重載鐵路鋼軌焊接接頭區(qū)域的輪軌動(dòng)力作用特性

王 慎，王開(kāi)云，黃 超

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

鋼軌焊接接頭在鐵路中較為常見(jiàn)，是軌道結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，易出現(xiàn)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(qū)域的輪軌相互作用會(huì)加劇，尤其是對(duì)于重載鐵路，隨著貨車軸重的提高，鋼軌焊接接頭區(qū)域的輪軌相互作用更加劇烈。文獻(xiàn)［1－2］基于車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立了地鐵車輛－整體道床軌道垂向耦合模型，以實(shí)際測(cè)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(dòng)力響應(yīng)特征。文獻(xiàn)［3］為提高熱處理后鋼軌焊接接頭平直度的控制精度，實(shí)驗(yàn)分析了實(shí)際生產(chǎn)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(shí)上拱量及殘余應(yīng)力的變化。文獻(xiàn)［4］針對(duì)秦沈線17處鋼軌閃光焊焊接接頭軌面產(chǎn)生的橫向裂紋，通過(guò)在傷損部位取樣，分別進(jìn)行洛氏硬度、金相組織和顯微硬度等試驗(yàn)，結(jié)合焊軌生產(chǎn)的實(shí)際情況，分析裂紋形成原因。文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)25t軸重的重載鐵路鋼軌傷損的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，確定鋼軌傷損的主要類型、規(guī)律以及產(chǎn)生的原因，在此基礎(chǔ)上提出了預(yù)防措施并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。翟婉明［6］以疊加不平順作為接頭不平順輸入進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，對(duì)我國(guó)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(qū)域的動(dòng)力學(xué)研究還不多。本文運(yùn)用車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論［6］，以30t軸重重載鐵路為對(duì)象，研究了鋼軌焊縫不平順的波長(zhǎng)和波深對(duì)輪軌動(dòng)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(zhuǎn)向架采用三大件的結(jié)構(gòu)形式。本文根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對(duì)、懸掛彈簧和阻尼等元件構(gòu)成，將車體、構(gòu)架和輪對(duì)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(xù)彈性離散點(diǎn)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(dòng)模型，相鄰道床支承單元間通過(guò)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(zhǎng)1 m的余弦波上疊加有短波(波長(zhǎng)為0.1～0.2 m)，如圖2所示。另外，本文中所有計(jì)算工況，貨車運(yùn)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(tǒng)動(dòng)力作用性能

目前我國(guó)現(xiàn)有的鋼軌焊縫作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是1 m直尺范圍內(nèi)凹凸矢度不大于0.3 mm。在此標(biāo)準(zhǔn)下，輪軌力時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有鋼軌焊縫標(biāo)準(zhǔn)下的輪軌力時(shí)程曲線

由圖3可知，輪軌力最大值為177 kN，遠(yuǎn)低于輪軌力限值250 kN。由此可見(jiàn):該鋼軌焊縫不平順?biāo)鸬妮嗆墑?dòng)力作用變化是微弱的，現(xiàn)有的鋼軌焊縫作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是極其嚴(yán)格的。

2.1 短波波長(zhǎng) λ2為0.1 m

在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)下(長(zhǎng)波波長(zhǎng)λ1為1 m，長(zhǎng)波波深δ1為 0.3 mm)，取短波波長(zhǎng) λ2為0.1 m，變化短波波深δ2。不平順參數(shù)如表1所示。

貨車以120 km/h速度通過(guò)表1中的5種不平順區(qū)域時(shí)的輪軌力時(shí)程曲線如圖4所示。

表1 不平順參數(shù)

圖4 不同短波波深下的輪軌力時(shí)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(dāng)短波波深為0.4 mm時(shí)，其輪軌力最大值為248 kN;當(dāng)短波波深增大到0.5 mm時(shí)，其輪軌力最大值為266 kN，超過(guò)了輪軌垂向力的許用值250 kN;當(dāng)短波波深增大到0.6 mm時(shí)，其輪軌力最大值為283 kN，同時(shí)動(dòng)態(tài)輪重減載率為0.92，超過(guò)其限值0.9;當(dāng)短波波深繼續(xù)增大到0.7 mm時(shí)，其輪軌力最小值為0 kN，即發(fā)生了輪軌脫離，嚴(yán)重影響重載貨車的安全。

2.2 短波波長(zhǎng) λ2為0.2 m

在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)下(長(zhǎng)波波長(zhǎng)λ1為1 m，長(zhǎng)波波深δ1為 0.3 mm)，取短波波長(zhǎng) λ2為0.2 m，變化短波波深δ2。不平順參數(shù)如表2所示。

貨車以120 km/h速度通過(guò)表2中的6種不平順區(qū)域時(shí)的輪軌力時(shí)程曲線如圖5所示。

表2 不平順參數(shù)(λ2=0.2 m)

從圖5看到:當(dāng)短波波深為0.4 mm時(shí)，輪軌力最大值為225 kN;當(dāng)短波波深增大到0.6 mm時(shí)，輪軌力最大值為253 kN，超過(guò)了輪軌垂向力限值250 kN;短波波深繼續(xù)增大到1.4 mm時(shí)，輪軌力最大值為364 kN，同時(shí)動(dòng)態(tài)減載率達(dá)到了0.9;當(dāng)短波波深為1.6 mm時(shí)，輪軌力最大值為394 kN，最小值為0 kN，即發(fā)生了輪軌脫離。

對(duì)比圖4和圖5可發(fā)現(xiàn):在短波波深均為0.4、0.5 和0.6 mm 的情況下，短波波長(zhǎng)為 0.2 m下的輪軌力小于短波波長(zhǎng)為0.1 m下的值;當(dāng)短波波深為0.4 mm時(shí)，短波波長(zhǎng)為0.2 m下的輪軌力最大值為225 kN，短波波長(zhǎng)為0.1 m下的輪軌力最大值為248 kN;當(dāng)短波波深增大到0.6 mm時(shí)，短波波長(zhǎng)為0.2 m下的輪軌力最大值為253 kN，超過(guò)了輪軌垂向力限值250 kN，同時(shí)短波波長(zhǎng)為0.1 m下的輪軌力最大值為283 kN，動(dòng)態(tài)輪重減載率超過(guò)其限值0.9。另外，短波波長(zhǎng)為0.1 m時(shí)，短波波深增大到0.7 mm就會(huì)發(fā)生輪軌脫離;而當(dāng)短波波長(zhǎng)為0.2 m時(shí)，短波波深增大到1.6 mm才發(fā)生輪軌脫離。

圖5 不同短波波深下的輪軌力時(shí)程曲線(λ2=0.2 m)

3 結(jié)論

1)30t軸重貨車以120 km/h速度通過(guò)鋼軌焊縫不平順區(qū)域時(shí)，既有鋼軌焊縫標(biāo)準(zhǔn)下的輪軌作用微弱。

2)取焊縫不平順長(zhǎng)波波長(zhǎng)為1 m，長(zhǎng)波波深為0.3 mm。當(dāng)短波波長(zhǎng)為0.1 m時(shí):短波波深大于0.4 mm時(shí)，輪軌力超過(guò)限值250 kN;短波波深大于0.7 mm時(shí)，出現(xiàn)輪軌脫離。

3)當(dāng)短波波長(zhǎng)增大到0.2 m時(shí):短波波深大于0.6 mm時(shí)，輪軌力超過(guò)限值;短波波深大于1.6 mm時(shí)，出現(xiàn)輪軌脫離。

［1］翟婉明，涂貴軍，高建敏.地鐵線路鋼軌焊接區(qū)輪軌動(dòng)力學(xué)問(wèn)題［J］.振動(dòng)、測(cè)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(dòng)力響應(yīng)分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，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(guó)鐵道科學(xué)，2011，32(1):20 －24.

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

［5］周清躍，張建峰，郭戰(zhàn)偉，等.重載鐵路鋼軌的傷損及預(yù)防對(duì)策研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(1):27－31.

［6］翟婉明.車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)［M］.3版.北京:科學(xué)出版社，2007.