型轨枕线路试验方法的选择

型轨枕线路试验方法的选择

根据《铁路运行维护规则》，铁路运行维护分为综合维护、常规维护和临时维护。其中综合维修是根据线路变化规律和特点,以全面改善轨道弹性、调整轨道几何尺寸和更换、整修失效零部件为重点,按周期、有计划地对线路进行的综合修理,以恢复线路完好技术状态。为提高大型养路机械线路维修施工质量,于2005年12月初在黄渡基地组织大机作业试验,分析研究大型养路机械捣固、稳定作业的效果。1同插东南角试验为准确全面地评估大机作业效果,本次试验确定轨面标高(起道量、下沉量)、轨枕支承刚度、枕底道砟分布、道床密实度、道床横向阻力等五项作为测试项目。同时,选择线路维修通常采用的20、30、40、50mm四种起道量,按照捣固车不同插镐次数,确定13种大机作业试验工况,见表1。上海工务大修段DG04号08-32捣固车和WD02号WD320动力稳定车参与了本次试验。试验前对2台大机进行了技术标定,严格按试验工况要求作业,作业参数为:捣固车插镐深度至枕底以下85mm,夹持时间3×0.2s,使用夯拍器;稳定车振动频率35Hz,垂直预加载10MPa,作业速度800m/h。试验线路为上海黄渡基地东扩线Ⅰ、Ⅱ道。为使试验线路尽量模拟提速重载线路现场状态,换铺Ⅲ型枕轨道300m,补充道砟,起道、捣固、稳定各6遍,以保证道床密实,厚度达到250mm以上。为避免测试工况的相互影响,确定每种工况作业长度18m,不同起道量之间设顺坡过渡,并按照相邻工况插镐次数相近的原则,布置13种工况。2项目考试和结果分析2.1下沉量测定结果每种工况中部设A、B、C3个测点,间隔3m。用水准仪测量捣固前、后和稳定后轨面标高,计算实际起道量和下沉量,测试结果见图1。由图1可见,在Ⅲ型枕线路上,捣固车起道不足现象普遍存在,预设起道量20、30、40mm时,分别通过2、3、4次插镐捣固,实际起道量才达到预设起道量,而预设起道量50mm时,通过4次插镐捣固,实际起道量仍不能达到预设起道量,50mm分层起道工况(2×2)虽然总插镐次数不少,但实际起道量并不理想。插镐次数对实际起道量的影响很大,两者关系非常密切。在相同预设起道量情况下,插镐次数越多,越能保证实际起道量,达到或接近预设起道量;在相同插镐次数情况下,预设起道量越大,实际起道量与预设起道量相差越大,反映出起道不足更为严重。表2为下沉量测试数据和计算结果。表2显示,预设起道量20mm和30mm,预置下沉量为6mm时,实际平均下沉量大于预置下沉量;预设起道量40mm,预置下沉量为10mm时,两者接近;预设起道量为50mm,预置下沉量为10mm时,实际平均下沉量小于预置下沉量。总体来看,动力稳定基本达到预置下沉量目标,促使轨道快速下沉和稳定的作用比较明显。虽然,预置下沉量与实际下沉量并不完全一致,但同一种工况的实际下沉量比较接近,说明动力稳定车能够控制轨道比较均匀地下沉,不会破坏既有轨道几何状态。此外,测试显示下沉量与起道量之间的关系并不十分密切,这一结果与起道量越大下沉量越大的传统观点有较大出入。分析捣固车抄平和起道原理可知,捣固车捣镐振动夹持的基本扰动范围达到枕底以下约100mm深度,这部分道砟颗粒的重新排列和密实,是导致动力稳定时轨道下沉的主要因素,虽然起道量不同,但由于捣镐下插深度不变,起道量大小对枕下道床扰动范围的影响有限,因此对下沉量的影响也是有限的。由于稳定车基本实现了预定下沉量目标,稳定后最后保留的起道量主要取决于捣固车实际起道量。2.2测试程序和测量方法每股钢轨两侧安置2台千斤顶,按0～20kN、20～40kN、40～60kN分三级加载顶压轨枕,枕上安装百分表,钢轨作为反力座,测量加载力和轨枕下沉量,分别计算各级荷载下轨枕支承刚度k2=(Pi+1-Pi)/(yi+1-yi)(kN/mm),式中的Pi为荷载级,yi为在荷载级Pi作用下轨枕的下沉量。本次试验分别测试了捣固后13种工况的轨枕支撑刚度,每种工况测2处。从总体趋势看,无论哪级荷载条件下,捣固次数越多,轨枕支承刚度越大。但试验工况8(40,3)(起道量40,插镐3次)有异常,刚度值特别大(据了解,该段线路为片石路基,与其他段填土路基不同),而分层起道工况13(50,2×2)的刚度值相对较小。此外,对于每一种工况而言,随着荷载的增大,轨枕支承刚度值下降,且较为明显。图2为一级荷载(0～20kN)下大机捣固后轨枕支承刚度。2.3捣固后道分布为分析大机捣固后枕底道砟分布的真实情况,每种工况选2根轨枕,首先扒净道心石砟,吊走钢轨、轨枕,全面观测枕底道砟分布情况。工况4(30,2)捣固后枕底道砟分布的现场照片见图3。观测发现,从总体来看,捣固区道砟表面平整,比较密实,轨底处次之,而枕头、道心处距捣固镐头作用范围最远,捣固后道砟相对松散,但表面不平整。捣固后枕底道砟分布状态与插镐次数有比较密切的关系:插镐次数越多,轨底和道心处道砟分布状态改善较明显,整体捣固效果好,但分层起道的捣固效果并不是十分理想。2.4空白体积测量道床密实度反映道床中道砟颗粒之间相互排列、挤密的程度,是判别道床状态的方法之一。测试采用排水法,测点选择钢轨内侧接近捣固插镐处的轨枕正下方。首先在道床顶面水平放置椭圆形铁环,围好道砟定位,把塑料薄膜袋套进环内,袋内注满水,测量铁环内净空体积V1,然后取出环内道砟称重Wbed,再把塑料薄膜袋套进环内,重新注水,测量取砟后铁环内体积V2。道床密实度rbed=Wbed/(V2-V1)。本次试验每种工况测1处,共13处。测试结果除工况1为1.39g/cm3偏低外,其他各工况为1.54～1.70g/cm3之间,比较接近。捣固次数多,密实度相对高一些,但相差甚微,这与本次试验的测试位置靠近捣固区有关,说明在捣镐振动和同压夹持后,能保证捣固区具备一定的道床密实度。多次插镐虽然不会明显提高捣固区道床密实度,但将加大道砟流动,从而改善枕头、轨下和道心处的道砟分布。2.5道床阻力的变化本次试验选择单根轨枕测试横向阻力,利用扣件安装底座,置水平千斤顶加载,以另一侧钢轨为底座安装百分表,测量水平位移。加载初期,位移量变化较小,横向阻力上升较快,位移>0.25mm后,横向阻力的增大趋势减缓,当轨枕横向位移达2mm时,横向阻力达到最大值,位移再增大,阻力不再增大,甚至下降,道床阻力取轨枕横向位移2mm时的测试值。本次试验测试了13种工况,每种工况测2根枕,图4为各种工况大机捣固后单根轨枕的道床横向阻力对比,其中3、4工况为稳定后数据。测试表明,横向阻力的大小与起道量和插镐次数关系不是十分密切。因为道床横向阻力由三部分组成:道床肩部,轨枕两侧和轨枕底部。根据现场情况分析,横向阻力的大小主要取决于道床丰满程度。在道床丰满情况下,捣固后单根轨枕的道床横向阻力能达到20kN左右。起道量越大,容易导致道砟不足,从而减少道床横向阻力。为分析动力稳定对道床横向阻力的影响,选择同一根轨枕对比测试,捣固车1次插镐捣固,起道量10mm,稳定三遍,测试样本为2根轨枕,道床条件基本一致。分析可知,动力稳定能有效提高道床横向阻力,稳定一遍提高幅度达到34.4%;增加稳定遍数能缩小不同轨枕道床横向阻力的差异,但阻力值进一步提高的增量不大。3捣固结果分析1)捣固车通过捣镐振动和夹持,促使道砟颗粒在较大范围内流动,采用合理方法捣固后,枕下道砟分布比较均匀,捣固区道床充足密实,枕头、轨底、道心处没有明显空隙,能达到一定的轨枕支承刚度和道床横向阻力,实现高质量捣固。2)动力稳定车通过垂直加载和横向水平振动,迫使枕下道砟颗粒重新排列和密实,实现轨道快速下沉和稳定,动力稳定后道床横向阻力可提高30