30 t軸重重載鐵路有砟軌道動力性能試驗研究

李明

（中國國家鐵路集團有限公司工電部，北京 100844）

重載鐵路運能大，效率高，運輸成本低，在世界各國得到廣泛應用［1］。隨著重載列車速度的提高和運量的增加，大軸重、高密度的運營條件加劇了軌道結構的破壞，加快了線路設備病害發生和發展的速度［2］，如大秦線近年來多次線路調查結果表明，鋼軌、軌枕、扣件、道床等部件均出現了不同程度的傷損。

瓦日鐵路又稱山西中南部鐵路通道，西起山西省呂梁市興縣瓦塘鎮，東至山東省日照港，是我國第一條按30 t 軸重重載鐵路標準建設的鐵路。為適應30 t軸重的運輸條件，通過研究30 t 軸重重載鐵路有砟軌道技術，提出了滿足30 t 軸重運輸需求的重載鐵路有砟軌道結構方案，并在瓦日鐵路長子南站（含）—平順站（含）區段建立了重載綜合試驗段［3］。

瓦日鐵路建成后，開展了重載列車綜合試驗，并于2014 年底開通運營。2015 年、2016 年瓦日鐵路運量不足500萬t。隨著鐵路三年增量計劃的實施，瓦日鐵路運量逐步擴大，2018 年完成貨物運量3 395 萬t，并于2019年開展了1.2萬t重載貨物列車試驗。

本文結合瓦日鐵路重載有砟軌道關鍵設計參數及歷次試驗數據，分析30 t 軸重新型重載鐵路有砟軌道結構性能，為完善我國重載鐵路技術體系提供支撐。

1 30 t 軸重重載鐵路有砟軌道關鍵設計參數

瓦日鐵路30 t 軸重重載綜合試驗段（以下簡稱重載段）采用75 kg∕m 鋼軌鋪設跨區間無縫線路；扣件為有擋肩彈條Ⅵ型扣件；軌枕為有擋肩Ⅳa 型混凝土枕，長2.6 m；采用特級材質一級級配道砟；砟肩寬度為500 mm，砟肩堆高150 mm；道床邊坡1∶1.75，道床厚350 mm或300 mm。

選取一既有軌道結構路段作為對比路段（以下簡稱對比段），采用60 kg∕m 鋼軌，彈條Ⅱ型扣件，Ⅲa 型軌枕；采用一級道砟，砟肩寬度為500 mm，砟肩堆高150 mm，道床邊坡1∶1.75，道床厚300 mm。

1.1 扣件技術參數

我國自主研發的適應30 t軸重重載鐵路的有擋肩彈條Ⅵ型扣件主要技術特點如下：

1）扣件設計橫向承載能力不小于70 kN；軌距調整量為-16～+12 mm。

2）彈條Ⅵ型扣件為有擋肩結構，橫向荷載由混凝土枕擋肩承受，較彈條Ⅱ型扣件橫向承載能力高，具有結構簡單、造價低廉、技術成熟等特點。

3）彈條設計扣壓力12 kN，彈程12 mm，較Ⅱ型彈條均增加約20%，且最大工作應力低于Ⅱ型彈條，有較大的安全儲備，疲勞強度較高。

4）在試鋪試驗階段分別采用了橡膠、熱塑性彈性體（TPEE）和聚氨酯彈性體3 種材料的軌下墊板，靜剛度均在120～160 kN∕mm［4］。

1.2 混凝土軌枕技術參數

我國自主研發的適應30 t軸重重載鐵路的有擋肩Ⅳa型混凝土軌枕主要技術特點如下［5］：

1）軌枕按動力系數取2.5 并耦合70 kN 橫向荷載設計。

2）軌下截面和枕中截面設計承載能力分別為22.57，21.33 kN·m，比Ⅲ型軌枕分別提高了18.5%和23.3%，滿足30 t軸重軌枕荷載彎矩要求。

3）端部面積、底面積、質量等參數均比Ⅲ型軌枕有所提高，降低了道床平均應力，延緩了道砟粉化和道床下沉，提高了道床橫向阻力。

1.3 道床技術參數

我國重載鐵路道床主要技術特點如下：

1）道床頂面容許應力取0.5 MPa，路基面的容許應力取0.13 MPa［6］。

2）結合路基結構的設計，提出2種道床結構：①路基采用傳統設計或基床表層采用承載能力較低的填料時，采用雙層道床結構。道床墊砟層厚200 mm，面砟層厚350 mm。②當路基基床表層采用承載能力較高的級配碎石時，道床可設計為單層道床結構［7］。道床厚350 mm，砟肩寬500 mm，砟肩堆高150 mm，道床邊坡1∶1.75。

2 試驗設計

2.1 試驗內容

在重載段選取直線區段和半徑為1 200 m 的曲線區段分別布設測點。測試內容主要包括：

1）列車運行安全性指標，包括脫軌系數、減載率、輪軸橫向力等。

2）軌道部件強度，包括輪軌力、鋼軌強度、軌枕強度、支點壓力等。

3）軌道結構部件與基礎振動加速度，包括鋼軌、軌枕、扣件、道床等的振動加速度等。

4）軌道部件位移，包括鋼軌、軌枕位移、軌頭橫移、動態軌距變化量等。

2.2 列車編組

試驗列車分3種編組：

①5 000 t 編組：HXD1F0001+SY997745+C969300?107+40輛C96貨車+C96H9300085+HXD2F0001；

②8 000 t 編組：HXD1F0001+SY997745+66 輛C96貨車+HXD1F0002+HXD2F0002；

③12 000 t 編組：HXD2F0001+HXD1F0001+SY99?7745+100輛C96貨車+HXD1F0002+HXD2F0002。

2.3 試驗貨車參數

試驗貨車選用30 t 軸重運煤專用C96敞車。其主要技術參數［8］為：軸重30 t，自重24 t，載重96 t，每延米重8.82 t；換長為1.2；車輛長度為13 600 mm；車輛定距9 800 mm，固定軸距1 860 mm。

2.4 試驗列車速度

試驗開始前，先進行地面測點的5 km∕h 準靜態標定，然后按編組逐級提速。5 000 t 編組最高速度為110 km∕h，另外2種編組為100 km∕h。

3 試驗數據分析

3.1 新型重載軌道結構荷載作用特征分析

實車試驗數據統計分析包括3 種編組、6 個速度級、往返72個車次的測試結果。

1）安全性參數

脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力是表征列車運行安全性和軌道穩定性的重要指標。試驗列車通過重載段直線和曲線區段測點時的安全性參數實測最大值見表1，均在安全限值之內［9］。

表1 安全性參數實測最大值

從表1可以看出：曲線區段的脫軌系數、輪軸橫向力略大于直線區段；2種區段的輪重減載率相當；曲線區段安全性參數最大值分布區間大于直線區段。

2）輪軌垂直力

試驗列車通過重載段直線區段測點時，輪軌垂直力最大值為160.8～190.3 kN，最大值中大于190 kN的占6.67%；通過曲線區段測點時，輪軌垂直力最大值為164.8～215.9 kN，最大值中大于190 kN 的占12.51%。曲線區段產生的最大值較多。

試驗列車通過重載段直線和曲線區段測點時，輪軌垂直力動力系數最大可能值分別為1.31，1.26。動力系數最大值平均為1.09，最大可能值為1.31，最大可能值計算時置信概率取為97.5%。

3）輪軌橫向力

試驗列車通過重載段直線和曲線區段測點時，輪軌橫向力最大值分別為8.9～21.7 kN和12.4～43.8 kN。直線區段的最大值均小于25 kN，而曲線區段中大于30 kN 的占21.88%。可見，曲線區段產生的輪軌橫向力明顯較大。

3.2 新型重載扣件性能分析

3.2.1 彈性墊層使用性能

有砟軌道剛度由扣件系統、碎石道床、路基等組成的鋼軌支點剛度和鋼軌抗彎剛度構成，其中鋼軌支點剛度占比較大。彈性墊層剛度的改變直接影響鋼軌支點剛度，進而影響支點壓力和鋼軌垂向位移等。

選取重載段和對比段的直線區段進行彈性墊層性能對比試驗，枕上壓力和鋼軌垂向位移實測數據分別見表2、表3。其中，重載段彈條Ⅵ型扣件的彈性墊層采用TPEE 材質，靜剛度為（140±20）kN∕mm；對比段彈條Ⅱ型扣件采用橡膠墊板，靜剛度55～80 kN∕mm。本次試驗所選重載段道床厚350 mm。

表2 30 t軸重試驗列車通過時的枕上壓力 kN

表3 30 t軸重試驗列車通過時的鋼軌垂向位移 mm

從表2、表3 可以看出，2 種路段的軌道鋼軌支點剛度基本相當。60 kg∕m 鋼軌和75 kg∕m 鋼軌垂向抗彎剛度的差別導致枕上壓力和鋼軌垂向位移略有不同。新型重載有砟軌道結構在增大扣件彈性墊層剛度的同時增加了道床厚度，沒有明顯改變鋼軌支點剛度，而增加彈性墊層剛度并采用新材料可大大延長彈性墊層的疲勞壽命，減少彈性墊層養護維修工作量。實車試驗前后，彈性墊層均無明顯滑移和磨損情況，彈條中肢前端始終與扣壓面無明顯離縫，表明彈性墊層厚度無明顯變化，使用狀態良好。

為驗證彈性墊層在大軸重重載運輸條件下的適應性，分別選取橡膠和TPEE 材質的彈性墊層在試驗室PME?50A 液壓疲勞試驗機上進行垂向疲勞試驗。試驗選用彈條Ⅵ型扣件，循環荷載30～150 kN，加載頻率4 Hz，荷載循環300 萬次。試驗結果見表4。可見，2 種彈性墊層疲勞前后靜剛度變化率均小于30%，厚度變化率均小于10%，滿足技術要求［10］。

表4 彈性墊層垂向疲勞試驗結果

3.2.2 扣件橫向剛度

扣件抗橫向荷載能力是評判扣件性能的重要指標之一，也是影響軌道橫向穩定性的重要因素。為研究30 t軸重重載列車通過較小半徑曲線時扣件節點實際承受的荷載大小，在重載段曲線區段進行了扣件節點橫向力測試。

測試結果顯示，不同編組試驗列車通過測點時實測扣件節點橫向力最大值為24.3 kN，遠小于扣件設計橫向承載能力（設計要求最大調高時橫向承載能力不小于70 kN），具有較大的安全余量。

考慮到重載段實測扣件節點橫向力較小，為了更好地驗證彈條Ⅵ型扣件橫向承載能力，在實驗室進行了較大荷載的單節點組裝疲勞試驗。試驗時扣件為正常安裝狀態，彈性墊層分別選用橡膠和TPEE 材質。試驗參數為：垂直力90 kN，橫向力47.7 kN，橫向力作用線下移值為15 mm，加載頻率4 Hz，荷載循環300萬次。

試驗結果表明，經300萬次疲勞試驗后，彈性墊層采用橡膠和TPEE 材質的彈條Ⅵ型扣件靜態軌距擴大量分別為2.0，1.0 mm，均小于6.0 mm，未發現零部件傷損現象，滿足技術條件要求。

3.2.3 扣件保持軌距能力

為驗證重載新型扣件保持軌距的能力，選取重載段和對比段的曲線區段進行動態軌距實車測試。本次試驗所選重載段道床厚300 mm。結果表明，重載段和對比段的動態軌距擴大實測最大值分別為1.02，1.26 mm。

利用移動加載車對2 種路段進行加載，同時測試動態軌距變化量，加載軸重150 kN，橫向力50 kN［11］。結果表明，重載段和對比段的動態軌距擴大實測最大值分別為0.45，0.59 mm。

可見，彈條Ⅵ型扣件保持軌距的能力較彈條Ⅱ型扣件有較明顯提高。

3.3 新型重載軌枕性能分析

軌枕是軌下基礎的部件之一，其功能是支承鋼軌，保持軌距和線路方向，并將鋼軌的荷載傳遞至道床［12］。合格的軌枕必須具有足夠的強度和穩定性以滿足自身承載和保持軌道結構縱向、橫向位移的要求［13］。

選取重載段和對比段的直線路基區段對軌枕強度和穩定性進行測試，統計30 t 軸重5 000 t 編組試驗列車在不同運行速度條件下的試驗數據進行分析。本次試驗所選重載段道床厚300 mm；2 種路段軌枕間距均為600 mm。

3.3.1 軌枕強度

為對比分析Ⅳa 型軌枕與Ⅲa 型軌枕在大軸重列車荷載作用下受力特征的差異，實測2 種路段軌枕關鍵截面在列車荷載作用下彎矩最大值及彎曲應變，見表5。

表5 軌枕關鍵截面實測彎矩最大值及對應的彎曲應變

從表5可以看出，Ⅳa型軌枕荷載彎矩及彎曲應變均小于Ⅲa 型軌枕。2 種軌枕的荷載彎矩均小于各自的設計彎矩，均滿足30 t 軸重列車的強度要求。根據2 種軌枕尺寸及承載能力的計算對比，Ⅲa 型軌枕按25 t 軸重設計，軌枕自身承載能力小于Ⅳa 型軌枕，在大軸重列車荷載作用下，其疲勞使用壽命也小于Ⅳa型軌枕。

考慮到整體軌道結構配置不同且現場試驗條件影響因素較多，對其開展室內實尺軌道模型試驗。在相同荷載彎矩條件下，測試2 種類型軌枕的彎曲應變。結果表明，枕中截面彎矩為8.1 kN·m 時，Ⅲa 型軌枕中間上表面拉應變為133.6×10-6，Ⅳa 型軌枕為118.5×10-6，比Ⅲa 型軌枕減小約12.7%；軌下截面彎矩為17.1 kN·m 時，Ⅲa 型軌枕在軌下15 mm 處的壓應變為175.2×10-6，Ⅳa 型軌枕為134.9×10-6，比Ⅲa 型軌枕減小約30%。可見，在相同荷載彎矩條件下，Ⅳa型軌枕相應位置的應變小于Ⅲa型軌枕。

綜上，Ⅳa型軌枕承載能力高于Ⅲa型軌枕。

3.3.2 軌枕穩定性

1）在開展單根軌枕橫向阻力測試實車試驗前，對2 種軌枕進行單根軌枕橫向阻力測試。采用現場原位測試方法，利用自動采集系統采集混凝土軌枕由靜止狀態到千斤頂加載過程中的實時位移和荷載數據，并根據實時位移-荷載數據計算出軌枕位移2.0 mm 時的道床橫向阻力［14］。為排除不同區段線路外側道床肩寬及堆高的影響，測試單根軌枕向線路中心側的橫向阻力，見表6。

表6 單根軌枕橫向阻力實測值 kN

從表6 可以看出，Ⅳa 型軌枕比Ⅲa 軌枕的橫向阻力提高了約33%，具有更好的軌道結構穩定性。

2）實車試驗測得Ⅳa 型軌枕和Ⅲa 型軌枕的軌枕橫移最大值分別為0.08，0.17 mm。可見：大軸重貨物列車作用下2 種軌枕的軌枕橫移值均較小，滿足重載鐵路穩定性要求；相同速度條件下，Ⅳa 型軌枕橫向位移小于Ⅲa型軌枕，其軌枕橫向阻力更高。

3.4 30 t軸重重載軌道結構性能分析

通過加載車和實車試驗對2 種路段進行綜合測試，從剛度、垂向荷載傳遞特征、穩定性對比分析其軌道結構性能。

3.4.1 軌道結構彈性性能

通過加載車進行連續測試來評價2種路段軌道結構的彈性性能。重載段軌道結構剛度實測值為100～140 kN∕mm，理論值為194 kN∕mm；對比段軌道結構剛度實測值為100～130 kN∕mm，理論值為179 kN∕mm。實測值與理論值有一定的差異，這主要是受道床狀態的影響，總體上二者比較接近。

3.4.2 軌道結構垂向荷載傳遞特征

為測試2 種路段軌道結構的垂向荷載傳遞特征，選取30 t軸重12 000 t編組試驗列車，實測其在各速度級下通過重載段和對比段時的軌道結構的垂直力、支點壓力及道床應力。本次試驗所選重載段道床厚度為350 mm。

試驗列車通過時，實測軌道結構垂直力和支點壓力最大值見表7。可以看出，2種路段軌道結構的實測垂直力和支點壓力無明顯區別，分配系數基本相當。

表7 30 t軸重列車通過時垂直力和支點壓力最大值 kN

試驗列車通過時，實測道床底部應力最大值見表8。表中道床底部即道床表面向下350 mm（重載段）、300 mm（對比段）處。可見，提高道床厚度可以大大降低道床底部應力，進而大大減少重載列車對路基的破壞，對路基非常有利。

表8 30 t軸重試驗列車通過時道床底部應力最大值 kPa

3.4.3 軌道結構穩定性

利用移動加載車對重載段和對比段的軌道結構施加橫向荷載，測試其軌排橫向位移，即鋼軌軌頭絕對橫向位移，對比分析2 種路段軌道結構的橫向穩定性。

加載車按Q/P系數（Q為橫向荷載，P為垂向荷載）取0.6 進行加載，最大橫向荷載為80 kN，測試結果見圖1。

圖1 軌排橫移測試曲線

由圖1可見，在相同的橫向荷載作用下，重載段軌道結構的橫向位移遠小于對比段的橫向位移，且橫向荷載越大差距越明顯。如橫向荷載為80 kN 時，重載段軌排橫向位移僅為對比段軌排橫向位移的37.8%。這說明新型重載軌道結構提高了軌道結構的橫向剛度，增加了橫向抗力，有利于重載鐵路無縫線路的穩定性。

4 結論

通過在瓦日鐵路30 t軸重重載綜合試驗段進行實車試驗，并選取既有軌道進行對比，研究了30 t軸重下新型重載有砟軌道結構的扣件、軌枕及整體軌道結構的動力性能。結論如下：

1）30 t 軸重下新型重載有砟軌道的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力均小于安全限值；與直線區段相比，曲線區段的輪軌垂直力最大值占比較多，且輪軌橫向力明顯較大。

2）新型重載有砟軌道的彈性墊層采用新材料熱塑性彈性體（TPEE），提高了彈性墊層剛度，延長了其疲勞壽命，有效減少了彈性墊層養護維修工作量；彈條Ⅵ型扣件具有足夠的橫向承載能力，可滿足現場使用要求，且其保持軌距的能力較既有軌道的彈條Ⅱ型扣件有所提高。

3）新型重載有砟軌道采用有擋肩Ⅳa 型混凝土枕，其荷載彎矩小于設計承載能力，且具有較大安全儲備，承載能力高于既有軌道的Ⅲa型軌枕。與Ⅲa軌枕相比，Ⅳa 型軌枕的橫向阻力高，橫向位移小，具有更好的軌道結構穩定性。

4）新型重載軌道結構通過提高道床厚度降低了道床底部應力，進而減少了重載列車對路基的破壞，對路基非常有利。新型重載軌道結構提高了軌道結構的橫向剛度，增加了橫向抗力，有利于線路的穩定性。