大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)后列車運行安全性分析

賈 軍

(中國神華能源股份有限公司軌道機(jī)械化維護(hù)分公司,天津 300467)

隨著重載鐵路的貨物列車軸重和牽引質(zhì)量的逐步提升，線路的運能得到極大提高，但線路設(shè)備的傷損以及軌道幾何狀態(tài)惡化速率明顯增加[1]。尤其對于有砟軌道結(jié)構(gòu)，道砟在重載列車循環(huán)荷載下極易發(fā)生破碎、粉化等現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)道床臟污、板結(jié)、沉降、流塌，致使道床力學(xué)性能降低，軌道幾何形位改變，嚴(yán)重影響列車運行的安全性[2]。因此，對有砟軌道進(jìn)行周期性養(yǎng)護(hù)維修顯得尤為必要，目前我國有砟軌道養(yǎng)護(hù)維修的主要方式是大型養(yǎng)路機(jī)械(以下簡稱大機(jī))對有砟軌道進(jìn)行搗固、穩(wěn)定、整形[3]。

大機(jī)作業(yè)可以有效的改善有砟軌道幾何狀態(tài)、恢復(fù)道床彈性、提高道床阻力，但作業(yè)后道砟處于尚未穩(wěn)定的狀態(tài)，需要靠大機(jī)的穩(wěn)定作業(yè)、后續(xù)開通列車的荷載累積來達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[4-5]。這種情況下，《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》[6]規(guī)定，大機(jī)作業(yè)(三次搗固+兩次穩(wěn)定，簡稱三搗兩穩(wěn))，開通后第一列速度為45 km/h，第二列速度為60 km/h，自第三列起限速80 km/h至次日。因此，作業(yè)后列車限速影響了重載線路的運輸能力，降低了大機(jī)作業(yè)的能力和軌道維修質(zhì)量。而大機(jī)作業(yè)后的列車運行安全性是反映大機(jī)作業(yè)后軌道安全儲備能力的關(guān)鍵參數(shù)，決定了大機(jī)作業(yè)后列車開通速度能否提高，亟待結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行量化研究。

本文對我國某重載鐵路典型曲線段的大機(jī)作業(yè)前后列車運行安全性現(xiàn)場試驗，結(jié)合同等條件的動力學(xué)仿真分析，研究在大機(jī)三搗兩穩(wěn)、三搗三穩(wěn)等作業(yè)組合方式下，作業(yè)后不同列車運行速度時的列車運行安全性和軌道沉降變化規(guī)律，為重載鐵路有砟軌道大機(jī)作業(yè)后列車開通速度的提高和合理作業(yè)方式選取提供依據(jù)。

1 大機(jī)作業(yè)后線路動力特性仿真分析

仿真分析旨在對重載鐵路區(qū)間線路清篩作業(yè)后，貨車運行安全性指標(biāo)進(jìn)行檢算。為了探明道床清篩搗固后剛度變化對列車通行安全性的影響，考慮作業(yè)后道床垂向剛度在列車荷載作用下逐漸提升時的三種工況(分別為4.3 kN/mm，43 kN/mm和430 kN/mm)，列車分別以45 km/h，50 km/h，60 km/h的速度運行時安全性。

1.1 車輛與線路條件

1)車輛條件。

測試線路運行的車輛為C80敞車，軸重27 t，車輛長度12 000 mm。由于空車運行時荷載較輕而安全性受到考驗，以下仿真和測試均以空車條件開展。

2)線路條件。

線路為有砟軌道，采用60 kg/m鋼軌，軌枕為Ⅲ型枕。曲線半徑600 m，仿真分析時采用如圖1所示的線路條件。

3)軌道不平順激勵。

重載鐵路的軌道狀態(tài)與我國三大干線軌道譜較為接近，其軌道高低、水平、方向不平順功率譜密度采用系數(shù)不同的同一解析式表達(dá)：

(1)

其中，S(f)的單位為mm2/(1/m)；f為空間頻率，1/m；A，B，C，D，E，F(xiàn)，G均為軌道不平順功率譜密度的特征參數(shù)，對不同線路和不同類型的軌道不平順有不同的數(shù)值。

1.2 車輛-軌道耦合動力學(xué)模型

車輛模型采用經(jīng)典的車輛空間動力學(xué)模型，貨車轉(zhuǎn)向架模型由兩個輪對、構(gòu)架和一系懸掛組成。轉(zhuǎn)向架中央懸掛模型包括彈簧提供的三個方向的剛度和阻尼，橡膠塊提供的橫向止檔，抗蛇行減震器、橫向減震器及垂向減震器提供的阻尼；軸箱懸掛模型包括軸箱彈簧提供的三個方向剛度，軸箱定位裝置提供的水平剛度，一系垂向阻尼則由懸掛在軸箱彈簧外側(cè)的一系垂向減震器提供。鋼軌視為有限長Timoshenko梁模型，輪軌接觸法向力用非線性Hertz接觸理論求解，切向蠕滑力用Kalker線性理論求解后，用沈氏理論進(jìn)行非線性修正，建立車輛-軌道耦合動力學(xué)模型如圖2所示。

1.3 仿真結(jié)果

1)輪軌橫、垂向力。

輪軌垂向力是判定輪軌接觸狀態(tài)以及行車安全性的重要參數(shù)。選取不同運行速度條件下輪軌橫、垂向力有效值的最大值進(jìn)行分析。內(nèi)外軌的輪軌橫、垂向力最大值隨運行速度變化見圖3。

由圖3可知，C80貨車以不同速度運行時，各輪對內(nèi)外軌輪軌橫向力有效值的最大值隨著車速的增加，都相應(yīng)增大，外軌增幅略大于內(nèi)軌，車速達(dá)到60 km/h時，最大值46 kN，小于限值，滿足規(guī)范要求；各輪對內(nèi)外軌輪軌垂向力有效值的最大值為138 kN，小于250 kN限值，滿足規(guī)范要求。在45 km/h～60 km/h速度范圍內(nèi)，隨著速度的增加，輪軌垂向力幾乎不受影響。

2)脫軌系數(shù)(見圖4，圖5)。

內(nèi)外脫軌系數(shù)有效值的最大值隨著車速的增加，都相應(yīng)增大，外軌增幅略大于內(nèi)軌，當(dāng)車速達(dá)到60 km/h時，最大值0.245，遠(yuǎn)小于1.0限值，滿足規(guī)范要求。

由圖5可知，隨著道床垂向剛度的增大，內(nèi)外軌的脫軌系數(shù)也相應(yīng)增大，當(dāng)?shù)来矂偠冗_(dá)到430 kN/mm時，外軌脫軌系數(shù)取得最大值0.68，但小于1.0限值，列車安全儲備充足。

仿真結(jié)果表明，不同速度、垂向剛度條件下列車的動力特性均處于安全限值以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，后續(xù)展開現(xiàn)場試驗具備可行性。

2 大機(jī)作業(yè)前后現(xiàn)場試驗

2.1 試驗概況

大機(jī)對有砟軌道道床的彈性和幾何狀態(tài)恢復(fù)、道砟密實主要通過搗固車和穩(wěn)定車來實現(xiàn)。根據(jù)機(jī)組配合和搗固、穩(wěn)定次數(shù)的不同，有多種作業(yè)組合方式?，F(xiàn)場試驗選擇某重載鐵路典型的區(qū)間曲線(半徑600 m)，分別對作業(yè)前、后的軌道動力響應(yīng)進(jìn)行測試，包括輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等，同步測量作業(yè)后軌道幾何形位變化。測試工況以曲線中點為界，分別進(jìn)行三搗兩穩(wěn)、三搗三穩(wěn)兩種作業(yè)方法。具體測點布置方案如圖6所示。

2.2 測試方法

1)軌道動力響應(yīng)測量。

輪軌力測量采用《輪軌橫向力和垂向力地面測試方法》[7]中的“剪應(yīng)力法”，在鋼軌軌腰和軌底粘貼應(yīng)變片并接橋，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測量，如圖7所示。試驗數(shù)據(jù)評定主要依據(jù)GB/T 5599—2019機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范[8]。

2)軌道沉降測量。

為了考查列車通過累積情況下的軌道沉降規(guī)律，從而反映大機(jī)作業(yè)質(zhì)量和軌道平順狀態(tài)，采用全站儀，測量作業(yè)后每趟列車通過以后定點的位移，如圖8所示。在曲線兩股鋼軌上分別布置棱鏡，棱鏡間距10 m。

2.3 測試結(jié)果

2.3.1 軌道動力響應(yīng)

1)輪軌橫、垂向力測試結(jié)果。

對作業(yè)前后通過曲線測點的14趟列車的動力響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計分析(作業(yè)前2趟，作業(yè)后12趟)，得到內(nèi)外軌橫、垂向力如圖9，圖10所示。

由圖9，圖10可以看出，作業(yè)后外軌垂向力最大值在150 kN～200 kN之間，內(nèi)軌垂向力最大值在100 kN～180 kN之間，由于空車影響，平均值和中位數(shù)在50 kN左右(作業(yè)后第7趟車為單機(jī)，所以平均值與最大值基本一致)遠(yuǎn)低于垂向力限值250 kN，安全儲備較高；內(nèi)外軌橫向力最大值在30 kN～70 kN之間，平均值在10 kN左右，無論是平均值還是最大值，均未超過限值100 kN，在允許范圍之內(nèi)；三搗兩穩(wěn)和三搗三穩(wěn)兩種不同作業(yè)方式對輪軌力影響不明顯；作業(yè)前后未見明顯差別，內(nèi)外軌的橫、垂向力處于同一水平，這表明，作業(yè)前后對列車安全性影響較小，作業(yè)后軌道整體質(zhì)量保持良好。

2)脫軌系數(shù)結(jié)果。

根據(jù)上文所測輪軌力計算脫軌系數(shù)，內(nèi)外軌的脫軌系數(shù)變化如圖11所示。其中，柱形圖表示每趟車的平均通過速度，實線分別表示每趟車的脫軌系數(shù)均值、有效值和最大值。

由圖11可以看出，作業(yè)前后，脫軌系數(shù)無論是平均值還是最大值均在第一限度1以下，內(nèi)外軌脫軌系數(shù)平均值在0.2左右，最大值在0.5～0.8，有效值在0.3～0.6，安全儲備量較高。大機(jī)作業(yè)后，由于首趟開通列車速度較低僅有40 km/h，脫軌系數(shù)相比作業(yè)前平均下降23.7%，之后隨列車通過速度提高，脫軌系數(shù)逐漸上升，列車運行速度在第三趟恢復(fù)到60 km/h后，此后脫軌系數(shù)趨于穩(wěn)定與作業(yè)前相差不大，均在同一范圍內(nèi)波動，可以認(rèn)為大機(jī)作業(yè)前后軌道整體質(zhì)量保持良好，使重載鐵路線路大修作業(yè)后的列車開通速度達(dá)到60 km/h理論上是可行的。

為了探究單趟列車內(nèi)脫軌系數(shù)最大值是在機(jī)車處還是空車處取得，提取大機(jī)過后第一趟車通過時的脫軌系數(shù)時程圖，如圖12所示，列車整體通過測點時間122.7 s，機(jī)車通過時間為5.8 s。

如圖12所示，內(nèi)外軌脫軌系數(shù)最大值均在空車處取得，在整個列車通過過程中，由于空車自重較小，其脫軌系數(shù)波動很大，極大值和極小值基本都在空車取得，且整體上大于機(jī)車，外輪脫軌系數(shù)最大值大于內(nèi)輪；反之，機(jī)車整體脫軌系數(shù)較小，相對穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大的波動；三搗兩穩(wěn)作業(yè)與三搗三穩(wěn)作業(yè)未見明顯區(qū)別，脫軌系數(shù)變化趨同；在列車運行中，常隨機(jī)出現(xiàn)車輪橫向力較大或垂向力較小情況，會導(dǎo)致相應(yīng)車輪的脫軌系數(shù)較大(在安全限值內(nèi))，特別是空車情況，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場軌道和車輛的監(jiān)測；整體來看，列車空車運行更容易造成脫軌系數(shù)增大，但整體仍處于安全限值以下。

2.3.2 大機(jī)作業(yè)后軌道沉降變化

將全站儀測得的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到試驗段作業(yè)后，隨列車通過次數(shù)增加軌道累計沉降變化，如表1所示。

根據(jù)表1各趟列車通過后的軌道幾何沉降數(shù)據(jù)，得到如圖13所示沉降趨勢圖(左右軌各取2個點)。

表1 試驗段作業(yè)后隨列車通過軌道累計沉降變化 mm

虛線為擬合出的趨勢線。

可以發(fā)現(xiàn)，作業(yè)后隨著列車通過次數(shù)的增加，沉降由初期快速下沉，逐漸變緩，最終穩(wěn)定，符合道床下沉經(jīng)驗公式；軌道累計沉降量(除去L7，R7異常點)最大為4.2 mm，平均沉降為2 mm；通過對比點2(三搗兩穩(wěn))和點5(三搗三穩(wěn))，三搗兩穩(wěn)作業(yè)下的軌道沉降在通過4趟～5趟車后趨于穩(wěn)定；三搗三穩(wěn)作業(yè)下的軌道沉降在通過3趟～4趟車后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定作業(yè)次數(shù)的增加有利于通車后道床的快速穩(wěn)定。

3 仿真和試驗結(jié)果對比分析

將仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗實測結(jié)果進(jìn)行對比，如表2所示，從安全角度考慮，表中現(xiàn)場實測的橫、垂向力取內(nèi)外軌有效值的最大值作為結(jié)果，安全系數(shù)取內(nèi)外軌均值的最大值作為結(jié)果，且機(jī)車速度達(dá)到60 km/h后，取所測車輛中安全系數(shù)均值最大值填入。

從表2不難發(fā)現(xiàn)，仿真與現(xiàn)場實測的垂向力在同一量級，實測數(shù)據(jù)略大于仿真結(jié)果，可能與車輛通過時隨機(jī)產(chǎn)生的輪軌力有關(guān)，現(xiàn)場實測橫向力略小于仿真結(jié)果；隨著列車速度的提高，會引起輪軌橫向力及脫軌系數(shù)增大，但輪軌垂向力幾乎不受影響；仿真計算的結(jié)果顯示脫軌系數(shù)在0.42～0.47，現(xiàn)場實測結(jié)果顯示脫軌系數(shù)0.18～0.33，實測結(jié)果小于仿真結(jié)果，且均處于安全范圍，作業(yè)前后對列車安全性影響較小，列車安全儲備充足。

表2 仿真與實測結(jié)果對比

4 結(jié)語

根據(jù)試驗段大機(jī)作業(yè)前后列車安全性分析及軌道沉降測試和仿真，分析了不同作業(yè)方式以及運行速度對列車的安全性影響，得到主要結(jié)論如下:

1)大機(jī)作業(yè)前后外軌垂向力最大值在150 kN～200 kN之間，內(nèi)軌垂向力最大值在100 kN～180 kN之間，由于空載影響，平均值和中位數(shù)在50 kN左右，遠(yuǎn)低于垂向力限值250 kN；內(nèi)外軌橫向力最大值在30 kN～70 kN之間，平均值在10 kN左右，均未超過限值100 kN，作業(yè)前后未見明顯差別；作業(yè)前后對列車安全性影響較小，作業(yè)后軌道整體質(zhì)量保持良好，安全儲備較高。

2)大機(jī)作業(yè)后，隨列車通過次數(shù)和通過速度的增加，脫軌系數(shù)迅速恢復(fù)到作業(yè)前水平，速度達(dá)到60 km/h后，每趟車脫軌系數(shù)趨于穩(wěn)定，在同一范圍內(nèi)波動；需要注意的是，在列車運行中，常隨機(jī)出現(xiàn)車輪橫向力較大或垂向力較小情況，會導(dǎo)致相應(yīng)車輪的脫軌系數(shù)和減載率較大(在安全限值內(nèi))，特別是空車情況，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場軌道和車輛的監(jiān)測。

3)作業(yè)后，軌道累計沉降量最大為4.2 mm，平均沉降為2 mm，隨著列車通過次數(shù)的增加，沉降由初期快速下沉，逐漸變緩，趨于穩(wěn)定；三搗兩穩(wěn)作業(yè)下的軌道沉降在通過4趟～5趟車后趨于穩(wěn)定；三搗三穩(wěn)作業(yè)下的軌道沉降在通過3趟～4趟車后趨于穩(wěn)定。

4)三搗兩穩(wěn)與三搗三穩(wěn)兩種作業(yè)方式對于輪軌力和脫軌系數(shù)的影響未見明顯區(qū)別，變化趨同；但可以加速道床穩(wěn)定，多一次穩(wěn)定作業(yè)，可以顯著提高列車開通后道床穩(wěn)定速度。