（道路与铁道工程专业论文）30吨轴重重载铁路轨道结构力学特性研究.pdf

中文摘要 从世界重载运输技术的进步趋势来看，尽可能提高轴重，充分利用现有站线 长度，已逐渐成为今后重载运输的主流方向。在重载运输方面，澳大利亚采用重 要技术措施也是提高货车轴重，货车轴重已提高到3 7 5 t ，并进一步提高到4 0 t 。 美国、加拿大等国重载铁路的轴重普遍达到3 2 5 3 5 7 吨，与之相比，我国货车 的最大轴重仅为2 5 吨，差距还很明显，我国货车轴重向2 5 吨以上发展已成为必 然趋势。车辆轴重的增加使得轨道结构问题日益突出。 本论文从钢轨一轨枕一道砟一路基系统的角度出发，以货车轴重3 0 吨为例，主 要做了以下几点工作： 1 综述了国内外重载铁路运输及轨道结构现状，重点对美国、澳大利亚、加 拿大等国的重载铁路特点进行了分析，并指出我国与国外重载铁路发达国家之间 的差距。 2 结合我国重载铁路轨道结构，利用大型有限元软件a n s y s 建立了钢轨一 轨枕一道砟一路基的三维动力分析模型。 3 针对3 0 吨轴重的重载轨道结构，研究货车轴重、钢轨类型、道床弹性模量、 轨下垫板刚度等对轨道结构的静力响应，最后通过对计算结果进行对比分析，得 出各种设计参数的影响规律。 4 针对3 0 吨轴重的重载轨道结构，研究一些关键参数对重载轨道结构动力响 应的影响规律。参数包括货车轴重、钢轨类型、道床弹性模量、轨下垫板刚度等。 在此基础上，对轨道结构参数选取提供建议。 该论文不仅具有理论意义，也有重要的现实意义。它可以为3 0 吨轴重的轨道 结构选型设计以及决策提供理论上的依据。 图6 2 幅，表2 3 个，参考文献9 9 篇。 关键词：重载线路；轴重；钢轨类型；轨下垫板刚度：道床弹性模量； 分类号：u 2 1 3 2 1 2 中文摘要 a bs t r a c t f r o mt h ew o r l d sh e a v yh a u lt e c h n o l o g yt r e n d s ，a sf a ra sp o s s i b l et oi n c r e a s ea x l el o a d ， f u l lu s eo ft h ee x i s t i n gs t a t i o nl i n el e n g t h ，h a sg r a d u a l l yb e c o m et h em a i n s t r e a mo ft h e f u t u r ed i r e c t i o no fh e a v y d u t yt r a n s p o r t i nh e a v y - h a u lt r a n s p o r t ，a u s t r a l i at a k e st h e i m p o r t a n tt e c h n i c a lm e a s u r e sb yi m p r o v i n gv e h i c l ea x l el o a da n di n c r e a s i n gt h en u m b e ro f t r a i nf o r m a t i o n v e h i c l ea x l el o a dh a sb e e ni n c r e a s e dt o3 7 5 t ，a n df u r t h e ri n c r e a s e dt o4 0 t h e a v ya x l el o a dg e n e r a l l yr e a c h e d3 2 5 3 5 7t o n si nt h eu n i t e ds t a t e s c a n a d aa n do t h e r c o u n t r i e s h o w e v e r , t h em a x i m u ma x l el o a do fw a g o ni no u rc o u n t r yi s2 5 t d e v e l o p m e n t o ft h ea x l el o a do fw a g o n so v e r2 5 th a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n d t h ei n c r e a s ei na x l e l o a do fv e h i c l e sm a k e st h ei s s u eo ft r a c ks t r u c t u r eh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es y s t e mi n c l u d i n gt h er a i l ，s l e e p e r , b a l l a s tb e da n ds u b g r a d e t h e 3 0 ta x l el o a do fw a g o ni st a k e na se x a m p l e t h ea u t h o rm a i n l yd o e st h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 t h ed o m e s t i ca n da b r o a dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no v e r v i e wo nb a l l a s t e dt r a c k i sd i s c u s s e d ，e s p e c i a l l yf o rh e a v yh a u lr a i l w a yb a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r ei na m e r i c a ，a u s t r l i a a n dc a n a d a a n dt h e nt h eg a po fh e a v yh a u lr a i l w a yo fo u rc o u n t r yi sp o i n t e do u t 2 i nt h i sp a p e r , a n s y s ，t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，i sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h e3 d c o m p u t a t i o nm o d e li n c l u d i n gt h er a i l ，s l e e p e r , b a l l a s tb e da n ds u b g r a d e 3 w ea r ea n a l y z e df r o mt h es t a t i ca n dd y n a m i cp o i n t r e s e a r c hi sm a i n l yo nt h e i n f l u e n c eo ft h ef a c t o r s ，s u c ha st h ea x l el o a do ft h ew a g o n ，r a i lt y p e ，t h es t i f f n e s so fr a i lp a d ， t h ee l a s t i cm o d u l u so fb a l l a s t ，w h i c hc a i la f f e c to nt h es t a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft r a c k 4 w ea r ea n a l y z e df r o mt h ed y n a m i cp o n r e s e a r c hi sm a i n l yo nt h ei n f l u e n c eo ft h e f a c t o r s ，s u c ha st h ea x l el o a do ft h ew a g o n , r a i lt y p e ，t h es t i f f n e s so fr a i lp a d ，t h ee l a s t i c m o d u l u so f b a l l a s t ，w h i c hc a na f f e c to nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft r a c ks t r u c t u r e s ot h e r u l e so fd e f o r m a t i o na n ds t r e s so ft r a c kc o m p o n e n t sc a nb eo b t a i n e d s o m es u g g e s t i o n so n t h ed e s i g no ft h e 昀c ks t r u c t u r ew i t ht h e3 0 ta x l el o a da r ep u tf o r w a r d t h ep a p e rn o to n l yh a st h eo r e t i c a l s i g n i f i c a n c e , t h e r ea r ei m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h ep r o p o s a li so f f e r e d 、加t l lt h ed e s i g no ft r a c ks t r u c t u r ea n ds e l e c t i o n f i g u r e ：6 2 ；t a b l e ：2 3 ；r e f e r e n c e ：9 9 a b s t r a ( t k e y w o r d s ：h e a v y - h a u lr a i l w a y ；a x l el o a d ；r a i lt y p e ；t h er i g i d i t yo fr a i lp a d ；e l a s t i c m o d u l u so f b a l l a s tb a l l a s t l c s st r a c k ； c l a s s n o ：u 2 1 3 2 1 2 作者简历 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鲁己彳 签字日期 叼年 月厶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 帮箐 i 导师签名： 签字日期：钞_ | 声6 月砂日 签字日期：刎7 年6 月如日 致谢 本论文的工作是在我的导师高亮教授的悉心指导下完成的，高教授严谨的治 学态度、渊博的学识、卓越的才智及科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 在此衷心感谢两年来高老师对我的关心和指导。在论文完成之际，谨向高老师致 以最诚挚的谢意与祝福。 研究生在读期间，高老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和 生活上给予了我很大的关心和帮助，在此向高老师表示衷心的谢意。 同时，在专业学习方面，我也受到了土木建筑工程学院道路与铁道工程系王 连俊老师、谷爱军老师、彭华老师、肖宏老师及蔡小培老师等悉心指导，在两年 的研究生学习中，专业知识有了进一步地提高。在此也向他们表示衷心的谢意。 在实验室工作与撰写论文期间，得到了郝建芳博士、曲建军博士、马鸣楠博 士、曲村博士、辛涛博士等极大的鼓励和支持。在长期与他们一起做科研的过程 中，他们所表现出来的扎实的专业知识，活跃的思维，严谨的作风及刻苦钻研的 精神令人钦佩，并深深感染着我，促进了我专业知识的掌握及科研能力的提高。 这对于我撰写论文期间所做的研究工作不无裨益。另外在模型的计算过程中，同 门乔神路、滕东字为我提供计算机资源，在此深表感谢。同门乔神路、刘玮、郭 积程、滕东宇，他们身上表现出来的扎实的专业知识、严谨的科研态度无不深深 感染着我。 另外，也特别感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 霈卫华 二o o 九年五月 i 绪论 1 1 研究的目的和意义 1 绪论 从世界重载运输技术的进步趋势来看，尽可能提高轴重，充分利用现有站线 长度，已逐渐成为今后重载运输的主流方向。大轴重货车具有广阔的发展前景。 国外一些铁路发达国家一直致力于提高货车车辆轴重。美国早在2 0 世纪6 0 年代后期货车轴重就已达到2 4 9 t ，随后提高到了2 9 9 t ，在北美，这种2 9 9 t 轴重 车已经正常运营了三四十年之久。2 0 世纪9 0 年代，北美铁道协会开始研制轴重 3 5 3 7 t 用于重载单元列车的大型货车，其运输效率极为显著。加拿大、澳大利亚 等国重载铁路的轴重普遍达到3 2 5 3 5 7 吨，与之相比，我国货车的最大轴重仅 为2 5 吨，差距还很明显，我国货车轴重向2 5 吨以上发展已成为必然趋势。 我国铁路面临着由沿用多年的常规货运模式向货运重载运输模式转变的关键 时刻，面i 晦着许多技术方面的问题，因而需要不断加以研究和实践。 列车重量特别是车辆轴重的增加使得轨道结构问题日益突出。重载列车对轨 道结构的破坏作用及对线路变形的影响，均较普通列车大为增强。因此，发展重 载运输必须要解决好轮轨之间的动力作用问题，努力减轻重载列车与线路的动态 相互作用，从而降低重载线路养护维修工作量和费用，提高重载运输的安全与效 益。 本文以货车轴重3 0 吨为例，通过分析研究，对重载轨道结构的参数设计提供 建议，为3 0 吨轴重的轨道结构的选型以及设计和决策提供理论上的依据。该课题 不仅具有理论意义，也有重要的现实意义，对我国重载运输技术提供参考和依据。 1 2 重载铁路概况 当今世界上的重载铁路主要集中在北美( 包括美国、加拿大、墨西哥) 、澳 大利亚、南非、巴西以及中国。 北京交通人学顷学位论文 12 1 国外重载铁路运输 美国的重载铁路研究水平在国际上最为领先，位于科罗拉多州的a a r 所属 的运输试验中心t t c i 已经在大轴重( 3 6 吨及以下) 重载方面取得了大量的研究 成果，另外北美铁路现在运营的重载铁路轴重基本上在3 0 吨以上，所以已有丰富 的实用经验。 下面就世界上主要的采用重载运输的国家进行介绍。 ( 1 ) 美国 美国于上世纪7 0 年代束在一级铁路开始了重载运输p ”，从1 9 9 0 年后，美国 重载铁路标准轴重增至3 3 t 。美国重载铁路每年运输约8 亿吨煤，占总货运量的 4 2 。低硫煤产地主要集中在蒙大拿州与怀俄明州之间的粉河矿区，与中部和东 部6 0 个发电厂相距1 5 0 0 2 0 0 0 k m 。柏林顿北方圣太菲铁路公司的重载列车一般 由i i s 辆铝制煤斗车编组而成。长1 8 6 0 m 载重1 2 2 2 7 t 。一条主要干线每年可运 送2 亿吨。柏林顿北方及圣太菲铁路、联合太平洋铁路运输密度较高，每日运行 万吨级重载煤运列车达9 0 3 2 5 列，年运量达2 2 25 亿吨。 由于大力发展重载运输技术，以1 9 8 0 年为基准，1 9 9 9 年北美一级铁路生产 率提高了1 7 1 ，货车平均容量提高了1 5l ，运行成本下降6 5 ，运输市场份额 由3 75 提高到4 03 。 附1 - 1 美国重载列车 f i gi - lush e a v y - h a u lt r a i n ( 2 ) 澳大利亚 澳大利亚铁路重载运输的特点【“嚏：机车功率大，使用大轴重专用货车，牵 引吨数1 万2 万t ，站线长，有先进的配套装卸设备。 澳大利亚的主要煤炭、铁矿石储量主要集中在西澳大利亚州的费尔巴拉矿区， 距印度洋海岸2 0 0 4 0 0 k m 。布鲁肯希尔公司( b h p ) 以2 0 8 k i n 和4 2 7 k m 铁路， 分别将亚瑞、纽曼山矿区与黑德兰港连接起来，两线总运量为6 7 0 0 万吨。纽曼矿 山铁路是一条单线内燃牵引准轨铁路，建于1 9 6 9 年，b h p 公司经营铁矿、铁路 及港口，从1 9 7 3 年研究重载运输技术，轴重己提高到3 5 t ，列车编组2 4 0 辆，载 重2 6 0 0 0 t ，7 0 r a i n 完成装车，3 台6 0 0 0 马力机车以3 0 k m h 的速度将列车牵引至 黑德兰港，全程运行时间1 9 h ，在港口4 h 内自动完成卸车。也就是说，2 4 小时内 矿石就从矿区运到轮船上。 1 9 9 6 年，b h p 创造了一项世界纪录：由5 4 0 辆货车组成列车长5 8 9 2 m ，列车 载重7 2 0 0 0 t ，其中净载重5 7 0 0 0 t ( 铁矿石) ，列车由l o 台机车( 3 台机车+ 1 3 5 辆货 车+ 2 台机车+ 1 3 5 辆货车+ 2 台机车+ 1 3 5 辆货车+ 2 台机车+ 1 3 5 辆货车+ l 台机车) 牵引，仅有1 名司机，另外9 台机车由g e 公司生产的哈里斯机车遥控系统控制。 图1 - 2 澳大利亚重载列车 f i g i - 2 a u s t r a l i a h e a v y - h a u l t r a i n 2 0 0 1 年6 月2 1 日，澳大利亚b h p 铁矿公司在扬迪尔黑德兰港间2 7 5 k m 的 线路上，开行了一列装载了8 2 万t 铁矿石，总重达9 9 7 3 4 t ，由6 8 2 辆货车和8 台机车组成的列车，长度达7 3 0 0 m ，这8 台机车是美国g e 公司生产的a c 6 0 0 0 c w 型功率达6 0 0 0 英制马力( 4 4 7 4 k w ) 的交流传动内燃机车，8 台机车在列车内分散 北京交通大学硕士学位论文 布置，每两台一组，分成三组，另外两台单独布置。b h p 靠增加轴重来提高列车 载重量，4 0 t 轴重机车和货车已完成实验。自采用重载技术以来，b h p 公司劳动 生产率逐年提高，成本逐年下降，以2 0 0 0 年与1 9 8 0 年相比，燃油消耗下降4 3 ， 每百万吨矿石运输所需人力从3 0 人减少到5 人。机车车辆无故障运行时间由3 0 0 万吨公里上升到9 2 0 万吨公里，机车车辆利用率提高了3 6 。2 0 0 0 年b h p 公司 全年利润达到5 0 0 亿澳元。 昆士兰铁路( q r ) 是澳大利亚最大的铁路公司，拥有线路长达9 5 0 0 k m ，煤炭 和矿石运量占其货运总量的9 0 以上。昆士兰煤运重载铁路全部是轨距为 1 0 6 7 m m 的窄轨铁路，它连接着昆士兰六大煤矿系统与煤炭输出港口的六大煤码 头，煤运重载铁路全长2 0 0 0 k m ，其中7 0 是电气化铁路。昆士兰煤矿是世界上 最大的煤矿之一，煤产量逐年上升，1 9 9 4 年为8 5 0 0 万吨，2 0 0 0 年达到1 2 6 0 0 万 吨。在窄轨条件下，采用交流传动的电力或内燃机车牵引轴重为2 6 吨的重载敞车， 列车由1 2 0 辆载重9 0 t 的货车组成、总重l1 0 0 0 t 。采用底开门运煤敝车自动卸煤， 每个卸煤站每小时可卸4 0 0 0 t 。在g l a d s t o n e 煤码头，共2 条卸煤灯泡线，长度为 3 3 k m ，每年可卸煤3 6 0 0 万吨，煤码头上采用全自动传输装置装船，装载速率为 4 0 0 0 t h ，2 个装船位年装船量可达3 0 0 0 万吨年，经济效益显著。这条铁路还承 担旅客和其他货物运输，旅客列车为摆式车体，时速达1 6 0 k m h 。 总体上看，澳大利亚在重载方面采用的主要技术措施是提高货车轴重，增加 列车编组数量。如b h pi r o no r e 公司为了提高列车重量和降低运营支出，采取的 重要技术措施也是将货车轴重由3 2 5 - 3 5 t 提高到3 7 5 t 。另外，澳大利亚b h p 公 司重载铁路的平均轴重已经达到4 0 t ，最大轴重达到4 5 t 。从这些发展趋势来看， 进一步增加轴重更有利于重载运输效率的提高。 ( 3 ) 南非 煤炭出e l 对于南非的经济非常重要。s p o o m e t 公司每年大约有6 6 0 0 万t 煤是 通过2 4 k m 长的单元运煤列车在埃尔梅洛矿山与理查兹湾港口之间的运煤专线上 运输的，这是一条符合a a r 和i h h a ( 国际重载运输协会) 标准的铁路线。 南非有两条重载铁路【3 8 】：理查兹湾运煤专线和o r e x 矿石运输专线( 锡申。 萨尔达尼亚) ，这两条线于7 0 年代末采用重载技术，列车重量都在2 1 0 0 0 - 2 2 0 0 0 吨。 4 i 绪论 o r e x 铁矿重载铁路为单线准轨，全长8 6 0 k i n ，锡申一萨尔达尼亚铁路1 9 7 6 年开始运营时，列车由6 台内燃机车牵引2 0 2 辆矿石车，列车总重1 7 0 0 0 吨，1 9 7 9 年初实现电气化，1 9 8 1 年开始使用3 台电力机车牵引2 2 0 辆大型矿石车，总重达 2 2 8 8 0 吨。从1 9 8 0 年到2 0 0 0 年，年运量由9 0 0 万吨提高到2 6 0 0 万吨。 理查兹湾运煤专线为窄轨复线铁路，全长6 0 0 k m ，轴重2 6 t ，主要运输出口 煤炭，货车轴重2 9 t ，是世界米轨铁路之最。s p o o m e t 公司多次打破米轨世界纪录， 最新纪录是：1 6 台机车牵引6 6 0 辆货车，载重7 0 0 0 0 t ，列车长7 5 k m 。从1 9 8 0 年 到2 0 0 0 年，年运量由1 9 0 0 万吨提高到6 8 0 0 万吨。在1 9 9 9 年下半年开始进行试 验这列重达2 2 万t ，长达2 4 k m 的列车长龙，它由5 0 个车辆单元及6 台机车组 成，每个车辆单元包括4 辆货车，各个单元之间通过牵引杆互相连接；6 台机车 中有4 台在前面拉，2 台在后面推。这是世界上第一次同时在一列运营列车上采 用电空制动和动力分散的技术，也是第一次在电气化铁路上同时采用这两种技术。 ( 4 ) 瑞典 瑞典铁路北部的挪威瑞典矿山铁路( l k a b ) 全长5 4 0 k i n ，是瑞典北部专用的 矿山铁路，1 8 8 8 年开通时，轴重只有1i t 。1 9 1 5 年实现1 5 k v l 5 h z 电气化( 是瑞典 第一条电气化铁路) 。1 9 9 7 年前开行2 5 t 轴重、编组5 2 辆、全列车重量为5 2 0 0 t 的重载列车。1 9 9 7 年开始提高轴重到3 0 t 。瑞典l k a b 公司对这条线的全部1 1 4 座桥梁进行检测与试验。试验表明所有既有混凝土桥梁均可使用3 0 t 轴重。为此， 瑞典对线路进行了一系列加固改造，包括把6 0 的钢轨更换为1 1 0 0 号材质5 0 k g m 钢轨。并于2 0 0 0 年购置了a d t r a n z 公司的三轴径向转向架轴重为3 5 t 、功率为 5 4 0 0 k w 的交流传动电力机车及南非制造的轴重3 0 t 新型矿石敞车，随后开行了轴 重3 0 t 、全长7 4 0 m 、6 8 辆编组、牵引重量8 5 0 0 t 的重载列车。重载列车轴重的提 高使l k a b 公司的运输成本降低3 5 ，年运量从2 0 0 0 万t 提高到了3 0 0 0 万t ， 使l k a b 公司有能力与澳大利亚、巴西、加拿大同业进行竞争。 ( 5 ) 加拿大 加拿大一级铁路标准轴彰3 3 1 于1 9 9 5 年改为3 3 t ，太平洋铁路( c p ) 的重载列车 由l l o 辆货车组成，列车载重1 5 0 0 0 t ，把塞尔柯克矿区的煤运至鲁珀特港以便出 口到日本，或者把出口到中国和日本的谷物从1 7 0 0 k m 多外的内地运出来，每年 通过c p 重载铁路运输出口到亚洲的硫、钾矿达5 0 0 0 万t 。加拿大铁矿集中在魁 5 北京交通大学硕士学位论文 北克省。矿区至圣劳伦斯河港口的2 条准轨重载铁路每年运出4 0 0 0 万吨矿石。卡 提尔铁路长4 6 0 k m ，已成功地开发了拉克加麦恩、火湖等矿区，怀特山是现在唯 一正开采的矿区。列车由3 台机车和1 5 6 辆货车组成，轴重3 1 t ，年货运量1 5 0 0 2 0 0 0 万吨。魁北克北岸拉布拉多铁路在卡提尔铁路东面，连接翁加瓦矿区与圣劳 伦斯河七星港，线路长6 3 9 k m ，列车编组l1 7 - 2 6 5 辆、轴重3 2 5 t 、总重1 3 0 0 0 - 3 0 0 0 0 t ，最长3 3 0 0 m ，年货运量2 0 0 0 万t 。 在重载运输中，加拿大国家铁路公司( c n ) 和加拿大太平洋铁路公司( c p ) 均采用了固定班列的组织形式。c n 将每辆车和每个集装箱都按照列车班次列入 计划，并建立了运程管理信息系统，监视和控制每一车次的运输过程，向用户提 供及时、精确的运输信息；c p 每季度调整一次列车班次，以适应季节性的运量波 动。 综上所述，世界重载运输相关数据如下表所示： 表1 1 世界重载运输数据( 截至2 0 0 2 年) f i gl lt l l ew o r l d sh e a v yh a u ld a t a ( a so f2 0 0 2 ) 主要重载线路运营里程 国家轴重( t )牵引重量( t )备注 代表 ( k m ) b n s f 、u p 、c s x 、 美国 1 9 2 9 0 03 5 7 3 912 0 0 0 2 0 0 0 0 n s k c s 、i c 加拿大 c p 、d n4 7 0 0 03 5 7 3 9l2 0 0 0 2 0 0 0 0 澳大 s h p4 6 23 5 72 0 0 0 0 6 0 0 0 万t 年 利亚q p1 6 0 02 58 0 0 0重载占8 6 南非 o r e x8 6 8 2 8 3 02 0 0 0 0 单线3 5 0 0 万t 年 r e c h a r d5 6 02 62 0 0 0 08 0 0 0 万t 年 单线3 5 0 0 万t 年 卡拉其 8 9 23 02 1 0 0 0 巴西 单线1 0 0 0 0 万t 年 维多利亚9 8 03 01 5 0 0 0 单线3 0 0 0 万t 年 瑞典 l l ( a b 5 4 0 3 08 5 0 0 6 l 绪论 从上表可知，截至2 0 0 2 年，重载铁路最大轴重已达3 5 7 t ，正在积极研究3 9 t 轴重的可行性。美国、加拿大、澳大利亚等国家的重载铁路轴重普遍达到3 2 5 t 至 3 5 7 t ；瑞典、巴西的重载列车轴重已提高至w j 3 0 t ；南非重载列车轴重提高到了 2 6 t ( 窄轨) ；列车牵引质量普遍在2 万t 左右。南非、澳大利亚的重载单元列车牵引 质量已超过2 万t ，澳大利亚b h p 重载铁路已进行8 2 万t 铁矿石的重载单元列车试 验。 截至2 0 0 8 年，世界货车轴重的发展又有了新的篇章，最新的资料表明，澳大 利亚b h p 公司重载铁路的平均轴重已经达到4 0 t ，最大轴重达到4 5 t 。列车牵引质 量也已经向1 0 万t 铁矿石的重载单元列车试验迈进。 1 2 2 国内重载铁路运输 ( 1 ) 发展历史 我国重载运输9 1 起步于8 0 年代，借鉴国外的成功经验，通过了一系列的实验， 首先选择了煤炭运输通道上能力紧张的区段作试点。通过逐步扩大重载列车的开 行范围和数量，找到了一条缓和运能与运量矛盾的重要途径。我国铁路重载运输 主要：通过两种途径实现，即新建大能力、高标准的重载列车运输专线和有计划地 对既有线进行配套改造。 根据重载列车运输组织模式的不同，我国铁路运输发展大体上可分为三个阶 段。 第一阶段 第一阶段自1 9 8 4 年至1 9 9 0 年，为改造旧线、开行组合重载列车阶段。 经国务院批准，1 9 8 4 年1 1 月7 日成立了组合列车开行实验领导小组，选择 了晋煤外运通道丰沙大线和京秦线为试点，开行固定式组合重载列车。采用 n d 5 内燃机车，双机牵引7 4 0 0 t ，使用c 6 1 缩短型敞车和装有配套技术的新型c 6 2 a 车辆。根据货流特点，采取了固定车底、固定机车、固定发到站、固定运行线， 从大同西站出发直达秦皇岛东站，卸车后原列空车返回，进行循环拉运，1 9 8 5 年 3 月2 0 日正式开行。同年3 月铁道部还决定扩大试点范围，山海关至沈阳问实验 开行“非固定”式组合列车，1 9 8 5 年8 月正式开行7 0 0 0 吨重载列车。1 9 8 5 年7 月 北京、济南两局于石德线和津浦线在石家庄至济南间开行了“非固定”式组合列车。 7 北京交通大学硕上学位论文 后又在郑州局平顶山至武汉间双机牵引6 5 0 0 吨，上海、济南局于徐州北至南京东 间双机牵引7 0 0 0 - - 8 0 0 0 吨的组合列车也相继开行。 组合式重载列车自1 9 8 5 年3 月正式开行起，到1 9 9 0 年底共计开行了1 0 3 3 9 列，对扩大晋煤外运数量，缓解沿海繁忙干线能力紧张，促进国民经济的发展作 出了重要贡献。 第二阶段 第二阶段自1 9 9 0 年至1 9 9 2 年为新建大秦铁路运煤专线，开行单元式重载列 车阶段。 。 大秦铁路是借鉴加拿大、澳大利亚等国开行重载单元列车的经验，在国内新 建的第一条双线电气化重载运煤专线，全长6 5 3 k m 。大秦铁路分两期修建。第一 期大同大石庄4 1 0 7 8 8 k m ，1 9 8 8 年1 2 月2 8 日建成开通；利用法国进口8 k 型电 力机车和c 6 3 型车辆( 装有可旋转式车钩) ，实验开行了单机牵引6 0 0 0 t ，双机牵引 1 0 0 0 0 t 单元式重载列车。第二期大石庄柳村2 4 2 2 3 2 k m ，1 9 9 2 年1 2 月2 1 日建 成开通。同时秦皇岛三期煤码头投产，全线正式开行列车重量为6 0 0 0 吨和万吨单 元列车。 第三阶段 第三阶段自1 9 9 2 年以后，对沿海繁忙干线逐步改造，开行整列式重载列车阶 段。 铁道部为了进一步扩大京沪、京广两线运输能力，缓解线路紧张状况，决定 开行双机牵引5 0 0 0 t 整列式重载列车实验。京沪线于1 9 9 2 年8 月6 日在徐州北至 南京东间，利用2 台n d 5 型机车牵引6 4 辆货车，总重5 1 3 4 吨，京广线于8 月 1 2 日石家庄至郑州北间由两台北京型机车牵引6 5 辆货车，总重5 1 1 9 吨，两线均 实验成功。 目前京沪线、京哈线、京广线等全国铁路六大干线普遍开行5 0 0 0 t 的重载列 车，部分线路达到5 3 0 0 t - - 6 5 0 0 t ，大秦线已普遍开行1 0 0 0 0 t 的重载列车，并成功 开行了2 0 0 0 0 t 重载列车。据初步统计，截止2 0 0 5 年底，全国5 0 0 0 t 及以上的重 载运输线路里程达到l1 0 0 0 公里，主要包括京哈线、哈大线、京沪线、京九线北 京至阜阳段、京广线北京至武汉段、陇海线郑州至徐州段、石德线、大秦线、侯 月线、神朔黄线、大准线、京秦线、新菏兖日线、新月线、同蒲线、滨洲线、滨 8 绥线等。全国铁路到发线有效长度1 0 5 0 米，线路约l 万公里，占铁路总里程1 3 ； 到发线8 5 0 米线路里程约35 万公里，占铁路总里程4 7 。 ( 2 ) 大秦线概况 长期以来，铁路在我国交通运输中一直起主导作用，承担着全国近7 0 的货 运量和近6 0 的客运量，但铁路路网里程少，技术设备差发展速度缓慢，运能 与运量矛盾十分突出尤其是沿海及繁忙干线运输能力严重不足。大力开展重载 运输，加速提高铁路运输能力，是铁路发展的一个重要途径，2 0 世纪8 0 年代初， 经过多次论证，国家做出了修建裁国第一条电气化重载铁路大秦线的重要决 策，拉开了我国重载铁路运输的序幕。 在1 9 8 3 年，由铁科院主持，环形线万吨列车试验i 取得成功。同年，我国 第一条重载专用线大同秦皇岛线开始正式修建作为国家重大技术装备项目， 大秦线成套技术装备开始研发制造。1 9 8 8 年，大秦线一期工程完成并开通运营， 1 9 9 0 年在大秦线上进行了万吨重载列车运行试验和s s 3 电力机车双机组合牵引万 吨重载列车运行试验。1 9 9 2 年大秦线i 亿吨配套工程完成，年运煤炭达到7 0 0 0 万吨。2 0 0 2 年，大秦线已达到了l 亿吨年运量的目标，全年完成煤炭运量达1 0 3 4 0 万吨。2 0 0 2 年1 1 月，我国另一条单元式重载铁路神黄线己全线通车。我国 重载铁路已经完全达到了国际重载铁路协会( i i _ h a ) 的叶f 业标准”。我国现在 是1 h h a 理事成员国，高密度、大运量、较大轴重是中国重载铁路最重要的特点， 而大秦线是中国最典型的重载铁路线。 困1 - 3 大秦线重载列车 r gl - 3d a q mb 朗v y - h a u lt r a i m 大秦线2 0 0 4 年底年运量已突破1 5 0 m t ( 1 5 亿吨) ，超过远期设计能力的5 0 ， 北京交通大学硕士学位论文 2 0 0 5 年为2 0 3 亿t ，2 0 0 6 年突破2 5 亿t ，2 0 0 7 年实现3 亿吨的目标，年运量及 其增长速度堪称世界第一。 大秦线的货车轴重2 1 t 、2 3 t 。2 0 0 2 、2 0 0 3 年c 7 6 、c 7 8 和c 8 0 车辆相继上线 使用，所以现在形成了2 1 t 、2 3 t 、2 5 t 轴重并存的状况，目前c 8 0 已成为主型车。 从速度上来讲，限于某些车辆结构的问题，大秦线一般规定重车最高速度 8 0 k m h 、轻车7 0 k m h 。这样的行车速度在世界重载铁路中也是较高的。 在线路维修方面，大秦线在开通初期，天窗时间为1 8 0 m i n 。1 9 9 0 年实行垂 直天窗调整为1 4 0 m i n ，2 0 0 2 年实施v 型天窗，改回1 8 0 m i n 。实际上，由于列车 密度不断增加，天窗兑现率也就在5 左右。所以，我国重载铁路的线路维修时 间极短。 1 2 3 国外重载铁路轨道结构 重载铁路的基本特征是运量多、轴重大。尤其是轴重，作为车辆每一轮对加 于轨道上的力，它对轨道结构与线路状态产生着直接而严重的影响。 ( 1 ) 美国 随着北美铁路货运强度与轴重的增加【1 9 】( 例如在联合太平洋铁路的一个区段 上，从1 9 9 2 年到1 9 9 6 年，年运量就由9 0 0 0 万吨增加到1 6 亿吨，而由大轴重车 辆运输的货物所占比例从0 增加到3 8 ) ，车辆对线路的动态影响也在增加，这 样就对线路质量提出了更高的要求。线路质量主要取决于线路结构和修建时所用 的材料，以及线路日常养护维修的最佳组织工作。 在北美繁忙的铁路线上，铺设钢筋混凝土轨枕的路网正在扩大。在现实运营 条件下，通过许多区段上进行的试验，发现这种轨枕有一系列的优点，例如，在 c s x 运输公司铁路某区段半径为2 0 8 m 的曲线上，在检查钢筋混凝土轨枕时，没 有发现钢轨垫板下的钢筋混凝土轨枕表面有磨损现象，也没有其它任何损伤。尽 管轴重有了提高，钢枕中部的弯曲应力仍低于容许值。随着所通过列车重量的增 加，线路的损坏频率就会增加，在这种条件下，货运强度高的线路就需要一些对 横向阻力较大的扣件和对垫板挤压轨枕力有很大阻力的扣件。 道岔和菱形交叉是薄弱环节，特别是在轴重提高的线路上，由于它的使用寿 命比普通线路上的钢轨要短，因此它在很大程度上会使铁路运输过程的效率大为 1 0 降低。解决此问题的可行方法之一就是打磨，打磨可以保持线路r 部建筑构件最 佳断面，并且能增加两次定期焊接修理之封的时m 。 车轮与钢轨接触区的几何特性、以及走行表面打磨对于钢轨疲劳缺陷【】q 的发 展速率有很大影响。在涂油的钢轨l ，轨头的打磨和油的质量对钢轨的侧磨会产 生很大的影响。在相当的养护维修和适当的涂油水甲下，高强度钢轨比以前试验 用的钢轨具有更长的使用寿命。 图1 4 钢轨伤损 f i 9 1 4 r a i ld e f e c t 道岔的使用寿命，在很大程度上取决于钢轨钢的质量，而耐磨合金钢制造的 a r e a 标准道岔，证明在大轴重条件下具有很长的使用寿命。 随着小半径曲线线路上运量的增加，在木扰和道钉扣件的线路上运行大轴重 车辆时，轨距会扩大，返就需要增加轨距调整的工作量。在使用轨距杆扣件固定 时，轨距扩大的情况大大减少，这样就能够延长木枕的使用寿命。 人轴重对于道床的使用寿命无明显影响。道床材料的使用寿命，主要决定于 通过总重。 ( 2 ) 澳大利亚 澳大利亚b h p 公司重载铁路存在的主要问题是钢轨出现严重损伤。钢轨打磨 ( 特别是钢轨的工作边) 和改变车轮轮廓，对于改善钢轨状态具有重要的意义。 通过强化钢轨轨头、提哥钢轨锎的质量以及打磨车轮和钢轨的断面，钢轨缺陷明 显减少。 新铺设的钢轨，应尽可能提前进行断面打磨以避免在初磨过程中出现很大 的接触应力：此外，打磨还能提高车辆的稳定性。现在，b h p 的研究部门已经为 拟采用的新型车辆研究确定了轨头的昂佳断面。 北京交通大学硕士学位论文 过去用铝热焊的钢轨接头上出现了水平裂纹的问题。在几年时间内，由于改 进了焊接工艺和在焊接过程中的一些措施释放应力，这样的缺陷数量出现减少。 从钢轨可靠性的角度考虑，焊接质量具有决定性的作用。 从8 0 年代末开始，b h p 公司采用钢筋混凝土轨枕更换木轨枕，它们的计算 承载轴重能够达到4 0 吨，而且可以保证线路的稳定性。每隔1 2 个月( 通过总重 l 亿吨) 进行一次道床清筛和整平。 ( 3 ) 南非 南非赛申一萨尔达尼亚铁路用于连接赛申铁矿厂和南非西海岸的塞尔达尼亚 港。这条用于外送铁矿石的铁路是一条单线铁路，轨距为1 0 6 5 m 。运行在该线上 的货车轴重超过3 0 吨，轨道采用的钢轨为铬锰合金轨，钢轨断面符合“u i c 6 0 标准，最小抗拉强度为1 0 0k e d m m 2 ，使用寿命很长。这种类型的钢轨在欧洲只用 小半径大运量的曲线。 轨枕为预应力混凝土轨枕，轨枕的间距为0 6 5 m 。借助浇铸于轨枕中的塑料 和位于轨底与轨枕顶面之间的橡胶垫板，f i s t 扣件把钢轨固定在轨枕上。轨道每 米重5 8 0 - - 6 0 0 k g ，铺设于道砟层上，枕下的道砟厚度为2 2 c m 。 ( 4 ) 俄罗斯 l 、钢轨 俄罗斯重载铁路【删采用重型钢轨。经研究，俄罗斯铁路部门认为：为了发挥 7 5 k g m 钢轨的重型优势，必须对钢轨实行热处理，不经热处理的普通7 5 k g m 钢 轨因轨头伤损而限制了优势的发挥，因此俄罗斯铁路规定重载干线的6 5 k g m 和 7 5 k g m 钢轨一律实行热处理 在成功运用6 5 k g m 钢轨后，又研究比较了7 5 k g m 轨轨头淬火和全断面淬火 两种热处理的效果。根据研究，从提高轨头强度，减少轨头伤损角度看，两者差 别不大。虽然理论上讲全断面淬火更好，韧性性能均匀，但结合现有的实际工艺， 为节省能耗，7 5 k g m 钢轨仍主要采用油淬工艺的余热全断面淬火处理。 在开发重型轨道结构的过程中，俄罗斯铁路充分将上述特点与轨道结构既有 部件的功能融合在一起，实现了各部件的合理发挥以及养护维修技术的统一协调， 较好地实现重载轨道的各种功能。 2 、扣件 1 2 1 绪论 扣件体系采用分开式扣件，带金属垫板，双层橡胶垫层，以提供足够的轨道 弹性，并实行两次振动滤波，使轨下基础的振动及其变形大为减缓。分开式扣件 刚度只有6 0 t c m ，但却通过分层扣压保证了纵向阻力。采用分开式扣件虽在扣件 上多花费材料，但它带来了整体轨道弹性好，轨下基础稳定的优点，可降低对道 床的弹性要求，使道床主要发挥稳定的功能，并延长道床维修中修周期，轨枕等 部件伤损也得到大大的减少。 3 、轨枕 混凝土轨枕发展新的大断面型式，提高纵横向阻力，增大道床支承面积，减 轻道床荷载，有利于道床稳定和减少维修。 4 、道床 道床提供稳定而均匀的基础，保证线路特别是无缝线路或重载长大列车运行 的线路具有足够的稳定性，尽量提供弹性，保持良好状态，防止脏污，维持足够 长的稳定时间，同时还应有良好的排水性和维修的方便性。为了提高道床的稳定 性能，同时防止道床脏污，在经济上容许的条件下，俄罗斯铁路在重载线路上大 量采用石棉道床( 下层碎石，面层石棉道床) ，这对于延长道床的使用寿命十分有 利。 5 、道岔 俄罗斯联邦铁路在重载繁忙干线上，主要采用6 5 k g m 或7 5 k g m 轨1 1 1 高锰 钢铸造心轨( 带翼轨受磨部分) 与标准轨组合辙叉单开道岔。转辙器部分结构为： o p 6 5 或o p 7 5 尖轨、割线型平面、r = 3 0 0 m ，间隔铁鱼尾板式占长端结构。基本 轨和尖轨经全长表面淬火( 硬度3 8 8 h b 以下) ，滑床台高4 0 m m ，与垫板用铆钉 固定；滑床台扣压基本轨轨侧轨底坡部分有较大的加工公差，因此在尖轨全长范 围内基本轨外侧均设置轨撑。辙叉下设大垫板。高锰钢铸造心轨( 带翼受磨部分) 表面均经爆炸预硬化处理，以延长辙叉抗磨的使用寿命。护轨为加高型( 高2 2 m m ) 特种断面，与走形轨用间隔铁、螺栓联结。除转