高速铁路有砟轨道冰雪飞溅试验研究

李 毅,徐 旸,涂英辉,郄录朝,戚志刚,赵一馨

(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 高速铁路轨道系统全国重点实验室,北京 100081;3.中国铁路兰州局集团有限公司,兰州 730000;4.中国国家铁路集团有限公司 铁路基础设施检测中心,北京 100081)

目前,国内外学者基于理论分析与仿真手段,初步研究了冰雪飞溅的形成机理[7-9],并通过室内及现场试验研究了道砟飞溅的影响因素[10-11]。然而,对于冰雪对运营期高铁线路影响的试验研究较少,在冰雪天气条件下,通常只能在冬季采取限速措施,降低冰雪条件下道砟飞溅的风险。本文首次在我国某有砟高铁开展了冰雪条件下有砟轨道空气动力学及行车动力性能试验,研究了冰雪条件下异物飞溅的形成机理,可为严寒地区高速铁路安全达速运营提供技术支撑,同时为相关理论研究提供数据参考。

1 试验概况

为了研究列车在不同天气条件下的轨道振动特征以及道床风压分布特性,揭示道砟在冰雪条件下的飞溅机理,在我国某有砟高铁开展了轨道结构动力性能、空气动力效应测试和道砟冰雪飞溅观测。

试验过程中,布置轨道结构动力性能测点,如图1所示。通过测试轮轨垂向力和轮轨横向力,计算试验列车内外轮脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力等参数,分析冰雪条件下对列车运行安全性的影响;通过测试钢轨、轨枕、道床的垂向振动加速度,分析列车荷载作用下轨道振动对道砟飞溅的影响[12]。

图1 轨道结构动力性能测点

布置风压传感器,测试列车通过时道床顶面道心、枕底、砟肩等不同位置处空气动力效应,如图2所示。同时在道床顶面喷涂彩色自喷漆设置如图2所示的道砟飞溅观测区,观察道床顶面道砟颗粒在列车通过后的运动轨迹,并在隧道内及路基区段架设高速摄像机,捕捉列车运行时冰雪和道砟飞溅的现象,研究冰雪飞溅机理和特性。

(a)

试验测试区段包括了隧道出口、桥梁段以及路桥过渡段3种不同线下基础条件,试验天气涵盖了晴天以及雪天。直接采集运营列车通过时的轨道动力响应及风压数据,列车的速度范围为140～250 km/h。

2 试验结果及分析

2.1 行车安全性指标

列车试验期间的运行速度分为150 km/h,180 km/h,210 km/h和240 km/h 4个速度级,当列车通过隧道口、桥梁段、路桥过渡段测点时,不同速度级、不同天气条件下实测脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力最大值对比如图3所示。

各个速度级运行条件下,列车通过隧道口、桥梁段、路桥过渡段处脱轨系数的实测最大值为0.4,满足0.8的限值要求;轮重减载率的实测最大值为0.36,满足0.8的限值要求;轮轴横向力的实测最大值为33.73 kN,满足48.3 kN的限值要求。

根据保护动作报告及录波数据分析，110kV阳石甲线发生单相高阻接地故障时，各保护动作情况可以分为以下四个阶段：

在冰雪条件下,不同行车速度测得的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等行车安全性指标较晴天时大部分有所增加。隧道口的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力3项指标最高增长了63.1%,17.9%,98.1%;桥梁段的3项指标最高增长了100%,57.9%,82.3;路桥过渡段的3项指标最高增长了44.4%,52.4%,155.1%。隧道口的3项行车安全性指标测试值较大,在晴天及雪天时最高分别超过桥梁测点的96.9%和56.9%。

上述分析结果表明,虽然晴天及冰雪条件下的行车安全性指标均小于安全限值且安全余量较大,但在雪天3项指标均出现了一定程度的增长。试验过程中,仅有天气条件发生了变化,雪天的行车安全性指标较晴天大,因此冰雪飞溅与列车运行安全性之间存在较强的相关性。隧道口的行车安全性指标测试值较桥梁段及路桥过渡段大,可考虑优先设置冰雪飞溅防治措施。

2.2 轨道结构振动特性

当列车通过隧道口、桥梁段、路桥过渡段处测点时,不同速度级、不同天气条件下实测钢轨、轨枕、道床振动加速度最大值及平均值对比如图4所示。

图4 轨道结构振动特性指标与速度关系

隧道口、桥梁段、路桥过渡段钢轨振动加速度最大值分别为：2 270.50 m/s2,2 434.90 m/s2,2 396.62 m/s2,满足3 000 m/s2的限值要求;轨枕振动加速度最大值分别为：442.51 m/s2,419.03 m/s2,172.33 m/s2,满足500 m/s2的限值要求;道床振动加速度最大值分别为：95.82 m/s2,175.45 m/s2,72.38 m/s2。

在晴天,大部分测点的钢轨、轨枕、道床振动加速度均随行车速度的增加而呈现增长趋势。冰雪条件下,当列车运行速度为150 km/h时轨道振动加速度最大值较其他速度情况大,说明冰雪天气对低速运行的列车也会产生较大的影响。在雪天,隧道口、桥梁段、路桥过渡段的轨枕振动加速度平均值最高增长了141.3%,39.5%,21.7%。其中,桥梁段测点的轨道结构振动加速度最大值和平均值较大,在风振耦合作用下易发生道砟飞溅现象。

不同天气条件下,钢轨、轨枕与道床加速度统计规律,如图5所示。

(a) 晴天钢轨加速度分布

受到冰雪的影响,钢轨、轨枕、道床的振动加速度的平均值与最大值都出现了明显的增长。在雪天列车以150 km/h行驶时,钢轨、轨枕、道床的振动加速度最大值分别提升了418%,2 184%和321%,增幅明显,轨枕振动加速度已经达到规范要求限值的88.4%。因此,冰雪条件使轨道振动加速度提高,导致颗粒在冰雪风场作用下更容易飞溅。

2.3 空气动力效应

为测试晴天和冰雪天气条件下轨道的空气动力特性,对隧道口、桥梁段、路桥过渡段测点的道心、枕底与砟肩位置处的风压进行了测试,不同天气条件下的风压平均值测试结果如图6所示。

(a) 各测点实测道心风压平均值与速度关系图

随着列车运行速度增加,大部分测点的风压平均值呈现增长趋势。由于隧道口的复杂空气动力效应[13],冰雪天气低速运行时道心风压实测值较大。以隧道口为例,道床断面不同位置处的风压分布如图7所示。其中：道心位置处风压值最大,实测平均值最大为1 886.2 Pa;枕底测点次之,实测平均值最大为814.69 Pa;砟肩测点风压较小,实测平均值最大为440.34 Pa。

图7 道床不同位置处的风压分布情况

从线路测点位置来看,隧道口的道心风压最大为其他位置测点道心风压的2倍;桥梁段砟肩风压较大,当列车时速为150 km/h时最大为其他测点砟肩风压的1.6倍。由于隧道口道心风压远远超过了其他测点位置处的风压,可考虑在隧道口优先设置防飞溅措施。

不同天气条件下,道心、枕底与砟肩风压测试值的统计规律如图8所示。

(a) 晴天道心风压分布

在冰雪天气条件下,道心、枕底及砟肩测点位置处的风压有小幅度的提升,3处风压测试值最高分别增加了43.5%,48.5%,6.2%。风压增大导致道砟及冰雪颗粒容易飞起,并向列车转向架、车厢连接部位等位置积聚[14-17],进而形成击打车体及轨旁设备的情况。在轨道结构振动和空气动力效应耦合的情况下,更易发生冰雪飞溅。

2.4 冰雪飞溅监测

在隧道出口、桥梁段、路桥过渡段的轨道动力学及风压测点范围内喷涂如图2所示的彩色自喷漆,形成道砟飞溅观测区。在车辆限界外的安全区域内架设高速摄像机,拍摄每一辆列车经过时全程的飞溅观测区视频影像,可以分析列车运行过程中的道砟及冰雪飞溅情况。

晴天时,列车经过前后道砟飞溅观测区的观测结果如图9和图10所示。冰雪条件下,隧道口、桥梁、路桥过渡段3处测点的典型雪后试验记录如图11所示。

(a) 隧道口

(a) 隧道口

在晴天列车经过隧道口、桥上、路桥过渡段道砟飞溅观测区时,未发生道砟飞溅现象,列车运行平稳性较高,道床稳定性好。在冰雪条件下,隧道口、桥上、路桥过渡段飞溅观测区都观察到了积雪飞起现象。

结合上述试验结果,在冰雪天气条件下,需要在隧道口等风振耦合效应明显的区段采取相应措施防止飞溅现象的发生,如车体防护层、优化轨道断面结构及表层道砟颗粒级配、喷涂防飞溅涂层、铺设防飞溅格栅等[18-19]。

3 结 论

通过我国某有砟高铁冰雪条件下行车动力性能、道床空气动力效应及冰雪飞溅观测现场试验,得到了冰雪天气高速铁路有砟轨道运营过程中的实测数据资料,形成了以下研究结论：

(1) 不同天气情况,行车安全性性指标有较大的安全余量。在冰雪条件下,隧道口、桥梁段、路桥过渡段测点的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力较晴天时均有所增加,最大增幅分别为98.1%,100%,155.1%,隧道口的行车安全性指标测试值较桥梁段及路桥过渡段大。

(2) 在不同天气运行条件下,钢轨、轨枕及道床的垂向振动加速度最大值均在安全限值内。当列车在雪天以150 km/h行驶时,3个测点位置振动加速度最大值分别提升了418%,2 184%和321%。桥梁段测点的轨道结构振动加速度较大,轨枕振动加速度已经达到规范要求限值的88.4%。冰雪条件使轨道振动加速度提高,导致颗粒在冰雪风场作用下更容易飞溅。

(3) 道心、枕底及砟肩测点位置的风压测试值均随着列车运行速度增加而增加。隧道口的道心风压测试值远超其他位置,最大值为其他位置测点道心风压最大值的2倍。在冰雪条件下,不同测点位置处的风压较晴天均有小幅度的提升,风压测试值最高分别增加了43.5%,48.5%,6.2%,导致道砟及冰雪颗粒容易飞起。在轨道结构振动和空气动力效应耦合的情况下,更易发生冰雪飞溅。

(4) 在晴天列车经过隧道口、桥上、路桥过渡段道砟飞溅观测区时,未发生道砟飞溅现象;雪天隧道口、桥上、路桥过渡段飞溅观测区都观察到了明显的积雪飞起现象。建议在隧道口等风振耦合效应明显地段采用相应措施防治冰雪飞溅发生。