劉哲哲
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)
鐵路軌道多支承在密實(shí)度和彈性很不均勻的路基和道床上,需要承受隨機(jī)性很大的列車動(dòng)荷載的反復(fù)作用,其幾何形狀、位置和尺寸是經(jīng)常變化的。在實(shí)際工程中,鐵路軌道除需滿足強(qiáng)度要求外,還必須嚴(yán)格滿足平順性的要求。
軌道不平順往往起源于軌道材料的缺陷及各組成部件在生產(chǎn)制造過程中的誤差或公差,以及施工過程中產(chǎn)生的各種初始不平順。線路開通運(yùn)營(yíng)后,在列車荷載、自然環(huán)境等因素的作用下,軌道的幾何形狀、尺寸和空間位置發(fā)生變化,軌道不平順進(jìn)一步發(fā)展。
1)材料與制造因素。鋼軌在生產(chǎn)過程中,難免會(huì)有雜質(zhì)、氣泡等隱藏于鋼軌內(nèi)部。在列車作用下,這些瑕疵將導(dǎo)致鋼軌表面出現(xiàn)凹陷、剝落等缺陷。另外,在高溫下軋制成形的鋼軌,因軌頭較厚,冷卻的速度比軌腰和軌底慢,在冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生彎曲。國(guó)產(chǎn)50 kg/m和60 kg/m鋼軌在軋制過程中普遍存在軌身周期性不平順,波長(zhǎng)多為1.6 m ~3.2 m,幅值多為0.2 mm ~0.8 mm。
2)設(shè)計(jì)與施工因素。在工程設(shè)計(jì)中,對(duì)土質(zhì)路基的剛度均勻性、道砟材質(zhì)和級(jí)配、道岔平順性、橋梁撓度、折角、橋隧與路基間過渡段長(zhǎng)度等參數(shù)的選擇考慮不周、設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí),都將導(dǎo)致軌道產(chǎn)生較大的局部或周期性初始不平順。
3)自然環(huán)境因素。雨水、風(fēng)沙、冰凍、溫度變化以及化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境因素,會(huì)使軌道結(jié)構(gòu)損壞,如鋼軌、扣件銹蝕,軌枕產(chǎn)生裂縫,道床臟污等,導(dǎo)致軌道幾何形狀發(fā)生變化,產(chǎn)生軌道不平順。
4)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)因素。在軌道養(yǎng)護(hù)維修過程中,由于測(cè)量誤差、整修校正機(jī)具的公差和操作不規(guī)范等原因,使得校正效果產(chǎn)生偏差,這不僅會(huì)使殘留部分軌道不平順,甚至還可能成為新的軌道不平順源。
5)列車荷載作用因素。a.不規(guī)則列車荷載列車車輪上的制造公差或擦傷等,鋼軌上存在的初始不平順,這些都會(huì)形成不規(guī)則的輪軌作用力。不同機(jī)車車輛的輪載是隨機(jī)變化的,輪軌作用力沿鋼軌延伸方向的分布,或在左右兩側(cè)鋼軌上的分布都是不均勻的。這些不規(guī)則的列車荷載,對(duì)道床和路基的壓力也是不均勻的,這就導(dǎo)致不同位置的軌道產(chǎn)生不同的沉降,形成垂向的軌道不平順。b.過大的機(jī)車車輛荷載。過大的機(jī)車車輛荷載會(huì)使軌道部件失效、傷損,道床路基的不均勻殘余變形增大,軌道結(jié)構(gòu)抗變形能力減弱,產(chǎn)生軌道不平順。c.列車荷載對(duì)道床路基的夯拍抽吸作用。列車經(jīng)過時(shí),將鋼軌及軌枕壓下,車輪過后鋼軌、軌枕產(chǎn)生回彈,這種脈沖式夯拍抽吸作用迫使泥土從道砟之間的空隙中擠出,產(chǎn)生翻漿冒泥現(xiàn)象。不僅導(dǎo)致道床臟污,還常使道砟大量陷入軟化了的路基,產(chǎn)生嚴(yán)重的暗坑吊板現(xiàn)象,形成很大的高低不平順。
6)運(yùn)輸條件因素。通過總重、軸重、行車速度等運(yùn)輸條件直接影響軌道幾何形狀的變化。通過總重包含車輛輪重和作用次數(shù)兩個(gè)因素,反映了列車荷載作用大小和作用次數(shù)的組合特征。國(guó)內(nèi)外大多通過總重來表示軌道平順狀態(tài)的惡化周期、校正軌道狀態(tài)的維修周期、鋼軌及軌道部件的壽命周期。軌道不平順的發(fā)展變化需要經(jīng)歷一個(gè)逐漸積累的過程,變化的快慢和程度與作用力大小、次數(shù)的組合緊密相關(guān)。在通過總重相同的前提下,平均軸重較大的線路,軌道狀態(tài)惡化的速度更快,惡化程度更嚴(yán)重。
7)其他因素。鋼軌重量較輕,結(jié)構(gòu)較薄弱的軌道結(jié)構(gòu),保持軌道平順性的承載能力較低。采用抗彎剛度大的重型鋼軌,匹配彈性較好的膠墊,有利于將車輪荷載更好的分散到軌枕上,使道床路基承受的壓力減小,從而使軌道保持平順性的能力增強(qiáng)。有縫線路的鋼軌接頭是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱部位,輪軌間巨大的沖擊力會(huì)造成鋼軌端部的變形,使接頭軌面處更加不平順。輪軌間的動(dòng)作用力也會(huì)傳到道砟、路基,造成其在接頭處軌枕下的殘余變形比其他部位更大。道岔、伸縮調(diào)節(jié)器也是軌道結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié),這些部位軌道有不連續(xù)的薄弱點(diǎn),因而軌道不平順更嚴(yán)重。
軌道不平順會(huì)引起機(jī)車車輛振動(dòng),導(dǎo)致輪軌動(dòng)作用力增大。嚴(yán)重的軌道不平順會(huì)引起車輛劇烈振動(dòng),直接影響行車運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)舒適性和行車安全,對(duì)機(jī)車車輛、軌道部件、維修工作量和軌道的疲勞壽命也有很大的影響。而在高速行車條件下軌道不平順造成的影響更大,一旦引發(fā)事故,其危害也要比中、低速時(shí)嚴(yán)重得多。
1)嚴(yán)格限制軌道初始不平順。初始平順性差的軌道,不僅維修周期短,及時(shí)增加維修作業(yè)次數(shù)也難以改變軌道初期“先天不良”的缺陷。日、法、德等國(guó)都制定了非常嚴(yán)格的鋼軌平直性標(biāo)準(zhǔn)和高速軌道鋪設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)。鋼軌的平直性對(duì)軌道的平順性有決定性的影響,而高速鐵路對(duì)鋼軌平直性的要求比一般鐵路更為嚴(yán)格,控制指標(biāo)也更全面。如對(duì)一般線路的鋼軌未作規(guī)定的軌身、小腰平直性、鋼軌全長(zhǎng)的彎曲、扭曲等,對(duì)用于高速鐵路的鋼軌都補(bǔ)充了相關(guān)的、較嚴(yán)格的規(guī)定。嚴(yán)格控制軌道的鋪設(shè)精度是建成高平順高速線路的重要技術(shù)措施,對(duì)于保證高速鐵路的建設(shè)質(zhì)量和開通速度,確保高速車輛安全、平穩(wěn)、舒適的運(yùn)行,減少軌道和機(jī)車車輛的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用,都十分重要。
2)監(jiān)測(cè)掌握軌道的平順狀態(tài)。準(zhǔn)確掌握軌道不平順的實(shí)際情況是對(duì)軌道平順狀態(tài)控制的前提條件,要正確量測(cè)出對(duì)行車有重要影響的軌道不平順,軌道檢查車等檢測(cè)設(shè)備的量測(cè)基準(zhǔn),傳遞函數(shù)、分辨精度、可測(cè)波長(zhǎng)范圍、可測(cè)幅值范圍必須符合要求。在曲線圓緩點(diǎn)、直緩點(diǎn)、道岔區(qū)等軌道薄弱環(huán)節(jié),狀態(tài)容易變化、容易發(fā)生脫軌事故的處所,檢測(cè)的真實(shí)性、可靠性更應(yīng)得到保證,不得漏檢或失真。軌道不平順的測(cè)定方法直接決定著取得結(jié)果的真實(shí)可靠性,目前世界各國(guó)用來測(cè)量高低、軌向不平順的方法可歸納為弦測(cè)法和慣性基準(zhǔn)法兩大類。
由于在行進(jìn)中的檢測(cè)車上找不到靜止不動(dòng)的測(cè)量基準(zhǔn)線,多年來世界各國(guó)普遍采用弦測(cè)法進(jìn)行測(cè)量。弦測(cè)法具有裝置簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),但弦測(cè)法的傳遞函數(shù)是隨弦長(zhǎng)與不平順波長(zhǎng)的比值變化的,只有在部分情況下方能正確測(cè)量或近似反映軌道的平順狀態(tài)。慣性基準(zhǔn)法是利用慣性原理獲得測(cè)量基準(zhǔn)的現(xiàn)代先進(jìn)檢測(cè)方法,克服了弦測(cè)法的缺陷,能比較如實(shí)的反映實(shí)際的軌道不平順。但是由于必須采用高通濾波器等原因,當(dāng)速度低于15 km/h時(shí)不能正確測(cè)量,且系統(tǒng)比較復(fù)雜,對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和修正補(bǔ)償要求嚴(yán)格,價(jià)格昂貴。
3)建立科學(xué)合理的軌道狀態(tài)管理體系。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果和各國(guó)長(zhǎng)期管理軌道平順狀態(tài)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在軌道不平順發(fā)生、發(fā)展變化的各個(gè)階段,都應(yīng)層層把關(guān)。除需對(duì)新線施工和大修、維修作業(yè)后的軌道初始平順性進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)收管理外,多數(shù)國(guó)家的鐵路都在軌道狀態(tài)變化的不同階段進(jìn)行相應(yīng)的管理,制定了針對(duì)優(yōu)良、中等、惡化等不同狀態(tài)階段實(shí)施管理的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。
基于輪軌相互作用的觀點(diǎn),從緩和車軌相互作用的角度出發(fā),科學(xué)管理軌道平順狀態(tài),應(yīng)在以下方面加大研究力度:
1)進(jìn)一步深入研究高速領(lǐng)域軌道動(dòng)力學(xué)、車軌相互作用等方面的專業(yè)基礎(chǔ)理論和測(cè)試技術(shù),以便采用更為經(jīng)濟(jì)、有效的維修手段來保證軌道平順性。2)加快研究制定根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)和幾何狀態(tài)允許機(jī)車車輛上道運(yùn)行的制度、試驗(yàn)方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn);研究車輪扁疤對(duì)軌道破壞的影響及控制標(biāo)準(zhǔn);研究貨車車輛扭曲剛度對(duì)軌道扭曲適應(yīng)性及相應(yīng)的控制技術(shù)條件。3)研究采用先進(jìn)的軌道檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)診斷技術(shù),進(jìn)一步深入研究根據(jù)軌道狀態(tài)對(duì)列車振動(dòng)、輪軌作用力及行車安全性和平穩(wěn)性的影響,來正確評(píng)價(jià)軌道狀態(tài)的理論和技術(shù)。4)對(duì)各工務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容做進(jìn)一步的研究,對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系、信息傳遞方式、信息的使用進(jìn)行深入探討,建立先進(jìn)、高效的工務(wù)管理信息系統(tǒng)。5)進(jìn)一步研究開發(fā)高速綜合軌道電氣檢查車,集軌道狀態(tài)、輪軌力、接觸網(wǎng)、通信信號(hào)等檢測(cè)技術(shù)于一體,以提高檢測(cè)效率、數(shù)據(jù)共享程度及綜合管理水平。
軌道不平順是輪軌相互作用研究領(lǐng)域中的最基本的內(nèi)容,也是很復(fù)雜的問題。目前鐵路技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是逐步實(shí)現(xiàn)客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載、行車高密度,鐵路線路設(shè)備作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施,將面臨快速和重載的雙重壓力。研究軌道不平順,對(duì)于車輛、線路的設(shè)計(jì),車軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究以及軌道狀態(tài)的科學(xué)評(píng)定都有重要意義。
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