起道作業(yè)中脹軌彈道事故分析

起道作業(yè)中脹軌彈道事故分析

由于連接多個軌道的閉合線，該線的影響顯著減少，運(yùn)營穩(wěn)定，乘客舒適，線路的影響顯著降低，軌道和車輛的使用壽命延長，節(jié)省了大量維護(hù)成本。這些技術(shù)上的優(yōu)越性，使無縫線路獲得了迅猛發(fā)展。但其由于受環(huán)境溫度和施工作業(yè)方法不當(dāng)?shù)戎T多因素影響，易發(fā)生脹軌跑道事故，給無縫線路管理帶來了很大影響。因此，尋找其脹軌跑道的原因及如何防止就成為無縫線路管理中的一個重要課題。在所有脹軌跑道事故中，起道作業(yè)中發(fā)生的脹軌跑道事故占了相當(dāng)一部分比例。本文擬就起道作業(yè)中的脹軌跑道問題作一較全面的分析，并提出相應(yīng)的防止措施。1均布載荷和集中載荷共同作用無縫線路在起道時的脹軌問題與它在正常運(yùn)行過程中的脹軌問題是有本質(zhì)區(qū)別的。大量的研究結(jié)果及現(xiàn)場運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)表明，無縫線路在正常運(yùn)行過程中，保持軌道穩(wěn)定的主要因素是道床橫向阻力及軌道框架剛度。其中，道床橫向阻力是抵抗軌道失穩(wěn)的最重要因素。但無縫線路在起道時，由于有相當(dāng)長一段軌道已完全離開地面，這段軌道將失去道床對其防止失穩(wěn)所產(chǎn)生的橫向阻力。因此，此時保持軌道穩(wěn)定的主要因素只有軌道框架剛度，軌道的抗失穩(wěn)能力將顯著下降。顯然，此時軌道的抗失穩(wěn)能力與軌道的離地長度密切相關(guān)，因此，必須首先計(jì)算出軌道的離地長度。在計(jì)算軌道離地長度時，我們可以將軌道的受力情況簡化成圖1所示的樣子，即將軌道的受力簡化成為一個簡支梁。梁的兩端為軌道離地的端點(diǎn)，其撓度為零。作用在軌道上的載荷主要有兩個，一個是沿軌道長度均勻分布的均布載荷，一個是起道器作用在軌道上的集中載荷。作用在軌道上的均布載荷主要有三部分組成。一是軌道本身的自重Q1，根據(jù)軌道型號不同，該數(shù)值可直接知道。第二部分是軌枕通過扣件等作用在軌道上的力，該力的大小除與軌枕的重量有關(guān)外，還和軌枕的排列密度有關(guān)。設(shè)單根軌枕的重量為Q2，每公里鋪設(shè)的軌枕根數(shù)為n，則每米長度上由軌枕作用在軌道上的力為nQ2/1000。另外，安裝在軌道上的扣件、螺釘以及起道時軌枕間可能夾住的石子等也會對軌道產(chǎn)生一定的載荷Q3。因此，作用在軌道上的總均布載荷為對于60公斤軌來說，Q1就等于2×600N/m（因?yàn)橛袃筛壍?，所以要乘?）,n大約等于1840,Q2約為2000N,Q3可以近似地取2×30N/m，故Q等于4940N/m。如果不計(jì)軌道在起道過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力對起道力的影響（由于起道量一般均很小，拉應(yīng)力基本上相互平衡掉了），根據(jù)受力的對稱性，起道器作用在軌道上的集中載荷P應(yīng)與作用在軌道上的均布載荷相互平衡，設(shè)軌道離地長度為L，則根據(jù)線性疊加原理，簡支梁在均布載荷和集中載荷共同作用下的某一點(diǎn)變形量可以看作是簡支梁在均布載荷單獨(dú)作用下的變形量和在集中載荷單獨(dú)作用下的變形量的矢量和。簡支梁在均布載荷單獨(dú)作用下，其中點(diǎn)（起道器作用點(diǎn)）的撓度為其中：E為鋼軌材料的彈性模量，E=2.1×1011N/m;Ix為鋼軌截面對水平形心軸的慣性矩，對于60公斤軌來說，Ix=4.92×10-5m4。簡支梁在集中載荷單獨(dú)作用下，其中點(diǎn)的撓度為故簡支梁在均布載荷和集中載荷共同作用下，其中點(diǎn)的撓度為如果不計(jì)路基在起道過程中所產(chǎn)生的下陷及彈性變形等，則簡支梁中點(diǎn)的撓度f就等于起道器的起道量h。因此，根據(jù)方程（2）和方程（5）就可以解出軌道離地長度L。對于60公斤軌來說，當(dāng)起道器的起道量為40mm、60mm、100mm、150mm和200mm時，軌道離地長度分別為10.2m、11.3m、12.8m、14.2m和15.2m。2最大軌溫變化幅度計(jì)算公式的確定軌道離地時在溫度應(yīng)力作用下的失穩(wěn)問題可簡單地看作是一兩端鉸支細(xì)長壓桿的失穩(wěn)問題。壓桿的長度即為軌道離地長度。根據(jù)歐拉公式，壓桿失穩(wěn)的臨界力Pcr為其中：Iy為軌道框架對垂直形心軸的慣性矩。由于作用于鋼軌內(nèi)的壓力是由相對于鎖定軌溫的軌溫變化引起的，設(shè)軌溫的變化幅度為?t，則有其中：σt為由于軌溫變化引起的溫度應(yīng)力；α為鋼軌線膨脹系數(shù)，α=11.8×10-6/oC;F為鋼軌的橫截面積，對于60公斤軌來說，F(xiàn)=7.745×10-3m2。聯(lián)立求解方程（7）和方程（8），并考慮一定的安全系數(shù)S后，可得這就是允許進(jìn)行起道作業(yè)的最大軌溫變化幅度計(jì)算公式。當(dāng)實(shí)際軌溫比鎖定軌溫高出的溫度值不大于上述計(jì)算公式的計(jì)算值時，起道作業(yè)應(yīng)當(dāng)是安全的，不會發(fā)生脹軌跑道事故。在用上述計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算時，別的參數(shù)都比較好確定，唯有軌道框架對垂直形心軸的慣性矩Iy較難確定。下面分三種情況來進(jìn)行討論。(1）僅考慮兩根鋼軌的剛度。此時可以認(rèn)為軌枕對軌道框架的抗彎剛度基本不起作用，兩根鋼軌是相互獨(dú)立的。因此，只要分析一根鋼軌的情況即可。對于60公斤軌來說，Iy約為4.9×10-6m4。取安全系數(shù)S等于1，軌道離地長度L等于10.2m（相當(dāng)于起道高度為40mm），并將各已知數(shù)值代入公式（9）后可得，?t=5.1℃。(2）軌枕與兩根鋼軌間為剛性聯(lián)接。這是一種理想情況。此時可以認(rèn)為兩根鋼軌已與軌枕一起構(gòu)成一個剛性構(gòu)架。該構(gòu)架的垂直形心軸將位于兩根鋼軌之間的中心線上。根據(jù)計(jì)算慣性矩的平行移軸公式，可算得此時的Iy約為7.97×10-3m4。同樣取安全系數(shù)S等于1，軌道離地長度L等于10.2m（相當(dāng)于起道高度為40mm），并將各已知數(shù)值代入公式（9）后可得，?t=8300℃。(3）軌枕對鋼軌的橫向彎曲存在一定的阻力。這是施工現(xiàn)場中最為多見的一種情況。此時不能將兩根鋼軌與軌枕一起作為一個整體來進(jìn)行失穩(wěn)計(jì)算，而應(yīng)分別計(jì)算每根鋼軌的失穩(wěn)力。但軌道框架對垂直形心軸的慣性矩Iy將比單根鋼軌時的情況顯著增加。由于Iy會隨扣件扣壓力的變化而發(fā)生變化，因此其計(jì)算較困難。我們可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況反過來進(jìn)行推算。據(jù)報道，當(dāng)起道高度h=40mm時，發(fā)生脹軌跑道事故的臨界溫差?t約為30℃。因此，可算出Iy約為2.9×10-5m4。3使用木混合裝置的注意事項(xiàng)(1）如果軌枕對軌道框架的抗彎剛度不起任何作用（如當(dāng)松開軌枕螺拴時），則鋼軌的抗失穩(wěn)能力是非常低的。根據(jù)前面計(jì)算可知，在這種情況下當(dāng)軌道離地長度L等于10.2m時，相對于鎖定軌溫的軌溫變化幅度?t最多只能有5.1℃。如果再考慮到鎖定軌溫的不準(zhǔn)確性（一般會有所下降，最大下降幅度可達(dá)10℃左右），我們認(rèn)為，在夏季（鋼軌中會存在壓應(yīng)力）如不進(jìn)行應(yīng)力放散，一般是不允許松開軌枕螺拴進(jìn)行各種作業(yè)的。如果一定要松開軌枕螺拴的話，則連續(xù)松開軌枕螺拴的軌道長度不能大于4.2m（此時計(jì)算出的相對于鎖定軌溫的最大軌溫變化幅度允許值為30℃）。據(jù)報道，現(xiàn)場施工曾發(fā)生過僅松開一股100m扣件便發(fā)生跑道的事例，當(dāng)時軌溫僅高出鎖定軌溫10℃。(2）如果軌枕與兩根鋼軌間能夠?qū)崿F(xiàn)剛性聯(lián)接，則軌道框架的剛度要比兩根鋼軌的剛度之和大很多。從理論上講，此時根本不會發(fā)生脹軌跑道事故。這雖然是一種理想情況，實(shí)際上是根本做不到的，但我們可以采取一些措施，使實(shí)際情況盡量接近這種理想情況。(1)盡量增大扣件螺栓道釘?shù)臄Q緊扭矩。這樣就可使扣件具有足夠的扣壓力，從而保證軌枕與鋼軌問不發(fā)生相對滑動。因此，在施工前后都應(yīng)全面擰緊扣件。(2)盡量增加軌枕的鋪設(shè)密度，線路軌枕鋪設(shè)密度一般應(yīng)大于1840根/公里。這樣軌枕與鋼軌間的聯(lián)接剛性將顯著增加。(3)盡量采用寬軌。根據(jù)計(jì)算慣性矩的平行移軸公式可知，軌距越大，Iy就越大。(4)木枕線路由于道釘極易浮離，造成扣壓力不足，一般不宜鋪設(shè)無縫線路，應(yīng)盡量少用。(3）從計(jì)算軌溫變化幅度允許值?t的公式（9）可以看出，軌溫變化幅度允許值?t與軌道離地長度L的平方值成反比。而軌道離地長度L又與起道量h的1/4次方成正比。因此，為了保證相對于鎖定軌溫的軌溫變化幅度?t不超過允許值，起道作業(yè)時應(yīng)控制起道量不超過某一值。根據(jù)實(shí)際操作需要，一般將起道量控制在40mm以內(nèi)。如果起道量超過40mm，則軌溫變化幅度允許值?t應(yīng)相應(yīng)減少。(4）根據(jù)材料力學(xué)中有關(guān)縱橫彎曲的分析結(jié)果可知，桿件在縱向受壓的同時，如果還承受一定的橫向