通过适当的能源管理延长铁路基础设施的使用寿命

当前的铁路轨道设计理念是基于铁路系统作为静载系统的概念。这直接转化为两个经典原理:载荷向下扩散和刚度减小。“分层”轨道设计的结果是为了将巨大的轮轨接触应力传递到底土。然而，结果是轨道设计是根据短期系统响应进行调整的。为了优化系统的长期性能，铁路轨道必须被设想和设计为一个动态加载系统，并适当注意通过系统的能量“流”。降解过程受能量转换机制控制，而能量转换机制与时间有关。因此，必须考虑系统的循环动力响应。这种观点将导致降低退化率，减少维护，更好的轨道质量持久性和更低的生命周期成本。

铁路基础设施的设计理念可以追溯到铁路的起源。铁路运输的效率是基于车辆和车辆载体之间非常低的摩擦，这使得能够非常有效地利用位移所需的能量。早期的火车重量相对较大，速度较慢。因此，除了提供引导和稳定性外，负载分散是铁路轨道设计的关键问题。在概念层面上，铁路轨道设计过去是，现在也是，因此是静态的，历史上是由土木工程师完成的工作。静态方法反映在决定铁路建设的两个原则中:载荷扩散或增加组件之间界面的接触面积，以及组件的刚度降低，两者都是向下的。结果是一个“分层”的设计:铁轨、栏杆垫、枕木、镇流器、路基和地面。这两个原则都旨在将极高的轮轨接触应力(这是工程中已知的最高应力之一)降低到这样一个水平，即它们不会在每个连续的轨道层中造成永久变形，也不会造成土壤沉降。

现代铁路系统，特别是高速铁路，不再主要是静态负载系统。这种“转变”有两个原因，而这两个原因在铁路的早期并没有发挥重要作用。首先，速度的影响使得轨道响应可能包含动力效应，特别是在软土国家。人们可能会想到有软沉积的三角洲或沿海地区。由于这些地区“平坦”，它们通常对建设高速网络连接具有吸引力。在这些区域，列车速度可能达到轨道下部结构中地面层的临界波速，从而产生轨道对移动轴载响应的显著动态放大。其次，钢轨表面不是一条直线。几何形状的轨道不规则会引起列车轨道系统的动态响应，甚至对于低速的传统铁路线也是如此。

这对全生命周期成本分析、轨道劣化和轨道维修效率都有重要影响。当从传统的静态角度考虑铁路时，劣化这种随时间变化的现象并不起作用。轨道的设计是这样的:在每一个连续的层中，列车载荷下的最大应力不超过材料的弹性屈服应力。轮轨界面出现了一个例外，在车轮加载的第一阶段，允许在钢轨的顶层进行初始塑性和加工硬化。通过这种方式，可以避免损坏，这是一种瞬时的材料过载。我们可以得出结论，传统的轨道设计关注的是短期系统行为。

从长期性能的角度来看，这样的设计是否有效?为了回答这个问题，需要将铁路系统视为一个动态加载的系统:考虑到时间维度。这是必要的，因为所有退化机制基本上都是机械功率作为时间函数的耗散过程，影响本构性能。我们可以用一个简单的能量平衡来说明这一点，考虑到一个空间有界的单位长度的铁路轨道，与火车一起行驶。输入到这个体积的功率是火车从电源获得的电力。这种能量部分用于火车运动(加速或减速，克服滚动阻力);剩余部分的能量要么在体积内消散，要么在其边界上产生能量通量。第一部分转化为热量或引起内部降解。第二部分以噪声和/或振动的形式离开系统，通常会造成阻碍。能量不恰当地转化为热量会损坏所考虑的部件的材料。 The long-term system response is therefore governed by the cyclic dynamic response: accumulation and saturation of plastic deformation, crack initiation and propagation, accumulation of material damage on a micro-scale and so on. This process is illustrated in Figure 1.

图1:通过波导的不规则轮轨接触产生的机械功率发射。移动的轮轨接触可以看作是一个移动的点源。能量将在空间和时间上作为组件的几何和本构性质的函数在系统中重新分配。辐射波的能量只有在元件被设计(或添加)以满足这一功能时才能被耗散。“不当”耗散的能量会导致长期退化。因此，系统中的主导波导不应该是纯弹性的，而应该是粘弹性的

从前面可以明显看出，在整个波长范围内，航迹不规则性应最小化。简单地说:有些波长在运行的火车上是无法感知的，但在轨道上或被轨道感知到，正是这些波对轨道的破坏最大。这对铁路基础设施管理者来说是一个重要的结论。当一列火车在光滑均匀的轨道上匀速行驶时，它只需要一个恒定的最小功率来克服滚动阻力和有限轨道刚度所产生的“阻力”。在所谓的“动态阻力”中没有能量损失。能源管理领域的另一个重要结果往往被忽视:通过减少轨道不规则性，可以显著降低运行列车的能耗。应该记住的是，产生的相同数量的能量，例如，振动障碍或长期轨道沉降，最初是通过架空电线提供的。在轨道几何形状评估中包含短波(<5m)并不总是常见的做法，因为这些波在乘坐和乘客舒适度评估中不起作用。然而，从减少退化和维护的角度来看，这是必须的。特别是自从欧洲铁路私有化以来，随着铁路基础设施和铁路运输的单独开发，人们越来越意识到短波长的关键作用在轨道几何形状评估中。 The Dutch rail infra manager ProRail adopted a cyclic rail grinding programme on its network with the aim of combatting the short waves₂．

如果从所讨论的动态观点简要地评估传统有碴轨道概念的性能如何?这个问题对于高占用时间、高可靠性和高舒适性的高速线路来说是非常重要的。鉴于目前欧洲高速铁路网的扩张，这是非常相关的。评估方法在图2中用一个定性的例子进行了说明。在该图中，考虑的是之前定义的对流轨迹体积。输入轨道的动力来源于轨道的不平整度和列车的速度，产生了列车-轨道系统的动力激励。这个计算得到一个谱。该光谱的一部分被消散为热量，而其余部分要么通过不适当的模式消散，产生退化，要么以噪声和振动的形式从体积中辐射出去。从图中可以明显看出，只有在受轨道垫影响的频段内，才会发生一些适当的热量转换。这里有一个限制，即加热(甚至燃烧)轨道垫材料不应损害其其他功能:提供弹性。 In the remaining frequency bands, proper conversion mechanisms are lacking. This is a major cause of track geometry deterioration on ballasted tracks, which is often observed to start from short-wave irregularities, such as insulated or dipped joints, bad welds, expansion joints, transitions in switches and crossings, severe corrugations, severe squats etc. These short irregularities yield a relatively significant contribution to the input power spectrum of the track which cannot be dissipated properly into heat.

图2:进入轨道的机械功率输入频谱:部分转化为热量，剩余输入导致噪声和振动的退化和释放

在欧洲国家进行的实验证实了前面所解释的机制，以及缺乏对动力学的认识，这与轨道设计中的长期考虑相结合。ÖBB在奥地利进行的现场测试表明，在具有高度动态加载制度的区域，如开关和交叉路口，弹性衬垫的应用确实减少了维护必要性(捣固，校准)，通常为三倍_3.．这种效果通常归因于更好的接触性能和更好的弹性发展通过轨道截面。然而，一个主要的影响也是由于能量耗散，这往往被忽视。枕木和镇流器之间没有适当的层，进入轨道的机械功率输入频谱的高频贡献到达镇流器层而不被消散，导致非常迅速的退化(以晶粒细化，表面光滑，镇流器层永久变形的形式)。这个问题在传统的木制枕木上没有那么严重。换句话说:通过在分层轨道中添加衬垫，系统中主导波导的性质已经从几乎纯弹性变为粘弹性。

由此可以得出结论，铁路轨道设计需要从动态的角度重新考虑，而不是从现有的角度。在整个频率范围内考虑适当的能量耗散机制将允许更低的劣化率，延长维护间隔，随着时间的推移具有更高的安全性和舒适度，更好的质量持久性。这可以通过成本成本分析转化为铁路管理者更好的成本效率。值得注意的是，目前的欧洲标准和法规，除了刚度要求外，没有规定任何对轨道部件的阻尼要求。这是静态轨道设计角度的直接结果，也是铁路设计历史上由土木工程师而不是机械工程师主导的间接结果。这是一个重大挑战，未来的调查和发展需要妥善解决这个问题。

参考文献

1. m . j . m . Steenbergen，轮轨相互作用的短波不均匀性，博士论文，代尔夫特理工大学，代尔夫特，2008。
2. 肖志强，陆海涛，陆海涛。控制滚动接触疲劳的特殊钢轨轮廓-设计与维护，欧洲方法，第8卷。轨道/车轮系统的接触力学与磨损(CM2009)，佛罗伦萨，2009年9月15-18日。
3. Getzner, Erfahrungen mit besohlten Schwellen und Lösungen fichen，会议，奥地利，施瓦岑贝格，2007年11月14-16日(光盘)。

迈克尔Steenbergen

作者简介

Michaël Steenbergen被代尔夫特理工大学聘为铁路工程领域的学术研究员。他的研究主题包括动态列车-轨道相互作用，特别关注界面上的短缺陷，列车引起的土壤振动和轨道劣化问题。此外，他还参与了工业企业的研发、咨询和铁路管理人员的标准化工作。2008年以来，他以优异成绩获得代尔夫特理工大学博士学位。他在科学期刊上发表了许多关于铁路相关主题的文章。