重载铁路高密度行车条件下轨温变化规律试验研究

罗慧刚

(朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司，河北肃宁 062350)

随着我国经济的发展，铁路货物运量迅速增长，重载运输己成为我国铁路货运的发展方向[1]。重载铁路由于列车长、轴重大，轮载往复作用会造成车轮与钢轨的摩擦生热[2-3]，使钢轨温度发生变化。轨温变化会使无缝线路钢轨产生轴向温度力[4-5]。过大的温度力会引起钢轨爬行、臌曲失稳或断裂，甚至导致车辆脱轨，危及行车安全[6-7]。

相关研究表明行车对轨温有一定影响[8-10]，但其影响程度，尤其对特殊地段(岔区、小半径曲线、桥上无缝线路、大坡道)轨温的影响研究依然欠缺，目前鲜有重载列车行驶过后钢轨升温大小的相关测试数据。因此，有必要对重载列车过后轨温变化的大小进行测量，研究高密度重载行车条件下无缝线路轨温的变化规律，为进一步研究行车对钢轨应力状态及轨道稳定性的影响提供依据。

试验以朔黄铁路为工程背景，其重载铁路轨道结构见图1。通过现场测试研究不同时段、速度、位置处重载列车通行对钢轨不同部位轨温的影响，试验结果将有效地指导重载铁路无缝线路的养护维修。

图1 朔黄重载铁路轨道结构

1 试验概况

1.1 试验测点布置

试验地点选在朔黄铁路安国站附近，经过测定得知此段列车通过速度约为79 km/h，行车密度为126列/d，在测试时间段内外部自然天气为夏季晴天。

由于道岔区和曲线地段钢轨与车轮摩擦较为剧烈，列车通过时轨温变化明显，且道岔区和曲线地段无缝线路稳定性最难以保持，试验选定道岔区直线段上行线和曲线段上行线为2个典型测试断面。其中安国站上行线某12号道岔里程为K360+380，安国至博野区间上行线某曲线段里程为K361+520。直线段上行线断面设置3个测点，分别为护轨前部、护轨中部、护轨前一段距离处的直线段钢轨;曲线段上行线设置1个测点，位于曲线段磨耗最大处。测点布置见图2。

图2 轨温测点布置

1.2 试验设备

试验使用了砂轮打磨机、PT100温度传感器、IMC动态数据采集仪、FAMOS软件、笔记本电脑、电源线、胶水等试验设备。利用砂轮打磨机打磨测点，利用PT100温度传感器测试钢轨温度，利用IMC动态数据采集仪对传感器所传信号进行调试收集，并使用与IMC数据采集仪配套的FAMOS软件对数据进行分析。主要试验设备简介如下:

1)IMC数据采集仪。德国IMC数据采集仪可广泛测量电压、电流、温度、应力应变、加速度、数字输入/输出、转角、角速度、位移、频率等工业常用信号，同时还提供了操控软件搭配使用。由于其操作简便，适用范围广，IMC动态数据采集仪已广泛应用于铁路轨温测试、加速度测试、位移测试等数据采集工作中。

2)PT100温度传感器。PT100温度传感器是一种应用广泛的测温元件，在－50℃ ～600℃范围内精度高、稳定性好、抗干扰能力强。本试验PT100温度传感测量范围为－50℃ ～450℃，测量精度为0.015℃。

3)FAMOS(Fast Analysis＆Monitoring Of Signal)快速信号分析软件。该软件是世界上第一套在Windows下应用的、目前欧洲市场占有率最高的信号分析软件，能实现工程数据的分析报告，还可进行简易的二次开发，自行编制用户化界面。

1.3 试验方法

1)用砂轮打磨机把选好的测点打磨光亮，将PT100温度传感器分别粘贴于测点的轨头、轨腰和轨底，并通过数据线组成桥路接入IMC数据采集系统。PT100温度传感器粘贴布置见图3。

图3 PT100温度传感器粘贴布置

3)开始测量。设备调试完毕后开始进行测量，IMC数据采集系统对轨温进行24 h实时测量，并自动保存测量数据。

4)测量完成后，拆卸试验设备，进行下一断面的测量工作。所有测试完毕后，拆除试验设备，清理测试现场。

2 试验结果及分析

2.1 第一列列车通过后轨温变化

试验设备的安装均在天窗内完成，在天窗结束后列车开始运营，开始测试。第一列列车从安国站发出，发车速度较低，不会形成列车风。第一列列车通过后护轨轨温和直线段钢轨轨温变化见图4。

图4 第一列列车通过后轨温变化

2)调试IMC数据采集系统。首先对钢轨温度测量的参数进行设置，然后进行预测量，通过测试数据分析所设置的参数是否合适。如果设置的参数合适，设定数据存储方案，并保存测量结果;如果设置的参数不合适，适当调整，重新预测量直到所得的数据合适为止。

由图4可见，在第一列列车通过前，外界大气温度为27.6℃，钢轨不同位置处的温度略有不同，但差别不大且高于大气温度。钢轨温度高于大气温度是由于钢铁能吸热升温所致，又由于钢轨不同位置所受阳光的照射程度不同，导致钢轨的不同位置温度有所差异。

第一列列车通过后钢轨轨温变化见表1。可见，在第一列列车通过前护轨中部轨头温度为29.8℃，通过后护轨中部轨头的轨温急剧升高，最大轨温为33.4℃，最大升高值为3.6℃。之后护轨中部轨底的温度也较大幅度上升，最大升温值为2℃，小于护轨中部轨头升温值。护轨前部和直线段钢轨温度随时间的增长也缓慢上升，但并不明显。不同位置轨温变化差别是由于在列车通过时，列车车轮与护轨中部的摩擦远远大于护轨前部与直线段钢轨，护轨中部所产生的热量也高于护轨前部和直线段钢轨。

表1 第一列列车通过后钢轨轨温变化 ℃

钢轨温度的升高幅度由轨头、轨腰、轨底依次降低，且钢轨温度的升高幅度随着列车通过速度的增大而增大。由于列车通过时，列车车轮与钢轨头部发生摩擦，且摩擦所产生的热量从轨头、轨腰、轨底依次传递，轨温依次降低。当列车速度增大时，车轮与钢轨间的摩擦程度加大，轨温变化幅度也加大。

2.2 线路正常运营列车通过后轨温变化

线路正常运营多列列车通过后护轨和直线段钢轨的温度变化见图5。可见，多列列车通过后轨温的变化是一种往复稳定状态。在列车通过时，钢轨的温度先降低，经过一定时间后升高。由于列车通过时带来列车风，出现温度降低现象;当摩擦产生的热量达到一定程度之后，钢轨温度出现上升。无论是护轨中部还是护轨前部，其轨头温度都要比轨底温度高1℃～2℃。由于行车密度大、间隔短，车轮与钢轨摩擦热由轨头逐渐向轨底传递时，并不会达到同样的温度值，轨头温度仍相对较高，整个钢轨会存在一个由上至下的温度梯度。

图5 线路正常运营列车通过后轨温变化

线路正常运营列车通过后轨温变化见表2。

表2 线路正常运营列车通过后轨温变化 ℃

由表2可见，列车通过后护轨中部轨头的温度变化最为明显，比列车通过前的轨温最大升高3℃;直线段钢轨轨头温度升高0.3℃，均小于第一列列车通过时轨温升高幅度。护轨前部轨温在列车通过时有降低，但是变化幅度很小。出现以上现象的原因在于护轨中部轨头摩擦最为严重，温度变化最大。护轨前部由于没有受到摩擦，列车通过后最终温度基本不发生改变。第一列列车通行前钢轨温度较低，多列列车通过后钢轨温度较高，在同等摩擦程度所产生的热量情况下，温度较低时钢轨温度变化更为明显。

2.3 不同时间段列车通过后轨温变化

在不同时间段，外界的大气温度不同，列车通过后钢轨的温度变化也有所差异。不同时间段列车通过后护轨和直线段钢轨的轨温变化见图6。

为研究外界大气温度对列车通过后轨温变化的影响，将图5和图6不同时间段下多列列车通过后的轨温变化进行对比分析。其中图5测试时间为13:00～14:00(工况1)，外界大气温度在34℃ ～36℃;图6中测试时间为0:00～1:00(工况2)，外界大气温度在31℃ ～32℃。

由图6可见，列车通过后轨温的变化趋势与图5基本相同，列车通过后轨温都是先降低，经过一段时间后再升高。但是白天的钢轨温度与外界大气温度的差值要比夜间钢轨温度与外界大气温度的差值大许多。以直线段钢轨为例，直线段钢轨在白天与外界大气温度的差值约为10℃，而在夜间与外界大气温度的差值约为1℃。造成此差异的原因为钢轨在白天不仅受到列车车轮的摩擦作用，更重要的是受到阳光的照射作用，钢轨吸热升温导致钢轨温度要比外界大气温度高许多。不同时间段列车通过后轨温升高幅度见表3。

图6 不同时间段列车通过后轨温变化

表3 不同时间段列车通过后轨温升高幅度 ℃

由表3可知，工况2列车通过后护轨中部轨温变化最大幅度为3.5℃，大于工况1列车通过后护轨中部轨温变化最大幅度。其他位置处的钢轨轨温在晚上的变化幅度也大于或等于在白天的变化幅度。说明列车通过后，钢轨在温度低环境中的温度变化幅度要高于温度高环境中的温度变化幅度。

2.4 直、曲线段列车通过后轨温变化

列车通过直线段和曲线段时，由于车轮与钢轨之间的摩擦程度不同，产生的热量也不同，造成列车通过后轨温变化的不同。在同一时间下列车通过直线段和曲线段轨温变化见图7。

图7 直、曲线段列车通过后的轨温变化

由图7可见，列车通过直线段和曲线段的轨温变化趋势基本相同，都是先有小幅度降温，经过一段时间后再升温，但是曲线段钢轨的温度要比直线段钢轨温度高出2℃左右。原因在于列车通过曲线段时车轮与钢轨的摩擦程度大于列车通过直线段车轮与钢轨的摩擦程度，产生的热量也比直线段高。由于列车行车间隔很小，钢轨温度来不及扩散降低，所以在同等外界条件下，曲线段轨温要高于直线段轨温。

直、曲线段列车通过后轨温变化见表4。

表4 直、曲线段列车通过后轨温变化 ℃

由表4可知，列车通过后曲线段钢轨轨头温度升高幅度为0.6℃，直线段钢轨轨头温度升高幅度为0.3℃，曲线段钢轨温度升高幅度略大于直线段。原因在于列车在曲线地段受到较大的横向力作用，导致车轮与钢轨在曲线段的摩擦程度大于直线段，在曲线段钢轨所产生的热量也比直线段高。

3 结论

通过现场动态测试研究不同时段、速度、位置处重载列车通行对钢轨不同部位轨温的影响，得到以下结论:

1)重载列车通过后，不同位置的钢轨温度都将有所增加，增加幅度由轨头、轨腰、轨底依次减小，其中护轨温度增加幅度要比直线段钢轨大。

2)第一列列车通过后钢轨温度直接升高，其中护轨中部轨头的温度急剧增大，最大升高值为3.6℃，之后护轨中部轨底的温度也较大幅度上升。护轨前部和直线段钢轨温度虽有一定幅度上升，但并不是非常明显。

3)当线路正常运营多列列车通过后，轨温的变化是一种往复稳定状态。在列车通过时，轨温由于受到列车风作用先降低，之后才升高，护轨温度最大升高值约为3℃，直线段钢轨温度最大升高值约为0.3℃。

4)列车通过直线段和曲线段的轨温变化趋势基本相同，都是先小幅度降温，经过一小段时间后再升温。曲线段轨温变化幅度大于直线段，其中曲线段钢轨轨头温升幅度约为0.6℃，直线段钢轨轨头温升幅度约为0.3℃，且曲线段轨温要比直线段约高出2℃。

5)重载列车通过时轨温的变化幅度还与列车的长度密切相关。目前朔黄铁路重载列车主要为万t和5 000 t编组，在预期开行2万t重载列车情况下，其轨温变化幅度必将更明显，应继续加以研究。

[1]侯传伦.重载铁路曲线段磨耗状态下轮轨相互作用分析[D].成都:西南交通大学，2009.

[2]王伟，王彩芸，郭俊，等.轮轨滑动摩擦生热分析[J].机械设计，2011，28(4):10-15.

[3]王伟.基于ANSYS的轮轨摩擦生热分析[D].成都:西南交通大学，2011.

[4]刘永前，王建文，邹振祝，等.无缝线路钢轨温度力测试的位移法[J].铁道学报，2005，27(4):125-128.

[5]杨蕾，侯春萍.无缝线路轨温实时监测系统的实现和应用[J].电子技术应用，2004，30(3):24-27.

[6]张小勇.温度力与车辆荷载作用下无缝线路稳定性研究[D].上海:同济大学，2008.

[7]冯青松，宗德明，雷晓燕，等.无缝线路稳定性分析有限元模型[J].中国铁道科学，2005，26(1):7-14.

[8]李伟，温泽峰，吴磊，等.车轮滑动时钢轨热机耦合有限元分析[J].润滑与密封，2009，34(1):24-28.

[9]李伟.基于热力耦合的钢轨接触疲劳伤损研究[D].成都:西南交通大学，2010.

[10]赵鑫，温泽峰，金学松，等.表面不平顺对轮轨摩擦温度场的影响[J].交通运输工程学报，2005，5(2):19-22.