重载铁路小半径曲线焊接接头区域轮轨动力响应分析

2021-02-25杨轶科马战国潘振王立君

铁道建筑 2021年1期

杨轶科马战国潘振王立君

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁路沈阳局集团有限公司，沈阳 110001）

我国重载铁路已经广泛铺设无缝线路。焊接接头与曲线区段是重载铁路无缝线路轨道结构的薄弱环节，在大轴重、高密度的荷载作用下极易产生病害。由于受材质和外界环境的影响，焊接接头的力学性能与钢轨存在差异，在重载列车作用下易形成接头不平顺病害[1-2]。小半径曲线区段轮轨间作用力增大，导致焊接接头不平顺进一步恶化[3]。

针对钢轨焊接接头不平顺问题的研究很多。文献[4]基于客货共线无砟轨道焊接接头不平顺实测数据总结出不平顺的主要波形，分别从时域和频域的角度分析了接头不平顺的变化规律，研究了钢轨打磨对接头平顺状态的影响。文献[5]建立了30 t轴重货车-轨道垂向耦合动力学模型，采用叠加谐波激扰模拟钢轨焊缝不平顺,仿真分析了30 t轴重货车以120 km/h速度通过钢轨焊缝不平顺区时的轮轨动力学性能指标及短波不平顺波长和幅值对轮轨系统动力性能的影响。文献[6]运用动力学模型仿真计算并分析了不同服役时期焊接接头不平顺对车轮、钢轨振动加速度及轮轨垂向力的影响。

既有研究大多集中在直线区段，而小半径曲线区段的焊接接头不平顺形式更为复杂，接头处的轮轨冲击振动更加剧烈，对轮轨动力学指标的影响也更大。本文通过对既有重载铁路小半径曲线区段的焊接接头不平顺实测数据进行分析，总结出了接头不平顺的主要形式，并基于车辆-轨道耦合理论建立模型，对实测与理论焊接接头不平顺激扰下的轮轨动力响应进行仿真计算，研究不平顺波长与幅值对轮轨动力响应的影响，提出了2种常见接头不平顺幅值的安全限值，为重载铁路小半径曲线上钢轨焊接接头的养护维修提供理论依据。

1 现场实测及结果分析

选取一既有重载铁路的小半径曲线区段，里程为K16+773—K17+742，现场测试其钢轨焊接接头不平顺（图1）。采用德国生产的SEC-RC钢轨电子平直测量仪，有效测量长度为1 m，测量精度为±0.02 mm。

图1 钢轨焊接接头不平顺测试现场

本次测试共获得32个焊接接头不平顺数据，其中最大正幅值为0.60 mm，最大负幅值为0.82 mm。焊接接头不平顺幅值分布见表1。

表1 实测焊接接头不平顺幅值分布

由表1可知：钢轨焊接接头不平顺幅值主要集中在-0.4～0.4 mm；不平顺幅值为负的样本数占样本总数的78%，这说明曲线区段钢轨焊接接头凹陷现象更为普遍。

实测发现，焊接接头不平顺波形存在一定差异。根据波形，可以将接头分为3类：凸型接头、凹型接头、多波型接头。各类型典型焊接接头不平顺的波形如图2所示。

图2 曲线区段钢轨焊接接头不平顺波形示例

凸型接头不平顺波形中有一个近似谐波型的波峰，其波长集中在0.2～0.5 m，测试中凸型接头展现出明显的迎轮性，波峰偏向行车方向。凹型接头不平顺波形可近似看成波长1 m的谐波上叠加波长小于0.3 m短波不平顺。多波型接头不平顺波形类似周期性连续谐波，波长一般在0.2～0.3 m，波形上下起伏明显，中间为波谷，两侧为波峰，幅值较小，一般在-0.2～+0.2 mm。

2 车辆-轨道耦合动力学模型

2.1 建立模型

采用多体动力学软件SIMPACK，建立车辆-轨道耦合动力学仿真计算模型。

货车模型采用25 t轴重的C80货车，车辆参数详见文献[7]。建模过程中考虑一系悬挂、二系悬挂、交叉拉杆等非线性系统。整车模型由1个车体和2个转向架构成，每个转向架包括1个摇枕、2个侧架和2个轮对，共计11个刚体。

轨道模型采用集总参数法建立，将钢轨与轨枕简化为惯性质量块，具有横移、沉浮、侧滚3个自由度。

车轮型面采用LM踏面，钢轨采用标准75 kg/m型面。

2.2 参数设置

曲线线路参数根据测试区段实际线路情况设置。曲线区段长969 m，半径400 m；缓和曲线长90 m，线型为三次抛物线；线路超高100 mm，轨底坡1/40。仿真计算中，焊接接头不平顺均设置在圆缓点。

2.3 动力学评价指标

重载列车通过曲线区段钢轨焊接接头区域时，轮轨间同时产生垂向冲击力与水平冲击力。本文对小半径曲线区段焊接接头区域的轮轨动力响应进行分析时，选取轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数及车体垂向、横向振动加速度作为动力学性能的评价指标。根据我国GB/T 5599—2019《机动车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》[8]，各参数限值为：轮轨横向力不大于100 kN；车体垂向振动加速度不大于0.7g，横向不大于0.5g；轮重减载率不大于0.6；脱轨系数不大于1.0。

3 轮轨动力响应分析

3种类型焊接接头不平顺参数见表2。其中，峰谷值为波峰与波谷的幅值之差，主波波长为不平顺幅值最大区域的波长。

表2 焊接接头不平顺主要参数

计算3种类型焊接接头不平顺激扰下的轮轨动力响应，见表3。轮轨垂向力时程曲线见图3。现场测试时列车通过曲线区段的实际车速为45～60 km/h，计算时车速设置为60 km/h。

表3 轮轨动力学性能指标

图3 轮轨垂向力时程曲线

由表3和图3可知，不同类型焊接接头不平顺均会造成轮轨动态相互作用加剧，但程度有所不同。列车经过焊缝激扰区域时，轮轨垂向力在短时间内发生大幅增大和减小，其中凹型接头不平顺激扰造成的轮轨垂向动力响应异常增大，达到静轮载的1.7倍。轮轨横向动力响应也呈现类似规律，凹型接头不平顺激扰下的轮轨横向力较大。3种接头不平顺激扰下的轮重减载率相差不大，脱轨系数接近，且均在限值范围内。3种工况下的车体垂向、横向振动加速度均较小，说明一系悬挂与二系悬挂能够有效吸收焊缝区引起的冲击振动。因此，小半径曲线区段的焊接接头不平顺激扰会对垂向与横向轮轨动力作用以及行车安全性指标造成影响，对于行车平稳性指标造成的影响很小。

总体上，由于多波型接头不平顺的幅值较小，其轮轨动力响应也较小。值得注意的是，尽管凹型接头不平顺幅值绝对值小于凸型接头，但其各项动力学指标均超过凸型接头，这是因为凹型不平顺中所叠加的短波成分会引起更加强烈的轮轨冲击振动[9]。

4 接头不平顺对轮轨动力响应的影响

进一步研究焊接接头不平顺参数对小半径曲线区段轮轨动力作用的影响，考虑多波型接头对轮轨动力响应的影响较小，选取凹型接头、凸型接头不平顺为研究对象。

凹型接头不平顺由波长为L（取L=1 m）的长波余弦函数与波长为λ的短波余弦函数叠加而成，不平顺幅值为负。其激扰位移函数Z0（t）的表达式为

式中：a1，a2分别为凹型接头长波、短波不平顺的幅值；v为行车速度；t为时间。

凸型接头不平顺采用波长为l的单一余弦函数来模拟，不平顺幅值为正。其激扰位移函数Z（1t）的表达式为

式中：a为凸型接头不平顺的幅值。

凹型接头不平顺、凸型接头不平顺波形模型如图4所示。

图4 2种接头不平顺波形模型

4.1 凹型接头不平顺

4.1.1 短波波长对轮轨动力响应的影响

根据实测结果，对于凹型焊接接头不平顺，短波波长集中在0.1～0.3 m，1 m长波幅值一般不超过0.3 mm，且长波幅值变化对钢轨焊接区轮轨动力响应影响很小[10]。因此，取a1=0.3 mm，a2=0.3 mm，计算短波波长λ变化时的轮轨动力响应，见图5。

图5 凹型接头不平顺短波波长对轮轨动力响应的影响

由图5可知，随着短波波长的增大，轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数均呈现出非线性减小的趋势，其中λ＜0.3 m时轮轨垂向力和轮重减载率减幅显著。

4.1.2 短波不平顺幅值对轮轨动力响应的影响

取L=1 m，λ=0.1 m，a1=0.3 mm，计算短波幅值a2变化时的轮轨动力响应，见图6。

图6 凹型接头不平顺短波幅值对轮轨动力响应的影响

由图6可知，各项动力学指标均随短波幅值的增大而增大。短波幅值从0.1 mm增至0.8 mm，轮轨垂向力最大值呈近似线性增大的趋势，由147.24 kN增至298.62 kN，增幅达到102%；轮轨横向力最大值呈非线性增大，由34.72 kN增至101.87 kN，增幅达到193%，且超过了安全限值，说明轮轨横向作用力受短波幅值的影响较大。当a2=0.5 mm时，轮重减载率达0.75，超过了安全限值；当a2增至0.7 mm时，轮重减载率达1.00，发生瞬时轮轨分离。当a2=0.8 mm时，脱轨系数为0.68，未超过安全限值。

因此，对于凹型接头不平顺，轮重减载率对轮轨动力学指标起主要控制作用，短波不平顺幅值应控制在0.4 mm以内。

4.2 凸型接头不平顺

4.2.1 波长对轮轨动力响应的影响

取凸型接头不平顺幅值a=0.5 mm，计算波长l在0.2～0.5 m变化时的轮轨动力响应，见图7。

图7 凸型接头不平顺波长对轮轨动力响应的影响

由图7可知，与凹型接头不平顺规律类似，随着凸型接头不平顺波长的增大，各项动力学指标均呈现出非线性减小趋势，其中l<0.3 m时轮轨垂向力减幅显著。l从0.3 m降至0.2 m，轮轨垂向力最大值增大22%，轮重减载率增大41%。随着波长增大，轮轨横向力和脱轨系数的减幅不大，说明凸型接头不平顺波长对轮轨横向作用影响较小。

4.2.2 不平顺幅值对轮轨动力响应的影响

取l=0.2 m，计算不平顺幅值a变化时的轮轨动力响应，见图8。

图8 凸型谐波不平顺幅值对轮轨动力响应的影响

由图8可知，各项动力学指标随着不平顺幅值的增加而近似线性增加。幅值从0.1 mm增至1.6 mm，轮轨垂向、横向力最大值增幅分别为72%，104%。a=0.9 mm时，轮重减载率达0.69，超过安全限值；a增至1.4 mm时，轮重减载率达1.00，发生瞬时轮轨分离，此时脱轨系数为0.417，未超过安全限值。因此，凸型焊接接头不平顺幅值应该控制在0.8 mm以内。