高速鐵路有砟軌道冰雪飛濺試驗研究

李 毅,徐 旸,涂英輝,郄錄朝,戚志剛,趙一馨

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室,北京 100081;3.中國鐵路蘭州局集團有限公司,蘭州 730000;4.中國國家鐵路集團有限公司 鐵路基礎設施檢測中心,北京 100081)

目前,國內外學者基于理論分析與仿真手段,初步研究了冰雪飛濺的形成機理[7-9],并通過室內及現場試驗研究了道砟飛濺的影響因素[10-11]。然而,對于冰雪對運營期高鐵線路影響的試驗研究較少,在冰雪天氣條件下,通常只能在冬季采取限速措施,降低冰雪條件下道砟飛濺的風險。本文首次在我國某有砟高鐵開展了冰雪條件下有砟軌道空氣動力學及行車動力性能試驗,研究了冰雪條件下異物飛濺的形成機理,可為嚴寒地區高速鐵路安全達速運營提供技術支撐,同時為相關理論研究提供數據參考。

1 試驗概況

為了研究列車在不同天氣條件下的軌道振動特征以及道床風壓分布特性,揭示道砟在冰雪條件下的飛濺機理,在我國某有砟高鐵開展了軌道結構動力性能、空氣動力效應測試和道砟冰雪飛濺觀測。

試驗過程中,布置軌道結構動力性能測點,如圖1所示。通過測試輪軌垂向力和輪軌橫向力,計算試驗列車內外輪脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力等參數,分析冰雪條件下對列車運行安全性的影響;通過測試鋼軌、軌枕、道床的垂向振動加速度,分析列車荷載作用下軌道振動對道砟飛濺的影響[12]。

圖1 軌道結構動力性能測點

布置風壓傳感器,測試列車通過時道床頂面道心、枕底、砟肩等不同位置處空氣動力效應,如圖2所示。同時在道床頂面噴涂彩色自噴漆設置如圖2所示的道砟飛濺觀測區,觀察道床頂面道砟顆粒在列車通過后的運動軌跡,并在隧道內及路基區段架設高速攝像機,捕捉列車運行時冰雪和道砟飛濺的現象,研究冰雪飛濺機理和特性。

(a)

試驗測試區段包括了隧道出口、橋梁段以及路橋過渡段3種不同線下基礎條件,試驗天氣涵蓋了晴天以及雪天。直接采集運營列車通過時的軌道動力響應及風壓數據,列車的速度范圍為140～250 km/h。

2 試驗結果及分析

2.1 行車安全性指標

列車試驗期間的運行速度分為150 km/h,180 km/h,210 km/h和240 km/h 4個速度級,當列車通過隧道口、橋梁段、路橋過渡段測點時,不同速度級、不同天氣條件下實測脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力最大值對比如圖3所示。

各個速度級運行條件下,列車通過隧道口、橋梁段、路橋過渡段處脫軌系數的實測最大值為0.4,滿足0.8的限值要求;輪重減載率的實測最大值為0.36,滿足0.8的限值要求;輪軸橫向力的實測最大值為33.73 kN,滿足48.3 kN的限值要求。

根據保護動作報告及錄波數據分析，110kV陽石甲線發生單相高阻接地故障時，各保護動作情況可以分為以下四個階段：

在冰雪條件下,不同行車速度測得的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力等行車安全性指標較晴天時大部分有所增加。隧道口的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力3項指標最高增長了63.1%,17.9%,98.1%;橋梁段的3項指標最高增長了100%,57.9%,82.3;路橋過渡段的3項指標最高增長了44.4%,52.4%,155.1%。隧道口的3項行車安全性指標測試值較大,在晴天及雪天時最高分別超過橋梁測點的96.9%和56.9%。

上述分析結果表明,雖然晴天及冰雪條件下的行車安全性指標均小于安全限值且安全余量較大,但在雪天3項指標均出現了一定程度的增長。試驗過程中,僅有天氣條件發生了變化,雪天的行車安全性指標較晴天大,因此冰雪飛濺與列車運行安全性之間存在較強的相關性。隧道口的行車安全性指標測試值較橋梁段及路橋過渡段大,可考慮優先設置冰雪飛濺防治措施。

2.2 軌道結構振動特性

當列車通過隧道口、橋梁段、路橋過渡段處測點時,不同速度級、不同天氣條件下實測鋼軌、軌枕、道床振動加速度最大值及平均值對比如圖4所示。

圖4 軌道結構振動特性指標與速度關系

隧道口、橋梁段、路橋過渡段鋼軌振動加速度最大值分別為：2 270.50 m/s2,2 434.90 m/s2,2 396.62 m/s2,滿足3 000 m/s2的限值要求;軌枕振動加速度最大值分別為：442.51 m/s2,419.03 m/s2,172.33 m/s2,滿足500 m/s2的限值要求;道床振動加速度最大值分別為：95.82 m/s2,175.45 m/s2,72.38 m/s2。

在晴天,大部分測點的鋼軌、軌枕、道床振動加速度均隨行車速度的增加而呈現增長趨勢。冰雪條件下,當列車運行速度為150 km/h時軌道振動加速度最大值較其他速度情況大,說明冰雪天氣對低速運行的列車也會產生較大的影響。在雪天,隧道口、橋梁段、路橋過渡段的軌枕振動加速度平均值最高增長了141.3%,39.5%,21.7%。其中,橋梁段測點的軌道結構振動加速度最大值和平均值較大,在風振耦合作用下易發生道砟飛濺現象。

不同天氣條件下,鋼軌、軌枕與道床加速度統計規律,如圖5所示。

(a) 晴天鋼軌加速度分布

受到冰雪的影響,鋼軌、軌枕、道床的振動加速度的平均值與最大值都出現了明顯的增長。在雪天列車以150 km/h行駛時,鋼軌、軌枕、道床的振動加速度最大值分別提升了418%,2 184%和321%,增幅明顯,軌枕振動加速度已經達到規范要求限值的88.4%。因此,冰雪條件使軌道振動加速度提高,導致顆粒在冰雪風場作用下更容易飛濺。

2.3 空氣動力效應

為測試晴天和冰雪天氣條件下軌道的空氣動力特性,對隧道口、橋梁段、路橋過渡段測點的道心、枕底與砟肩位置處的風壓進行了測試,不同天氣條件下的風壓平均值測試結果如圖6所示。

(a) 各測點實測道心風壓平均值與速度關系圖

隨著列車運行速度增加,大部分測點的風壓平均值呈現增長趨勢。由于隧道口的復雜空氣動力效應[13],冰雪天氣低速運行時道心風壓實測值較大。以隧道口為例,道床斷面不同位置處的風壓分布如圖7所示。其中：道心位置處風壓值最大,實測平均值最大為1 886.2 Pa;枕底測點次之,實測平均值最大為814.69 Pa;砟肩測點風壓較小,實測平均值最大為440.34 Pa。

圖7 道床不同位置處的風壓分布情況

從線路測點位置來看,隧道口的道心風壓最大為其他位置測點道心風壓的2倍;橋梁段砟肩風壓較大,當列車時速為150 km/h時最大為其他測點砟肩風壓的1.6倍。由于隧道口道心風壓遠遠超過了其他測點位置處的風壓,可考慮在隧道口優先設置防飛濺措施。

不同天氣條件下,道心、枕底與砟肩風壓測試值的統計規律如圖8所示。

(a) 晴天道心風壓分布

在冰雪天氣條件下,道心、枕底及砟肩測點位置處的風壓有小幅度的提升,3處風壓測試值最高分別增加了43.5%,48.5%,6.2%。風壓增大導致道砟及冰雪顆粒容易飛起,并向列車轉向架、車廂連接部位等位置積聚[14-17],進而形成擊打車體及軌旁設備的情況。在軌道結構振動和空氣動力效應耦合的情況下,更易發生冰雪飛濺。

2.4 冰雪飛濺監測

在隧道出口、橋梁段、路橋過渡段的軌道動力學及風壓測點范圍內噴涂如圖2所示的彩色自噴漆,形成道砟飛濺觀測區。在車輛限界外的安全區域內架設高速攝像機,拍攝每一輛列車經過時全程的飛濺觀測區視頻影像,可以分析列車運行過程中的道砟及冰雪飛濺情況。

晴天時,列車經過前后道砟飛濺觀測區的觀測結果如圖9和圖10所示。冰雪條件下,隧道口、橋梁、路橋過渡段3處測點的典型雪后試驗記錄如圖11所示。

(a) 隧道口

(a) 隧道口

在晴天列車經過隧道口、橋上、路橋過渡段道砟飛濺觀測區時,未發生道砟飛濺現象,列車運行平穩性較高,道床穩定性好。在冰雪條件下,隧道口、橋上、路橋過渡段飛濺觀測區都觀察到了積雪飛起現象。

結合上述試驗結果,在冰雪天氣條件下,需要在隧道口等風振耦合效應明顯的區段采取相應措施防止飛濺現象的發生,如車體防護層、優化軌道斷面結構及表層道砟顆粒級配、噴涂防飛濺涂層、鋪設防飛濺格柵等[18-19]。

3 結 論

通過我國某有砟高鐵冰雪條件下行車動力性能、道床空氣動力效應及冰雪飛濺觀測現場試驗,得到了冰雪天氣高速鐵路有砟軌道運營過程中的實測數據資料,形成了以下研究結論：

(1) 不同天氣情況,行車安全性性指標有較大的安全余量。在冰雪條件下,隧道口、橋梁段、路橋過渡段測點的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力較晴天時均有所增加,最大增幅分別為98.1%,100%,155.1%,隧道口的行車安全性指標測試值較橋梁段及路橋過渡段大。

(2) 在不同天氣運行條件下,鋼軌、軌枕及道床的垂向振動加速度最大值均在安全限值內。當列車在雪天以150 km/h行駛時,3個測點位置振動加速度最大值分別提升了418%,2 184%和321%。橋梁段測點的軌道結構振動加速度較大,軌枕振動加速度已經達到規范要求限值的88.4%。冰雪條件使軌道振動加速度提高,導致顆粒在冰雪風場作用下更容易飛濺。

(3) 道心、枕底及砟肩測點位置的風壓測試值均隨著列車運行速度增加而增加。隧道口的道心風壓測試值遠超其他位置,最大值為其他位置測點道心風壓最大值的2倍。在冰雪條件下,不同測點位置處的風壓較晴天均有小幅度的提升,風壓測試值最高分別增加了43.5%,48.5%,6.2%,導致道砟及冰雪顆粒容易飛起。在軌道結構振動和空氣動力效應耦合的情況下,更易發生冰雪飛濺。

(4) 在晴天列車經過隧道口、橋上、路橋過渡段道砟飛濺觀測區時,未發生道砟飛濺現象;雪天隧道口、橋上、路橋過渡段飛濺觀測區都觀察到了明顯的積雪飛起現象。建議在隧道口等風振耦合效應明顯地段采用相應措施防治冰雪飛濺發生。