高速铁路线路设备大修现状与发展趋势.pdf
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1、第 63 卷 第 8 期2023 年8 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.8August 2023文章编号:10031995(2023)08000107高速铁路线路设备大修现状与发展趋势吕宋1,2 魏少伟1,2 靳昊1,2 蔡德钩1,2 杨轶科1,21.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081;2.北京铁科特种工程技术有限公司,北京 100081摘要 针对国内外高速铁路线路设备大修管理机制、实施技术方案及应用等开展了调研分析,总结了高速铁路线路设备大修现状,并对大修技术发展进行了展望。结果表明:日本、德国、法国等国家依据自身线路特点与
2、施工条件,明确了换轨、清筛等线路大修的周期或标准;中国初步开展了钢轨、扣件、道岔更换,有砟道床清筛等高速铁路线路设备大修技术研究及现场应用,尚未形成较成熟的线路设备大修技术与标准体系。高速铁路线路设备大修技术的发展方向概括为:持续跟踪并掌握更长时间维度钢轨、道岔、有砟道床线路设备劣化发展规律;建立完善的钢轨、扣件、道岔、有砟道床、无砟道床服役状态检测评估体系;提出高效率、低成本、精细化的大修施工方案;形成检测、评估、设计、实施、验收的全链条大修管理模式。关键词 高速铁路;大修现状;调研分析;线路设备;钢轨;扣件;道岔;有砟道床中图分类号 U238 文献标识码 A DOI:10.3969/j.i
3、ssn.10031995.2023.08.01引用格式:吕宋,魏少伟,靳昊,等.高速铁路线路设备大修现状与发展趋势 J.铁道建筑,2023,63(8):17.中国普速铁路线路设备修理分为维修和大修。线路设备维修是根据线路设备变化规律,维持列车以规定速度安全和不间断地运行而对线路进行的日常维护和小规模修理。线路设备大修是为全面恢复和提高线路设备固有可靠度而对线路进行的大规模修理。根据线路设备各部件状态变化规律的不同,普速铁路线路设备大修可分为钢轨大修、道岔大修、轨枕大修、道床大修、线路中修、扣件大修、道口大修及其他大修1。线路设备损耗规律具有周期性特征,是线路大修的主要依据。普速铁路线路设备大修
4、以周期修为主,贯彻运营条件匹配、轨道结构等强、修理周期合理、线路质量均衡的原则。钢轨疲劳、轨道结构及其他部件伤损、道床失去弹性是线路大修的重要依据2。中国高速铁路线路设备维修主要解决单点或局部病害问题,基本任务是保持线路设备状态完好,保证列车能以规定的速度安全、平稳、舒适和不间断地运行,并尽量延长设备使用寿命3-4。针对高速铁路线路设备维修,通过开展科研课题研究以及维护技术应用,中国积累了大量经验,编制了 TG/GW 1152012高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)、TG/GW 1162013 高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)等标准,形成了无砟轨道抬升纠偏、上拱整治等轨道线形保持技术,无
5、砟轨道离缝修补、宽窄接缝伤损整治等耐久性提升技术、关键结构部件快速更换技术等,逐步形成了安全高效成熟的维修施工工艺。高速铁路线路设备大修主要解决成区段连续病害,需成区段加固或更新改造。针对高速铁路线路设备大修,中国已开展部分大修技术研究及现场应用,如武广高速铁路成区段换轨、沪蓉铁路合宁段有砟道床清筛、秦沈客运专线成区段砂浆层修复等工作,但尚未建立线路设备大修标准。中国高速铁路2008年开通运营。随着服役时间延长,受复杂运营条件、气候环境、地质条件等多重因素影响,高速铁路线路设备个别区段已出现小范围连续伤损或失效问题。日本、德国、法国等依据自身线路特点与施工条件建立了相应的大修机制。日本根据钢轨
6、磨耗、道床脏污率、道砟磨损率等明确了钢轨、有砟道床大修时机。德国根据钢轨服役状态明确了钢轨使用寿命。法国高速铁路钢轨、道床大修采用状收稿日期:20220929;修回日期:20230116基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(K2021G015);中国铁道科学研究院集团有限公司基金(2021YJ014)第一作者:吕宋(1992),男,工程师,硕士。E-mail:通信作者:魏少伟(1984),男,研究员,博士。E-mail:铁道建筑第 63 卷态修,根据轨道状态评估结果开展大修。中国高速铁路大修刚刚起步,对线路设备服役状态发展规律、线路设备状态检测与评估技术研究不足,线路设备大修内容
7、、时机、实施方案、质量验收等尚不明确,无法为成区段高速铁路线路设备大修提供支撑。本文从国内外高速铁路大修管理机制、实施技术方案及应用等方面开展调研分析,总结了高速铁路线路设备大修现状,并对大修技术发展进行展望,为中国高速铁路线路设备大修管理体系建立与关键技术研究提供参考。1 国外高速铁路线路设备大修现状 1.1日本日本针对新干线建立了以运营单位为主,专业修理外包第三方的修理机制。前者主要负责安全措施管理、设备性能状态评价、设备投资计划管理、检查验收等;后者主要负责具体施工作业。日本新干线修理的突出特点是管理与施工严格分开。日本高速铁路工务设备的设计寿命为100年,全面大修周期为50年,大修工期
8、为10年。目前已经开始大修的高速铁路为东海道新干线(1964年开通),于2013年开始实施大修,计划2023年3月完工,工程概算总费用约7 308亿日元。线路设备大修综合考虑钢轨磨耗、道床脏污率、道砟磨损率等指标进行状态修。东海道新干线以有砟轨道结构为主,大修内容主要为钢轨大修和有砟道床大修。1.1.1钢轨日本钢轨大修考虑磨耗情况采用状态修,钢轨使用寿命在通过总质量8亿吨以上。有砟轨道、无砟轨道折算使用寿命分别约为15、35年。钢轨检测评估方面,JR九州铁路公司、JR北海道铁路公司、JR东日本铁路公司等单位分别研发了新型钢轨探伤装置,可同时探测横向裂纹和水平裂纹,探测速度为1 m/s,探伤软件
9、可处理超声波探测资料并在终端显示钢轨伤损状态。JR东日本铁路公司研制了钢轨监测装置,安装在运营车辆底部,采用线性传感照相机和剖面照相机对钢轨状态进行检测,利用大量钢轨图像数据进行分析评估。JR北海道铁路公司于2017年引进新型钢轨探伤车,搭载摄像装置与激光位移传感器可连续摄取轨头顶面图像,并可分析钢轨表面波磨变化情况。换轨施工方面,首先将焊轨基地生产的200 m轨条在现场用电弧焊焊接成长轨,再使用换轨小车退出旧钢轨,换上新钢轨。接头焊接打磨后用磁粉探测仪探测钢轨表面伤损,用小型超声波探伤仪探测钢轨内部伤损。线路开通后即可恢复正常速度。东铁工业株式会社研发了新干线换轨大型机械系统,该机械系统为
10、12 辆编组(1 辆轨道牵引车+1 辆钢轨加固车+7辆钢轨运输车+1辆后部运输车+1辆钢轨装卸车+1辆焊轨打磨车),全长230 m。该机械系统一次可装运长150 m钢轨20根,采用大电流闪光焊工艺焊接,单个接头焊接用时约6 min。1.1.2有砟道床日本路基区段有砟轨道大修周期为平均20年一次,是以累计通过总质量为指标。有砟道床劣化状态检查周期为每年一次,根据道床脏污率、道砟磨损率检查结果,按照轻重缓急的原则编制大修计划。对于有砟轨道的综合检测工作,日本铁路采用检测车进行巡检。目前广泛应用的轨道综合检测列车主要有东海道、山阳新干线上的“黄医生”和东北上越新干线上的Easti两种。2017年9月
11、JR西日本铁路公司从意大利MERMEC公司引进了一种欧洲高速铁路广泛使用的轨道部件综合检测车,可对钢轨、扣件、轨枕、有砟道床等轨道部件状态进行自动检测。道床大修作业采用清筛回填车、捣固车、动力稳定车等大型养路机械,利用每天夜间维修作业天窗实施。具体施工内容包括换砟、捣固、道砟整形和动力稳定作业。利用清筛回填车中的大功率真空泵软管将旧道砟从道床中抽送到清筛器,一边将筛除的粉化细粒分离出来,一边往旧道砟中掺入一定比例的新道砟,自动进行筛分和级配,然后将满足级配要求的道砟回填道床。采用普拉塞公司的三枕捣固车进行道砟捣固作业,作业过程中利用自带的轨道检测系统进行线路位置校核,确保捣固后的线路质量和精度
12、。利用道砟整形机铲除多余道砟,填平凹处,一次使道床形成规整梯形。采用加码配重的动力稳定车在整形后的线路上通过,使道床状态达到相对稳定,确保不会出现轨枕负弯矩或者空吊,符合车线耦合动力响应的要求。施工结束后,直线地段直接恢复常速,曲线地段24 h内限速230 km/h,24 h后恢复常速。1.2德国德国铁路路网公司实施设备的管理、检查、修理分离制度。路网设备管理部门负责管理,路网维护部门负责检查养护,路网修理部门负责修理。根据轨道实际状态制定修理计划,实行日常保养、预防性计划维修、紧急补修的管理制度。德国1991年开通两条高速铁路:汉诺威维尔茨堡(长327 km)和曼海姆斯图加特(长99 km)
13、。德国2第 8 期吕宋等:高速铁路线路设备大修现状与发展趋势铁路路网公司从2019年开始对两条高速铁路进行大修,总投入约8.25亿欧元。线路设备大修的主要内容包括更换钢轨、道砟。路网公司制定了20192023年分段大修计划(图 1),将大修对运输的影响降至最低。1.2.1钢轨德国高速铁路初期采用UIC60断面钢轨,材质为UIC900A 热轧钢轨,强度级别为 880 MPa。运输繁忙线路钢轨使用寿命为累计通过总质量 10 亿吨以上,小半径曲线段钢轨使用寿命为累计通过总质量7亿 10亿吨。汉诺威维尔茨堡高速铁路大修工程预计换轨532 km,曼海姆斯图加特高速铁路大修工程预计换轨190 km。201
14、9年68月底在完全封闭的情况下使用轨道更新列车对汉诺威维尔茨堡高速铁路轨枕和钢轨进行了更换。旧钢轨切割成一定尺寸,由几台龙门起重机持续移除旧钢轨,并供应新轨枕。1.2.2有砟道床德国高速铁路以无砟轨道为主,目前尚未开展相关大修作业。针对有砟道床开展更换道砟作业并对道砟加以回收利用。汉诺威维尔茨堡高速铁路在完全封闭的情况下,使用大型机械回收利用了101 km道砟。施工前制定回收测试计划,在每台机械上采集、检查和评估超过70个道砟回收样品,保证道砟回收利用的质量。道砟更新完成后,更换混凝土轨枕和钢轨。1.3法国法国铁路自1976年以来,修理采用总局、地区局和基层维修段三级管理制度。总局负责高速铁路
15、和既有铁路的养护维修管理工作,地区局负责下属综合维修段的管理工作,基层维修段包括若干工区,工区下设班组。法国高速铁路修理包括经常性保养、临时补修和综合性维修,采用管理、检查、修理部分分离制度。经常性保养和临时补修由综合维修段负责,综合性维修外包给线路维修公司。经常性保养主要是给道岔、伸缩调节器涂油等工作。综合维修段的工区、工班主要负责线路、桥梁、隧道的巡视、检查及轨道局部病害的修补。综合性维修包括线路捣固、钢轨打磨、道床清筛、更换轨枕和道岔等。经常性保养一般在白天进行,综合性维修一般在夜间进行。法国高速铁路以有砟轨道为主。依据轨道质量状态分目标、警告、干预、限速四级管理。法国第一条高速铁路(巴
16、黎里昂)经过15年运营后开始进行大修。大修内容包括道床大修、道岔更换等,约 10 年完成。1.3.1钢轨法国高速铁路钢轨的大修采用状态修模式,使用寿命在 35 年左右。法国高速铁路(Train Grande Vitesse,TGV)东南线 1983 年开通,采用强度等级700 MPa的热轧珠光体钢轨。大修换轨的主要原因是钢轨磨耗量达到限值。对于钢轨检测,高速铁路运营初期会定期做超声波检测。若运量大幅上升,检测周期由1年改为6个月,每15 d对轨道检测1次。采用车载轨道检测设备以300 km/h运行速度检测。车载轨道检测设备采用2个摄像机记录钢轨表面的实际状态。钢轨表面的缺陷和不平顺程度由计算机
17、自动划分等级,并找出轨面缺陷和不平顺所在地点。1.3.2道岔法国道岔主要因为轨件伤损而更换。第一代道岔在服役15年后因木岔枕使用寿命到限、可动心轨辙叉伤损等原因更换下线。道岔检测主要使用机械或激光传感器扫描钢轨的轨头廓形,使用分析软件中的车轮廓形尺测得接触点坐标,判断车辆能否安全通过。对道岔直向导轨、辙叉的钢轨件进行磨耗管理。基于历史积累的定量数据可以预测钢轨的剩余寿命,便于工务部门开展修理工作。道岔更换主要是65号、46号、15.3号可动心轨道岔。65号道岔长 220 m,质量 240 t,在搬运和铺设时需分成5段。道岔更换以机械化为主,新道岔先在线路旁的临时场地组装好,采用桥式吊车或双起重
18、臂吊车快速移动。桥式吊车有 18个龙门吊,自身带有动力,双起重臂吊车需要占用所有轨道。1.3.3有砟道床法国北部高速铁路建成较晚,道床使用优质道砟,寿命预期在 23 25 年。为确保道床更换时机合理,使用TIMON计算机系统协助修理人员作决策。道床大修平均工作效率为700 m/d(含更换道岔区部分道砟)。道砟更换深度为枕下35 cm,主要在春、图120192023年分段大修计划3铁道建筑第 63 卷秋季进行。更换道砟时设定邻线列车运行速度限值。道床大修列车长约576 m,由6台机车牵引。其中关键设备是道砟清筛机,横向挖掘宽度为5 m。该列车中的自卸式货车,每台装载石砟40 m3,可将脏污道砟运
19、输到处理地点。道砟大修更换使用的其他设备还包括3台捣固机,2台动力稳定车,2台道床整形车和1台新道砟列车。道床大修更换时每天作业约 4 h,当日施工完成后限速80 km/h运行;第二天进行捣固作业,开通后限速170 km/h运行;第三天进行捣固+整理作业后,恢复常速运行。法国高速铁路在大修后因采用优质道砟并采取较高技术规范来配备轨道部件,限速从270 km/h提高到300 km/h,线路性能良好。2 中国高速铁路线路设备大修现状 目前中国高速铁路线路设备缺少大修相关的技术条件,钢轨、扣件、道岔、有砟道床等尚无相关大修标准。初步开展了高速铁路钢轨大修周期、扣件失效标准、道岔使用寿命、有砟道床清筛
20、时机等研究,并开展了部分大修技术研究及现场应用。2.1钢轨结合钢轨服役现状,中国铁道科学研究院集团有限公司(简称铁科院)从理论层面分析了钢轨磨耗、锈蚀、疲劳等因素对钢轨使用寿命的影响,明确了高速铁路钢轨的大修周期应大于普速铁路,初步提出高速铁路钢轨大修周期为通过总质量10亿吨或使用时间35年5。韦树军6分析了60 kg/m钢轨受力情况,采用日本铁路研究机构的应力-寿命(SN)试验曲线,根据Miner组合法则进行钢轨疲劳寿命的估算。刘亮等7利用断裂力学理论建立高速铁路钢轨剩余寿命(从钢轨裂纹出现到最终断裂)的预测模型,估算了高速铁路钢轨的剩余寿命,认为相同运营条件下U71Mn钢轨剩余寿命比PD3
21、钢轨长。刘丰收8通过对京津城际铁路、武广客运专线、京沪高速铁路、秦沈客运专线等多条线路钢轨磨耗情况的长期跟踪观测,发现直线段钢轨垂直磨耗量和磨耗速度均较小,而小半径曲线地段钢轨侧磨严重,已影响到钢轨使用寿命。周宇等9将车轮通过引起的疲劳裂纹萌生和磨耗发展过程相结合,建立考虑磨耗的钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测方法。许玉德等10采用疲劳寿命预测软件,建立腐蚀伤损在役钢轨剩余寿命分析模型,分析底部腐蚀量、纵向腐蚀长度、轴重、表面粗糙度等因素对腐蚀钢轨剩余寿命的影响。钢轨焊接技术方面,大部分铁路局仅进行过以插入焊为主的局部换轨。长轨车将钢轨运输至施工地点,在一个天窗将500 m钢轨换上并进行锁定焊。焊轨车
22、自2008年在各铁路局使用,采用焊轨车+焊接热处理车的组合模式提高了接头焊接质量,但在施工效率、人员机具调度等方面仍存在优化空间。铁科院针对大列换轨特殊需求,开发了UN200型固定式闪光焊机及配套的感应热处理装置,在换轨列车有限的空间内实现了双焊机并行工作,即双轨并行焊接,并在焊缝不移动、仅焊接设备移动的情况下实现了焊接接头的热处理,大幅提升了高速铁路换轨效率。配合移动式闪光焊机,一个天窗内可更换1 km钢轨。换轨施工技术方面,相关学者结合工程实践开展了研究。张杰等11结合沪宁城际铁路长轨更换施工实践,总结了运营条件下高速铁路无砟轨道长轨更换施工技术。王仕攀等12模拟计算了500 m长轨列车通
23、过曲线段时长轨与每节运载车的相互作用力,针对松8留1、松6留1、松4留1三种扣件拆除方式,分别建立了单节运载车、钢轨、扣件、轨枕相互作用的有限元模型,计算了扣件应力分布,论证了高速铁路大修换轨前采用松8留1扣件拆除方式是安全的。王安民13提出了换轨一体化施工项目集成管理的总体思路,形成不同线路条件下换轨一体化施工方法,重点阐述了换轨一体化施工项目安全风险管理办法。中国铁路广州局集团有限公司(简称广州局)应用一体化换轨技术于20192020年先后三次在京广高速铁路、广深港高速铁路正线成段更换29.5 km伤损轨。通过组合长轨车、车载焊机、换轨车和移动气压焊轨车(图2)在单个天窗内完成一个单元轨节
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