重载铁路轨道结构适应性评估及强化技术研究

李振基

（国能朔黄铁路公司肃宁分公司，河北沧州062350）

0 引言

通过全面评估重载铁路轨道结构的适应性，应用强化技术，不仅能全面了解和掌握轨道部件的伤损规律，还能将轮轨动力作用降到最低，有效提升轨道的结构强度，延长轨道部件的使用寿命，为完善养护、维修制度及提高铁路运输的安全、可靠性，提供了重要的技术支撑。因此，如何科学地评估重载铁路轨道结构适应性、应用强化技术，是相关技术人员必须思考和解决的问题。

1 重载列车对轨道结构的影响

通过对轨道结构进行准静态化计算与分析，可以全面了解和把握轨道结构参数对钢轨部件受力性能的影响程度。同时，还能全面了解和把握不同轴重参数对轨道强度的影响程度，确保重载列车稳定、可靠、安全地运行。

2 朔黄线轨道结构适应性及安全性分析

对于重载铁路轨道而言，其结构强度、伤损程度与列车的轴重、列车牵引重量之间存在着密切联系。轨道各部件位移、作用频率会随着列车密度和轴重增加成正比增长[1]。结合朔黄线轨道设备测力，采用数据对比的方式，全面分析钢轨、轨枕、道岔等结构部件的疲劳受损程度，对朔黄线轨道结构适应性和安全性进行综合分析和评判[2]。

2.1 轨道结构强度动态试验分析

2.1.1 测力轮的测量结果与分析

在朔黄线试验中，主要选用了C80 重载测试车，车辆上安装了相应的测试仪器和数据采集设备，第一轴位安装了ECS 系统轴测力轮对和加速度传感器，对道岔进行全方位测试与分析[3]。测试车辆在经过朔黄线黄骅南42#道岔期间，其行驶时速为28km/h，轮轨横向力、轮轨曲基本股、轮轨脱轨系数曲导股、轮轨曲基本股最大值、轮轨轮重减载率最大值分别为119kN、70kN、0.9、0.65、0.44。侧向过岔动力学指标最大值如表1所示。从表1 中的数据可以看出，当列车侧向经过道岔曲股时，脱轨系数等指标不断增加。其中，轮轨横向力最大值、脱轨系数最大值分别达到了114kN、0.9，接近安全限值。通过对岔区设备检查情况分析，道岔区段心轨掉块，尖轨侧磨，弹条变形失效，道岔结构强度不足等问题显现[4]。

表1 侧向过岔动力学指标最大值

2.1.2 地面布点动力性能试验与分析

在该试验中，通过全面测试C80 万吨大列（该大列主要是由朔黄线运营），在全面结合运营线路现场情况的基础上，确定具有代表性的区段，并将该区段作为试验工点进行处理。试验工点主要包括以下几部分：

（1）桥上有砟轨道。该试验地点所对应的线路必须设置为直线形式，钢轨上线时间和线路坡度分别为1年和1.3%。此外，还布置了两个测试断面，一个是跨中测试断面，另一个是梁端测试断面[5]。现场实测桥对应的上道砟厚度为200mm。

（2）60-12 号可动心轨道岔。将集宁南站设置为试验地点K497+746，将道岔部件上线时间控制在一年内，并确保万吨大列均通过所设置好的直侧方向，道岔支距不断下降至5mm，查照间隔通常被设置为1389mm。此外，道岔内含有两种接头，一种是普通绝缘接头，另一种是胶接绝缘接头，且护轨与轨间通常会存在大量金属屑。

（3）60-12 号固定型道岔。道岔上线时间为一个月，万吨大列对应的过岔相对较多，钢轨内部接头出现比较严重的伤损现象。此外，尖轨出现明显的拱起现象，导致尖轨与滑床板之间的距离不断增加，使其间隙值达到了5mm。三个工点的动态化试验结果如表2所示，从表2 中的数据可以看出，型号为60-12 专线4249 的固定型道岔在直向通过期间，其脱轨系数为0.13，轮重减载率为0.1；在侧向通过时，其脱轨系数为0.79，轮重减载率为0.29。型号为75-12SC559 的固定型道岔，在直向通过时，其脱轨系数为0.30，轮重减载率为0.19；在侧向通过时，其脱轨系数为0.87，轮重减载率为0.19。尽管这些安全性指标低于设定的标准值，但是，脱轨系数和轮重减载率呈现上升趋势，说明安全储备量相对较小。

表2 试验结果汇总

2.2 钢轨适应性分析

轴重增加直接影响了轮轨接触应力，同时，钢轨接触疲劳伤损、轨面剥离、压溃及波磨病害显著。将钢轨轴重分别设置为22t、24t、26t，然后采用赫兹接触理论，精确计算在不同轴重条件下，84kg/m 钢轨的接触应力和剪应力，计算结果见表3。轮轨接触面附近位置容易出现轮轨接触最大剪应力，当轴重从22t 增加到26t 时，其轮轨接触应力从原来的1284.8MPa 上升至1362.2MPa，表面最大剪应力从398.3MPa 上升至424.8MPa。

表3 钢轨适应性分析

2.3 轨枕扣件适应性分析

2.3.1 轨枕状态评估

现阶段，导致朔黄线轨道结构内出现枕失效问题的主要原因是钢轨缺陷、道床板结、排水不畅。所以，在进行砟轨道维修期间，相关人员应做好对轨道结构质量的优化和完善。对于朔黄线III 型轨枕而言，其曲线地段经常出现开裂、折断、掉块等现象[6]。但是，整体裂缝宽度低于设定的标准值，III 型轨枕的伤损率较低，而II 型轨枕出现的伤损往往比较严重。

2.3.2 扣件状态评估

在施工现场，通过利用游标卡尺，对朔黄线内的III 型轨枕钉根部直径进行精确测量。经测量发现，螺旋道钉的直径平均值达20.19mm，远远超过了螺旋道钉直径。但是，位于曲线下端的螺旋道钉直径平均值和直径最小值分别为18.18mm 和17.25mm，远远超过了螺旋道钉直径的最小值，这表明，螺旋道钉设计达标，并没有出现失效问题[7]。但是，由于曲线下股直径值相对较小，导致螺旋道钉出现严重的锈蚀问题。此外，经过全面检查，发现螺旋道钉的质量达标。

2.4 道床状态适应性评估

道砟层具有厚度不均匀的特点，其平均值被控制在0.3～0.7m 之间。当道砟层位于地质条件优越、施工现场环境较好的地段时，其厚度平均值被控制在0.2～0.4m 之间；当道砟层位于地质条件差、施工现场环境差的地段时，其厚度平均值被控制在1～2m 之间。朔黄线道砟下方与基床接触，会对基床产生一定的影响[8]。由于地基处理操作不科学，导致路基面出现过大沉降区段问题，经过抬道整治处理后，往往会出现路肩宽度不足的问题，严重影响了道床的整体稳定性。

3 朔黄线轨道结构强化对策

在进行朔黄线轨道结构强化期间，相关人员可从以下几方面入手：

3.1 钢轨及钢轨接头的强化

在这一环节中，相关人员要利用冻结胶黏接法，不断优化接头结构的稳固性，使轮轨动力冲击程度降到最低。同时，加装新型重载联结零件、热塑性胶垫，全面提高框架刚度。

3.2 轨枕类型选择

朔黄线上行线轨枕已全部更换为Ⅲ型轨枕，经过近年来的实际观测发现，III 型轨枕在重载运营中伤损较少，建议在轴重为25t 的条件下，将下行线及部分站场的两万吨重车线站场更换为Ⅲ型轨枕。

3.3 道岔结构的优化

针对运量及轴重的增加，两万吨径路道岔及连接曲线，通过道岔安装整体式轨距杆、多功能防爬装置、成组道岔通长轨撑铁垫板；连接曲线安装轨撑、轨距杆、地锚，绝缘胶接等多项措施，同时，使用心轨加宽型重载辙叉，周期性涂覆干式润滑剂和打磨的方式，提升道岔的结构强度。目前，设备维修周期由原来的15d 延长至45d，轨料使用周期可延长45～75d。

4 结语

综上所述，为了保证轨道结构适应性评估结果的精确性和真实性，现采用准静态计算法、动态试验法、车载探地雷达检测法，对钢轨结构的适应性进行全面分析，并制定出一套系统、完善的轨道结构强化方案，将轴重增大、运量增多等风险降到最低，为后期科学的维修线路提供重要的技术指导。