客货共线无砟轨道钢轨焊接接头不平顺测量分析

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(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；3.中国铁路南昌局集团有限公司，江西 南昌 330002；4.中国铁路西安局集团有限公司，陕西 西安 710054)

我国铁路既有线提速改造完成后及客运专线运营初期，通常采用客货共线的运输模式。由于客车与货车的轴重、行车速度、动力学特性等存在差异，列车对轨道结构的影响相对复杂；特别是隧道内无砟轨道基础刚度大、服役环境差，更加剧了轨道恶化。接头是轨道结构的薄弱环节之一，尽管焊接接头消除了轨缝，但接头区的不平顺度往往超过非接头区10dB以上[1]，导致轮轨力增大，直接影响轨道的服役寿命和列车的安全平稳运行。因此，对客货共线无砟轨道焊接接头不平顺进行现场测量，从时域和频域角度分析平顺度随时间的变化规律，将有助于掌握接头平顺状态，制定合理养护维修计划。

国内学者十分重视接头不平顺的研究，进行了大量的实测分析。刘秀波等[1]利用SAILENT钢轨纵断面测量仪对京山线和广深线焊接接头不平顺样本进行了实测与功率谱分析；李秋玲等[2]利用SEC-RC钢轨电子平直测量仪实测了城市轨道交通钢轨焊接接头不平顺，并进行了1/3倍频分析；周世恒等[3]采用型尺测量方法对新铺钢轨焊接接头平直度进行了测量，并与TB/T1632—2005《钢轨焊接》[4]的平直度要求进行对比；杨云帆等[5]利用RailProf钢轨焊接接头不平顺测量仪对某直线电动机地铁线路焊接接头不平顺进行了测量与评价；付青云等[6]基于实测数据分析了钢轨打磨对接头区不平顺的影响。国外学者对轨面短波不平顺也进行了大量研究。Hiensch等[7]对荷兰2段不同轨面平顺度的轨道进行了实测与对比；Verheijen[8]总结了轨面短波不平顺的测量方法并对比了测量结果；Hardy等[9]基于实测数据分析了轨面短波不平顺对列车噪声的影响。

然而，上述研究通常基于1次或2次检测数据，难以反映接头不平顺随时间、运量的长期变化规律。此外，国内外对客货共线无砟轨道接头不平顺掌握的资料较少。本文经调研选定了5条客货共线线路的隧道内无砟轨道作为试验段，对其钢轨焊接接头不平顺进行了长达2年的现场检测，在此基础上，总结了接头不平顺的主要波形类型，并从时域和频域角度分析了接头不平顺的变化规律，并研究了钢轨打磨对接头区轨面平顺状态的影响。

1 试验段概况

无砟轨道试验段的长度为0.5～1.0 km，分别命名为试验段1—试验段5，试验段的基本信息见表1。2016年6月—2018年3月期间对试验段内所有钢轨焊接接头不平顺进行定期现场检测，检测时间分别为2016年6月、12月，2017年3月、6月、10月和2018年3月，共获得了6期检测数据(试验段5从2016年12月钢轨打磨后开始检测，共5期数据)。

接头不平顺的检测仪器为SEC-RC钢轨电子平直测量仪，测量长度范围为1 m，采样间隔为5 mm，测量精度为±0.02 mm。首期检测时，为便于后期寻找，对试验段内所有接头测点做了标记；每次检测时，均以焊缝为中心放置仪器，如图1所示。

表1 试验段基本信息

图1 SEC-RC钢轨电子平直测量仪测量现场

2 接头区轨面不平顺波形分类

经统计分析，各试验段内钢轨接头不平顺的波形类型存在一定差异，但总体上可以归纳为4大类：凸型、凹型(低接头)、台阶型、谐波型。凸型包括单峰型和马鞍型2类，其中单峰型通常由半周期余弦波叠加波长约0.1 m的焊缝不平顺构成；而马鞍型有2个明显的波峰，形似“马鞍”，2个波峰之间也会叠加焊缝波形。凹型的波形不平顺幅值为负数，反映了现场的低接头病害。台阶型往往在焊缝两侧存在较大幅值差，形似“台阶”。谐波型包含波长为几十到一百毫米的周期性不平顺，通常叠加凸型、凹型或台阶型波形。试验段钢轨接头区轨面不平顺波形类型如图2所示。

图2 试验段钢轨接头区轨面不平顺波形类型

将试验段内各种波形类型的样本数目进行统计，结果见表2。可以看出，各试验段内波形类型基本上以凸型为主,且试验段2有接近1/2为台阶型，试验段4中27%为凹型(低接头)，试验段5全部为谐波型。

表2 试验段波形数目统计结果

3 接头不平顺幅值变化规律

本文将接头不平顺极差值定义为不平顺最大幅值与最小幅值的差值(绝对值)，它反映了波形整体的波动幅度，是一项重要的幅值特征。试验段内所有样本的极差值分布统计结果见图3。可以看出，试验段内接头不平顺极差值通常在0.2～0.4 mm之间，占到了样本总数的82%；大于0.4 mm的样本占15%。试验段3有一个接头不平顺样本的极差值达到了1.5 mm，为低接头病害。

图3 接头不平顺极差值分布情况

为了研究焊接接头不平顺极差值随时间的变化规律，本文对各试验段每期检测样本分别计算极差值的统计平均值，以距离首次测量的相对时间为横坐标、极差值为纵坐标绘制图形，并进行最小二乘拟合，结果见图4。

图4 接头不平顺极差值变化曲线

由图4可以看出：试验段3的极差值最大，约0.6 mm；试验段1、试验段2与试验段4的极差值相当，在0.3～0.4 mm之间；而试验段5的极差值最小，在0.1 mm左右。对比表1中的线路年运量信息，可以发现年运量越大，接头不平顺极差值通常越大，轨面平顺状态也越差。

通过对比各试验段历次检测数据，发现接头不平顺极差值随时间增长呈不断增大的趋势，且受钢轨打磨影响明显。根据表1中钢轨打磨历史，试验段2的第3期检测后，试验段3、试验段4与试验段5的第4期检测后，均进行了钢轨打磨。由图4可知，打磨后各试验段接头不平顺极差值均明显减小。为了排除钢轨打磨的影响，对部分极差值进行了拟合计算(图4中的粗实线)，得到各试验段接头不平顺极差值的发展速率(即拟合曲线的斜率)，见表3。可见，接头不平顺极差值发展速率也与线路年运量有关，年运量越大的试验段，接头不平顺极差值发展速率通常也越大。

表3 接头不平顺极差值发展速率统计

注：试验段2的发展速率为打磨前后发展速率的平均值。

此外，有些波形在焊缝两侧存在局部波峰或波谷。图5为试验段4接头不平顺局部波峰、波谷变化曲线，其中的轨面不平顺幅值为不同的相对时间下各期检测数据。

图5 试验段4接头不平顺局部波峰、波谷变化曲线

由图5可知，接头区焊缝两侧的局部波峰或波谷存在趋势性发展规律：局部波峰幅值随时间增长逐渐减小，打磨后幅值明显减小；局部波谷幅值随时间增长也逐渐减小，打磨后幅值明显增大。从而接头不平顺幅值波动程度整体降低，改善了接头区轨面平顺状态。

4 接头区轨面短波不平顺水平变化规律

1/3倍频程常用于频带范围较宽的随机振动测试分析。轨面短波不平顺水平[10]是指经1/3倍频带通滤波后，对每一带宽内的波形计算均方根值，除以参考值后，换算到水平级，从而对轨面短波不平顺进行衡量。轨面短波不平顺水平的计算公式为

(1)

式中：Lr为轨面短波不平顺水平，dB；rRMS为轨面短波不平顺的均方根值，μm；r0为不平顺参考值，取r0=1 μm。

本文计算了各期接头数据的轨面短波不平顺水平，研究了不同波长成分平顺性的变化规律，各试验段的计算结果见图6，图中各条曲线代表各期检测数据中所有接头样本轨面短波不平顺水平的平均值。

由图6不难发现，接头不平顺极差值越大的试验段，短波不平顺水平也越大。试验段3的短波不平顺水平曲线高度明显高于其他试验段，轨面平顺状态最差。因此短波不平顺水平能够同时反映接头不平顺的幅值与波长信息。

图6 接头区轨面短波不平顺水平曲线

当试验段内无钢轨打磨时，接头区轨面短波不平顺水平存在缓慢的趋势性变化。在100～400 mm波长范围内，短波不平顺水平随时间增长呈增大趋势；在50～90 mm波长范围内，短波不平顺水平随时间增长呈下降趋势。

钢轨打磨能够显著降低接头不平顺水平。试验段在钢轨打磨之后，短波不平顺水平会发生突变，在40～400 mm波长范围内明显降低，之后又再次增大；与之相比，试验段1无钢轨打磨，短波不平顺水平无明显突变。

5 结论

本文基于客货共线无砟轨道试验段内焊接接头不平顺2年内的多次检测数据，总结了接头不平顺的主要波形类型，并从时域、频域角度分析了平顺状态的变化规律，得到如下结论。

1)客货共线无砟轨道试验段焊接接头不平顺波形类型主要分为凸型、凹型、台阶型与谐波型4类，并且以凸型为主要形式。

2)接头不平顺极差值及其发展速率与线路年运量有关，年运量越大，极差值及发展速率也越大。钢轨打磨能够使接头区轨面不平顺幅值波动程度整体降低，改善接头区轨道平顺状态。

3)无钢轨打磨时，接头区轨面短波不平顺水平呈缓慢变化趋势：在100～400 mm波长范围内，不平顺水平随时间增长呈增大趋势；在50～90 mm波长范围内，不平顺水平随时间增长呈下降趋势。钢轨打磨能够显著降低40～400 mm波长范围内的短波不平顺水平。