27 t轴重条件下轨道结构劣化规律和适应性分析

潘振 马战国 郄录朝 张欢 尤瑞林 李闯

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081）

重载运输是世界铁路货运的重要发展方向，其中增加轴重是主要方式之一。2013 年6 月，中国铁路总公司发布了铁总办函〔2013〕114 号《关于既有线运用27 t 轴重货车工作会议的通知》，对既有线运用27 t 轴重货车工作进行了阶段总结和部署。2014 年太原局集团有限公司逐步在北同蒲线、大秦线开行27 t 轴重C80E货车。但目前尚缺乏既有轨道结构在27 t轴重条件下的劣化规律和适应性研究。针对此问题，本文对北同蒲线、大秦线试验段轨道部件进行了长期跟踪观测，并结合仿真计算和现场测试，分析既有轨道结构在27 t轴重下的劣化规律和适应性［1］。

目前北同蒲线主要铺设60 kg/m 钢轨、弹条Ⅱ型扣件、Ⅲ型混凝土枕、I级道砟，年通过总质量约2 亿t；大秦线主要铺设75 kg/m 钢轨、弹条Ⅱ型扣件、Ⅲ型混凝土枕、Ⅰ级道砟，年通过总质量约5亿t，每天约开行10列万吨C80E货车［2］。

1 钢轨劣化规律和适应性

1.1 钢轨劣化规律

1.1.1 大秦线

对大秦线K164+000—K326+345 重车线进行跟踪观测。该区段铺设U78CrV 在线热处理钢轨，2011 年4 月铺设上道，2014 年4 月下道。下道时线路累计通过总质量1 670 Mt。

大秦线于 2014 年 6 月开行 27 t 轴重 C80E 货车。图1为大秦线直线区段开行C80E货车前后每公里累计伤损数量与钢轨累计通过总质量的关系。可知，钢轨累计伤损量随累计通过总质量近似呈二次函数关系。在2011 年4 月—2014 年4 月当累计通过总质量为500，1 000，1 500 Mt 时每公里母材累计伤损数量为0.6，1.6，3.3，每公里焊缝累计伤损数量为2.9，5.1，8.9，焊缝伤损数量约为母材伤损数量的3 倍；在2014年4 月—2016年4月当累计通过总质量为500，1 000 Mt时每公里母材累计伤损数量为0.7，1.2，每公里焊缝累计伤损数量为2.0，3.1，焊缝伤损数量约为母材伤损数量的2.7倍。

图1 每公里母材及焊缝累计伤损数量与累计通过总质量的关系

该区段钢轨于2018 年4 月进行部分更换（K164—K238），使用寿命约2 060 Mt。

1.1.2 北同蒲线

北同蒲线 K41+548—K104+744 铺设 60 kg/m U78CrV热处理钢轨，该区段钢轨于2013年10月上道，截至2017年底，累计通过总质量为805 Mt。图2为北同蒲线每公里累计伤损数量与累计通过总质量的关系。

图2 北同蒲线每公里母材及焊缝累计伤损分布

由图2 可知，当累计通过总质量为500，800 Mt 时所对应的每公里母材累计伤损数量为0.15，0.33，对应的每公里焊缝累计伤损数量为0.66，0.96，焊缝伤损约为母材伤损的3倍。

1.2 钢轨适应性分析

大秦线、北同蒲线等重载铁路通常铺设强度等级为 1 280 MPa 的 U78CrV 在线热处理钢轨［3-4］。大秦线钢轨在累计通过总质量为1 000 Mt 时，每公里累计总伤损数量为4.3。截至2017 年底，北同蒲线钢轨累计通过总质量为805 Mt 时，每公里累计总伤损数量为1.29。2011 年前大秦线铺设U75V 钢轨，统计数据表明，2005 年铺设的攀钢75 kg/m U75V 钢轨在累计通过总质量为9 亿t 时，每公里钢轨累计总伤损数量约为4～5。随着通过质量、行车密度、轴重的增加，所用钢轨的强度等级在增加，在目前的养护维修条件下，如果预防性打磨及时，轮轨关系保持良好，在大轴重情况下使用U78CrV 在线热处理钢轨是适应的，对于延长钢轨的使用寿命是有利的。

2 扣件劣化规律和适应性

在大秦线和北同蒲线选取铺设弹条Ⅱ型扣件和加强型扣件的区段进行跟踪观测，试验段线路情况见表1。

表1 大秦线和北同蒲线试验段线路情况

2.1 扣件劣化规律

2.1.1 大秦线

对大秦线K113 试验段弹条Ⅱ型扣件的Ⅱ型弹条和加强型扣件的W3型弹条进行了3次跟踪观测，弹条弹程随累计通过总质量劣化规律如图3 所示。可知：Ⅱ型和W3 型弹条弹程随累计通过总质量增加而减小；72 个月累计通过近30 亿t 的总质量后，弹程衰减率分别为19.4%，9.2%，W3型弹条的劣化程度要优于Ⅱ型弹条。

图3 大秦线弹条弹程随累计通过总质量劣化规律

大秦线K113直线试验段采用了橡胶和TPEE 2种弹性垫板，2 种垫板整体使用情况良好，无压溃和窜出现象，其静刚度变化与累计通过总质量的关系如图4所示。近30 亿t 的累计通过总质量后，橡胶垫板的静刚度变化率为26.4%，厚度变化量为0.14 mm；TPEE垫板静刚度变化率为22.2%，厚度变化量为1.05 mm。

图4 大秦铁路K113直线段橡胶和TPEE垫板静刚度变化与累计通过总质量的关系

2.1.2 北同蒲线

2016 年4 月在北同蒲线上行线K32 区段R600 m曲线段铺设加强型扣件和既有弹条Ⅱ型扣件。Ⅱ型和W3 型弹条弹程随累计通过总质量增加而减小；12个月累计通过近2 亿t 的总质量后弹程衰减率分别为15.1%和8.3%，见图5。

图5 北同蒲线弹条弹程随累计通过总质量的劣化规律

弹条Ⅱ型扣件橡胶垫板和加强型扣件TPEE 垫板静刚度变化率分别为13.1%和2.2%（图6），厚度变化量分别为0.37 mm和0.32 mm。

图6 北同蒲线弹条Ⅱ型扣件橡胶垫板和加强型扣件TPEE垫板静刚度与累计通过总质量的关系

2.2 扣件适应性分析

图7 轮轨垂直力、支点压力、钢轨轨头横移和轨距动态变化量最大值统计对比

为分析既有弹条II型扣件和加强型扣件在27 t轴重条件下的适应性，在北同蒲线试验段开展动态测试，测试结果见图7。可见，随着列车轴重的增加，轮轨垂直力、钢轨支点压力逐渐增加，但加强型扣件所受轮轨垂直力和钢轨支点压力均小于弹条II 型扣件。钢轨轨头横向位移及轨距动态变化量与列车轴重无明显规律［5-6］，但加强型扣件钢轨轨头横向位移及轨距动态变化量均小于弹条Ⅱ型扣件，表明加强型扣件对钢轨轨距保持能力较弹条Ⅱ型扣件更强。

通过上述扣件劣化规律和动力学测试结果的综合分析，可知加强型扣件的弹条弹程衰减率和弹性垫板静刚度变化率均小于弹条Ⅱ型扣件，加强型扣件使用性能较既有弹条Ⅱ型扣件有所增强，但二者都适用于开行27 t轴重重载列车的线路。为减少今后的养护维修工作，建议结合大修工作在小半径曲线区段逐渐换铺加强型扣件。

3 轨枕劣化规律和适应性

3.1 轨枕劣化规律

2016 年 10 月和 2018 年 4 月分别对大秦线Ⅲ型混凝土枕的使用情况进行了现场调研，整体使用状况良好，部分轨枕存在挡肩伤损、轨枕裂纹和承轨面磨损，如图8所示。

图8 轨枕伤损

裂纹以轨枕中间截面横向裂纹为主，也有部分裂纹是沿承轨面向中间位置发展的斜向裂纹。混凝土轨枕开裂的主要原因有：①道床污染板结，造成轨枕中间截面支承较密实，在较大横向力作用下轨枕中间截面承受过大的负弯矩从而产生裂纹；②轨道下部基础不均匀沉降，线路存在空吊、三角坑等病害；③线路的大、中修周期长，养护维修时间短，使得线路质量不佳。

承轨面磨损容易造成轨道几何尺寸超限、轨枕挡肩破坏、弹条扣压力不足等严重病害。造成承轨面磨损的主要原因有：①线路运营列车的轴重及通过总质量较大；②煤灰、水分、砂粒侵入轨下垫板和混凝土承轨面之间；③轨道刚度较大；④列车在长大坡道的制动和启动；⑤曲线地段内外轨、钢轨内外侧受力不均匀。

3.2 轨枕适应性分析

Q/CR 9130—2015《铁路轨道极限状态法设计暂行规范》规定重载线路动载系数取1.5，轮重分配系数偏于保守取0.48。由此计算得出的常用轨道结构配置条件下混凝土轨枕的设计荷载弯矩，如图9 所示。可见，对于Ⅲ型轨枕，随着轴重的增加，轨枕的轨下截面及枕中截面的设计荷载弯矩不断增大，当车辆轴重为27 t时设计荷载弯矩已经达到并稍微超过轨下截面的设计承载弯矩。因此，在27 t轴重时，普通区段通过优化改善整体轨道结构状态可以采用Ⅲ型枕，但轴重超过27 t时宜选用强度更高的Ⅳ型轨枕。

图9 混凝土轨枕设计荷载弯矩对比

4 道床劣化规律和适应性

4.1 道床劣化规律

2016 年 9 月在北同蒲线 K126 和 2017 年 4 月在大秦线K431—K432，K274—K275 结合大机清筛作业对清筛时的道床脏污率进行了测试。测试时在清筛区段随机选取单位长度线路，称取清筛到线路外侧污土的质量，计算距枕底0.3 m、宽度4 m 范围内的道砟质量，换算脏污率。测试结果见表2。

表2 大机清筛作业道床脏污率测试结果

从现场道床脏污率测试情况来看，道床脏污率随着累计通过总质量的逐年增加，在道床脏污率为20%左右时开始进行清筛。整个清筛周期内道床使用状态较好，且清筛时的累计通过总质量远大于铁运〔2006〕146号《铁路线路修理规则》的规定。

轨道在列车动荷载作用下，枕下道床会因道砟错位、磨损、压缩而产生变形。针对刚捣固的线路设立观测点，在下次捣固前测试观测点的高程变化，得到1 个捣固周期内道床累积变形。大秦线累计通过总质量147 Mt时现场测试结果见表3，可见，整个大修周期内，按目前规定进行维修，每通过总质量150 Mt 道床累积变形约10 mm，1 个捣固周期内道床残余变形发展平缓，不会引起较大的轨道不平顺。

表3 不同测点的高程变化 mm

4.2 道床适应性分析

我国重载铁路道床顶面应力和道床底部应力相关计算参数和计算结果见表4。TB 2034—88《铁路轨道强度检算法》规定的碎石道床顶面容许应力为0.5 MPa［7］，基床表面的容许应力为 0.15 MPa。由表 4可见，当轴重为27 t时，无论采用Ⅲ型轨枕或是新型Ⅳ型重载轨枕，道床顶面应力均未超过规定范围；道床厚度为（30+20）cm，（35+20）cm 时道床底部应力均能满足规范要求。

通过北同蒲线现场动力学测试得到的支点压力，间接计算出弹条Ⅱ型扣件和加强型扣件道床顶面最大应力和平均应力，结果见表5。

表4 道床顶面应力和底部应力

表5 列车通过轨道各测点时道床顶面应力 kPa

由表5可见：列车轴重从23，25 t提高到27 t时，道床顶面承受的应力有所增加，27 t 轴重货车所引起的道床顶面平均应力相比25 t 轴重货车增幅约9%～28%，最大平均应力为380 kPa，未超过TB 2034—88规定的碎石道床顶面容许应力500 kPa，采用一级道砟基本可满足开行27 t 轴重新型货运列车的安全运营需求；但在车轮荷载作用下最大应力为510 kPa，已基本接近或超过规定的限值，规模化开行27 t 轴重列车后会加剧道砟的粉化。

5 结论

通过对大秦线、北同蒲线试验段轨道结构的跟踪观测，并结合仿真计算和现场测试，分析27 t轴重条件下轨道部件的劣化规律和适应性。

1）大秦线、北同蒲线钢轨主要伤损类型为焊接接头伤损、母材核伤、孔裂等，直线和曲线区段钢轨伤损均以焊接接头伤损为主，约占伤损总量的69%～74%，焊缝伤损约为母材伤损的2.7～3.0 倍。目前使用U78CrV在线热处理钢轨对27 t轴重是适应的。

2）27 t轴重条件下扣件弹条弹程随着累计通过总质量的增加而衰减，弹性垫板的静刚度随着通过总质量的增加而增加。加强型扣件和弹条Ⅱ型扣件都适用于开行27 t 轴重列车的线路，但加强型扣件的弹条扣压力、弹性垫板弹性保持能力和轨距保持能力均优于弹条Ⅱ型扣件，建议小半径曲线区段更换为加强型扣件。

3）Ⅲ型轨枕在部分开行27 t 轴重列车条件下，伤损劣化发展并不明显，仍有较强的承载能力。在目前条件下，能满足27 t轴重列车运营要求，小半径曲线等特殊地段可逐步换铺Ⅳ型轨枕。

4）目前我国重载铁路道床质量有明显提升，道床粉化速率慢，大秦线部分区段的清筛周期已达10 亿t以上，且清筛时道床脏污率普遍低于20%。列车轴重由25 t增加至27 t时，道床受力与变形满足要求，因此目前大秦线等既有重载铁路道床结构形式能满足27 t轴重列车运营要求。