平直度

世界各國鐵路發展呈現兩大趨勢，即客運高速和貨運重載。作為軌道結構技術進步的重要標誌，無縫線路是實現高速、重載軌道結構技術的最優選擇，也是我國鐵路實現跨越式發展的重要課題。鋼軌焊接是無縫線路的關鍵技術，其接頭質量與行車速度、運行平穩性、旅客舒適性和行車安全有密切的關係。

隨着無縫線路的發展，對鋼軌焊接接頭質量提出了更高的要求，即要求鋼軌焊接接頭具有較高的內在質量和外在質量。接頭內在質量通過設備自動化、數字化、模塊化等方面的改造已得到較好的保證。外在質量要求鋼軌焊接接頭表面無缺陷、具有高的幾何尺寸精度和高的平直度等，其中鋼軌焊接接頭平直度是影響行車速度、運行平穩性、旅客舒適性的主要因素。接頭平直度超標時，在列車高速運行條件下能引起很大的輪軌作用力和衝擊振動，對軌道和機車車輛造成很大的損壞，併產生很大的噪聲，影響列車行車速度、運行平穩性和旅客乘坐舒適性。

因此，研究鋼軌焊接接頭平直度，掌握我國現役鋼軌焊接接頭平直度現狀，採取針對性的維護措施，對於提高無縫線路接頭外在質量、確保接頭平直度水平穩定達標以及發展我國高速鐵路等都具有重要的意義 ^[1]  。

軌道不平順是指鐵路軌道與列車車輪相互作用而導致軌道幾何形狀和空間位置發生偏差。輪軌相互作用理論表明，軌道不平順是引起機車車輛振動、輪軌作用力增大的主要根源。列車行車速度越快，振動越嚴重，輪軌作用力越大，這將加速道碴破碎，道牀路基局部沉陷，形成中長波不平順，產生噪聲，甚至誘發鋼軌、輪、軸斷裂，導致惡性脱軌事故。此外，軌道不平順是線路方面直接限制列車行車速度的主要因素。

焊接接頭作為軌道結構中重要的組成部分，其接頭平直度情況對軌道平順性將產生重要的影響。然而，在焊接特殊過程作用下，焊接接頭平直度的研究又與軌道平順性有不同之處。因此，研究焊接接頭平直度對於高速鐵路的平穩性、安全性等具有重要意義。

焊接接頭作為軌道結構中三大薄弱環節之一，其接頭質量對軌道作用力等方面有着明顯的影響。儘管軌道焊接技術已日趨成熟，但軌道焊接過程中大量的熱量輸入使得焊接接頭（焊縫）在材質、性能等方面與鋼軌相比都存在着較大的差異。在反覆輪軌作用力下，常常在焊接接頭處及其附近軌頂面出現不均勻的磨耗的凹陷或凸台，從而增大輪軌作用力，降低列車運行的平穩性。例如，焊接接頭處存在一個0.2 mm的迎輪台階，當列車以300 km/h車速通過時，所引起的高頻振動作用力高達722 kN，低頻輪軌力達321kN，分別約是列車自重的五倍、三倍，使得軌道受力發生突變，在如此反覆作用下，容易使得道牀路基產生局部沉降，從而形成較大的中長波，引起振動，產生較大的噪聲，嚴重影響列車行車速度、運行平穩性和旅客乘坐舒適性。

採用軸重140kN的CHR2動車組在運行速度相同的情況下，通過測試鋼軌焊接接頭打磨前後輪軌力大小。試驗結果發現，動車組通過打磨前的鋼軌焊接接頭（平直度大於0.3 mm/m，且接頭處存在明顯的凹坑）時的輪軌作用力達160kN，通過打磨後的鋼軌焊接接頭（平直度小於0.3 mm/m）時的輪軌作用力約為100kN，可見鋼軌焊接接頭平直度的降低有助於降低輪軌作用力的大小。因此，研究打磨工藝對鋼軌焊接接頭平直度的影響水平、降低輪軌力具有重要意義。

採用SAILENT 鋼軌縱斷面測量儀測量了京山線和廣深線大量焊接接頭不平順樣本，並對鋼軌焊接接頭軌面不平順譜估計開展了研究。結果表明，單個接頭軌面不平順樣本函數表現為非平穩性，而同一線路同種工藝和同樣養護條件下的大量焊接接頭區軌面不平順的整個樣本空間表現為平穩性，從鋼軌焊接接頭短波不平順功率譜密度能夠直接反映線路的運量、運營速度和接頭質量等相關信息。因此，在給定工藝和養護條件下，根據線路運量、列車運營速度等給定信息，可以對某線路鋼軌焊接接頭採取相應預防措施，確保行車安全。

無縫線路提高了列車運營的平穩性和舒適度，但由於温度效應的作用致使焊接長鋼軌形成較高的温度壓力，對無縫線路的穩定性提出了新的課題。鋼軌焊接接頭平直度是軌道平順性中關鍵環節，採取有效措施控制好鋼軌焊接接頭平直度，對無縫線路安全控制具有重要意義，如將鋼軌焊接接頭平直度提高一倍，相當於無縫線路安全等級提高一級。應加強對新建客運專線焊接接頭質量控制。

鋼軌焊接接頭平直度存在的超限問題除了焊接工藝水平外，還有一個重要原因就是缺少高精度的檢測方法來指導、修理鋼軌焊接接頭平直度。該文獻根據鋼軌焊接接頭平直度測量的需要，設計的鋼軌平直度測量系統具有操作簡單、功能全面等特點。以PLC為核心、以工控機為上位機的平直度測量系統，實現了對鋼軌焊接接頭平直度的測量 ^[2]  。

鋼軌焊接接頭平直度一方面影響高速行車的安全與平穩，另一方面將引起軌道動載荷進一步增大，促使鋼軌焊接接頭平直度由局部轉向大範圍的軌道不平順惡化，顯著降低舒適性。因此，研究鋼軌焊接接頭平直度，一方面可以有效抑制短波不平順的擴展，有利於接頭修整，為平直度控制尋求最佳時間；另一方面，採取相應的控制措施，對於保證高速列車運行的平穩性、安全性及舒適性等方面具有重要的意義。

保證軌道高平順性的技術措施均適用於鋼軌焊接接頭平直度控制。此外，由於焊接接頭特殊性，對鋼軌焊接接頭平直度控制措施主要還應注意以下幾個方面。

1.強化鋼軌焊接接頭平直度修理工作。

通過觀察鋼軌光帶的方法分析軌道平順性，指出焊接接頭處容易產生各類鋼軌不平順。針對鋼軌焊接接頭處的短波不平順，建議採用小型養路機械預打磨或大型鋼軌打磨車週期性打磨方法來進行修復。

對於軌頂面降低過快的接頭處，建議採用更換鋼軌焊接接頭來確保接頭處平直度。針對現場已存在的塌陷低接頭，首先打磨鋼軌，改善行車面平直度，然後在接頭兩側各兩個軌枕上墊高彈膠墊，緩衝接頭所受衝擊。此外，在線路投入運行之前，通過打磨鋼軌，去除鋼軌在軋製、焊接、鋪設等施工過程中造成的軌面微小不平順，進一步提高鋼軌焊接接頭的平直度水平，已經被國內外證實為一項技術經濟效益顯著的經驗成果。

2.構建高平順性路基。

由於焊接接頭在力學性能等方面低於母材，因此該處存在焊接接頭平直度超標時容易引發中長波不平順，該處路基出現局部下沉等現象。因此，堅固、穩定、高平順的路基是軌道高平順的前提條件，特別是焊接接頭處，要做到壓實道牀下沉。鐵科院軌道動力學試驗表明，在相同的貨車滾壓條件下，經過123萬t通過總重後，道牀下沉經過壓實的軌道焊接接頭與未經壓實的軌道焊接接頭相比，相差3.2倍。日本新幹線現場氣壓焊接頭平直度優於我國氣壓焊接頭平直度的一個重要原因就在於，日本將軌枕鋪在經壓實後的道碴上，而我國長軌條放在高低不平且不實的碴肩上焊接，自然會影響鋼軌接頭的平順性。

3.鋼軌初始平直度。

鐵路線路平順性要滿足鐵路標準的高要求，必須從鋼軌選材時進行嚴格控制。現場測試發現，鋼軌焊接接頭平直度不達標除了焊接工藝和設備等方面的原因外，還有一個重要的原因就是部分鋼軌母材本身平直度未能達到標準要求。因此，選擇平直度和材質都符合我國高速要求的鋼軌，對於確保線路平順性及接頭平直度等具有重要的意義 ^[1]  。

1.觀念認識。傳統觀念重視鋼軌焊接接頭內在質量，而對外在質量重視程度不夠。鋼軌焊接接頭平直度對無縫線路行車安全性、平穩性有着顯著的影響，必須加以重視。

2.設備、方法問題。鋼軌焊接接頭測量結果表明，焊接方法不同、焊接設備不同、工況條件不同都對鋼軌焊接接頭平直度有重要的影響。

3.研製專用打磨設備。由於焊接接頭特殊性，要求研製專用打磨設備，結合平直度測量數據，進行針對性打磨處理。

鋼軌焊接接頭是無縫線路的重要組成部分，接頭平直度是無縫線路平順性的有機構成。如研究鋼軌焊機接頭平直度測量裝置、分析鋼軌焊接接頭影響因素、制定鋼軌焊接接頭控制措施、研究專用打磨設備等對於發展我國高速重載無縫線路，加快經濟建設具有重要意義 ^[3]  。