无砟轨道小阻力扣件钢轨纵向阻力测试方法研究

杨全亮

(铁道部经济规划研究院,北京 100038)

无砟轨道小阻力扣件钢轨纵向阻力测试方法研究

杨全亮

(铁道部经济规划研究院,北京 100038)

无砟轨道小阻力扣件钢轨纵向阻力既是轨道结构设计的重要参数,也是相关技术标准中一项必要的基础数据,需要采取科学准确的方法加以测定。通过对常用扣件钢轨纵向阻力测试方法的系统分析,提出以恒定位移速率方式施加拉力荷载作为测试无砟轨道小阻力扣件钢轨纵向阻力的改进方法,并通过具有代表性的WJ-8型和W300-1型无砟轨道小阻力扣件的测试验证,为《高速铁路扣件系统试验方法第1部分:钢轨纵向阻力的测定》等技术标准的编制提供支撑。

无砟轨道小阻力扣件;钢轨纵向阻力;测试方法

1 概述

由于混凝土道床保持几何形位能力较强,线路纵向阻力一般由扣件钢轨纵向阻力确定。为避免传递给桥梁结构的钢轨纵向阻力过大,在铺设无砟轨道的大跨度桥梁上一般采用小阻力扣件。小阻力扣件钢轨纵向阻力既是轨道结构设计的重要参数[1],同时也是铁路工程建设标准、铁路产品标准和运营维护标准中一项必要的基础数据,需要采取科学准确的方法加以测定。

目前,小阻力扣件钢轨纵向阻力主要通过测试手段获得。常用的测试加载方法主要有:第一种采用推钢轨的方式加载,但由于难以保证荷载作用线与钢轨轴线完全一致,试验数据离散性较大;第二种采用拉钢轨的方式加载,虽然解决了荷载作用力方向和钢轨滑移方向不一致的问题,但采用恒定加载速率方式加载,在钢轨滑移时荷载不断变化,难以准确读取扣件钢轨纵向阻力值。可见,上述方法都存在一定局限性,有必要结合相关标准编制工作,就如何有效改进小阻力扣件钢轨纵向阻力测试方法开展深入系统的研究,进一步提高测试结果的精度。

2 常用的扣件钢轨纵向阻力测试方法分析

扣件钢轨纵向阻力测试方法,按照荷载种类可以分为推力和拉力,按照加载方式可以分为逐级加载、恒定加载速率加载和恒定位移速率加载。通过对不同测试方法进行分析,提出改进小阻力扣件钢轨纵向阻力测试的有效方法。

2.1 按照荷载种类分类

2.1.1 推力(推钢轨方式)

与美国、澳大利亚等国的测试方法相似,我国早期的扣件钢轨纵向阻力测试采用推力作为测试荷载,即测试时用扣件将钢轨组装在锚定的轨枕上,以(10±1) kN/min的加载速率向钢轨施加推力,记录荷载和钢轨纵向位移值,当钢轨产生滑移时记录的荷载值为扣件钢轨纵向阻力测试值。

荷载为推力时,难以保证荷载作用线与钢轨轴线始终重合,加载过程中容易出现钢轨偏转现象,从而造成测得的扣件钢轨纵向阻力值不准确且离散性大。因此,采用推力作为测试荷载在国内已很少使用。

2.1.2 拉力(拉钢轨方式)

为了有效克服采用推力加载的不足,扣件钢轨纵向阻力测试中已更多地采用拉力作为测试荷载。EN13146-1.2002《铁路应用-轨道-扣件系统试验方法-第1部分:钢轨纵向阻力的测定》[2]中的有关规定:测试时用扣件将钢轨组装在锚定的轨枕上,以(10±5)kN/min的加载速率向钢轨一端施加大小为(2.5±0.3)kN的拉力,并保持30s;然后逐级加载,荷载增量为(2.5±0.3)kN,每级荷载保持30s;当钢轨在扣件组装中出现滑移或荷载超出扣件性能要求4倍时迅速卸载并连续测定钢轨位移2 min;重复上述过程3次,绘出荷载-位移曲线图,弃用第一个测试值,将后3次测试平均值作为扣件钢轨纵向阻力值。

荷载为拉力时,能够保证荷载作用线与钢轨轴线重合,加载过程中不会出现钢轨偏转现象,测试结果准确性高且不离散。因此,我国客运专线扣件暂行技术条件中明确,测试无砟轨道小阻力扣件钢轨纵向阻力时采用拉力作为测试荷载。

2.2 按照加载方式分类

2.2.1 逐级加载方式

由于采用逐级加载方式时荷载具有跳跃性,在荷载增量之间可能发生滑移,对导致滑移的临界荷载值进行判断较为困难,有可能造成扣件钢轨纵向阻力测试值偏大,难以保证测试结果准确和不离散。2012年修订的EN13146-1.2012《铁路应用-轨道-扣件系统试验方法-第1部分:钢轨纵向阻力的测定》[3]中取消了逐级加载方式。

2.2.2 恒定加载速率方式

当采用恒定加载速率方式加载时,钢轨与橡胶垫板和绝缘块(片)之间的摩擦力在钢轨出现滑移的同时由静摩擦力转变为滑动摩擦力,在荷载-位移曲线中表现为荷载突然减小产生波尖(图1)。在钢轨出现滑移后,荷载继续增大,拉力和钢轨滑动摩擦力作用下的合力对钢轨产生加速度,在荷载-位移曲线中表现为钢轨纵向滑移曲线发生上扬(图1)。可以看出,由于在钢轨滑移过程中荷载不断变化,无法准确读取钢轨纵向阻力值。

图1 恒定加载速率加载荷载-位移曲线

2.2.3 恒定位移速率方式

为了克服恒定加载速率方式加载无法准确读取钢轨纵向阻力值的不足,改用恒定位移速率方式进行加载。在钢轨滑移过程中,始终保持滑移速度恒定,即钢轨处于受力平衡状态,此时施加的拉力就等于扣件钢轨纵向阻力值。因此,恒定位移速率方式进行加载可以作为改进小阻力扣件钢轨纵向阻力测试的有效方法。

3 钢轨纵向阻力测试验证

为验证小阻力扣件钢轨纵向阻力测试方法的适用性,选取具有代表性的无砟轨道小阻力扣件:WJ-8型小阻力扣件(采用X2弹条和复合垫板)和W300-1型小阻力扣件(采用SKL 15LT弹条),进行了钢轨纵向阻力测试验证工作。

测试过程中采用拉力作为测试荷载,测试工装布置如图2所示,分别采用恒定加载速率方式和恒定位移速率方式进行加载并对测试结果进行对比分析。

图2 小阻力扣件钢轨纵向阻力测试工装布置示意

恒定加载速率方式加载按照EN13146—1.2012《铁路应用-轨道-扣件系统试验方法-第1部分:钢轨纵向阻力的测定》进行。以10 kN/min加载速率向钢轨的一端施加拉力,从加载循环开始,自动测定荷载及钢轨相对轨枕的纵向位移。当钢轨出现滑移时,迅速卸载。重复上述加/卸载过程3次,绘出每次加/卸载循环的荷载-位移曲线。

采用恒定位移速率方式加载时,保持钢轨滑移速度为2 mm/min。从加载循环开始,自动测定荷载及钢轨相对轨枕的纵向位移。当钢轨出现滑移时,迅速卸载。重复上述加/卸载过程3次,绘出每次加/卸载循环的荷载-位移曲线。

按照恒定加载速率方式和恒定位移速率方式分别测试WJ-8型和W300-1型小阻力扣件钢轨纵向阻力,测试数值见表1、表2,荷载-位移曲线如图3、图4所示。

___________表1 恒定加载速率方式测试数值__kN

___________表2 恒定位移速率方式测试数值__kN

图3 恒定加载速率方式荷载-位移曲线

如图3所示,采用恒定加载速率方式加载时,钢轨滑移过程中荷载不断增大,从开始滑移到卸载时,荷载增量达到0.8 kN,无法准确读取实际的钢轨纵向阻力值。同时,通过表1可以看出,同一组扣件3次重复测试中读取的钢轨纵向阻力值差异较大,结果最大偏差达到0.4 kN。

相比之下,采用恒定位移速率方式加载时,钢轨滑移过程中荷载较为稳定(图4),可准确读取实际的钢轨纵向阻力值,且同一组扣件3次重复测试中读取的钢轨纵向阻力值差异较小,结果最大偏差达到0.2 kN。

图4 恒定位移速率方式荷载-位移曲线

4 有关标准的编制情况

在充分的理论分析与试验验证基础上,铁道行业标准《高速铁路扣件系统试验方法第1部分:钢轨纵向阻力的测定》[4]报批稿中关于无砟轨道小阻力扣件钢轨纵向阻力测试加载的规定如下。

以恒定(2±0.1)mm/min的加载速率向钢轨的一端施加荷载。从加载循环开始,自动测定荷载及钢轨相对轨枕的纵向位移。当钢轨出现滑移时,迅速将荷载卸到零。试验中对扣件不得进行任何方式的拆卸或调整,重复上述加/卸载过程3次,每次卸载后停留3 min再继续加载,绘出每次加/卸载循环的荷载-位移曲线。

5 结论

对钢轨施加拉力保证了荷载作用线与钢轨轴线一致,避免了钢轨偏转对测试的影响;恒定位移速率方式进行加载,解决了恒定加载速率方式加载产生加速度、无法准确读取阻力值的问题,并且保证了测试的可重复性。综上所述,以恒定位移速率方式施加拉力荷载可作为测试小阻力扣件钢轨纵向阻力的有效方法。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.TB10015—2012铁路无缝线路设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2013.

[2] 欧洲标准技术委员会CEN/TC256.EN 13146—1.2002铁路应用-轨道-扣件系统试验方法-第1部分:钢轨纵向阻力的测定[S].英国标准化机构(BSI),2002.

[3] 欧洲标准技术委员会CEN/TC256.EN 13146—1.2012铁路应用-轨道-扣件系统试验方法-第1部分:钢轨纵向阻力的测定[S].英国标准化机构(BSI),2012.

[4] 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.高速铁路扣件系统试验方法第1部分:钢轨纵向阻力的测定(报批稿)[S].北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,2012.

[5] 赵国堂.高速铁路无砟轨道结构[M].北京:中国铁道出版社, 2006.

[6] 王其昌.无砟轨道钢轨扣件[M].成都:西南交通大学出版社, 2006.

[7] 杨艳丽.WJ-7、WJ-8型扣件纵向阻力现场试验与研究[J].铁道标准设计,2010(2):51-52.

[8] 肖俊恒,赵汝康,杜功立.高架桥无砟轨道用小阻力弹性扣件的研究设计[J].铁道建筑,2002(7):18-19.

[9] 蒋金洲,卢耀荣.我国客运专线桥上无缝线路采用小阻力扣件的建议[J].铁道建筑,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

杨全亮(1982—),男,工程师,2008年毕业于北京交通大学道路与铁道工程专业,工学硕士,E-mail:railwaycn@sina.com。