地鐵車輛段普通線路接頭病害分析

王家舉

摘要：作為線路的三大薄弱環(huán)節(jié)之一，鋼軌接頭因其不連續(xù)性會(huì)引起列車的過(guò)度沖擊和性能的降低，由此造成一系列的接頭病害的發(fā)生。地鐵車輛段線路出于運(yùn)營(yíng)環(huán)境和成本考慮，大多使用50Kg/m鋼軌普通線路，因此存在大量接頭，出現(xiàn)了例如軌端肥邊、錯(cuò)牙、大軌縫等一系列問(wèn)題。本文通過(guò)分析車輛段接頭長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)有限元軟件分析接頭受力，提出了地鐵停車輛段普通線路接頭整治方法。

關(guān)鍵詞：接頭病害，螺栓扭力矩，整治方法

1 接頭常見病害

1.1 車輛段概況

車輛段線路軌頂標(biāo)高一致，試車線略高300mm，高差在聯(lián)絡(luò)線內(nèi)過(guò)渡。整個(gè)車輛段除庫(kù)內(nèi)線、部分出入段線、試車線檢查坑為整體道床之外，其余均為碎石道床。車輛段線路最小曲線半徑為150m，無(wú)線路縱坡設(shè)計(jì)。鋼軌為U71Mn型鋼軌，抗拉強(qiáng)度882 MPa，屈服強(qiáng)度490 MPa?？奂愋投酁閺棗lⅠ型扣件。列車車運(yùn)行最高速度25Km/h，新輪直徑840mm，軸重14t，車輪定距12600mm，轉(zhuǎn)向架軸距2300mm。

1.2 常見病害

1號(hào)線運(yùn)營(yíng)至今，車輛段普通線路尤其是進(jìn)出場(chǎng)線L1道、L2道接頭軌端出現(xiàn)較多傷損，雖經(jīng)整治維修但逐漸從單一病害向綜合病害發(fā)展。主要有：

（1）鋼軌接頭肥邊、低頭、錯(cuò)牙、大軌縫;

（2）鋼軌接頭軌面高低，小方向;

（2）接頭夾板聯(lián)接零件松動(dòng)、失效，軌枕裂紋。

1.3 原因分析

接頭夾板雖然保證了鋼軌幾何形態(tài)的一致性，但鋼軌的連續(xù)性受到破壞，分析表明，鋼軌接頭抗彎性能降低，造成較母材較大的下沉。1號(hào)線近幾年來(lái)上線列車不斷增多，列車的頻繁碾壓，使接頭軌面出現(xiàn)高低。

接頭處鋼軌連續(xù)性降低造成的列車沖擊力變大，使夾板聯(lián)結(jié)零件更易產(chǎn)生擾動(dòng)和磨耗，造成接頭零件的失效，而列車經(jīng)過(guò)引起接頭部分的過(guò)度振動(dòng)也造成了軌枕裂紋。振動(dòng)使道砟松散，如不能及時(shí)搗固，造成道床穩(wěn)定性降低。

2 接頭整改實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)《線路檢修規(guī)程》相關(guān)規(guī)定和實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，選取L1道L1-3、L1-4、L1-5、L1-6接頭軌縫定期進(jìn)行扭力矩復(fù)核緊固，普通接頭和絕緣接頭分別按照按照400N、700 N設(shè)置扭力矩。每根螺栓都采用扭力矩扳手復(fù)核，保證了一定精度。測(cè)量時(shí)間在每周二、周五和天氣氣溫超過(guò)35℃的上午8：30-9：00完成軌溫和軌縫測(cè)量，詳情如下：

2.2 結(jié)果分析

由軌縫變化折線圖可知，結(jié)合氣溫、軌溫變化趨勢(shì)可知，鋼軌軌縫在年度內(nèi)有周期性變化，普通接頭左右股鋼軌軌縫有3mm左右的差距，絕緣接頭左右股軌縫差別不大。其中每年10月中下旬至次年3月中下旬軌縫變化幅度明顯且整體偏大，平均在15mm左右，最大在16mm。L-3軌接頭為絕緣接頭，在此期間的軌縫最大已接近16mm的限值。在監(jiān)測(cè)的4月上旬至10月上旬，接頭軌縫變化較為平穩(wěn)。

由此可見，在對(duì)車輛段普通線路的日常維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)在寒冷季節(jié)對(duì)軌縫和鋼軌狀態(tài)的監(jiān)控，尤其應(yīng)注意絕緣接頭的軌縫變化情況，并及時(shí)予以整改。

3 不同螺栓扭力矩下鋼軌接頭應(yīng)力分析

3.1 計(jì)算模型

首先， 按50Kg/m鋼軌軌普通接頭各部件的尺寸建立接頭區(qū)實(shí)體模型，接頭組件由兩截導(dǎo)軌和兩塊夾板組成，由六個(gè)螺栓進(jìn)行緊固。首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)繪制導(dǎo)軌截面草圖利用拉伸、切除命令繪制出導(dǎo)軌，并利用切除命令打孔，再利用草繪工具繪制圖示壓板草圖，并進(jìn)行拉伸，利用切除命令進(jìn)行打孔以相同的方法繪制出螺栓和枕木。a=544mm，b=538mm，c=540mm，接頭軌縫s=8mm。最后使用有限元軟件Altair HyperMesh對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行前處理，然后采用ABQUS對(duì)建好的網(wǎng)格模型進(jìn)行求解計(jì)算，得出仿真結(jié)果。

3.2 計(jì)算結(jié)果

已知當(dāng)車輪行駛至接頭軌縫處為最不利位置，由于螺栓扭矩對(duì)接頭區(qū)各部件的應(yīng)力分布有很大的影響。因此，主要分析螺栓扭矩變化對(duì)接頭應(yīng)力的作用。圖3-2表示的是鋼軌縱向剖面的八面體應(yīng)力分布情況。由圖可知，在夾板長(zhǎng)度范圍內(nèi)，鋼軌軌腰處應(yīng)力水平較高，而鋼軌螺栓孔附近的應(yīng)力水平最高。

表3-2中列出了相同受力條件下，不同螺栓扭矩下鋼軌各位置的八面體應(yīng)力。表中各位置如圖3-3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，各點(diǎn)的應(yīng)力隨著螺栓扭增大而增大。

下圖所示接頭在相同外力條件下，不同螺栓扭矩下接頭軌縫處鋼軌的位移。由圖可知，隨著螺栓扭矩的增大，鋼軌位移逐漸減小。這是因?yàn)椋弘S著螺栓扭矩的增加，鋼軌與夾板的連接越來(lái)越緊，使接頭軌縫變小。

4 應(yīng)對(duì)措施和建議

本文通過(guò)對(duì)地鐵車輛段接頭軌縫的長(zhǎng)期跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過(guò)有限元軟件建立普通線路50軌鋼軌接頭實(shí)體模型，討論接頭螺栓不同扭力矩下對(duì)鋼軌接頭應(yīng)力的影響。結(jié)合地鐵車輛段實(shí)際日常保養(yǎng)情況和分析結(jié)果，現(xiàn)提出以下建議。

4.1 及時(shí)調(diào)整接頭扭力矩

根據(jù)圖1-圖5軌縫變化趨勢(shì)可知，對(duì)于接頭螺栓的緊固除每?jī)稍碌闹芷谛詮?fù)擰外，還應(yīng)在氣溫有明顯變化導(dǎo)致軌縫變化幅度增大的時(shí)間前后，大致在每年3月中旬和8月中旬對(duì)鋼軌接頭進(jìn)行軌縫普查和接頭螺栓的全面復(fù)擰工作，并根據(jù)接頭特點(diǎn)調(diào)整接頭螺栓扭力矩水平。

通過(guò)對(duì)接頭的應(yīng)力分析可知，一方面，較小的螺栓扭力矩在夾板內(nèi)部產(chǎn)生較小應(yīng)力并造成軌端應(yīng)力增加。所以應(yīng)定期檢查接頭夾板外觀及性能是否完好，若夾板產(chǎn)生損耗、松動(dòng)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行復(fù)擰達(dá)到規(guī)定扭力矩。另一方面，鋼軌低接頭、錯(cuò)牙等病害會(huì)引起夾板螺栓松弛，進(jìn)而影響夾板效用的發(fā)揮，產(chǎn)生接頭病害。若不能及時(shí)整改，會(huì)造成螺栓松動(dòng)和接頭病害的惡性循環(huán)。

所以，對(duì)于普通接頭，扭力矩可調(diào)整為500-600Nm，保證夾板和鋼軌實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，緩解因鋼軌熱脹冷縮造成鋼軌內(nèi)部的應(yīng)力變化。同時(shí)較大的扭力矩水平也限制了鋼軌接頭位移，避免接頭軌縫失格。對(duì)于絕緣接頭扭力矩可調(diào)整在800Nm，并在每年的10月中旬至次年2月中旬對(duì)絕緣接頭軌縫加密檢查，及時(shí)復(fù)擰，軌縫過(guò)大時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行均勻軌縫作業(yè)。對(duì)于凍結(jié)接頭，應(yīng)將扭力矩控制在1000Nm，避免過(guò)大的扭力矩使鋼軌軌腰產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，產(chǎn)生傷損。

4.2 整治現(xiàn)存病害，保證接頭平順

（1）更換老化軌下膠墊。接頭因其不連續(xù)性受到列車的過(guò)大沖擊，膠墊的良好性能可以有效緩解列車通過(guò)接頭時(shí)的震動(dòng)，降低對(duì)軌端的沖擊力。

（2）及時(shí)打磨軌端肥邊、飛邊，對(duì)接頭出現(xiàn)的高低、左右錯(cuò)牙及時(shí)調(diào)整，并加強(qiáng)前后道砟搗固。

（3）及時(shí)均勻軌縫。應(yīng)在每年10月中旬至2月中旬針對(duì)車輛段接頭軌縫每月普查情況進(jìn)行調(diào)整，普通接頭軌縫不大于18mm，絕緣接頭不大于15mm。

（4）矯直鋼軌方向。在車輛段接頭前后大多存在小方向，應(yīng)進(jìn)行整正，使鋼軌通過(guò)接頭區(qū)域時(shí)行駛平穩(wěn)，降低對(duì)接頭沖擊。

（5）及時(shí)更換失效扣件零部件。保持軌距扣板有足夠扣壓力，保證螺母達(dá)到規(guī)定扭力矩，以有效應(yīng)對(duì)列車經(jīng)過(guò)帶來(lái)的過(guò)度振動(dòng)。

（6）提高道床彈性，應(yīng)對(duì)接頭振動(dòng)。對(duì)于病害嚴(yán)重的接頭，在前后4根軌枕區(qū)域應(yīng)進(jìn)行清篩換砟搗固，傷損軌枕及時(shí)整修，失效軌枕可考慮更換承載面積更大的，杜絕空吊現(xiàn)象，軌下膠墊墊高不超過(guò)10mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊榮山. 鋼軌接頭的應(yīng)力分析與優(yōu)化研究[D].西南交通大學(xué)，2002.

（作者單位：蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司）