軌道不平順的成因及其控制

劉哲哲

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

鐵路軌道多支承在密實度和彈性很不均勻的路基和道床上，需要承受隨機性很大的列車動荷載的反復作用，其幾何形狀、位置和尺寸是經常變化的。在實際工程中，鐵路軌道除需滿足強度要求外，還必須嚴格滿足平順性的要求。

1 軌道不平順的成因

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制造過程中的誤差或公差，以及施工過程中產生的各種初始不平順。線路開通運營后，在列車荷載、自然環境等因素的作用下，軌道的幾何形狀、尺寸和空間位置發生變化，軌道不平順進一步發展。

1)材料與制造因素。鋼軌在生產過程中，難免會有雜質、氣泡等隱藏于鋼軌內部。在列車作用下，這些瑕疵將導致鋼軌表面出現凹陷、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，在冷卻過程中會產生彎曲。國產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，波長多為1.6 m ～3.2 m，幅值多為0.2 mm ～0.8 mm。

2)設計與施工因素。在工程設計中，對土質路基的剛度均勻性、道砟材質和級配、道岔平順性、橋梁撓度、折角、橋隧與路基間過渡段長度等參數的選擇考慮不周、設計不當時，都將導致軌道產生較大的局部或周期性初始不平順。

3)自然環境因素。雨水、風沙、冰凍、溫度變化以及化學物質等環境因素，會使軌道結構損壞，如鋼軌、扣件銹蝕，軌枕產生裂縫，道床臟污等，導致軌道幾何形狀發生變化，產生軌道不平順。

4)養護維修作業因素。在軌道養護維修過程中，由于測量誤差、整修校正機具的公差和操作不規范等原因，使得校正效果產生偏差，這不僅會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，這些都會形成不規則的輪軌作用力。不同機車車輛的輪載是隨機變化的，輪軌作用力沿鋼軌延伸方向的分布，或在左右兩側鋼軌上的分布都是不均勻的。這些不規則的列車荷載，對道床和路基的壓力也是不均勻的，這就導致不同位置的軌道產生不同的沉降，形成垂向的軌道不平順。b.過大的機車車輛荷載。過大的機車車輛荷載會使軌道部件失效、傷損，道床路基的不均勻殘余變形增大，軌道結構抗變形能力減弱，產生軌道不平順。c.列車荷載對道床路基的夯拍抽吸作用。列車經過時，將鋼軌及軌枕壓下，車輪過后鋼軌、軌枕產生回彈，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，產生翻漿冒泥現象。不僅導致道床臟污，還常使道砟大量陷入軟化了的路基，產生嚴重的暗坑吊板現象，形成很大的高低不平順。

6)運輸條件因素。通過總重、軸重、行車速度等運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兩個因素，反映了列車荷載作用大小和作用次數的組合特征。國內外大多通過總重來表示軌道平順狀態的惡化周期、校正軌道狀態的維修周期、鋼軌及軌道部件的壽命周期。軌道不平順的發展變化需要經歷一個逐漸積累的過程，變化的快慢和程度與作用力大小、次數的組合緊密相關。在通過總重相同的前提下，平均軸重較大的線路，軌道狀態惡化的速度更快，惡化程度更嚴重。

7)其他因素。鋼軌重量較輕，結構較薄弱的軌道結構，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。有縫線路的鋼軌接頭是軌道結構的薄弱部位，輪軌間巨大的沖擊力會造成鋼軌端部的變形，使接頭軌面處更加不平順。輪軌間的動作用力也會傳到道砟、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、伸縮調節器也是軌道結構中的薄弱環節，這些部位軌道有不連續的薄弱點，因而軌道不平順更嚴重。

2 軌道不平順的控制

2.1 控制軌道不平順的意義

軌道不平順會引起機車車輛振動，導致輪軌動作用力增大。嚴重的軌道不平順會引起車輛劇烈振動，直接影響行車運動的平穩舒適性和行車安全，對機車車輛、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，一旦引發事故，其危害也要比中、低速時嚴重得多。

2.2 控制軌道不平順的方法

1)嚴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，及時增加維修作業次數也難以改變軌道初期“先天不良”的缺陷。日、法、德等國都制定了非常嚴格的鋼軌平直性標準和高速軌道鋪設精度標準。鋼軌的平直性對軌道的平順性有決定性的影響，而高速鐵路對鋼軌平直性的要求比一般鐵路更為嚴格，控制指標也更全面。如對一般線路的鋼軌未作規定的軌身、小腰平直性、鋼軌全長的彎曲、扭曲等，對用于高速鐵路的鋼軌都補充了相關的、較嚴格的規定。嚴格控制軌道的鋪設精度是建成高平順高速線路的重要技術措施，對于保證高速鐵路的建設質量和開通速度，確保高速車輛安全、平穩、舒適的運行，減少軌道和機車車輛的養護維修費用，都十分重要。

2)監測掌握軌道的平順狀態。準確掌握軌道不平順的實際情況是對軌道平順狀態控制的前提條件，要正確量測出對行車有重要影響的軌道不平順，軌道檢查車等檢測設備的量測基準，傳遞函數、分辨精度、可測波長范圍、可測幅值范圍必須符合要求。在曲線圓緩點、直緩點、道岔區等軌道薄弱環節，狀態容易變化、容易發生脫軌事故的處所，檢測的真實性、可靠性更應得到保證，不得漏檢或失真。軌道不平順的測定方法直接決定著取得結果的真實可靠性，目前世界各國用來測量高低、軌向不平順的方法可歸納為弦測法和慣性基準法兩大類。

由于在行進中的檢測車上找不到靜止不動的測量基準線，多年來世界各國普遍采用弦測法進行測量。弦測法具有裝置簡單、使用方便、價格便宜等優點，但弦測法的傳遞函數是隨弦長與不平順波長的比值變化的，只有在部分情況下方能正確測量或近似反映軌道的平順狀態。慣性基準法是利用慣性原理獲得測量基準的現代先進檢測方法，克服了弦測法的缺陷，能比較如實的反映實際的軌道不平順。但是由于必須采用高通濾波器等原因，當速度低于15 km/h時不能正確測量，且系統比較復雜，對系統的瞬態特性和修正補償要求嚴格，價格昂貴。

3)建立科學合理的軌道狀態管理體系。根據國內外的研究成果和各國長期管理軌道平順狀態的實踐經驗，在軌道不平順發生、發展變化的各個階段，都應層層把關。除需對新線施工和大修、維修作業后的軌道初始平順性進行嚴格驗收管理外，多數國家的鐵路都在軌道狀態變化的不同階段進行相應的管理，制定了針對優良、中等、惡化等不同狀態階段實施管理的相應標準。

基于輪軌相互作用的觀點，從緩和車軌相互作用的角度出發，科學管理軌道平順狀態，應在以下方面加大研究力度:

1)進一步深入研究高速領域軌道動力學、車軌相互作用等方面的專業基礎理論和測試技術，以便采用更為經濟、有效的維修手段來保證軌道平順性。2)加快研究制定根據軌道結構和幾何狀態允許機車車輛上道運行的制度、試驗方法和評定標準;研究車輪扁疤對軌道破壞的影響及控制標準;研究貨車車輛扭曲剛度對軌道扭曲適應性及相應的控制技術條件。3)研究采用先進的軌道檢測技術和計算機診斷技術，進一步深入研究根據軌道狀態對列車振動、輪軌作用力及行車安全性和平穩性的影響，來正確評價軌道狀態的理論和技術。4)對各工務數據庫的結構和內容做進一步的研究，對數據庫的關系、信息傳遞方式、信息的使用進行深入探討，建立先進、高效的工務管理信息系統。5)進一步研究開發高速綜合軌道電氣檢查車，集軌道狀態、輪軌力、接觸網、通信信號等檢測技術于一體，以提高檢測效率、數據共享程度及綜合管理水平。

3 結語

軌道不平順是輪軌相互作用研究領域中的最基本的內容，也是很復雜的問題。目前鐵路技術發展的目標是逐步實現客運高速、貨運重載、行車高密度，鐵路線路設備作為重要的基礎設施，將面臨快速和重載的雙重壓力。研究軌道不平順，對于車輛、線路的設計，車軌系統動力學研究以及軌道狀態的科學評定都有重要意義。

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