有砟轨道轨排横向阻力与道床横向阻力实验研究

谢忠宇 王少华

西南交通大学机械工程学院 成都 610031

0 引言

道床横向阻力是有砟道床质量状态的关键评价指标之一，其对于保持有砟轨道线路的横向稳定性至关重要[1，2]。我国现行铁路行业规范[3]中对道床横向阻力的定义及测量方法作出了明确规定，单根轨枕在道床中沿线路横向位移2 mm时要克服的阻力即为道床横向阻力，测量过程中需要提前拆除所有测试枕扣件并抽出垫板，实施过程较为繁琐、效率低下。

轨排是指2股钢轨、扣件和轨枕组装而成的轨道框架，轨排横向阻力包含了2股钢轨的横向抗弯力和多根轨枕受到的道床横向阻力。目前，我国现行铁路行业标准中尚未对轨排横向阻力进行明确定义，本文参照标准中对道床横向阻力的定义，规定在未拆除轨道扣件和橡胶垫板的情况下，轨枕上方钢轨沿轨道线路横向移动2 mm时所要克服的阻力即为轨排横向阻力。

由此可见，轨排横向阻力与轨枕所受到的道床横向阻力密切相关，从而提出通过测量轨排横向阻力来间接测量道床横向阻力的思路，以提高道床横向阻力的测量效率，为验证此思路的合理性需探明轨排横向阻力与道床横向阻力的关系。为此，本文对轨排横向阻力和道床横向阻力进行了现场实验，研究了两者的关系。

1 实验线路概况

试验地点选取国内某正常使用的有砟轨道线路，其轨道采用的50 kg/m钢轨，弹条Ⅱ型扣件，混凝土Ⅲ型轨枕(铺设1 667根/km)，一级碎石道砟；枕下道床石砟厚度为300 mm，道床顶面宽度为3 500 mm，砟肩宽度为450 mm，砟肩堆高为150 mm，道床边坡斜度为1:1.75。整个实验线路长约100 m，每隔22根轨枕选取一个测点进行轨排横向阻力和道床横向阻力现场实验。

2 轨排横向阻力实验

2.1 实验原理

轨排横向阻力实验采用现场原位测试法。在测试过程中，在未拆除轨枕扣件和橡胶垫板的情况下，将自制反力架安装在动力稳定车主车架上，通过分离式液压千斤顶对钢轨施加横向力，轮辐式压力传感器记录施加的横向载荷，并通过变送器和485通讯转接头将数据传输至压力采集软件，同时激光位移传感器记录钢轨的横向位移，并通过位移数据采集卡将数据传输至位移采集软件，最后将压力和位移采集软件里的数据导出至Excel进行分析处理，如图1所示。

图1 轨排横向阻力实验原理图

2.2 实验装置及测试方法

轨排横向阻力实验装置主要由加载设备、载荷数据测量设备、位移数据测量设备等部分组成，整体三维设计示意图如图2所示。实验加载设备包括手摇分离式液压千斤顶（最大推力10 t、行程50 mm）、自制反力架、垫块、稳定车主车架，用以对钢轨缓慢施加横向载荷。载荷数据测量设备包括轮辐式压力传感器（量程5 t、精度0.2%）、变送器、RS485转接头、笔记本电脑等，用于记录施加在钢轨上的载荷。位移数据测量设备包括激光位移传感器（检测范围：35～65 mm、精度30μm）、多通道位移采集卡、笔记本电脑等，用于采集钢轨的横向位移。

图2 实验装置整体三维设计示意图

轨排横向阻力现场实验具体测试方法有：

1)首先将自制反力架挂在动力稳定车主车架上，用螺栓固定锁死，然后将动力稳定车行进至指定测点处，使自制反力架处于测点的正上方。

2)将分离式液压千斤顶横放在竖向自制反力架与钢轨之间，在竖向自制反力架与分离式液压千斤顶之间放置轮辐式压力传感器。为了防止轮辐式压力传感器和分离式液压千斤顶往下掉，对分离式液压千斤顶预加压，使竖向自制反力架、轮辐式压力传感器、分离式液压千斤顶和钢轨紧密接触即可。整套加载设备现场安装如图3所示。

图3 整套加载设备现场安装图

3)在加载设备旁边适当位置处打钢钎安装激光位移传感器支架，使得激光位移传感器发射面与钢轨的距离保持在35～65 mm。将激光位移传感器与配套多通道位移采集卡连接，位移采集卡数据通过笔记本电脑USB接口传递至位移采集软件。位移传感器现场安装如图4所示。

图4 位移传感器现场安装图

4)将轮辐式压力传感器与配套压力变送器连接，压力变送器与RS485通讯转接头连接，然后利用笔记本电脑的USB接口将压力数据传递至压力采集软件里。

5)将位移采集软件和压力采集软件调零，人工手摇分离式液压千斤顶缓慢加载，同时对钢轨横向位移和施加的载荷进行连续采集。钢轨横向位移接近3 mm时停止加载，将软件所采集的位移和载荷数据导出，处理后绘制成轨排横向阻力-钢轨横向位移曲线图，提取钢轨横向移动2 mm时所对应的载荷值作为轨排的横向阻力。

6)本测点完成测量后，将动力稳定车移动至下一个待测点位，直至完成所有标记点位的测量。

3 道床横向阻力实验

3.1 实验原理

道床横向阻力现场实验时，在与轨排横向阻力实验对应的测点，拆除测试轨枕两端扣件和橡胶垫，利用Ⅲ型混凝土轨枕扣件螺栓安装自制反力装置[4，5]，以钢轨作为支点，利用分离式液压千斤顶推动轨枕横向移动，激光位移传感器采集轨枕位移数据，轮辐式压力传感器采集载荷数据，由此对采集的数据进行分析和处理即可得到轨枕所受道床横向阻力与轨枕横向移动位移的关系。

3.2 实验装置及测试方法

道床横向阻力实验装置由加载设备、载荷数据测量设备、位移数据测量设备等部分组成，其加载设备中的自制反力架与轨排横向阻力实验不同，其他所选用的设备和轨排横向阻力实验一致。道床横向阻力现场实验具体测试方法有：

1)在与轨排横向阻力实验对应的测试点，拆除测试轨枕两端扣件和橡胶垫板，利用Ⅲ型混凝土轨枕扣件螺栓安装自制反力装置，将分离式液压千斤顶横放在自制反力装置的卡槽内，在钢轨和分离式液压千斤顶之间放置轮辐式压力传感器，对千斤顶施加预压力，以保证钢轨、轮辐式压力传感器、分离式液压千斤顶和自制反力装置之间接触紧密，不往下掉，整套加载设备现场安装如图5所示。

图5 整套加载设备现场安装图

2)在加载设备的适当位置处打钢钎安装激光位移传感器支架，使激光位移传感器发射面与放在轨枕上的测量方块表面的距离保持在35～65 mm。位移传感器现场安装如图6所示。

图6 位移传感器现场安装图

3)将位移采集软件和压力采集软件调零，人工手摇分离式液压千斤顶缓慢加载，同时对轨枕横向位移和施加的载荷进行连续采集。轨枕横向位移接近3 mm时停止加载，将软件所采集的位移和载荷数据导出，处理后绘制成道床横向阻力-轨枕位移曲线图，提取轨枕横向移动2 mm时所对应的载荷值作为道床的横向阻力。

5)本测点完成测试后，按以上方法对下一个测点进行测试，直至测量完所有标记点位。

4 实验结果及分析

本次实验对整条试验线路等间距挑选了7个点位进行轨排横向阻力和道床横向阻力测试，测试结果如表1所示。表中轨排横向阻力为钢轨沿线路横向移动2 mm时所克服的阻力，道床横向阻力为轨枕沿线路横向移动2 mm时所克服的阻力。其中2个测点的轨排横向阻力和道床横向阻力的实测曲线如图7、图8所示。

图7 轨排横向阻力实测曲线

图8 道床横向阻力实测曲线

表1 各测点轨排横向阻力与道床横向阻力实测值

表1给出了轨枕和轨排横向位移2 mm时所受横向阻力的现场实验测量值，由表可知轨枕所受道床横向阻力为5.65～13.36 kN时对应轨排的横向阻力为22.53～42.36 kN，轨排横向阻力平均值约为道床横向阻力平均值的3.5倍。由于实验线路道床质量状态的不均性，导致实验所测得的轨排横向阻力和道床横向阻力存在较大离散性。由于轨排的横向阻力同时受到多根轨枕的道床横向阻力和钢轨横向抗弯曲变形阻力的共同作用，故轨排横向阻力要明显大于单根轨枕所受的道床横向阻力。

由图7可知，轨排横向阻力随钢轨横向位移的增加而增大，且存在一定非线性。由图8可知，轨枕所受道床横向阻力随轨枕横向移动位移的增加而呈现增大趋势，且存在较强的非线性。在小位移阶段，轨枕所受道床横向阻力随轨枕横向移动位移的增加有较明显增长，随着轨枕横向移动的继续增加，轨枕所受道床横向阻力缓慢增长，曲线趋于平缓。

图9给出了实验各测点轨排横向阻力与轨枕所受道床横向阻力的关系图。从图中可以看出，轨排横向阻力随道床横向阻力的增加呈规律性增长。对实测数据进行拟合，可得到有砟轨道轨排横向阻力与道床横向阻力式(1)所示定量关系，从而通过测量轨排横向阻力即可反推出道床横向阻力。

图9 轨排横向阻力与道床横向阻力关系图

式中：R为轨排横向阻力，r为道床横向阻力。

5 结论

本文开展了轨排横向阻力和道床横向阻力现场实验，对其实验原理、实验设备及测试方法进行了详细地归纳总结，并对实验所测得的数据进行分析研究后得到如下结论：

1)轨排横向阻力R与轨枕所受道床横向阻力r之间存在明显的对应关系；

2)测量轨排横向阻力时无需拆除轨枕扣件和橡胶垫板，且轨排横向阻力受多根轨枕道床横向阻力的影响，能反应有砟轨道整体的横向阻力特性。

由此，建议通过测量轨排横向阻力来间接测量轨枕所受道床横向阻力，以提高测量的效率，这对于有砟轨道线路的施工、养护及维修均具有非常重要的实际意义。