无缝线路方向资料复件 第十二节正02.docx
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无缝线路方向资料复件第十二节正02
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
铁道科学研究院于1984～1985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40～50cm、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12-1
b）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30～40%。
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12-2，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2～7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1.3～1.5倍，有利于提高线路的稳定性，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0.02～0.05cm。
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R≥2000m曲线
曲线半径（m）
1000
800
600
400
60kg/m
1.44
1.55
1.51
1.50
1.54
50kg/m
1.36
1.52
1.55
1.54
1.69
2、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，把其换算为均匀分布纵向力
，经计算
相当8℃温度力，在稳定性计算中予以考虑。
在确定稳定性允许温差时，还应考虑无缝线路经过长期运营后锁定轨温的变化。
根据试验及统计分析，锁定轨温变化在8℃以内，由设计予以修正。
对锁定轨温变化的修正，直线与曲线区段采取不同处理办法。
在直线及半径R≥2000m曲线区段上，为保证有充裕的养护维修作业时间，考虑高温季节也可以安排必要的养护维修作业。
因此，设计时在允许铺轨温差中，修正锁定轨温8℃的差异。
在半径R<2000m的曲线区段上，锁定轨温差异在作业安排的轨温差中加以修正，而允许铺轨温差不作修正，修正值仍为8℃。
因此，在曲线上允许安排作业的轨温差比允许铺轨的轨温差低8℃，也就是说，在曲线区段上，高温季节，当轨温超过铺轨允许温差减8℃，全天不得安排养护维修作业。
考虑以上两个附加因素，经计算，求得三种机型、混凝土轨枕1840根/km、直线及不同半径曲线附加安全系数Kc，如表12-2所列。
表12-2
钢轨类型
在线及R≥2000m曲线
曲线半径（m）
1000
800
600
400
60kg/m
1.32
1.17
1.17
1.19
1.24
50kg/m
1.32
1.17
1.17
1.18
1.23
3、稳定性实际安全系数
KA与KC的乘积，则为稳定性实际安全系数
，其值表征无缝线路实际安全储备量。
由计算求得三种机型、混凝土轨枕1840根/km，直线及半径R>800m曲线，道床肩宽40cm；R≤800m曲线，道床肩宽45cm且碴肩堆高16cm，不同线路平面，稳定性临界温差
，允许温差
、安全系数
，结果如表12-3所列。
所谓三种机型是指、前进型蒸汽机车、东风4型内燃机、韶山2型电力机车。
表12-3
钢轨
类型
（kg/m）
临界温升
允许温升
安全系数
直线及R≥2000m曲线
曲线半径（m）
1000
800
600
500
400
50
90
50
1.82
85
48
1.77
85
47
1.81
80
44
1.82
76
39
1.95
71
34
2.08
60
95
50
1.90
87
48
1.81
83
47
1.77
75
42
1.79
69
38
1.82
63
33
1.91
75
88
48
1.83
75
46
1.63
75
45
1.67
68
40
1.70
63
36
1.75
57
30
1.90
四、由“弹动现象”引发的不同观点
由于“弹动现象”的发现，在对无缝线路动态稳定性的深入研究中，我国铁路界中的一些学者提出了以下观点：
有人认为，“考虑到行车时轨排浮起后的道床阻力将有所降低，在碎石道床、混凝土枕轨道的Q值可参照表12-4数值取用。
”
表12-4
每千米线路轨枕铺设置（根）
碎石道床、混凝土枕
肩宽40cm
肩宽45cm、堆高15cm
1760
59.2（N/cm）
66.8（N/cm）
1840
61.3（N/cm）
69.3（N/cm）
有人认为，“计算结果表明，在同一条件下（即Q、EJ均相同的情况下），如取安全系为1.2~1.25，则临界状态公式的计算值十分接近于“统一公式”的计算值。
也就是说，在P-f曲线上，“统一公式”取值的点已接近临界点。
“统一公式”安全系数取1.25，其相对临界状态的储备只有45%～50%，似乎偏低。
根据线路的实际状态分析轨道的稳定性，若采用临界状态公式，其安全系数应取2。
”
有人认为，“寒冷地区无缝线路温度力大，长轨节的伸缩量也大，因此，根据情况不同，采用温度应力式或定期放散温度应力式。
”还认为“对于使用50kg/m钢轨、混凝土枕、轨枕配置根数1840根/km、碎石道床、肩宽45cm、碴肩堆高16cm、年轨温变化幅度≤100℃地区，可在直线及半径R≥800m曲线上铺设温度应力式无缝线路。
”
有人认为，“哈尔滨以北地区均在100℃以上，……。
综上所述，在年轨温差95℃以下的地区，可以铺设温应力式无缝线路。
但这仍不能满足更广大的寒冷地区铺设温度应力式无缝线路的客观需要。
”
凡熟悉无缝线路稳定性计算的人都知道，如果等效道床阻力Q值采用表12-4中数值计算，寒冷地区还能否铺设无缝线路将成为疑问；如果取安全系数K=2，对韶山2型机车，V=100km/h、50kg/m钢轨、混凝土枕1840根/km、碎石道床、肩宽40cm的计算条件，将使历年轨温变化幅度80℃以上地区都成为铺设温度应力式无缝线路的“禁区”。
凡熟悉我国无缝线路发展史的人都知道，1980年我国在试图突破寒冷地区不能铺设无缝线路这一“禁区”时，原东北五局各试铺了二公里50kg/m钢轨的温度应力式无缝线路试验段，当1989年对该项部级重大科研成果鉴定后，寒冷地区大规模铺设的是60kg/m钢轨的温度应力式无缝线路。
个别著名学者只肯定寒冷地区十公里50kg/m钢轨试验段，而对寒冷地区十余年来铺设的数千公里60kg/m钢轨的普通无缝线路和区间无缝线路却只字不提。
我们不禁要问，是应将它们拆除？
还是将它们改成定期放散温度应力式？
五、实践是检验真理的唯一标准
1、横向道床阻力的测定
1987年铁道科学研究院呼和浩特铁路局在93.4℃地区，R=400m曲线上试铺无缝线路时，对横向道床阻力进行了测定。
他们认为，横向道床阻力大小与石碴类型、粒经及道床断面及密实度有关。
测定时，他们采用了压力环、加力小梁、油压千斤顶、百分表。
实测了不同条件和状态下的道床阻力——标准道床肩宽方枕不足一月，碴肩加宽、道床夯实、碴肩加宽堆高、轨排上浮、安装防胀挡板等各种情况的道床阻力，见图12-6。
取最不利情况测得的数据，进行整理回归分析。
获得阻力函数：
采用这一道床阻力函数检算该试验段的稳定性。
图12-6道床阻力曲线
这段试验线路通过几年运营，轨道状态始终保持稳定。
笔者1982年夏季，曾到该试验段调研，发现在未安装防胀挡板的条件下，线路状态良好。
2、理论与实践的差异
表12-5全国各地区最高、最低及中间轨温表
地区
最高
轨温
最低
轨温
中间
轨温
地区
最高
轨温
最低
轨温
中间
轨温
北京
62.6
-27.4
17.6
汉中
58.0
-10.1
24.0
天津
65.0
-22.9
21.1
宝鸡
61.6
-16.1
22.8
石家庄
62.7
-26.5
18.1
安康
61.7
-9.5
26.1
承德
61.5
-23.3
19.1
兰州
59.1
-23.3
17.9
张家口
60.9
-26.2
17.4
玉门
56.7
-28.2
14.3
唐山
63.3
-22.6
20.4
酒泉
58.4
-31.6
13.4
保定
63.3
-23.7
19.8
天水
58.2
-19.2
19.5
邢台
61.8
-22.4
19.7
西宁
53.5
-26.6
13.5
太原
61.4
-29.5
16.0
格尔木
53.1
-33.6
9.8
大同
58.0
-30.5
13.8
银川
59.3
-30.6
14.4
运城
65.0
-18.9
23.1
中卫
58.5
-29.2
14.7
呼和浩特
58.0
-36.2
10.9
乌鲁木齐
60.7
-41.5
9.6
满洲里
58.7
-46.9
5.9
塔城
61.3
-39.2
11.1
二连浩特
59.9
-40.2
9.9
克拉玛依
62.9
-35.9
13.5
包头
59.5
-32.8
13.4
吐鲁番
67.6
-28.0
19.8
赤峰
62.5
-31.4
15.6
哈密
63.9
-32.0
16.0
集宁
55.7
-33.8
11.0
库乐勒
60.0
-28.1
16.0
沈阳
59.3
-33.1
13.1
喀什
60.1
-24.4
17.9
本溪
57.3
-32.3
12.5
成都
60.1
-5.9
27.1
丹东
57.8
-31.9
13.0
资阳
59.2
-4.0
27.6
锦州
61.8
-24.7
18.6
内江
61.1
-3.0
29.1
大连
56.1
-21.1
17.5
绵阳
57.1
-2.3
27.4
长春
59.5
-36.5
11.5
重庆
64.0
-2.5
30.8
四平
56.6
-38.7
9.0
西昌
59.7
-6.0
26.9
延吉
60.3
-37.1
11.6
宜宾
59.5
-3.0
28.3
通化
55.5
-36.3
9.6
昆明
52.3
-5.4
23.5
哈尔滨
59.1
-41.4
8.9
河口
60.9
1.9
31.4
齐齐哈尔
60.1
-39.5
10.3
拉萨
49.4
-16.5
16.5
佳木斯
56.4
-39.6
8.4
日喀则
58.2
-24.1
16.6
牡丹江
57.2
-39.7
8.8
贵阳
61.3
-7.8
26.8
安达
59.5
-44.3
7.6
遵义
58.7
-7.1
25.8
嫩江
58.1
-47.3
5.4
安顺
54.3
-7.6
23.4
加格达奇
57.3
-45.4
6.0
桐梓
57.5
-6.9
25.3
西安
65.2
-20.6
22.3
济南
62.5
-19.7
21.4
延安
59.7
-25.4
17.2
德洲
63.4
-27.0
18.2
青岛
56.6
-20.5
18.1
郴州
61.3
-9.0
26.2
兖州
61.0
-19.0
21.0
衡阳
61.3
-7.9
26.7
南京
63.0
-14.0
24.5
南宁
60.4
-2.1
29.2
徐州
63.3
-22.6
20.4
桂林
59.7
-5.0
27.4
上海
60.3
-12.4
24.1
柳州
59.2
-3.8
27.7
杭州
62.1
-10.5
25.8
长沙
63.0
-11.3
25.9
金华
61.2
-9.6
25.8
郑州
63.0
-17.9
22.6
合肥
61.0
-20.6
20.2
开封
61.7
-16.0
23.5
安庆
64.7
-12.5
26.1
安阳
61.9
-21.7
20.0
蚌埠
64.5
-19.4
22.6
许昌
64.2
-17.4
22.3
福州
59.8
-2.5
28.7
洛阳
63.2
-20.0
22.1
邵武
60.4
-7.9
26.3
南阳
62.0
-21.2
21.0
厦门
58.5
-2.0
28.3
信阳
63.9
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