高速鐵路有砟軌道地段鋼軌焊接接頭平直度變化規(guī)律分析

張銘達(dá)

(中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽 110001)

鋼軌及焊接接頭處的平直度對高速鐵路的平順性影響較大，對高速鐵路鋼軌焊接接頭的焊接環(huán)節(jié)、上道前后、運(yùn)營過程中平直度的變化規(guī)律進(jìn)行測量及分析。

平直度測量工具為SEC電子平直尺。

1 焊接接頭處軌頂面平直度變化規(guī)律

1.1 廠內(nèi)施焊環(huán)節(jié)

對其成形環(huán)節(jié)(精磨)到成品臺(0 h、6 h、12 h、24 h和48 h)之間的軌頂面平直度進(jìn)行測量，共測量接頭30個(gè)，數(shù)據(jù)如表1所示。

測量數(shù)據(jù)顯示，從精磨結(jié)束到成品(0 h)，軌頂面平直度沉降變化量均值為0.145 mm。其差異原因主要為打磨量不同、發(fā)熱程度不同[1](打磨量及發(fā)熱量越大，軌頂面平直度變化越大)。

表1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)軌頂面平直度的變化 mm/m

從開始施焊至成品臺，軌頂面平直度沉降變化量均值為0.010 mm；6～12 h變化量均值為-0.004 mm；12～24 h變化量均值為-0.002 mm；24～48 h變化量均值為0.001 mm。由于測量采用的電子平直尺的精度為0.02 mm，小于測量精度的變形量可以忽略。

1.2 現(xiàn)場施焊環(huán)節(jié)

抽查的52個(gè)現(xiàn)場焊接接頭一次合格率情況如表2所示。

表2 現(xiàn)場施焊接頭處平直度一次合格率

注：一次合格率為7.7%

現(xiàn)場施焊接頭處軌頂面平直度變化有以下規(guī)律。

①與廠內(nèi)施焊相比，受焊接設(shè)備精度和作業(yè)條件等因素影響，其一次外觀合格率較低。

②現(xiàn)場施焊接頭處軌頂面一般預(yù)留較高，打磨作業(yè)量較大。打磨發(fā)熱引起的接頭拱度變化也不容忽視。因此，現(xiàn)場施焊應(yīng)采取分步打磨措施：第一步，限速開通前打磨至0.5 mm/m以內(nèi)；第二步，在線路精細(xì)整修時(shí)打磨至合格范圍內(nèi)。

1.3 上道前后環(huán)節(jié)

現(xiàn)場量取了309個(gè)接頭軌頂面平直度數(shù)據(jù)，按標(biāo)準(zhǔn)[2]要求，合格率為97.1%?；夭楹杠壔?cái)?shù)據(jù)庫，出廠合格率為100%，兩者之間的差值分析如表3所示。

表3 焊接接頭上道前后軌頂面平直度變化量對比

原因分析：

①受軌枕、扣件等的垂向力作用發(fā)生變形。有研究表明，在垂向受力最不利條件下，輕枕空吊等因素有可能導(dǎo)致軌頂面平直度發(fā)生變化[3-4]，最大變化量約為0.1 mm/m。

②受溫度力作用發(fā)生變形[5]。

③其他因素的影響[6-8]。

表3中，各接頭平均低塌量為0.0365 mm/m，平均上拱量為0.0327 mm/ m，低塌量小于0.05 mm/m的接頭占84.5%。因此，接頭上道短期內(nèi)沒有明顯低塌變化。

1.4 運(yùn)營環(huán)節(jié)

為了分析接頭處軌頂面平直度的長期變化規(guī)律，選取了697個(gè)接頭的測量數(shù)據(jù)(上道14年的地段)，與當(dāng)年上道地段546個(gè)新鋼軌接頭數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比情況如表4所示。

表4 上道14年和新上道接頭軌頂面平直度對比

對比分析如圖1所示。

圖1 新上道接頭和長期上道接頭頂面平直度分布

由表4和圖1可知，接頭處鋼軌從2003年上道至2017年，累計(jì)通過總重為3.75億t、大型打磨車打磨超過30遍，垂直方向打磨量普遍超過了3 mm，軌頂面平直度均值仍然為0.103 mm/m，其中有64.3%在0～+0.3 mm/m之間。從這個(gè)角度看，軌頂面平直度下限值變化不大，焊縫低塌不明顯。

1.5 平直度預(yù)留上限值問題

動(dòng)車通過百米點(diǎn)出現(xiàn)車抖聲音較為明顯地段，軌頂面平直度變化超過了0.2 mm/m，其分布比例與百米點(diǎn)出現(xiàn)車抖聲音的頻次基本相當(dāng)。

經(jīng)過打磨以后，軌面平直度變化超過0.2 mm/m的數(shù)量大為減少，動(dòng)車通過時(shí)平順性亦有較大改善。

動(dòng)檢車波形也顯示(見圖2)，在每百米點(diǎn)預(yù)留起拱的接頭處，波形反映為動(dòng)態(tài)高低和三角坑明顯[9]。各百米點(diǎn)的原始平直度變化與動(dòng)態(tài)高低、三角坑等指標(biāo)關(guān)系密切，軌頂面平直度超過0.3 mm/m時(shí)，對線路平順性影響較大，部分0.3～0.2 mm/m的地段影響也比較明顯，小于0.2 mm/m時(shí)影響明顯減輕。實(shí)際添乘的結(jié)論也證明了這一點(diǎn)。

圖2 不同軌頂面平直度焊接接頭的動(dòng)態(tài)波形

百米點(diǎn)動(dòng)態(tài)波形顯示，其均為基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)低塌特征，主要原因?yàn)檐夗斆嫫街倍阮A(yù)留較高，輪軌沖擊力過大造成接頭部位枕下基礎(chǔ)沉降。因此，鋼軌及焊接接頭預(yù)留拱度問題值得重視。

此外，鋼軌軌頂面平直度變化率要比軌頂面平直度更能反映輪軌的垂向沖擊程度。高速鐵路有砟軌道軌距變化率靜態(tài)要求為1/1 500[10-11]，按此估算，軌頂面平直度變化率應(yīng)為0.5/1 500左右。以目前軌頂面平直度最大值為0.3 mm/m的要求為例，折合成軌頂面平直度變化率為0.9/1 500，明顯高于0.5/1 500的要求。若按照0.5/1 500要求，則軌頂面平直度不應(yīng)超過0.2 mm/m。

由以上分析可知，高鐵有砟軌道地段動(dòng)車對有砟地段+0.2 mm/m以上的軌頂面不平順敏感，應(yīng)盡量控制軌頂面平直度不超過0.2 mm/m。

1.6 焊接接頭處軌頂面平直度變化規(guī)律總結(jié)

①廠內(nèi)變化的主要原因?yàn)榇蚰グl(fā)熱。

②上道后，鋼軌受力條件發(fā)生改變，會導(dǎo)致平直度發(fā)生變化，變化的范圍多在-0.1～0.1 mm/m，且有一定的隨機(jī)性。

③高速鐵路有砟軌道地段軌頂面平直度變化的主要原因是鋼軌打磨，且長期變化量很小。

④應(yīng)適當(dāng)控制高速鐵路有砟軌道軌頂面平直度上限值。

2 焊接接頭處工作邊平直度變化規(guī)律

2.1 上道后工作邊平直度變化

抽查了50個(gè)新上道的焊接接頭，其工作邊平直度超過相關(guān)鐵路規(guī)范要求的占64.0%(32個(gè))。

通過回查基地焊接數(shù)據(jù)庫，該50個(gè)焊接件接頭工作邊均為合格。

從上述50個(gè)廠焊接頭上道前后測量曲線對比可知，受到扣件約束，上道后工作邊平直度較原來有所改善的只有6個(gè)，其他44個(gè)都有劣化的趨勢，劣化比例占88%。其中，有78%的接頭工作邊平直度變化量在±0.1 mm/m之間(如表5所示)。

表5 受力后接頭工作邊平直度變化量對比

現(xiàn)場也隨機(jī)抽查了新上道及2003年上道的鋼軌母材工作邊平直度情況。發(fā)現(xiàn)不管是鋼軌焊接接頭還是新舊鋼軌母材，其工作邊平直度超標(biāo)比例與焊接接頭超標(biāo)比例基本相同。

圖3 鋼軌受水平方向作用力示意(單位：m)

究其原因，一方面，鋼軌上道后，在水平方向上會受到軌距塊的橫向力作用。以600 mm間距的軌枕布置為例，1.2 m范圍內(nèi)鋼軌會就受到6個(gè)點(diǎn)橫向力作用(如圖3所示)，使得原來自由狀態(tài)下合格的鋼軌工作邊平直度發(fā)生了變化。由于60 kg/m鋼軌水平方向上抗彎剛度不足垂直方向上的1/6，其工作邊平直度更容易發(fā)生變化，測量的數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

另外，工作邊平直度的變化受溫度力的影響也比較大。

2.2 工作邊平直度變化規(guī)律總結(jié)

(1)鋼軌所受橫向力有時(shí)會遠(yuǎn)大于垂向力，鋼軌水平方向剛度遠(yuǎn)小于垂直方向剛度，兩個(gè)特點(diǎn)決定了水平方向的工作邊平直度變化量大于垂直方向。

(2)工作邊平直度變化不僅僅局限于焊接接頭，不管是鋼軌焊接接頭還是新舊鋼軌母材的工作邊平直度變化均較大，其超限程度也基本相同。

3 結(jié)論

(1)焊接接頭處廠內(nèi)軌頂面平直度變化主要由打磨發(fā)熱引起。在高速鐵路有砟軌道地段，上道期較長鋼軌的焊接接頭處軌頂面平直度變化的主要原因?yàn)殇撥壌蚰?，而不是由接頭處低塌而引起。

(2)鋼軌水平方向剛度相對較小，焊接接頭上道后的工作邊平直度受力變形比較明顯，鋼軌上道后，在受力狀態(tài)下，平直度指標(biāo)滿足相關(guān)鐵路規(guī)范要求難度較大。

(3)由于鋼軌及焊接接頭上道后的受力變化，考慮到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確鋼軌及焊接接頭上道后應(yīng)該執(zhí)行的平直度標(biāo)準(zhǔn)，建議明確高速鐵路有砟地段上道后的焊接接頭軌頂面平直度上限按+0.2 mm/m取值，建議明確鋼軌及焊接接頭上道后的工作邊平直度要求。

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