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1、第十二节 无缝线路的动态稳定性无缝线路推广使用的关键问题在于稳定性。胀轨跑道是无缝线路失稳的主要形式。随着列车运行速度的不断提高及重载列车的开行，列车的动力作用加剧，无缝线路的稳定性问题日益突出。胀轨跑道现象在各国铁路每年都有发生，严重地危及行车安全，一直为国内外铁路部门高度重视。历年来无缝线路造成事故之实例说明，多数事故都发生在线路状态恶化的情况下，在行车中轨道的臌曲多发生在脱线列车的中部和尾部。因此研究轨道动态失稳规律是稳定性研究的一项重要课题，受到各国轨道界的重视。一、弹动现象1、无缝线路动态失稳的前兆“弹动现象”铁道科学研究院对动态稳定试验的测试发现了动态失稳的前兆“弹动现象”，从试验
2、中看出，无缝线路在温度力与列车动载的共同作用下，轨道不平顺处将产生弯曲变形。随着轨温升高和行车次数增加，轨道弯曲变形逐渐扩大。当轨温升到一定值时，一次过车弯曲变形突然剧增。有时即使轨温不再升高，随着行车次数的增加，弯曲变形继续扩大，轨道将产生“弹动现象”。有时无缝线路可能从稳定平衡直接进入不稳定平衡。轨道失稳不仅与平面不平顺有关，而且还与立面不平顺有关。根据上述试验结果，TB2098-89已将“弹动现象”列为无缝线路动态失稳的征兆，规定高温季节进行养护维修作业时，或在作业之后，若发现过车后线路弯曲变形突然扩大，必须立即设置停车信号防护并进行处理，防止发生行车事故。2、动态稳定性试验铁道科学研究
3、院于19841985年在环形线试验基地进行无缝线路动态稳定性试验。试验轨道为60kg/m钢轨、混凝土轨枕每公里配置1840根、弹条I型扣件、碎石道床、肩宽4050cm、无缝线路锁定轨温t锁=-5。试验由轴重23t的韶山I型电力机车、轴重25t的C75货车、轴重21t的C61货车和轴重22.6t的C62货车组成。试验线预设平面或立面不平顺。在温度力与列车动载的共同作用下，试验中发生6次动态失稳，其中一次失稳情况如下：在R=600m曲线上试验编号NO.10-1处，Lo=10m、fo=28mm（标准正矢应为fo=22mm，曲线内股有foP=3mm的硬弯），试验前曾多次拔道，道床横向阻力降低，试验中列
4、车以V=80km/h速度运行17次，轨温t=54，即温升，轨道弯曲变形扩大f=15mm，曲线正矢达fo=43mm，列车不间断运行，轨道弯曲变形继续扩大，以致轨道动态失稳。失稳过程如图12-1。图12-1b）直线地段，设置半波长，初始弯曲；不行车情况，轨温上升幅度 63；行车情况，轨温上升幅度 56，且列车通过总重1.5Mt，轨道一直保持稳定。3、无缝线路产生“弹动现象”而失稳的主要原因铁道科学研究院认为，无缝线路产生“弹动现象”而失稳的主要原因是由于在列车轮重作用下，两转向架之间的轨排受负弯矩作用而浮起，造成道床横向阻力降低。在试验基地R=600m的曲线地段，测试轨排最大可能浮起量，行驶电力机
5、车时为3.40mm，行驶C75货车时为3.05mm。为测量轨排浮起后的道床横向分布阻力，采用了轨排浮起装置，当浮起量达3.50mm时，测量的道床横向分布阻力比未浮起时的数值降低3040%。轨排浮起是考虑无缝线路动态稳定不应忽视的重要因素，尤其在列车动态通过时，浮起处与不平顺处重合时的情况，对无缝线路的稳定最为不利。以国内外研究情况而言，一般认为无缝线路的动、静态失稳问题是因较高的钢轨压力、弱轨道情况和车辆荷载引起的过大位移产生的。其中车辆荷载的影响包括：动态轨排浮起引起的道床阻力下降，惯性力的出现，以及竖向及横向车轮荷载的作用。弱轨道情况包括：横向阻力不足，轨道不平顺，锁定轨温的下降。二、寒冷
6、地区小半径曲线无缝线路的试验研究1987年铁道科学研究院和呼和浩特铁路局合作完成250m钢轨全长淬火工艺的研究，为小半径曲线上铺设无缝线路创造了条件。同年，他们又在京包线上行575k+500m、历年轨温变化幅度93.4地区、R=400m曲线上试铺60kg/m钢轨温度应力式无缝线路。1、试验内容在试验线路上，测定了道床横向阻力，轨排纵、横向位移，曲线正矢。在圆曲线区段进行了温度力及列车荷载共同作用下无缝线路的动态稳定性参数的测定，测试列车通过时，车轮作用在轨道上的横向水平力及轨排横向水平位移和竖向浮起。2、试验线路状态观测试验时，在线路两侧预理观测桩，进行线路状态的监视，观测桩埋置位置见图12-
7、2，试验期间线路维修作业仍正常进行。图12-2 观测桩位置a）试验段的纵向位移与纵向力分布纵向位移用铁道科学研究院设计制作的纵向位移尺，弦线采用0.3cm钢丝，以设置的观测桩和轨头外侧的标记为基准进行观测，位移尺的精度为0.05cm，由呼和浩特工务段的指定专人定期观测。从纵向力分布可以看出，内力分布有微小不匀。这种不匀，一方面是锁定轨温不匀产生的，另一方面是由于日常养护作业引起的纵向附加力的变化。测得纵向分布不均，最大值为9.12温度力，设计考虑纵向分布的峰值为10温度力，换算为均匀分布的温度力相当于8，设计值与实测值相近。b）轨道横向位移横向位移用铁道科学研究院设计、特制的是横向位移测量尺测
8、量，精度为0.02mm 。测量基准点为钢轨轨头外侧边，取观测桩至轨头外侧边的最短距离为初读数。观测分为两个阶段：第一阶段从1987年10月1日铺设到1988年2月2日，铺设时锁定轨温为27.7。实测横向位移与轨温的关系如图12-4（1）所示。其中，第27测点的横向位移偏大，这与道口两侧附近高低不易保持，经常进行养护维修有关。其次，还可看出，铺轨后一个多月横向位移变化比较大，这是由于线路大修后没有稳定之故。随着运营时间的延长，直到1988年2月2日，位移的变化与稳定后比，小于3mm。曲线中部在轨温下降40情况下只内移1mm。这时线路已经稳定。第二阶段从1988年7月12日至1989年8月。轨温与
9、位移的关系如图12-4（2）所示，1988年9月21日轨温35与11月3日轨温6.5的图形比较，位移几乎一样。轨温昼夜循环变化，最大横向位移量仅0.42mm。图12-4的位移值，包括了钢筋混凝土枕随着温度变化而伸缩的值。轨排的横移量小于图12-4显示的量值。横向位移实测值表明，曲线地段无缝线路随着轨温变化出现“横移现象”。这一点，铁道科学研究院在环行试验基地的观测试验中亦得到证实。当轨温升高，轨道向曲线外侧横移；轨温降低，轨道向曲线内侧横移。随着轨温周期变化，在初始弯曲较大的处所将产生残余累积变形。试验表明，曲线地段无缝线路在一定范围内横向位移是无法避免的，通常情况下对行车安全无影响。但若存在
10、矢度比较大的初始弯曲处所，由于积累变形的扩大将降低无缝线路稳定性，因此在养护维修中应加以限制。c）曲线正矢观测曲线正矢观测是监视轨道在温度力与列车荷载共同作用下状态变化的一种简单易行方法。测量正矢采用铁道科学院设计、制造的轨头卡具和正矢测量尺，弦线采用乐器弦。正矢测量尺的精度为0.02mm。用这套测量尺可以消除因钢轨磨耗产生的误差。图12-5（1）（12）是1987年10月2日至1989年8月7日期间曲线正矢实测图形。从全部正矢测量图形看，随着轨温的降低和列车通过总量的增加，正矢呈现减少的趋势。这与横向位移的变化是一致的。图上有的正矢变化量较大，主要由于工区拨道作业所引起。在试验段上用10m弦
11、长测量正矢，最大正矢偏差8mm，它的不平顺矢长比为0.8，设计采用1（弹性不平顺与塑性不平顺分别各58.33%与41.67%），同样为实测值小于设计值。根据上述线路状态各项观测资料，可以得出结果，在寒冷地区R=400m曲线上铺设的试验段线路状态是稳定的。3、结论这段试验线路经过两年多的运营，轨道状态始终保持稳定，线路养护维修工作量倾于减少。通过观测试验，可得出以下几点结论：a）在寒冷地区小半径曲线上铺设无缝线路，增加轨枕配置根数，加宽堆高道床，采用弹条可调高扣件，这些措施有效地加强了轨道结构，保证了无缝线路的稳定、可靠。b）在方向不良处，安装防胀挡板，道床横向阻力可增加1.31.5倍，有利于提
12、高线路的稳定性，且不妨碍线路起道，捣固作业。c）在不同气候条件，不同运营状态下，实测获得的线路不平顺最大值较设计计算值小，而设计所采用的道床阻力是各种养护维修作业条件下测定值的最小值，因此设计偏于安全。d）小半径曲线无缝线路在平面或立面存在不平顺时，当列车通过时，测得轮对作用在轨道上的横向水平力显著增大。养护维修作业中，应注意消除曲线上存在的不平顺，从而提高它的稳定性。e）由于试验线路采取一系列加强轨道结构的措施，稳定性安全储备量显著提高，因而能够保证行车安全。三、稳定性安全储备量的分析铁道科学研究院根据大量实测数据，绘制了各种情况下的P- f或平衡状态曲线。他们认为应按线路实际可能存在的不利
13、情况计算临界膨曲温升，按限制横向累积变形的条件确定允许温升。并且采用基本安全系数KA和附加安全系数KC，对我国无缝线路稳定性的安全储备量作出了较合理的定量分析。1、基本安全系数KA他们认为，无缝线路稳定性计算，不能把临界温升作为允许温差使用。由于下列因素影响：a）初始弯曲分布的随机性，道床密实度、扣件拧紧度的不均匀性；b）轨温测量的不精确；c）计算结果的误差；d）高温下，无缝线路可能产生横向累积变形。因而，稳定性允许温差的计算，应当考虑一定的安全储备量，并以安全系数KA：定量评价无缝线路稳定性安全储备量。式中 KA无缝线路稳定性基本安全系数；无缝线路丧失稳定时的临界温差，其值大小表征线路为保持
14、稳定性能承受的最大轨温变化的幅度；无缝线路稳定性允许温差。允许温差的设计，“统一公式”取轨道变形量对应的误差作为允许温差，并认为轨枕位移量在0.2cm以内，道床处于弹性变形范围。他们认为，根据实测资料，在荷载作用下，轨枕微量位移，卸载后，道床也会产生残余变形，因此取对应于的轨温差作为允许温差，高温季节轨道会产生累积变形而降低稳定性。他们认为，允许温差的确定，应把限制轨道累积变形作为基本条件，有利于提高无缝线路的稳定性。他们根据测得的日温差频数及轨温昼夜变化下无缝线路的横向累积变形，经计算，取所对应的轨温差作为无缝线路稳定性允许温差。f取值与轨道结构类型及道床密实度有关，通常取。这样，只要初始弯
15、曲不超过设计允许值，锁定轨温至最高轨温的温度差也不超过允许值，在高温季节一昼夜时间内，无缝线路的最大弯曲变形量不超过0.02cm，经过一个季节运营后，累积变形量就不会超过0.2cm。如果轨道结构采取加强措施，临界轨温差提高，在保证安全储备量不改变的情况下，f值也可采用0.020.05cm。他们根据三种机型、混凝土轨枕1840根/km、列车轮重作用下两转向架之间的轨排受负弯矩作用而浮起的实测阻力，计算求得直线及不同半径曲线的临界温差，允许温差，从而求得基本安全系数KA，见表12-1。表12-1钢轨类型在线及R2000m曲线曲 线 半 径 （m）100080060040060kg/m1.441.551.511.501.5450kg/m1.361.521.551.541.692、附加安全系数Kc。由于以下两个附加因素：a）无缝线路纵向力分布不均匀；b）运营过程中锁定轨温的变化。他们认为还应考虑附加安全系数Kc。稳定性计算时，不论直线或曲线均应考虑在轨道弯曲变形范围内，纵向力分布不均匀的峰值相当10温度力，把
