再生復合軌枕有砟軌道疲勞試驗

徐鐵華

(國能朔黃鐵路發展有限責任公司,河北 肅寧 062350)

重載鐵路是大型原材料貨物運輸的重要通道,關系著國計民生。隨著重載鐵路“擴能改造”工程的推進,列車軸重和行車密度不斷增加,道砟粉化現象加劇,誘發道床翻漿冒泥等病害,惡化軌道服役狀態,威脅重載列車運輸安全。為應對道砟粉化問題,目前多采用彈性較好的軌枕,如彈性軌枕、再生復合軌枕、竹基軌枕等[1]。其中再生復合軌枕主要以工業廢料、再生塑料和礦物填料等為原材料,并輔加玻璃纖維絲加勁物而制成,具有彈性好、質量輕、來源廣等特點[2],在歐洲、美國、巴西等鐵路線上均有鋪設。

針對再生復合軌枕的使用,國內外學者開展了大量試驗和理論研究。Lotfy等[3]研發了基于高密度聚乙烯材料的復合軌枕,通過試驗分析了復合軌枕的抗彎性能和疲勞性能;Ferdous等[4]研發了一種適用于窄軌鐵路的復合軌枕,并通過材料性能和結構力學試驗確定了最佳的配比和結構尺寸;趙振航等[1,5]通過落軸試驗,確定了有砟軌道用復合軌枕的動剛度和阻尼,確定了復合軌枕的減振性能優于彈性軌枕,為復合軌枕應用于有砟軌道提供了支撐。沈毓婷等[6]開展了300萬次的復合軌枕無砟軌道整體疲勞試驗,驗證了復合軌枕應用于無砟軌道的可行性。張騫等[7]通過建立車-線-橋動力仿真模型,分析了復合軌枕應用于重載鐵路大跨度鋼桁梁橋上的動力響應,確定了其可作為木枕的替代品。閆雪等[8]基于動力學仿真模型,針對復合軌枕應用于鋼桁明橋面橋時,從系統動力學指標角度,對軌道結構相關參數進行了優化。已有研究集中于復合軌枕的基本力學性能和減振性能方面,但對于復合軌枕應用于有砟軌道的耐久性研究缺乏。

基于此,本文建立再生復合軌枕有砟軌道足尺模型,并開展300萬次疲勞試驗,觀察軌道結構位移、受力等的變化,為再生復合軌枕有砟軌道的推廣應用提供技術支撐。

1 試驗概況

1.1 足尺模型

用于疲勞試驗的再生復合軌枕有砟軌道足尺模型如圖1所示。再生復合軌枕有砟軌道足尺模型主要由60 kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型分開式扣件、再生復合軌枕和有砟道床組成。

圖1 再生復合軌枕有砟軌道

試驗用再生復合軌枕主要由再生橡膠、塑料組成,單根軌枕長度為2.7 m;軌枕橫截面為矩形,寬、高分別為220 mm和180 mm。模型中共鋪設6根軌枕,軌枕間距為0.6 m。彈條Ⅱ型分開式扣件,扣件系統垂向靜剛度約為60 kN/mm。有砟道床采用一級道砟分層鋪設,道床厚度為0.35 m,道床頂面與軌枕頂面平齊;道砟材質為玄武巖碎石,道砟級配如圖2所示。

圖2 道砟級配

1.2 試驗設備

疲勞試驗所采用設備主要包括加載設備、加載工裝、激光位移傳感器、傳感器信號采集設備和軌距尺,其中加載設備為AMSLER脈沖試驗機。該試驗機所能施加的最大荷載為500 kN,且自帶力傳感器和位移傳感器,用于測試試驗機作動器施加荷載的大小和伸縮位移。每次進行道床下沉量測試時,利用試驗機作動器進行加載(1.0 kN),記錄此時試驗機的位移傳感器測試作動器的位移量,以試驗開始前的首次位移量測試值為道床下沉零點,從而實現道床下沉量的測試。

加載工裝為荷載分配橫梁及與橫梁相連且用于垂、橫向荷載分配的特制角鋼(如圖3所示),其中橫梁可用于荷載的傳遞,特制角鋼則保證橫梁所傳遞荷載能按要求作用線方向傳遞至鋼軌上;試驗中單側鋼軌承受的橫向力與垂向力比值約為0.65。

圖3 加載工裝

激光位移計主要用于鋼軌-軌枕相對位移、軌枕-道床垂向相對位移等參數的測試;激光位移計的量程為10 mm,示值誤差為0.1 mm。數據采集設備為德國IMC動態數據采集儀。軌距尺則用于軌距的測量,測試位置以緊貼分配橫梁斷面為準。

1.3 加載方案

試驗中以軸重25 t列車荷載為例,并考慮1.5倍的動力系數,則輪軌垂向力最大值為187.5 kN,故脈沖試驗機施加于分配橫梁上的荷載最大值為375 kN。最小加載值取為125 kN,加載頻率為4 Hz,加載波形為正弦波,加載次數為300萬次。疲勞試驗開始之前,先進行預加載,確定脈沖試驗機的力傳感器和位移傳感器、激光傳感器及IMC動態數據采集儀是否正常運行。

1.4 測點布置

再生復合軌枕有砟軌道疲勞加載過程中,主要進行鋼軌-軌枕垂向和橫向相對位移、軌枕-道床垂向相對位移、道床下沉量和軌距的測量,具體測點布置如圖4所示。

圖4 測點布設位置

試驗過程中同時觀察軌道結構組成部件是否發生破壞。利用各類傳感器和數據采集儀對軌道結構試驗開始前的初始狀態及試驗過程中每經歷30萬次循環荷載即進行數據的采集,其中軌距及道床下沉量為靜態測量。

2 試驗結果及分析

2.1 鋼軌位移

為了便于對比分析,跨中及枕中鋼軌-軌枕相對位移測試結果均為相對于3號軌枕,圖5為鋼軌-軌枕的垂向和橫向相對位移峰值隨荷載循環次數的變化規律。

從圖5結果看出,鋼軌-軌枕垂向及橫向相對位移整體上均隨著荷載循環次數的增加呈減小趨勢,這主要是由于軌下膠墊在疲勞荷載作用下性能劣化、剛度增加所致。因軌下膠墊剛度增加幅度較小,鋼軌與軌枕相對位移降幅變化也較小。枕中位置鋼軌直接承受扣件、軌枕及道床的支撐作用,相對跨中位置的支撐剛度稍大,故跨中位置的鋼軌-軌枕垂向相對位移在疲勞試驗過程中均大于枕中位置對應值。

從圖6結果看出,當荷載循環次數小于150萬次變化時,隨著荷載循環次數的增加,軌距略有增加,增幅為0.7 mm;當荷載循環次數達到150萬次繼續增加,軌距穩定在1 434.9 mm保持不變。表明再生復合軌枕和配套的扣件系統能夠有效保證軌距的穩定,確保實際線路運營過程中軌道幾何形位不超限。

2.2 軌枕位移

圖7為軌枕-道床垂向相對位移峰值隨荷載循環次數的變化曲線。

圖7 軌枕-道床相對位移

從圖7結果看出,從初始狀態到荷載循環次數達30萬時,兩根軌枕對應的垂向相對位移均有較大幅度的降低,其中2號、3號軌枕對應的垂向相對位移分別減小了0.21 mm和0.35 mm。這是由于軌枕鋪設過程中與散粒體道床之間存在有縫隙,在經歷30萬次循環荷載后,軌枕與道床之間接觸密實,故垂向相對位移基本保持穩定。3號軌枕相對于2號軌枕更靠近加載點,故其受到的荷載較大,垂向相對位移也較大。軌枕-道床垂向相對位移穩定時,2號、3號軌枕垂向相對位移相差約1.19 mm。即荷載作用下軌枕自身會發生較大的變形,表征再生復合軌枕的剛度較小,對列車通過時的減振功能發揮是有利的。

2.3 道床下沉量

試驗過程中,道床下沉量隨荷載循環次數變化曲線如圖8所示。

圖8 道床下沉量

從圖8結果看出,疲勞試驗中道床下沉量曲線與實際線路中的變化規律基本一致,在加載初期散粒體道床在荷載作用下不斷被壓密實,從而出現急劇的下沉量;后期由于試驗場地周界存在擋砟墻,避免了枕底道砟擠入軌枕頭、道床邊坡溜塌等現象的發生,從而阻止道床下沉變形,表現在下沉曲線中為:隨著荷載循環次數的增加,道床下沉量基本穩定。從擬合結果看出基本穩定在4.0 mm,與文獻[8]中彈性軌枕+道砟墊有砟軌道疲勞試驗結果基本一致,顯著小于文獻[9]中混凝土軌枕下道床下沉量值,表明再生復合軌枕具有較好的彈性,可以減小對道床的沖擊。

此外,再生復合軌枕有砟軌道經歷300萬次疲勞荷載后,軌道各部件狀態均良好,未發生軌枕開裂等現象,表明再生復合軌枕有砟軌道結構良好,具有較好的耐久性。

3 結論

通過建立再生復合軌枕有砟軌道足尺模型,開展300萬次循環加載,并測試軌道部件變形和鋼軌受力,分析軌道結構疲勞性能,可以得到以下結論:

(1)鋼軌-軌枕垂向和橫向相對位移、軌距、軌枕-道床垂向相對位移、道床下沉量均隨荷載循環次數的增加而變化,當荷載循環次數達到150萬次后均趨于穩定。

(2)再生復合軌枕具有很好的彈性性能,在疲勞荷載作用下可有效減小道床下沉量,與彈性軌枕+道砟墊有砟軌道對應值相當。

(3)再生復合軌枕有砟軌道具有良好的耐久性,300萬次疲勞荷載作用下仍能保持良好的軌道狀態。