張雯

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

神朔線三機集中牽引單元萬噸列車條件下線橋適應(yīng)性試驗研究

張雯

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081)

采用三機集中(以下簡稱3+0)牽引單元萬噸列車與分散牽引相比可顯著提高站場作業(yè)效率。通過在神朔線選取小半徑曲線和長大坡道的軌道結(jié)構(gòu)和典型橋梁，試驗研究了在神華號機車3+0牽引萬噸列車條件下線橋動力性能。結(jié)果表明:實測軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等安全參數(shù)和鋼軌橫向位移、軌距擴大量等軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)均在安全限值和允許范圍內(nèi);梁體橫向和豎向動力響應(yīng)滿足規(guī)定要求;與運營貨車相比，線橋各參數(shù)實測值無明顯變大，可以常態(tài)化開行集中牽引單元萬噸列車，但須對小半徑曲線(曲線半徑≤500 m)、連續(xù)曲線及長大坡道地段的線橋狀態(tài)加以監(jiān)測。

軌道結(jié)構(gòu) 橋梁 集中牽引 試驗研究

1 概述

為減少站場的作業(yè)時間、提高運輸效率、增加運輸總量、提高鐵路運能，神華集團神朔鐵路公司計劃將萬噸列車由原來組合式分散牽引模式調(diào)整為集中牽引模式。為試驗研究集中牽引對線路、橋涵等設(shè)備的影響，評估集中牽引模式的可行性，中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所開展了3+0集中牽引下線橋設(shè)備試驗研究工作。

試驗主要目的是:通過測試神朔線神華號交流機車3+0集中牽引C80貨車116輛單元萬噸列車運行條件下典型軌道、橋梁設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)，掌握線橋設(shè)備的受力狀態(tài)，為評估線橋設(shè)備對集中牽引的適應(yīng)性和制定強化改造對策提供技術(shù)依據(jù);研究在3+0集中牽引模式下，小半徑曲線及S形曲線上列車運行的安全性，測試試驗列車通過各測試工點時的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等安全參數(shù)，為試驗列車的安全運行和下一步開行集中牽引萬噸列車提供技術(shù)支撐;研究分析在3+0集中牽引模式下長大橋梁、橋上曲線、高墩橋梁的梁體橫向振幅、橫向加速度等安全參數(shù)，為試驗列車的安全運營提供依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 試驗工點及試驗列車

1)試驗工點

結(jié)合神朔鐵路的線路特點與3+0集中牽引對軌道結(jié)構(gòu)的影響選擇測試工點。所選工點分述如下。

軌道工點1:小半徑曲線(常用于制動停車)。選取神朔上行K63+300—K63+900，坡度11.8‰，11‰下坡，R450 m，L475.38 m，l130 m，h95 mm。

軌道工點2:S形曲線，R450 m(牽引區(qū)段)。選取K126+500(R400 m，坡度10.0‰)。

根據(jù)神朔線工務(wù)設(shè)備特點及病害情況，選擇有代表性的橋涵工點進行監(jiān)測，以評估3+0集中牽引的安全性及對橋涵的影響。結(jié)合橋梁設(shè)備的運營情況和列車集中牽引條件下對橋梁運營性能的影響，重點選擇橋上小半徑曲線、大坡道、高墩、長大橋梁以及特殊結(jié)構(gòu)等4個試驗工點進行動態(tài)試驗。

橋涵工點1:神朔線烏蘭木倫河1號特大橋。中心里程K23+014，橋式為22×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土 T梁，是位于S形曲線上的長大橋梁。

橋涵工點2:前梁黃羊城溝大橋。中心里程K51 +158，橋式為2×24+2×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，墩身有裂紋。

橋涵工點 3:地界川 2#大橋。中心里程 K70+ 316，1×16+2×24+6×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，墩高約40 m，橋墩為空心墩。

橋涵工點4:神朔線黃河大橋。中心里程K100+ 159，主跨為(48+8×80+48)m連續(xù)箱梁，其余為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。

2)試驗列車

試驗用機車為已安裝機車同步操縱系統(tǒng)的神華號HXD1交流機車，試驗用貨車為 C80型，編組最大為116輛。編組方式為:3臺交流機車+116輛C80貨車+1輛試驗車。為對比分析神華號交流機車3+0集中牽引模式對線路設(shè)備的影響，同時測試了運營列車。

2.2 試驗內(nèi)容

1)軌道結(jié)構(gòu)

①K63+600制動試驗。試驗列車在K63+600 m進行制動停車試驗，測試10個斷面的鋼軌縱向力及4個斷面的鋼軌縱向位移，縱向力測點斷面間隔6 m。

②K126+500曲線試驗。曲線測點位置為曲中點和圓緩點，根據(jù)鋼軌磨耗以及軌道狀態(tài)確定測點位置。選取鋼軌磨耗較大區(qū)段，主要測試內(nèi)容包括:輪軌垂直力、輪軌橫向力、軌頭橫移、支點壓力、軌枕垂移及橫移、鋼軌垂移、鋼軌和軌枕振動加速度。

2)橋涵結(jié)構(gòu)

橋涵結(jié)構(gòu)試驗主要測試試驗列車和運營列車通過時的橋梁動力響應(yīng)，包括梁體豎向和橫向振動位移，橋面橫向和豎向振動加速度。

2.3 試驗評判標準

軌道結(jié)構(gòu)各測試參數(shù)的安全評判指標采用脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪對橫向力，其標準按表1執(zhí)行。

表1 軌道結(jié)構(gòu)安全評判標準

橋梁運營性能評估主要依據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運函［2004］120號，以下簡稱《橋檢規(guī)》)，采用行車安全限值和通常值兩個標準予以評判。列車通過時，鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁簡支橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面處跨中橫向振幅行車安全限值為L/9 000，L為跨度。橫向振動加速度不應(yīng)超過1.4 m/s2。預(yù)應(yīng)力混凝土梁在貨列重車(速度≤80 km/h)通過時跨中橫向最大振幅通常值≤L/(7.0 B)，B為支座中心距。橫向最低自振頻率通常值≥90/L。

3 試驗主要結(jié)果及分析

3.1 軌道結(jié)構(gòu)

1)輪軌作用力

試驗列車通過時機車輪軌垂直力最大值171.0 kN，輪軌橫向力最大值55.7 kN，車輛輪軌垂直力最大值168.4 kN，輪軌橫向力最大值60.1 kN。運營列車通過時，機車輪軌垂直力最大值164.8 kN，輪軌橫向力最大值86.6 kN，車輛輪軌垂直力最大值178.8 kN，輪軌橫向力最大值73.2 kN。將圓曲線曲中和圓緩點兩個斷面外軌、內(nèi)軌的數(shù)據(jù)取平均值進行統(tǒng)計，試驗列車機車輪軌垂直力平均值141.6 kN，輪軌橫向力平均值21.2 kN，C80車輛輪軌垂直力平均值137.7 kN，輪軌橫向力平均值18.2 kN;運營列車機車輪軌垂直力平均值131.9 kN，輪軌橫向力平均值30.2 kN，C80車輛輪軌垂直力平均值 137.2 kN，輪軌橫向力平均值19.3 kN。試驗結(jié)果表明:采用3+0集中牽引與現(xiàn)有牽引方式相比，對車輛產(chǎn)生的垂向、橫向荷載影響不明顯。

2)列車運行安全性

試驗列車、運營列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力對比分別見圖1—圖3。由于試驗車車輛型號為C80，僅選取車輛為 C80的運營車輛進行對比。試驗列車通過時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力最大值機車分別為0.38，0.16，42.3 kN，車輛分別為0.47，0.18，40.2 kN;運營列車通過時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力最大值機車分別為0.70，0.27，58.1 kN，車輛分別為0.83，0.32，60.1 kN。所測數(shù)據(jù)均小于安全限值。從安全參數(shù)測試結(jié)果看，試驗列車所用的HXD1機車測得結(jié)果均小于運營列車SS4機車測得的結(jié)果，HXD1機車3+0集中牽引模式并沒有導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力數(shù)值變大。

圖1 脫軌系數(shù)最大值、平均值對比

3)軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

試驗列車通過 R400小半徑曲線時，其鋼軌橫向位移最大值2.70 mm，軌距擴大量最大值4.39 mm，軌枕橫移最大值0.33 mm;運營列車鋼軌橫向位移最大值3.28 mm，軌距擴大量最大值4.42 mm，軌枕橫移最大值0.32 mm?！惰F路線路修理規(guī)則》(鐵運［2006］146號)第6.3.1條規(guī)定，當(dāng)列車速度不大于120 km/h時臨時補修標準要求動態(tài)軌距變化量不超過－10～+20 mm?？梢娷壘鄶U大量滿足要求。試驗結(jié)果顯示試驗列車和運營列車測試結(jié)果基本一致，采用3+0集中牽引模式，鋼軌橫向位移、軌距擴大量及軌枕橫移并沒有變大。

圖2 輪重減載率最大值、平均值對比

圖3 輪軸橫向力最大值、平均值對比

4)鋼軌、軌枕垂向振動加速度

試驗列車通過時鋼軌、軌枕垂向振動加速度最大值分別為328.1g，29.9g;運營列車通過時鋼軌、軌枕垂向振動加速度最大值分別為143.9g，18.2g。大秦線C80萬噸列車通過時實測鋼軌、軌枕垂向振動加速度最大分別為316.5g，86.9g。試驗列車機車由于軸重較大，測得的鋼軌、軌枕振動加速度稍大于運營列車，但與大秦線測得的結(jié)果相當(dāng)，處于正常范圍。

5)常用制動區(qū)段軌道響應(yīng)

列車制動時由于減加速度的影響，輪軌之間產(chǎn)生附加制動力，鋼軌制動附加力與車鉤制動力不同，鋼軌制動附加力與列車軸重、制動加速度有關(guān)，而與制動初速度無關(guān)。理論分析表明停車前車前制動力最大。輪軌制動力不能直接測出，一般采用測量鋼軌中和軸處縱向應(yīng)力的辦法，通過測得的縱向應(yīng)力計算制動附加力。列車制動時，由于制動風(fēng)管壓力傳遞有一個過程，可能造成車輛之間相互沖擊。假定前車已經(jīng)制動，而后車沒有制動，就可能形成車輛之間的沖擊。此沖擊力部分由車鉤傳遞到了前車并依次向前傳遞，部分由車輪傳遞到了鋼軌。

在R450 m小半徑曲線常用制動停車區(qū)段，實測鋼軌制動附加縱向力最大值47.5 kN，鋼軌縱向位移最大值0.25 mm，鋼軌橫向位移最大值2.26 mm。在大秦線長大下坡地段，減加速度為0.53 m/s2時測得鋼軌制動附加縱向力為142 kN，鋼軌縱向位移為0.85 mm。由于本次試驗列車制動時機車處于測點范圍外，且減加速度約為0.15 m/s2，測得鋼軌制動附加縱向力、鋼軌縱向位移均較小，與運營列車測試結(jié)果基本一致。

3.2 橋涵結(jié)構(gòu)

1)梁體跨中橫向振動

實測烏蘭木倫河1#特大橋第3～6孔梁跨中橫向振幅最大值見圖4。第5，第6孔梁體實測振幅與列車速度關(guān)系見圖5。試驗列車、運營列車作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振幅最大值分別為 1.61與1.87 mm，均小于《橋檢規(guī)》通常值(2.54 mm)及安全限值(3.56 mm)。測試速度范圍內(nèi)，梁體橫向振幅隨列車速度增長的趨勢不明顯，沒有出現(xiàn)共振峰值。試驗列車通過時，機車引起的橫向振幅小于貨車車輛，3 +0牽引模式列車產(chǎn)生的梁體橫向振幅與運營列車基本相當(dāng)。

表2列出了在神華號集中牽引3+0試驗列車作用下，實測神朔線烏蘭木倫河1#特大橋、前梁黃羊城溝大橋、地界川2#大橋和黃河大橋等4座橋梁梁體橫向振幅最大值?？芍后w跨中橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》安全限值要求。實測4座橋梁梁體跨中橫向加速度，試驗列車作用下最大為0.55 m/s2，運營列車為1.18 m/s2，除地界川2號大橋外，試驗列車與運營列車基本相當(dāng)，但均＜1.40 m/s2，滿足《橋檢規(guī)》要求。值見表3，梁體豎向振動加速度最大值見表4?？芍?，速度相近時，試驗列車引起的梁體豎向振幅及梁體豎向加速度與運營列車C80基本相當(dāng)。實測梁體豎向振動加速度最大值均滿足《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》中道砟橋面強振頻率不大于20 Hz的列車豎向加速度不應(yīng)超過3.5 m/s2的要求。

圖5 運營列車與試驗列車作用下跨中橫向振幅與列車速度的關(guān)系

表2 神華號集中牽引3+0試驗車與運營車作用下實測梁體橫向振幅

2)梁體跨中豎向振動

實測烏蘭木倫河1#特大橋第5孔梁跨中豎向振幅最大值見圖6。實測跨中豎向振動加速度與列車速度的關(guān)系見圖7。實測4座橋梁的梁體豎向振幅最大

圖6 運營列車與試驗列車作用下測試孔跨豎向振幅與列車速度的關(guān)系

圖7 運營列車與試驗列車作用下測試孔跨豎向加速度與列車時速的關(guān)系

表3 神華號集中牽引3+0試驗列車與運營列車作用下實測梁體豎向振幅匯總 mm

表4 神華號集中牽引3+0試驗列車與運營列車作用下實測梁體豎向加速度匯總 m/s2

4 結(jié)論

1)采用3+0集中牽引模式的試驗列車實測脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等安全參數(shù)和鋼軌橫向位移、軌枕橫向位移、軌距擴大量等軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)均在安全限值和允許范圍內(nèi)，與運營列車相比，量值并沒有明顯變大。神朔鐵路測試區(qū)段R400，R450 m小半徑曲線現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)能夠適應(yīng)3+0集中牽引25 t軸重貨物列車運行的安全性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2)在神華號集中牽引3+0試驗列車作用下，通過4座典型橋梁的實測分析表明，梁體橫向和豎向振動滿足規(guī)范行車安全限值要求，橋梁的振動和位移實測值與運營貨物列車基本相當(dāng)。因此，橋梁可滿足集中牽引萬噸列車的開行要求。

3)本次試驗的試驗列車次數(shù)有限，獲取的試驗數(shù)據(jù)量較少。在神華號交流機車3+0集中牽引萬噸列車常態(tài)化開行條件下，應(yīng)加強對小半徑曲線(R≤ 500 m)、連續(xù)曲線及長大坡道地段軌道和橋梁狀態(tài)的觀測。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院．神華號交流機車3+0集中牽引C80貨車116輛單元萬噸列車線橋設(shè)備試驗報告［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2014．

［2］王定舉．朔黃鐵路韓村大橋單圓柱橋墩加固效果試驗研究［J］．鐵道建筑，2015(2):5-7．

［3］徐新利．朔黃鐵路西留肖中橋病害整治方案研究及施工技術(shù)探討［J］．鐵道建筑，2015(2):8-11．

［4］中華人民共和國鐵道部．鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［5］翟婉明．車輛—軌道耦合動力學(xué)［M］．3版．北京:科學(xué)出版社，2007．

［6］賈晉中．鐵路跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁橋試驗研究［J］．鐵道建筑，2014(6):20-23．

［7］孟憲洪．朔黃鐵路橋涵結(jié)構(gòu)對開行大軸重重載貨物列車適應(yīng)性研究［J］．鐵道建筑，2013(4):9-12．

［8］李谷．轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架橫向擺振問題探討［J］．中國鐵道科學(xué)，1996，17(1):32-42．

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

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-03-15;

:2015-04-20

國家科技支撐計劃(2013BAG20B01)

張雯(1983— )，女，北京人，工程師。

1003-1995(2015)08-0005-05