無砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試方法研究

楊全亮

(鐵道部經濟規劃研究院,北京 100038)

無砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試方法研究

楊全亮

(鐵道部經濟規劃研究院,北京 100038)

無砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力既是軌道結構設計的重要參數,也是相關技術標準中一項必要的基礎數據,需要采取科學準確的方法加以測定。通過對常用扣件鋼軌縱向阻力測試方法的系統分析,提出以恒定位移速率方式施加拉力荷載作為測試無砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力的改進方法,并通過具有代表性的WJ-8型和W300-1型無砟軌道小阻力扣件的測試驗證,為《高速鐵路扣件系統試驗方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》等技術標準的編制提供支撐。

無砟軌道小阻力扣件;鋼軌縱向阻力;測試方法

1 概述

由于混凝土道床保持幾何形位能力較強,線路縱向阻力一般由扣件鋼軌縱向阻力確定。為避免傳遞給橋梁結構的鋼軌縱向阻力過大,在鋪設無砟軌道的大跨度橋梁上一般采用小阻力扣件。小阻力扣件鋼軌縱向阻力既是軌道結構設計的重要參數[1],同時也是鐵路工程建設標準、鐵路產品標準和運營維護標準中一項必要的基礎數據,需要采取科學準確的方法加以測定。

目前,小阻力扣件鋼軌縱向阻力主要通過測試手段獲得。常用的測試加載方法主要有:第一種采用推鋼軌的方式加載,但由于難以保證荷載作用線與鋼軌軸線完全一致,試驗數據離散性較大;第二種采用拉鋼軌的方式加載,雖然解決了荷載作用力方向和鋼軌滑移方向不一致的問題,但采用恒定加載速率方式加載,在鋼軌滑移時荷載不斷變化,難以準確讀取扣件鋼軌縱向阻力值。可見,上述方法都存在一定局限性,有必要結合相關標準編制工作,就如何有效改進小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試方法開展深入系統的研究,進一步提高測試結果的精度。

2 常用的扣件鋼軌縱向阻力測試方法分析

扣件鋼軌縱向阻力測試方法,按照荷載種類可以分為推力和拉力,按照加載方式可以分為逐級加載、恒定加載速率加載和恒定位移速率加載。通過對不同測試方法進行分析,提出改進小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試的有效方法。

2.1 按照荷載種類分類

2.1.1 推力(推鋼軌方式)

與美國、澳大利亞等國的測試方法相似,我國早期的扣件鋼軌縱向阻力測試采用推力作為測試荷載,即測試時用扣件將鋼軌組裝在錨定的軌枕上,以(10±1) kN/min的加載速率向鋼軌施加推力,記錄荷載和鋼軌縱向位移值,當鋼軌產生滑移時記錄的荷載值為扣件鋼軌縱向阻力測試值。

荷載為推力時,難以保證荷載作用線與鋼軌軸線始終重合,加載過程中容易出現鋼軌偏轉現象,從而造成測得的扣件鋼軌縱向阻力值不準確且離散性大。因此,采用推力作為測試荷載在國內已很少使用。

2.1.2 拉力(拉鋼軌方式)

為了有效克服采用推力加載的不足,扣件鋼軌縱向阻力測試中已更多地采用拉力作為測試荷載。EN13146-1.2002《鐵路應用-軌道-扣件系統試驗方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》[2]中的有關規定:測試時用扣件將鋼軌組裝在錨定的軌枕上,以(10±5)kN/min的加載速率向鋼軌一端施加大小為(2.5±0.3)kN的拉力,并保持30s;然后逐級加載,荷載增量為(2.5±0.3)kN,每級荷載保持30s;當鋼軌在扣件組裝中出現滑移或荷載超出扣件性能要求4倍時迅速卸載并連續測定鋼軌位移2 min;重復上述過程3次,繪出荷載-位移曲線圖,棄用第一個測試值,將后3次測試平均值作為扣件鋼軌縱向阻力值。

荷載為拉力時,能夠保證荷載作用線與鋼軌軸線重合,加載過程中不會出現鋼軌偏轉現象,測試結果準確性高且不離散。因此,我國客運專線扣件暫行技術條件中明確,測試無砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力時采用拉力作為測試荷載。

2.2 按照加載方式分類

2.2.1 逐級加載方式

由于采用逐級加載方式時荷載具有跳躍性,在荷載增量之間可能發生滑移,對導致滑移的臨界荷載值進行判斷較為困難,有可能造成扣件鋼軌縱向阻力測試值偏大,難以保證測試結果準確和不離散。2012年修訂的EN13146-1.2012《鐵路應用-軌道-扣件系統試驗方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》[3]中取消了逐級加載方式。

2.2.2 恒定加載速率方式

當采用恒定加載速率方式加載時,鋼軌與橡膠墊板和絕緣塊(片)之間的摩擦力在鋼軌出現滑移的同時由靜摩擦力轉變為滑動摩擦力,在荷載-位移曲線中表現為荷載突然減小產生波尖(圖1)。在鋼軌出現滑移后,荷載繼續增大,拉力和鋼軌滑動摩擦力作用下的合力對鋼軌產生加速度,在荷載-位移曲線中表現為鋼軌縱向滑移曲線發生上揚(圖1)。可以看出,由于在鋼軌滑移過程中荷載不斷變化,無法準確讀取鋼軌縱向阻力值。

圖1 恒定加載速率加載荷載-位移曲線

2.2.3 恒定位移速率方式

為了克服恒定加載速率方式加載無法準確讀取鋼軌縱向阻力值的不足,改用恒定位移速率方式進行加載。在鋼軌滑移過程中,始終保持滑移速度恒定,即鋼軌處于受力平衡狀態,此時施加的拉力就等于扣件鋼軌縱向阻力值。因此,恒定位移速率方式進行加載可以作為改進小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試的有效方法。

3 鋼軌縱向阻力測試驗證

為驗證小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試方法的適用性,選取具有代表性的無砟軌道小阻力扣件:WJ-8型小阻力扣件(采用X2彈條和復合墊板)和W300-1型小阻力扣件(采用SKL 15LT彈條),進行了鋼軌縱向阻力測試驗證工作。

測試過程中采用拉力作為測試荷載,測試工裝布置如圖2所示,分別采用恒定加載速率方式和恒定位移速率方式進行加載并對測試結果進行對比分析。

圖2 小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試工裝布置示意

恒定加載速率方式加載按照EN13146—1.2012《鐵路應用-軌道-扣件系統試驗方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》進行。以10 kN/min加載速率向鋼軌的一端施加拉力,從加載循環開始,自動測定荷載及鋼軌相對軌枕的縱向位移。當鋼軌出現滑移時,迅速卸載。重復上述加/卸載過程3次,繪出每次加/卸載循環的荷載-位移曲線。

采用恒定位移速率方式加載時,保持鋼軌滑移速度為2 mm/min。從加載循環開始,自動測定荷載及鋼軌相對軌枕的縱向位移。當鋼軌出現滑移時,迅速卸載。重復上述加/卸載過程3次,繪出每次加/卸載循環的荷載-位移曲線。

按照恒定加載速率方式和恒定位移速率方式分別測試WJ-8型和W300-1型小阻力扣件鋼軌縱向阻力,測試數值見表1、表2,荷載-位移曲線如圖3、圖4所示。

___________表1 恒定加載速率方式測試數值__kN

___________表2 恒定位移速率方式測試數值__kN

圖3 恒定加載速率方式荷載-位移曲線

如圖3所示,采用恒定加載速率方式加載時,鋼軌滑移過程中荷載不斷增大,從開始滑移到卸載時,荷載增量達到0.8 kN,無法準確讀取實際的鋼軌縱向阻力值。同時,通過表1可以看出,同一組扣件3次重復測試中讀取的鋼軌縱向阻力值差異較大,結果最大偏差達到0.4 kN。

相比之下,采用恒定位移速率方式加載時,鋼軌滑移過程中荷載較為穩定(圖4),可準確讀取實際的鋼軌縱向阻力值,且同一組扣件3次重復測試中讀取的鋼軌縱向阻力值差異較小,結果最大偏差達到0.2 kN。

圖4 恒定位移速率方式荷載-位移曲線

4 有關標準的編制情況

在充分的理論分析與試驗驗證基礎上,鐵道行業標準《高速鐵路扣件系統試驗方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》[4]報批稿中關于無砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試加載的規定如下。

以恒定(2±0.1)mm/min的加載速率向鋼軌的一端施加荷載。從加載循環開始,自動測定荷載及鋼軌相對軌枕的縱向位移。當鋼軌出現滑移時,迅速將荷載卸到零。試驗中對扣件不得進行任何方式的拆卸或調整,重復上述加/卸載過程3次,每次卸載后停留3 min再繼續加載,繪出每次加/卸載循環的荷載-位移曲線。

5 結論

對鋼軌施加拉力保證了荷載作用線與鋼軌軸線一致,避免了鋼軌偏轉對測試的影響;恒定位移速率方式進行加載,解決了恒定加載速率方式加載產生加速度、無法準確讀取阻力值的問題,并且保證了測試的可重復性。綜上所述,以恒定位移速率方式施加拉力荷載可作為測試小阻力扣件鋼軌縱向阻力的有效方法。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.TB10015—2012鐵路無縫線路設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2013.

[2] 歐洲標準技術委員會CEN/TC256.EN 13146—1.2002鐵路應用-軌道-扣件系統試驗方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測定[S].英國標準化機構(BSI),2002.

[3] 歐洲標準技術委員會CEN/TC256.EN 13146—1.2012鐵路應用-軌道-扣件系統試驗方法-第1部分:鋼軌縱向阻力的測定[S].英國標準化機構(BSI),2012.

[4] 中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.高速鐵路扣件系統試驗方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測定(報批稿)[S].北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所,2012.

[5] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構[M].北京:中國鐵道出版社, 2006.

[6] 王其昌.無砟軌道鋼軌扣件[M].成都:西南交通大學出版社, 2006.

[7] 楊艷麗.WJ-7、WJ-8型扣件縱向阻力現場試驗與研究[J].鐵道標準設計,2010(2):51-52.

[8] 肖俊恒,趙汝康,杜功立.高架橋無砟軌道用小阻力彈性扣件的研究設計[J].鐵道建筑,2002(7):18-19.

[9] 蔣金洲,盧耀榮.我國客運專線橋上無縫線路采用小阻力扣件的建議[J].鐵道建筑,2007(11):90-93.

Study on the Test Method of Rail Longitudinal Resistance of Small-resistance Fastening System for Ballastless Track

YANG Quan-liang
(Economic and Planning Research Institute of the Ministry of Railways,Beijing 100038,China)

Rail longitudinal resistance of small-resistance fastening system for ballastless track is not only a key design parameter for track structure,but also a necessary basic datum in some standards concerned,and should be tested with a reasonable and accurate method.The systematic analysis of the test method for rail longitudinal resistance of some common fastenings suggests a method improved by using tension in even velocity for rail longitudinal resistance of small-resistance fastening system for ballastless track.The method is verified by practical tests on Type WJ-8 and Type W300-1 smallresistance fastening systems for ballastless track,and supports the compiling of such standards as Test Methods for Fastening Systems of High-speed Railway,Part 1:Determination of Rail Longitudinal Resistance.

Small-resistance fastening system for ballastless track;Rail longitudinal resistance; Test method

U213.2+44;U213.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.005

1004-2954(2014)12-0018-03

2014-07-31;

2014-08-19

楊全亮(1982—),男,工程師,2008年畢業于北京交通大學道路與鐵道工程專業,工學碩士,E-mail:railwaycn@sina.com。