岔時的輪軌水平力分布范圍和頻次如表2和表3所示。

表2 試驗(yàn)列車以40 km/h側(cè)向通過道岔時水平力頻次分布

表3 試驗(yàn)列車以45 km/h側(cè)向通過道岔時水平力頻次分布

可以看出，水平力隨著軸重的增加，整體分布呈增大趨勢。通過水平力的頻次分布不僅可以看出水平力最大值、最小值的變化趨勢，而且反映出當(dāng)軸重增加，水平力較大的頻次也明顯增加。對比表2和表3中的數(shù)據(jù)，當(dāng)試驗(yàn)列車通過道岔的速度增加時，軸重增加也導(dǎo)致水平力的增大。另外，從運(yùn)營列車中解編出的C64和C70列車水平力分布較其他車型離散，運(yùn)營貨車車體整體狀態(tài)逐漸劣化和各部件的磨損，對輪軌關(guān)系產(chǎn)生實(shí)際影響。

2.3 道岔振動特性測試與分析

為了反映試驗(yàn)列車在不同軸重和速度條件下通過道岔時鋼軌和軌下基礎(chǔ)的振動特性，試驗(yàn)測試了尖軌—動轉(zhuǎn)轍機(jī)附近的鋼軌和軌枕加速度，加速度的時域振動波形如圖3所示。

對比上下兩組加速度的的波形可以看出速度提高后加速度呈增大的趨勢，速度從65 km/h提高到75 km/h，加速度增大15% ～20%。需要說明的是，兩次測試中間，道岔區(qū)有砟道床進(jìn)行過一次人工搗固，并對路基下沉部位通過填土等措施進(jìn)行了治理。從軌枕的加速度波形可以看出，重載鐵路軌下基礎(chǔ)的狀態(tài)優(yōu)劣對線路與車輛間的動力響應(yīng)有一定影響，道床搗固的密實(shí)與否影響到道岔的使用性能。

從波形圖上還可看出，當(dāng)KM96貨車通過測點(diǎn)時，鋼軌加速度有減小趨勢，軌枕加速度最大值的增大較明顯，有效值變化不大，而C96貨車通過時卻沒有這一現(xiàn)象。說明在軸重相當(dāng)?shù)那闆r下，不同車體通過道岔時產(chǎn)生的動力響應(yīng)也有所差異。

圖3 試驗(yàn)列車直向通過道岔時鋼軌和軌枕加速度波形

3 結(jié)論與建議

1)試驗(yàn)過程中，不同軸重貨車通過時實(shí)測脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等運(yùn)行安全性指標(biāo)均在安全限值范圍內(nèi)，且差異不大。隨軸重和速度的增加，輪軌垂直力和水平力均有所增大，表明開行30 t軸重重載提速列車在一定程度上增大道岔和下部基礎(chǔ)的動力響應(yīng)。

2)目前朔黃鐵路采用的75-12型道岔設(shè)計軸重為25 t，從調(diào)研情況看，道岔尖軌、轍叉等關(guān)鍵部件易出現(xiàn)磨耗、疲勞裂紋、剝離掉塊、壓潰等病害，部件使用壽命較短，更換頻繁，開行30 t軸重貨車，道岔的使用狀態(tài)勢必進(jìn)一步惡化，工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修的強(qiáng)度和頻度將會顯著增加，有必要針對30 t軸重貨車運(yùn)營條件研發(fā)30 t軸重新型道岔，提高其重載運(yùn)輸?shù)倪m應(yīng)性，減小道岔區(qū)養(yǎng)護(hù)維修工作量。

3)開行30 t軸重重載列車對道岔及線路狀態(tài)的影響是一個綜合性研究課題，在動力性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對道岔長期服役性能的監(jiān)測，掌握軸重提高對道岔使用壽命的影響，同時，針對重載線路的長大列車編組，深入研究其對道岔和鋼軌接頭的動力作用等問題。

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