起道作业中胀轨弹道事故分析

起道作业中胀轨弹道事故分析

由于连接多个轨道的闭合线，该线的影响显著减少，运营稳定，乘客舒适，线路的影响显著降低，轨道和车辆的使用寿命延长，节省了大量维护成本。这些技术上的优越性，使无缝线路获得了迅猛发展。但其由于受环境温度和施工作业方法不当等诸多因素影响，易发生胀轨跑道事故，给无缝线路管理带来了很大影响。因此，寻找其胀轨跑道的原因及如何防止就成为无缝线路管理中的一个重要课题。在所有胀轨跑道事故中，起道作业中发生的胀轨跑道事故占了相当一部分比例。本文拟就起道作业中的胀轨跑道问题作一较全面的分析，并提出相应的防止措施。1均布载荷和集中载荷共同作用无缝线路在起道时的胀轨问题与它在正常运行过程中的胀轨问题是有本质区别的。大量的研究结果及现场运用经验表明，无缝线路在正常运行过程中，保持轨道稳定的主要因素是道床横向阻力及轨道框架刚度。其中，道床横向阻力是抵抗轨道失稳的最重要因素。但无缝线路在起道时，由于有相当长一段轨道已完全离开地面，这段轨道将失去道床对其防止失稳所产生的横向阻力。因此，此时保持轨道稳定的主要因素只有轨道框架刚度，轨道的抗失稳能力将显著下降。显然，此时轨道的抗失稳能力与轨道的离地长度密切相关，因此，必须首先计算出轨道的离地长度。在计算轨道离地长度时，我们可以将轨道的受力情况简化成图1所示的样子，即将轨道的受力简化成为一个简支梁。梁的两端为轨道离地的端点，其挠度为零。作用在轨道上的载荷主要有两个，一个是沿轨道长度均匀分布的均布载荷，一个是起道器作用在轨道上的集中载荷。作用在轨道上的均布载荷主要有三部分组成。一是轨道本身的自重Q1，根据轨道型号不同，该数值可直接知道。第二部分是轨枕通过扣件等作用在轨道上的力，该力的大小除与轨枕的重量有关外，还和轨枕的排列密度有关。设单根轨枕的重量为Q2，每公里铺设的轨枕根数为n，则每米长度上由轨枕作用在轨道上的力为nQ2/1000。另外，安装在轨道上的扣件、螺钉以及起道时轨枕间可能夹住的石子等也会对轨道产生一定的载荷Q3。因此，作用在轨道上的总均布载荷为对于60公斤轨来说，Q1就等于2×600N/m（因为有两根轨道，所以要乘以2）,n大约等于1840,Q2约为2000N,Q3可以近似地取2×30N/m，故Q等于4940N/m。如果不计轨道在起道过程中产生的拉应力对起道力的影响（由于起道量一般均很小，拉应力基本上相互平衡掉了），根据受力的对称性，起道器作用在轨道上的集中载荷P应与作用在轨道上的均布载荷相互平衡，设轨道离地长度为L，则根据线性叠加原理，简支梁在均布载荷和集中载荷共同作用下的某一点变形量可以看作是简支梁在均布载荷单独作用下的变形量和在集中载荷单独作用下的变形量的矢量和。简支梁在均布载荷单独作用下，其中点（起道器作用点）的挠度为其中：E为钢轨材料的弹性模量，E=2.1×1011N/m;Ix为钢轨截面对水平形心轴的惯性矩，对于60公斤轨来说，Ix=4.92×10-5m4。简支梁在集中载荷单独作用下，其中点的挠度为故简支梁在均布载荷和集中载荷共同作用下，其中点的挠度为如果不计路基在起道过程中所产生的下陷及弹性变形等，则简支梁中点的挠度f就等于起道器的起道量h。因此，根据方程（2）和方程（5）就可以解出轨道离地长度L。对于60公斤轨来说，当起道器的起道量为40mm、60mm、100mm、150mm和200mm时，轨道离地长度分别为10.2m、11.3m、12.8m、14.2m和15.2m。2最大轨温变化幅度计算公式的确定轨道离地时在温度应力作用下的失稳问题可简单地看作是一两端铰支细长压杆的失稳问题。压杆的长度即为轨道离地长度。根据欧拉公式，压杆失稳的临界力Pcr为其中：Iy为轨道框架对垂直形心轴的惯性矩。由于作用于钢轨内的压力是由相对于锁定轨温的轨温变化引起的，设轨温的变化幅度为∆t，则有其中：σt为由于轨温变化引起的温度应力；α为钢轨线膨胀系数，α=11.8×10-6/oC;F为钢轨的横截面积，对于60公斤轨来说，F=7.745×10-3m2。联立求解方程（7）和方程（8），并考虑一定的安全系数S后，可得这就是允许进行起道作业的最大轨温变化幅度计算公式。当实际轨温比锁定轨温高出的温度值不大于上述计算公式的计算值时，起道作业应当是安全的，不会发生胀轨跑道事故。在用上述计算公式进行计算时，别的参数都比较好确定，唯有轨道框架对垂直形心轴的惯性矩Iy较难确定。下面分三种情况来进行讨论。(1）仅考虑两根钢轨的刚度。此时可以认为轨枕对轨道框架的抗弯刚度基本不起作用，两根钢轨是相互独立的。因此，只要分析一根钢轨的情况即可。对于60公斤轨来说，Iy约为4.9×10-6m4。取安全系数S等于1，轨道离地长度L等于10.2m（相当于起道高度为40mm），并将各已知数值代入公式（9）后可得，∆t=5.1℃。(2）轨枕与两根钢轨间为刚性联接。这是一种理想情况。此时可以认为两根钢轨已与轨枕一起构成一个刚性构架。该构架的垂直形心轴将位于两根钢轨之间的中心线上。根据计算惯性矩的平行移轴公式，可算得此时的Iy约为7.97×10-3m4。同样取安全系数S等于1，轨道离地长度L等于10.2m（相当于起道高度为40mm），并将各已知数值代入公式（9）后可得，∆t=8300℃。(3）轨枕对钢轨的横向弯曲存在一定的阻力。这是施工现场中最为多见的一种情况。此时不能将两根钢轨与轨枕一起作为一个整体来进行失稳计算，而应分别计算每根钢轨的失稳力。但轨道框架对垂直形心轴的惯性矩Iy将比单根钢轨时的情况显著增加。由于Iy会随扣件扣压力的变化而发生变化，因此其计算较困难。我们可以根据现场的实际情况反过来进行推算。据报道，当起道高度h=40mm时，发生胀轨跑道事故的临界温差∆t约为30℃。因此，可算出Iy约为2.9×10-5m4。3使用木混合装置的注意事项(1）如果轨枕对轨道框架的抗弯刚度不起任何作用（如当松开轨枕螺拴时），则钢轨的抗失稳能力是非常低的。根据前面计算可知，在这种情况下当轨道离地长度L等于10.2m时，相对于锁定轨温的轨温变化幅度∆t最多只能有5.1℃。如果再考虑到锁定轨温的不准确性（一般会有所下降，最大下降幅度可达10℃左右），我们认为，在夏季（钢轨中会存在压应力）如不进行应力放散，一般是不允许松开轨枕螺拴进行各种作业的。如果一定要松开轨枕螺拴的话，则连续松开轨枕螺拴的轨道长度不能大于4.2m（此时计算出的相对于锁定轨温的最大轨温变化幅度允许值为30℃）。据报道，现场施工曾发生过仅松开一股100m扣件便发生跑道的事例，当时轨温仅高出锁定轨温10℃。(2）如果轨枕与两根钢轨间能够实现刚性联接，则轨道框架的刚度要比两根钢轨的刚度之和大很多。从理论上讲，此时根本不会发生胀轨跑道事故。这虽然是一种理想情况，实际上是根本做不到的，但我们可以采取一些措施，使实际情况尽量接近这种理想情况。(1)尽量增大扣件螺栓道钉的拧紧扭矩。这样就可使扣件具有足够的扣压力，从而保证轨枕与钢轨问不发生相对滑动。因此，在施工前后都应全面拧紧扣件。(2)尽量增加轨枕的铺设密度，线路轨枕铺设密度一般应大于1840根/公里。这样轨枕与钢轨间的联接刚性将显著增加。(3)尽量采用宽轨。根据计算惯性矩的平行移轴公式可知，轨距越大，Iy就越大。(4)木枕线路由于道钉极易浮离，造成扣压力不足，一般不宜铺设无缝线路，应尽量少用。(3）从计算轨温变化幅度允许值∆t的公式（9）可以看出，轨温变化幅度允许值∆t与轨道离地长度L的平方值成反比。而轨道离地长度L又与起道量h的1/4次方成正比。因此，为了保证相对于锁定轨温的轨温变化幅度∆t不超过允许值，起道作业时应控制起道量不超过某一值。根据实际操作需要，一般将起道量控制在40mm以内。如果起道量超过40mm，则轨温变化幅度允许值∆t应相应减少。(4）根据材料力学中有关纵横弯曲的分析结果可知，杆件在纵向受压的同时，如果还承受一定的横向