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)性會引起列車的過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營環(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，出現了例如軌端肥邊、錯牙、大軌縫等一系列問題。本文通過分析車輛段接頭長期觀測數據，并通過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

車輛段線路軌頂標高一致，試車線略高300mm，高差在聯(lián)絡線內過渡。整個車輛段除庫內線、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，無線路縱坡設計。鋼軌為U71Mn型鋼軌，抗拉強度882 MPa，屈服強度490 MPa?？奂愋投酁閺棗lⅠ型扣件。列車車運行最高速度25Km/h，新輪直徑840mm，軸重14t，車輪定距12600mm，轉向架軸距2300mm。

1.2 常見病害

1號線運營至今，車輛段普通線路尤其是進出場線L1道、L2道接頭軌端出現較多傷損，雖經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、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號線近幾年來上線列車不斷增多，列車的頻繁碾壓，使接頭軌面出現高低。

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)結零件更易產生擾動和磨耗，造成接頭零件的失效，而列車經過引起接頭部分的過度振動也造成了軌枕裂紋。振動使道砟松散，如不能及時搗固，造成道床穩(wěn)定性降低。

2 接頭整改實驗分析

2.1 實驗方案

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

2.2 結果分析

由軌縫變化折線圖可知，結合氣溫、軌溫變化趨勢可知，鋼軌軌縫在年度內有周期性變化，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，在對車輛段普通線路的日常維護保養(yǎng)過程中，應加強在寒冷季節(jié)對軌縫和鋼軌狀態(tài)的監(jiān)控，尤其應注意絕緣接頭的軌縫變化情況，并及時予以整改。

3 不同螺栓扭力矩下鋼軌接頭應力分析

3.1 計算模型

首先， 按50Kg/m鋼軌軌普通接頭各部件的尺寸建立接頭區(qū)實體模型，接頭組件由兩截導軌和兩塊夾板組成，由六個螺栓進行緊固。首先根據標準繪制導軌截面草圖利用拉伸、切除命令繪制出導軌，并利用切除命令打孔，再利用草繪工具繪制圖示壓板草圖，并進行拉伸，利用切除命令進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對結構進行前處理，然后采用ABQUS對建好的網格模型進行求解計算，得出仿真結果。

3.2 計算結果

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

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力。表中各位置如圖3-3所示。從表中數據可以看出，各點的應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。這是因為：隨著螺栓扭矩的增加，鋼軌與夾板的連接越來越緊，使接頭軌縫變小。

4 應對措施和建議

本文通過對地鐵車輛段接頭軌縫的長期跟蹤數據進行分析，并通過有限元軟件建立普通線路50軌鋼軌接頭實體模型，討論接頭螺栓不同扭力矩下對鋼軌接頭應力的影響。結合地鐵車輛段實際日常保養(yǎng)情況和分析結果，現提出以下建議。

4.1 及時調整接頭扭力矩

根據圖1-圖5軌縫變化趨勢可知，對于接頭螺栓的緊固除每兩月的周期性復擰外，還應在氣溫有明顯變化導致軌縫變化幅度增大的時間前后，大致在每年3月中旬和8月中旬對鋼軌接頭進行軌縫普查和接頭螺栓的全面復擰工作，并根據接頭特點調整接頭螺栓扭力矩水平。

通過對接頭的應力分析可知，一方面，較小的螺栓扭力矩在夾板內部產生較小應力并造成軌端應力增加。所以應定期檢查接頭夾板外觀及性能是否完好，若夾板產生損耗、松動，應及時進行復擰達到規(guī)定扭力矩。另一方面，鋼軌低接頭、錯牙等病害會引起夾板螺栓松弛，進而影響夾板效用的發(fā)揮，產生接頭病害。若不能及時整改，會造成螺栓松動和接頭病害的惡性循環(huán)。

所以，對于普通接頭，扭力矩可調整為500-600Nm，保證夾板和鋼軌實現相對滑動，緩解因鋼軌熱脹冷縮造成鋼軌內部的應力變化。同時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。對于絕緣接頭扭力矩可調整在800Nm，并在每年的10月中旬至次年2月中旬對絕緣接頭軌縫加密檢查，及時復擰，軌縫過大時應及時進行均勻軌縫作業(yè)。對于凍結接頭，應將扭力矩控制在1000Nm，避免過大的扭力矩使鋼軌軌腰產生較大的拉應力，產生傷損。

4.2 整治現存病害，保證接頭平順

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

（2）及時打磨軌端肥邊、飛邊，對接頭出現的高低、左右錯牙及時調整，并加強前后道砟搗固。

（3）及時均勻軌縫。應在每年10月中旬至2月中旬針對車輛段接頭軌縫每月普查情況進行調整，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，應進行整正，使鋼軌通過接頭區(qū)域時行駛平穩(wěn)，降低對接頭沖擊。

（5）及時更換失效扣件零部件。保持軌距扣板有足夠扣壓力，保證螺母達到規(guī)定扭力矩，以有效應對列車經過帶來的過度振動。

（6）提高道床彈性，應對接頭振動。對于病害嚴重的接頭，在前后4根軌枕區(qū)域應進行清篩換砟搗固，傷損軌枕及時整修，失效軌枕可考慮更換承載面積更大的，杜絕空吊現象，軌下膠墊墊高不超過10mm。

參考文獻：

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

（作者單位：蘇州市軌道交通集團有限公司運營分公司）