30 t轴重重载铁路轨道结构强化改造技术

曹海滨（神华集团有限责任公司，北京　100011）

30 t轴重重载铁路轨道结构强化改造技术

曹海滨
（神华集团有限责任公司，北京100011）

朔黄重载铁路轨道结构基础设施均按25 t轴重设计与建造，将货车轴重提高至30 t同时开行2万t以上的重载列车，将导致基础设施的强度与疲劳性能发生显著变化。根据朔黄重载铁路既有基础设施现状，对30 t轴重运输条件下基础设施存在的薄弱环节进行了现场调研，并通过大轴重实车试验对直线、不同半径曲线地段轨道部件受力和轨道几何状态进行了测试与分析，给出了铺设新型重载轨枕与重载扣件等结构强化改造技术措施。

重载铁路；轨道结构；适应性评估；轨道强化技术

重载铁路运输受到世界各国的广泛重视，美国、巴西、澳大利亚、南非等国已大力发展重载铁路。目前重载铁路已被国际公认为铁路货运的发展方向，成为世界铁路发展的重要方向之一。从国外发展重载运输的实践来看，大轴重重载运输具有很好的经济性：一方面其运能大、效率高、运输成本低；另一方面大轴重、高牵引质量重载运输可显著提高机车车辆运转效率，减少机车车辆数量，同时降低牵引能耗，降低机车车辆维护费用和设备占用时间。目前国外重载煤运铁路货车轴重大多集中在26.5～32.4 t，如澳大利亚昆士兰地区煤运铁路轴重最大为26.5 t，北美地区煤运铁路最大轴重达32.4 t。

随着神华集团各煤炭基地建设步伐的加快和矿区开采规模的扩大，神华铁路骨干网络的运输能力已不能适应发展的需求，通过多种技术途径扩大神华铁路运输能力十分紧迫。经过近2年的广泛调研、咨询和论证，提出了在既有铁路基础设施强化改造基础上，通过提高轴重，增加牵引质量，规模开行2万t及以上重载列车等技术途径，提高神华铁路的运输效率和能力。但提高货车轴重至30 t及以上，其荷载将超出轨道结构和部件设计标准。首先，既有轨道结构和部件将面临安全储备下降、耐久性降低、疲劳伤损加剧、使用寿命缩短等问题。其次，神华铁路主要位于我国西部山区，小半经曲线和长大下坡道较多，在30 t轴重下会进一步影响无缝线路横向稳定性。

本文针对30 t轴重下轨道结构面临的技术问题，结合30 t轴重实车试验，从轨道部件强度、疲劳伤损等方面进行了既有轨道结构的适应性分析，并提出了30 t轴重运营条件下的轨道结构强化技术。

1　轨道结构受力状态现场测试

为掌握30 t轴重条件下轨道结构荷载特征，选择北大牛—回凤区间（K65+047—K108+443）建设综合示范段，于2013年7月11—28日进行了30 t轴重重载列车综合试验。

本次试验采用大轴重试验列车进行动态测试，试验列车编组为：SS4机车（黄骅港侧）+客车（工作车）+2节C96+2节C80+2节C80+6节C80+4节C96+ 2节C96+2节C96+6节KM96B+1节KM96+10节C70+8节C64K+SS4机车（神池南侧）。

大轴重货车（C96，KM96B/96）采用不同装载质量进行试验，装载质量实行逐步递增，装载后轴重分25，27 和30 t共3种工况，试验时装载质量根据前一级装载质量试验结果进行安全评估后逐级增加。试验列车各装载工况下区间试验速度为65，75和80 km/h。

1.1脱轨系数

测力轮对的测试结果表明，全区段试验C96的脱轨系数最大值为0.54，轮重减载率最大值为0.27，轮轴横向力最大值为40.0 kN，最大值均出现在小半径曲线上，但各参数最大值均未超出相关标准规定的限值，运行安全稳定性良好。

列车以速度75 km/h通过不同地段时外轨脱轨系数最大值统计结果见图1，地面测点的最大脱轨系数为0.37。结合测力轮对的测试结果可知：不同轴重及不同速度下试验列车通过不同半径曲线及直线时，实测脱轨系数的最大值在安全限值之内。说明试验期间大轴重货车的运营是安全的。

图1　外轨脱轨系数最大值统计（75 km/h）

由于最大值反映的是测试过程中试验车和运营车的实际运行状态，而通过数理统计的最大可能值则能在一定程度上反映测试样本分布中可能发生的极值，从而对将来运营列车的状态进行数理推断。最大可能值计算方法为：最大可能值=平均值+2.5×标准差。

30 t轴重的 C96与 KM96和25 t轴重的 C80试验车通过各个测点脱轨系数最大可能值分别为0.51，0.49和0.57。在不同测试工点，与 C80货车相比，大轴重货车的脱轨系数最大可能值有一定程度的增加。

测试结果中C80，C70和C64运营车脱轨系数一般大于试验车对应车型的测试结果，这也说明30 t轴重货车正式运营后，随着车辆和轮对状态的变化，其脱轨系数也会较目前试验列车测试结果有所增大。

1.2轮重减载率

不同类型货车在不同运行速度条件下，通过不同线下基础时实测减载率的最大可能值均在安全限制之内。

列车以速度75 km/h通过不同地段时减载率最大可能值统计结果见图2。可知，减载率最大可能值为0.23，且列车通过不同线下基础时，与C80相比，C96与KM96轮重减载率基本相当。曲线段减载率较直线段略大，车型、轴重（21～30 t）对减载率实测值影响不大。

图2　减载率最大可能值统计（75 km/h）

1.3轮轨垂向力

列车以速度75 km/h通过不同地段时轮轨垂直力最大可能值统计结果见图3。可见，C96，KM96和 C80试验车通过各个测点轮轨垂直力最大值分别为198.0，200.6和172.3 kN。C96与KM96轮轨垂直力最大值分别比C80增大了14.9%，16.4%。

图3　轮轨垂直力最大可能值统计（75 km/h）

1.4轮轨横向力

列车以速度75 km/h通过不同地段时轮轨横向力最大可能值统计结果见图4。可见：试验列车通过不同半径曲线及直线时，C96，KM96，C80轮轨横向力最大值分别为 57.9，57.7和 41.5 kN；与 C80相比，C96，KM96分别增大了39.5%，39.0%。同时，结合运营列车的测试结果可知，各运营车辆轮轨横向力最大值明显大于试验货车。以C80为例，试验货车轮轨横向力为50.8 kN，运营货车为68.0 kN，增大了33.8%。这主要与货车车辆以及车轮状态有关。随货车车辆运营里程的增加，车轮踏面状态必然会进一步恶化，造成轮轨的动力响应增加，其轮轨横向力必然会进一步增大。

图4　外轨横向力最大可能值统计（75 km/h）

2　既有轨道结构适应性评估

对于传统有砟轨道结构，曲线是线路中的一个薄弱环节，尤其对于小半径曲线。由于小半径曲线地段列车传递至左右股钢轨的垂向荷载不均，且横向荷载值较大，因此不仅对扣件及轨枕强度提出更高的要求，而且对其保持轨道几何状态、抵抗线路纵横向位移的能力也提出更高的要求。目前我国大秦、大包等重载铁路的运营实践表明，列车轴重和年运量的增加将带来扣件、轨枕等轨道部件伤损增多、轨道几何状态变化加剧、轨道大中修周期缩短等不利影响，在小半径曲线地段这些影响更为显著。

2.1运营安全性分析

大轴重实车试验时，分别对不同半径曲线的安全性参数进行了测试，不同类型货车通过不同半径曲线时，其脱轨系数最大值不仅与货车类型以及状态有关，还与曲线半径有关。曲线半径越小脱轨系数越大。

R500 m曲线实测脱轨系数最大值达0.56。试验时该曲线刚换轨不久，轨道几何状态好。但小半径曲线钢轨磨耗较快，易造成轨道几何状态变化。在实际运营中，由于曲线钢轨的磨耗，造成轨距、方向等不良，且随着货车运行里程的增加，货车车辆与车轮状态也会随之恶化。在轨道、车辆等各种不良因素的影响下，通过小半径曲线时，货车的脱轨系数等安全参数会随之增大，影响列车的安全运营。

根据大包、大秦等重载铁路小半径曲线的实践经验，若货车的脱轨系数接近或超过0.7～0.8时，就应分析原因，并采取针对性的强化措施，以保证运营安全。R500 m曲线实测脱轨系数最大值已达到0.56，随着轨道状态以及车辆状态的恶化，其脱轨系数会有进一步增大的趋势。随着大轴重货车的开行以及运量的增加，线路的维修天窗时间会相应减小。为提高货车运行的安全性，应强化轨道结构。

2.2轨道部件受力分析

目前我国暂无重载铁路专用扣件和轨枕，朔黄铁路重车线已逐步更换Ⅲ型轨枕及配套弹条Ⅱ型扣件。本次试验针对现场情况，在直线，R500 m，R600 m以及R800 m曲线地段分别测试了轨枕轨下截面及枕中截面弯矩、扣件节点横向力和轨距动态扩大量。测试结果分析如下：

尽管我们都知道不应该不假思索地全盘接受对方所说的一切。但是，在倾听的过程中不善于控制自己、随性发出质疑是最妨碍有效倾听的行为和心理。

1）实测枕中弯矩最大值为7.9 kN·m，小于Ⅲ型轨枕枕中设计承载弯矩；同一测点枕中弯矩值差异不大，曲线地段枕中弯矩最大值大于直线地段枕中弯矩。

2）实测轨下断面弯矩最大值为10.3 kN·m，小于Ⅲ型轨枕轨下设计承载弯矩；轨下弯矩随轴重的增加提高得比较明显。以 R600 m曲线地段测试数据为例，当30 t轴重KM96车辆通过时轨下弯矩平均值为8.5 kN·m，相对于 C80车辆通过时轨下弯矩平均值（5.6 kN·m）提高了约34%。

3）实测扣件横向力最大值为23.9 kN，小于弹条Ⅱ型扣件横向承载能力设计值；由于扣件横向测力挡板与钢轨配合的松紧程度及距离轨撑的远近不同，造成了不同曲线地段扣件横向力无明显变化规律，但曲线地段扣件横向力较直线地段增加明显；30 t轴重C96和KM96货车通过各工点时，扣件横向力较其他车型略有增加。

4）实测轨距动态扩大量最大值为2.49 mm，小于有砟轨道容许偏差管理值；30 t轴重车辆在R500 m和R800 m曲线引起的轨距扩大均值较 C80车辆分别增加66.1%和23.1%，动态增量较为明显。

综合试验结果表明，30 t轴重C96，KM96货车通过各工点实测轨下弯矩、扣件横向力和轨距动态扩大量均较C80，C70，C64货车有一定程度提高，但均小于相应限值。由此可见，Ⅲ型轨枕和弹条Ⅱ型扣件可满足朔黄铁路近期开行30 t轴重货车的安全性要求。

3　轨道结构强化技术

3.1曲线轨道强化

1）对R＜500 m曲线，铺设适用于30 t轴重的重载SH-I型轨枕与配套SH-I型扣件。

2）对R500 m，R600 m曲线地段轨枕配置根数由1 667根/km变为1 760根/km，每1 km增加93根Ⅲ型轨枕，同时采用SH-J型重载扣件。

3）对于R＞600 m曲线地段，采用SH-J型扣件。

采用轨枕加密、SH-J型扣件的方案主要是考虑到既有Ⅲ型枕使用时间不长，使用状态较好，先暂时予以保留。在后期大修换枕时，可更换为适用于30 t轴重的重载SH-I型轨枕与配套SH-I型扣件。

3.2直线轨道强化

朔黄铁路自2009年逐步将Ⅱ型混凝土轨枕更换为Ⅲ型混凝土轨枕，扣件采用弹条Ⅱ型扣件。在重载列车荷载频繁作用下弹条松弛现象普遍存在。由于行车密度大、天窗作业时间有限，扣件得不到及时复拧，影响轨道的整体工作状态。既有线扣件强化应在保持原有轨枕不更换的前提下采取强化措施，对弹条、轨下垫板、轨距挡板等部件进行强化以提高弹条扣压力保持能力，增大扣件抵抗钢轨倾翻能力并减少养护维修工作量。

3.3强化措施

研究设计了SH-I型扣件，此扣件在弹条Ⅱ型扣件基础上提高了扣件抗横向荷载能力，延长了使用寿命，减小了养护维修工作量。该扣件具有结构简单、造价低廉、技术成熟的特点。主要技术参数如下：①扣件按承受70 kN横向荷载设计，轨距调整量为 -16～+12 mm；②弹条设计扣压力12.5 kN，弹程12 mm，比Ⅱ型弹条分别增大25%和20%，最大工作应力低于Ⅱ型弹条，有较大的安全储备，疲劳强度高；③轨下垫板采用热塑性弹性体材料，静刚度120±20 kN/mm。

研究了轨枕在重载条件下的荷载特性，对扣件和轨枕进行了匹配设计，研发了适应朔黄铁路30 t轴重改造用的重载轨枕。主要性能指标如下：①轨枕按动力系数取2.5并耦合70 kN横向荷载设计；②SH-I型轨枕轨下截面和枕中截面设计承载能力分别为22.57 kN·m和21.33 kN·m，与Ⅲ型轨枕相比分别提高了18.5%和23.3%，满足 30 t轴重轨枕荷载弯矩要求；③SH-I型轨枕端部面积、底面积和质量等相关参数比Ⅲ型枕均有所提高，可达到降低道床平均应力、延缓道砟粉化和道床下沉、提高道床横向阻力的目的。

4　结论

1）目前重车线小半径曲线区段铺设Ⅲ型轨枕及弹条Ⅱ型扣件可满足朔黄铁路近期少量开行30 t轴重货车的运营安全和结构强度要求。随着轴重和运量的提高，列车荷载作用的增大，轨枕及扣件伤损情况会加剧，同时轨道几何状态恶化，养护维修工作量相应增加。

2）采用Ⅲ型枕的半径≤500 m曲线大坡道地段无缝线路高温稳定性储备量不足。从提高列车运营安全性，增强小半径曲线稳定性，减小轨道养护维修周期等方面考虑，大轴重货物列车长期大量投入运营后，需加强车辆状态的检修和道床状态的维护，同时对半径≤500 m区段及其他轨道状态不易保持的区段应逐步强化其轨道结构。

3）采用研发的SH-I型重载轨枕及其配套扣件对不同工况下的轨道结构进行强化改造。经实车试验，具有良好的使用效果。

［1］中国铁道科学研究院.朔黄铁路轨道结构调研报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2012.

［2］中国铁道科学研究院.轴重30 t以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制——朔黄铁路轨道结构强化技术研究报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2014.

［3］薛继连.30 t轴重下朔黄铁路轨道结构强化技术试验研究［J］.铁道学报，2015，37（3）：100-105.

［4］易思蓉.铁道工程［M］.北京：中国铁道出版社，2000.

［5］中国铁道科学研究院.神华铁路大轴重重载运输成套技术研究——基础设施检测、评估和强化改造技术研究综合试验报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2013.

［6］American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association.Manual for Railway Engineering—Chapter 30 Concrete Ties［M］.Lanhan M D，USA：AREMA，2011.

［7］Standards Australia.Railway Track Materials，Part 14：Railway Prestressed Concrete Sleepers［S］.Sydney，Australia：Standards Australia，2012.

［8］European Committee for Standardization.EN 13230 Railway Applications Track Concrete Sleepers and Bearers［S］.England，2009：10-19.

［9］佐藤吉彦.新轨道力学［M］.徐涌，译.北京：中国铁道出版社，2001.

（责任审编李付军）

Strengthening-oriented Reconstruction Technology for Track Structure of 30 t Axle Load Heavy Haul Railway

CAO Haibin
（Shenhua Group Corporation Ltd.，Beijing 100011，China）

Shuozhou-Huanghuagang heavy haul railway were designed and built based on 25 t axle load.T he axle load would be increased to 30 t and the whole weight of freight train would be more than 20 000 t.T he strength and fatigue properties of railway infrastructure would be significant changed.According to the existing infrastructure situation，the railway track structure were investigated in field to find the week sections not meeting the requirement of 30 t axle load operation conditions.T rack components mechanic characteristics and track geometries state were analyzed by site tests at heavy haul conditions in straight sections and different radiuses curve sections.T he railway track structure strengthening technology such as using new designed sleepers and fastenings were suggested.

Heavy haul railway；T rack structure；Adaptability evaluation；T rack strengthen technology

曹海滨（1970— ），男，高级工程师。

U239.2；U213.2+11

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.32

1003-1995（2016）07-0132-04

2016-03-13；

2016-04-22