适合重载应用的轨道扣件

轨道扣件专家 David Rhodes 博士探究如何利用扣件规格满足重载铁路的特殊要求

“表面看来，重载铁路应用中的轨道扣件与任何其他铁路中的扣件并无不同。更重的轨道段和更小的轨枕间距可以补偿更大的轴重，并且施加在扣件上的荷载也不需要比平常更高。但是，在实践中，专业重载铁路运营商所要求的方法与平常所用的轨道组件设计方法大相径庭。

轨道扣件系统的详细设计影响着许多参数，例如轨距、轨道刚度和轨道倾斜度，所有这些进而又会影响到轮轨接触的机械性能。当然，这一切都使得扣件规格成为保持铁路顺畅运行的关键因素，但在重载铁路的情况下，还需要重视另外三个因素，因此使得这些要求更具挑战性。

高年货运量

首先，与传统铁路相比，重载铁路的年货运量会非常高。 在传统应用中，每年两千万吨货运量就意味着是一条相当繁忙的线路。但在重载铁路运营中，每年两千万吨货运量并不稀奇。这带来的明显影响是，如果在承受累计相同的货运量后，组件需要维护或更换，则维护的间隔周期会大大缩短。较不明显的一点是对生命周期成本分析带来的影响。对于传统铁路，维护活动对净现值的影响可以忽略不计，因为这些活动可能在遥远的未来发生，但对于重载铁路，维护活动则会重要得多。

在轨道扣件的具体层面，维护和更换成本中组件本身的成本并不占大头，人力成本和因轨道关闭造成的损失才是关键。仅在开展其他维护工作（例如，重新铺设轨道）时更换小型轨道组件才具有可观的经济效益。这意味着，确保扣件组件的使用寿命超过轨道的使用寿命，可以节省大量资金，但随着轨道使用寿命延长，这也会变得更具挑战性，现在，美国主要重载铁路在直线轨道上的预期寿命货运量为 30 亿吨。对于年货运量很高的重载线路，该节约的净现值足够高，有理由对更久经耐用的组件进行投资。

高牵引力

其次，牵引力对纵向轨道应力产生的影响会非常大。对于大多数铁路，一旦设计出的轨道能够应对由于钢轨热胀冷缩而产生的力和最大预期制动力，则该轨道通常足以承受施加的牵引力。 在重载铁路应用中，事实并非如此。在持续施加高牵引力的坡道上，列车经年累月行驶，可以引发在其他地方不会出现的轨道故障模式。通常，故障的第一个迹象是轨枕不均匀运动，即出现相对于钢轨和道砟的倾斜和移位。

针对该问题的解决方案在于设计、建造和维护高质量道床，并注意选择具有适当纵向剪切弹性的轨道扣件。 在多条铁路上进行的多年测试结果显示，不同类型的轨下垫板（在传统型式认证测试中具有相似的性能）在减轻高牵引力影响方面具有截然不同的性能。

极端气候

最后，关于在全球一些最恶劣环境下必须具备的所有要素，重载铁路的要求也会与众不同。随着不断开采更加偏远地方的矿产，尤其是铁矿石，需要建造可以在极端气候条件下建设、运行和维护的铁路。对于采用钢材和混凝土制造的组件而言，这不会太困难，但在极端温度和湿度条件下，有两个要素会表现得截然不同。

最大的技术问题是与塑料部件相关的问题。在轨道扣件系统中，塑料用于提供电气绝缘、弹性，有时还用于一次性磨损元件。诸如尼龙的材料在大多数气候环境下都具有良好的性能，但在高温、潮湿条件下会出现软化，以及在干燥条件下会变得易碎。现已开展了大量工作，旨在找到能够减轻这些影响的添加剂，或评估对完全不同的工程聚合物的使用，这些工程聚合物可能不会在一般条件下具有最佳性能，但在广泛的极端环境中具有良好的工作性能。

不能在极端气候下良好工作还有人体！这可能听起来不像一个技术问题，但实际上，我们仍需要使用大量人工来进行轨道施工和维护。在交通不便和不适合居住的地方建造重型线路时，引入更多自动化设备和延长维护间隔的压力会增加，因为还必须考虑额外的人力因素。

规范和标准

如今，大多数重载铁路的计划和建造都不是既有铁路公司提出的，而是由矿业公司提出。铁路成为采矿项目的一部分，因为铁路是将大宗商品从源头运送给消费者的最经济、最可靠的方法。因此，在大多数情况下，铁路的整个设计、建造，甚至运营工作都会与任何其他资本投资一样进行竞争性招标。该过程要求提供技术性能规格（可以写入商业合同）。但问题是，目前尚无将上述各个因素纳入考量的既定技术标准。使问题更加困难的是，单一铁路网络中现存的技术标准密切互相依赖。

例如，计算用于测试轨枕或轨道扣件系统的荷载时，会以道床刚度和一致性假设为基础。这进而又基于另一个假设：遵守在系统中其他地方指定的轨道维护极限，这些极限基于对特定轨道和交通情况的实证分析。 简单地将某一条铁路的技术规范应用到世界上不同地区的另一条铁路的做法是远远不够的。好在重载铁路行业在共享技术知识方面（通过 IHHA 等组织）有着斐然的记录。通过这一过程，可以将最佳实践“出口”到新的和更具挑战性的项目。