客貨共線無砟軌道鋼軌焊接接頭不平順測量分析

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(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081；3.中國鐵路南昌局集團有限公司，江西 南昌 330002；4.中國鐵路西安局集團有限公司，陜西 西安 710054)

我國鐵路既有線提速改造完成后及客運專線運營初期，通常采用客貨共線的運輸模式。由于客車與貨車的軸重、行車速度、動力學特性等存在差異，列車對軌道結構的影響相對復雜；特別是隧道內無砟軌道基礎剛度大、服役環境差，更加劇了軌道惡化。接頭是軌道結構的薄弱環節之一，盡管焊接接頭消除了軌縫，但接頭區的不平順度往往超過非接頭區10dB以上[1]，導致輪軌力增大，直接影響軌道的服役壽命和列車的安全平穩運行。因此，對客貨共線無砟軌道焊接接頭不平順進行現場測量，從時域和頻域角度分析平順度隨時間的變化規律，將有助于掌握接頭平順狀態，制定合理養護維修計劃。

國內學者十分重視接頭不平順的研究，進行了大量的實測分析。劉秀波等[1]利用SAILENT鋼軌縱斷面測量儀對京山線和廣深線焊接接頭不平順樣本進行了實測與功率譜分析；李秋玲等[2]利用SEC-RC鋼軌電子平直測量儀實測了城市軌道交通鋼軌焊接接頭不平順，并進行了1/3倍頻分析；周世恒等[3]采用型尺測量方法對新鋪鋼軌焊接接頭平直度進行了測量，并與TB/T1632—2005《鋼軌焊接》[4]的平直度要求進行對比；楊云帆等[5]利用RailProf鋼軌焊接接頭不平順測量儀對某直線電動機地鐵線路焊接接頭不平順進行了測量與評價；付青云等[6]基于實測數據分析了鋼軌打磨對接頭區不平順的影響。國外學者對軌面短波不平順也進行了大量研究。Hiensch等[7]對荷蘭2段不同軌面平順度的軌道進行了實測與對比；Verheijen[8]總結了軌面短波不平順的測量方法并對比了測量結果；Hardy等[9]基于實測數據分析了軌面短波不平順對列車噪聲的影響。

然而，上述研究通常基于1次或2次檢測數據，難以反映接頭不平順隨時間、運量的長期變化規律。此外，國內外對客貨共線無砟軌道接頭不平順掌握的資料較少。本文經調研選定了5條客貨共線線路的隧道內無砟軌道作為試驗段，對其鋼軌焊接接頭不平順進行了長達2年的現場檢測，在此基礎上，總結了接頭不平順的主要波形類型，并從時域和頻域角度分析了接頭不平順的變化規律，并研究了鋼軌打磨對接頭區軌面平順狀態的影響。

1 試驗段概況

無砟軌道試驗段的長度為0.5～1.0 km，分別命名為試驗段1—試驗段5，試驗段的基本信息見表1。2016年6月—2018年3月期間對試驗段內所有鋼軌焊接接頭不平順進行定期現場檢測，檢測時間分別為2016年6月、12月，2017年3月、6月、10月和2018年3月，共獲得了6期檢測數據(試驗段5從2016年12月鋼軌打磨后開始檢測，共5期數據)。

接頭不平順的檢測儀器為SEC-RC鋼軌電子平直測量儀，測量長度范圍為1 m，采樣間隔為5 mm，測量精度為±0.02 mm。首期檢測時，為便于后期尋找，對試驗段內所有接頭測點做了標記；每次檢測時，均以焊縫為中心放置儀器，如圖1所示。

表1 試驗段基本信息

圖1 SEC-RC鋼軌電子平直測量儀測量現場

2 接頭區軌面不平順波形分類

經統計分析，各試驗段內鋼軌接頭不平順的波形類型存在一定差異，但總體上可以歸納為4大類：凸型、凹型(低接頭)、臺階型、諧波型。凸型包括單峰型和馬鞍型2類，其中單峰型通常由半周期余弦波疊加波長約0.1 m的焊縫不平順構成；而馬鞍型有2個明顯的波峰，形似“馬鞍”，2個波峰之間也會疊加焊縫波形。凹型的波形不平順幅值為負數，反映了現場的低接頭病害。臺階型往往在焊縫兩側存在較大幅值差，形似“臺階”。諧波型包含波長為幾十到一百毫米的周期性不平順，通常疊加凸型、凹型或臺階型波形。試驗段鋼軌接頭區軌面不平順波形類型如圖2所示。

圖2 試驗段鋼軌接頭區軌面不平順波形類型

將試驗段內各種波形類型的樣本數目進行統計，結果見表2。可以看出，各試驗段內波形類型基本上以凸型為主,且試驗段2有接近1/2為臺階型，試驗段4中27%為凹型(低接頭)，試驗段5全部為諧波型。

表2 試驗段波形數目統計結果

3 接頭不平順幅值變化規律

本文將接頭不平順極差值定義為不平順最大幅值與最小幅值的差值(絕對值)，它反映了波形整體的波動幅度，是一項重要的幅值特征。試驗段內所有樣本的極差值分布統計結果見圖3。可以看出，試驗段內接頭不平順極差值通常在0.2～0.4 mm之間，占到了樣本總數的82%；大于0.4 mm的樣本占15%。試驗段3有一個接頭不平順樣本的極差值達到了1.5 mm，為低接頭病害。

圖3 接頭不平順極差值分布情況

為了研究焊接接頭不平順極差值隨時間的變化規律，本文對各試驗段每期檢測樣本分別計算極差值的統計平均值，以距離首次測量的相對時間為橫坐標、極差值為縱坐標繪制圖形，并進行最小二乘擬合，結果見圖4。

圖4 接頭不平順極差值變化曲線

由圖4可以看出：試驗段3的極差值最大，約0.6 mm；試驗段1、試驗段2與試驗段4的極差值相當，在0.3～0.4 mm之間；而試驗段5的極差值最小，在0.1 mm左右。對比表1中的線路年運量信息，可以發現年運量越大，接頭不平順極差值通常越大，軌面平順狀態也越差。

通過對比各試驗段歷次檢測數據，發現接頭不平順極差值隨時間增長呈不斷增大的趨勢，且受鋼軌打磨影響明顯。根據表1中鋼軌打磨歷史，試驗段2的第3期檢測后，試驗段3、試驗段4與試驗段5的第4期檢測后，均進行了鋼軌打磨。由圖4可知，打磨后各試驗段接頭不平順極差值均明顯減小。為了排除鋼軌打磨的影響，對部分極差值進行了擬合計算(圖4中的粗實線)，得到各試驗段接頭不平順極差值的發展速率(即擬合曲線的斜率)，見表3。可見，接頭不平順極差值發展速率也與線路年運量有關，年運量越大的試驗段，接頭不平順極差值發展速率通常也越大。

表3 接頭不平順極差值發展速率統計

注：試驗段2的發展速率為打磨前后發展速率的平均值。

此外，有些波形在焊縫兩側存在局部波峰或波谷。圖5為試驗段4接頭不平順局部波峰、波谷變化曲線，其中的軌面不平順幅值為不同的相對時間下各期檢測數據。

圖5 試驗段4接頭不平順局部波峰、波谷變化曲線

由圖5可知，接頭區焊縫兩側的局部波峰或波谷存在趨勢性發展規律：局部波峰幅值隨時間增長逐漸減小，打磨后幅值明顯減小；局部波谷幅值隨時間增長也逐漸減小，打磨后幅值明顯增大。從而接頭不平順幅值波動程度整體降低，改善了接頭區軌面平順狀態。

4 接頭區軌面短波不平順水平變化規律

1/3倍頻程常用于頻帶范圍較寬的隨機振動測試分析。軌面短波不平順水平[10]是指經1/3倍頻帶通濾波后，對每一帶寬內的波形計算均方根值，除以參考值后，換算到水平級，從而對軌面短波不平順進行衡量。軌面短波不平順水平的計算公式為

(1)

式中：Lr為軌面短波不平順水平，dB；rRMS為軌面短波不平順的均方根值，μm；r0為不平順參考值，取r0=1 μm。

本文計算了各期接頭數據的軌面短波不平順水平，研究了不同波長成分平順性的變化規律，各試驗段的計算結果見圖6，圖中各條曲線代表各期檢測數據中所有接頭樣本軌面短波不平順水平的平均值。

由圖6不難發現，接頭不平順極差值越大的試驗段，短波不平順水平也越大。試驗段3的短波不平順水平曲線高度明顯高于其他試驗段，軌面平順狀態最差。因此短波不平順水平能夠同時反映接頭不平順的幅值與波長信息。

圖6 接頭區軌面短波不平順水平曲線

當試驗段內無鋼軌打磨時，接頭區軌面短波不平順水平存在緩慢的趨勢性變化。在100～400 mm波長范圍內，短波不平順水平隨時間增長呈增大趨勢；在50～90 mm波長范圍內，短波不平順水平隨時間增長呈下降趨勢。

鋼軌打磨能夠顯著降低接頭不平順水平。試驗段在鋼軌打磨之后，短波不平順水平會發生突變，在40～400 mm波長范圍內明顯降低，之后又再次增大；與之相比，試驗段1無鋼軌打磨，短波不平順水平無明顯突變。

5 結論

本文基于客貨共線無砟軌道試驗段內焊接接頭不平順2年內的多次檢測數據，總結了接頭不平順的主要波形類型，并從時域、頻域角度分析了平順狀態的變化規律，得到如下結論。

1)客貨共線無砟軌道試驗段焊接接頭不平順波形類型主要分為凸型、凹型、臺階型與諧波型4類，并且以凸型為主要形式。

2)接頭不平順極差值及其發展速率與線路年運量有關，年運量越大，極差值及發展速率也越大。鋼軌打磨能夠使接頭區軌面不平順幅值波動程度整體降低，改善接頭區軌道平順狀態。

3)無鋼軌打磨時，接頭區軌面短波不平順水平呈緩慢變化趨勢：在100～400 mm波長范圍內，不平順水平隨時間增長呈增大趨勢；在50～90 mm波長范圍內，不平順水平隨時間增長呈下降趨勢。鋼軌打磨能夠顯著降低40～400 mm波長范圍內的短波不平順水平。