重載鐵路鋼軌焊接接頭區域的輪軌動力作用特性

王 慎，王開云，黃 超

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

鋼軌焊接接頭在鐵路中較為常見，是軌道結構中最薄弱的環節，易出現鋼軌馬鞍形不平順、焊接接頭低塌等缺陷。在輪重荷載作用下，該區域的輪軌相互作用會加劇，尤其是對于重載鐵路，隨著貨車軸重的提高，鋼軌焊接接頭區域的輪軌相互作用更加劇烈。文獻［1－2］基于車輛－軌道耦合動力學理論，建立了地鐵車輛－整體道床軌道垂向耦合模型，以實際測量得到的地鐵線路鋼軌焊接接頭不平順作為輪軌界面不平順激擾輸入，分析了接頭不平順引起的地鐵車輛輪軌動力響應特征。文獻［3］為提高熱處理后鋼軌焊接接頭平直度的控制精度，實驗分析了實際生產工藝和不同支撐條件下鋼軌焊接接頭分別靜置20h及30 d時上拱量及殘余應力的變化。文獻［4］針對秦沈線17處鋼軌閃光焊焊接接頭軌面產生的橫向裂紋，通過在傷損部位取樣，分別進行洛氏硬度、金相組織和顯微硬度等試驗，結合焊軌生產的實際情況，分析裂紋形成原因。文獻［5］通過對25t軸重的重載鐵路鋼軌傷損的現場調查分析，確定鋼軌傷損的主要類型、規律以及產生的原因，在此基礎上提出了預防措施并進行了試驗驗證。翟婉明［6］以疊加不平順作為接頭不平順輸入進行動力響應分析，對我國提速線路焊接接頭軌面不平順的日常管理給出建議值。

目前圍繞大軸重(如30t)重載鐵路中鋼軌焊接接頭區域的動力學研究還不多。本文運用車輛－軌道耦合動力學理論［6］，以30t軸重重載鐵路為對象，研究了鋼軌焊縫不平順的波長和波深對輪軌動力作用的影響。

1 30t軸重貨車－軌道垂向耦合模型

30t軸重貨車轉向架采用三大件的結構形式。本文根據轉向架結構特點，建立了30t軸重貨車－軌道垂向耦合模型，如圖1所示。

車輛子模型由車體、前后轉向架構架、輪對、懸掛彈簧和阻尼等元件構成，將車體、構架和輪對視為剛體，一系懸掛采用彈性定位。

軌道子模型采用有砟軌道模型，鋼軌采用75 kg/m重載鋼軌。將鋼軌處理為連續彈性離散點支撐Euler梁，有砟軌道模型為3層(鋼軌－軌枕－道床－路基)彈簧－阻尼振動模型，相鄰道床支承單元間通過剪切剛度和剪切阻尼連接。鋼軌焊縫不平順采用疊加諧波激擾模擬［6］，此諧波不平順可視為在長1 m的余弦波上疊加有短波(波長為0.1～0.2 m)，如圖2所示。另外，本文中所有計算工況，貨車運行速度均取為120 km/h。

圖1 30t軸重貨車－軌道垂向耦合模型

圖2 鋼軌焊縫不平順諧波模型

2 輪軌系統動力作用性能

目前我國現有的鋼軌焊縫作業標準是1 m直尺范圍內凹凸矢度不大于0.3 mm。在此標準下，輪軌力時程曲線如圖3所示。

圖3 現有鋼軌焊縫標準下的輪軌力時程曲線

由圖3可知，輪軌力最大值為177 kN，遠低于輪軌力限值250 kN。由此可見:該鋼軌焊縫不平順所引起的輪軌動力作用變化是微弱的，現有的鋼軌焊縫作業標準是極其嚴格的。

2.1 短波波長 λ2為0.1 m

在現有標準下(長波波長λ1為1 m，長波波深δ1為 0.3 mm)，取短波波長 λ2為0.1 m，變化短波波深δ2。不平順參數如表1所示。

貨車以120 km/h速度通過表1中的5種不平順區域時的輪軌力時程曲線如圖4所示。

表1 不平順參數

圖4 不同短波波深下的輪軌力時程曲線(λ2=0.1 m)

從圖4看到:隨著短波波深的增大，輪軌力的最大值也增大。當短波波深為0.4 mm時，其輪軌力最大值為248 kN;當短波波深增大到0.5 mm時，其輪軌力最大值為266 kN，超過了輪軌垂向力的許用值250 kN;當短波波深增大到0.6 mm時，其輪軌力最大值為283 kN，同時動態輪重減載率為0.92，超過其限值0.9;當短波波深繼續增大到0.7 mm時，其輪軌力最小值為0 kN，即發生了輪軌脫離，嚴重影響重載貨車的安全。

2.2 短波波長 λ2為0.2 m

在現有標準下(長波波長λ1為1 m，長波波深δ1為 0.3 mm)，取短波波長 λ2為0.2 m，變化短波波深δ2。不平順參數如表2所示。

貨車以120 km/h速度通過表2中的6種不平順區域時的輪軌力時程曲線如圖5所示。

表2 不平順參數(λ2=0.2 m)

從圖5看到:當短波波深為0.4 mm時，輪軌力最大值為225 kN;當短波波深增大到0.6 mm時，輪軌力最大值為253 kN，超過了輪軌垂向力限值250 kN;短波波深繼續增大到1.4 mm時，輪軌力最大值為364 kN，同時動態減載率達到了0.9;當短波波深為1.6 mm時，輪軌力最大值為394 kN，最小值為0 kN，即發生了輪軌脫離。

對比圖4和圖5可發現:在短波波深均為0.4、0.5 和0.6 mm 的情況下，短波波長為 0.2 m下的輪軌力小于短波波長為0.1 m下的值;當短波波深為0.4 mm時，短波波長為0.2 m下的輪軌力最大值為225 kN，短波波長為0.1 m下的輪軌力最大值為248 kN;當短波波深增大到0.6 mm時，短波波長為0.2 m下的輪軌力最大值為253 kN，超過了輪軌垂向力限值250 kN，同時短波波長為0.1 m下的輪軌力最大值為283 kN，動態輪重減載率超過其限值0.9。另外，短波波長為0.1 m時，短波波深增大到0.7 mm就會發生輪軌脫離;而當短波波長為0.2 m時，短波波深增大到1.6 mm才發生輪軌脫離。

圖5 不同短波波深下的輪軌力時程曲線(λ2=0.2 m)

3 結論

1)30t軸重貨車以120 km/h速度通過鋼軌焊縫不平順區域時，既有鋼軌焊縫標準下的輪軌作用微弱。

2)取焊縫不平順長波波長為1 m，長波波深為0.3 mm。當短波波長為0.1 m時:短波波深大于0.4 mm時，輪軌力超過限值250 kN;短波波深大于0.7 mm時，出現輪軌脫離。

3)當短波波長增大到0.2 m時:短波波深大于0.6 mm時，輪軌力超過限值;短波波深大于1.6 mm時，出現輪軌脫離。

［1］翟婉明，涂貴軍，高建敏.地鐵線路鋼軌焊接區輪軌動力學問題［J］.振動、測試與診斷，2012，32(5):701－708.

［2］涂貴軍.鋼軌焊接接頭不平順激擾下的輪軌動力響應分析［D］.成都:西南交通大學，2012.

［3］蔡志鵬，趙海燕，鹿安理，等.鋼軌焊接接頭平直度的影響因素［J］.中國鐵道科學，2011，32(1):20 －24.

［4］張銀花，周清躍，陳朝陽，等.鋼軌閃光焊焊接接頭軌面橫向裂紋成因分析［J］.中國鐵道科學，2006，27(1):59－63.

［5］周清躍，張建峰，郭戰偉，等.重載鐵路鋼軌的傷損及預防對策研究［J］.中國鐵道科學，2010，31(1):27－31.

［6］翟婉明.車輛－軌道耦合動力學［M］.3版.北京:科學出版社，2007.