地铁车辆段普通线路接头病害分析

王家举

摘要：作为线路的三大薄弱环节之一，钢轨接头因其不连续性会引起列车的过度冲击和性能的降低，由此造成一系列的接头病害的发生。地铁车辆段线路出于运营环境和成本考虑，大多使用50Kg/m钢轨普通线路，因此存在大量接头，出现了例如轨端肥边、错牙、大轨缝等一系列问题。本文通过分析车辆段接头长期观测数据，并通过有限元软件分析接头受力，提出了地铁停车辆段普通线路接头整治方法。

关键词：接头病害，螺栓扭力矩，整治方法

1 接头常见病害

1.1 车辆段概况

车辆段线路轨顶标高一致，试车线略高300mm，高差在联络线内过渡。整个车辆段除库内线、部分出入段线、试车线检查坑为整体道床之外，其余均为碎石道床。车辆段线路最小曲线半径为150m，无线路纵坡设计。钢轨为U71Mn型钢轨，抗拉强度882 MPa，屈服强度490 MPa。扣件类型多为弹条Ⅰ型扣件。列车车运行最高速度25Km/h，新轮直径840mm，轴重14t，车轮定距12600mm，转向架轴距2300mm。

1.2 常见病害

1号线运营至今，车辆段普通线路尤其是进出场线L1道、L2道接头轨端出现较多伤损，虽经整治维修但逐渐从单一病害向综合病害发展。主要有：

（1）钢轨接头肥边、低头、错牙、大轨缝;

（2）钢轨接头轨面高低，小方向;

（2）接头夹板联接零件松动、失效，轨枕裂纹。

1.3 原因分析

接头夹板虽然保证了钢轨几何形态的一致性，但钢轨的连续性受到破坏，分析表明，钢轨接头抗弯性能降低，造成较母材较大的下沉。1号线近几年来上线列车不断增多，列车的频繁碾压，使接头轨面出现高低。

接头处钢轨连续性降低造成的列车冲击力变大，使夹板联结零件更易产生扰动和磨耗，造成接头零件的失效，而列车经过引起接头部分的过度振动也造成了轨枕裂纹。振动使道砟松散，如不能及时捣固，造成道床稳定性降低。

2 接头整改实验分析

2.1 实验方案

根据《线路检修规程》相关规定和实际运营情况，选取L1道L1-3、L1-4、L1-5、L1-6接头轨缝定期进行扭力矩复核紧固，普通接头和绝缘接头分别按照按照400N、700 N设置扭力矩。每根螺栓都采用扭力矩扳手复核，保证了一定精度。测量时间在每周二、周五和天气气温超过35℃的上午8：30-9：00完成轨温和轨缝测量，详情如下：

2.2 结果分析

由轨缝变化折线图可知，结合气温、轨温变化趋势可知，钢轨轨缝在年度内有周期性变化，普通接头左右股钢轨轨缝有3mm左右的差距，绝缘接头左右股轨缝差别不大。其中每年10月中下旬至次年3月中下旬轨缝变化幅度明显且整体偏大，平均在15mm左右，最大在16mm。L-3轨接头为绝缘接头，在此期间的轨缝最大已接近16mm的限值。在监测的4月上旬至10月上旬，接头轨缝变化较为平稳。

由此可见，在对车辆段普通线路的日常维护保养过程中，应加强在寒冷季节对轨缝和钢轨状态的监控，尤其应注意绝缘接头的轨缝变化情况，并及时予以整改。

3 不同螺栓扭力矩下钢轨接头应力分析

3.1 计算模型

首先， 按50Kg/m钢轨轨普通接头各部件的尺寸建立接头区实体模型，接头组件由两截导轨和两块夹板组成，由六个螺栓进行紧固。首先根据标准绘制导轨截面草图利用拉伸、切除命令绘制出导轨，并利用切除命令打孔，再利用草绘工具绘制图示压板草图，并进行拉伸，利用切除命令进行打孔以相同的方法绘制出螺栓和枕木。a=544mm，b=538mm，c=540mm，接头轨缝s=8mm。最后使用有限元软件Altair HyperMesh对结构进行前处理，然后采用ABQUS对建好的网格模型进行求解计算，得出仿真结果。

3.2 计算结果

已知当车轮行驶至接头轨缝处为最不利位置，由于螺栓扭矩对接頭区各部件的应力分布有很大的影响。因此，主要分析螺栓扭矩变化对接头应力的作用。图3-2表示的是钢轨纵向剖面的八面体应力分布情况。由图可知，在夹板长度范围内，钢轨轨腰处应力水平较高，而钢轨螺栓孔附近的应力水平最高。

表3-2中列出了相同受力条件下，不同螺栓扭矩下钢轨各位置的八面体应力。表中各位置如图3-3所示。从表中数据可以看出，各点的应力随着螺栓扭增大而增大。

下图所示接头在相同外力条件下，不同螺栓扭矩下接头轨缝处钢轨的位移。由图可知，随着螺栓扭矩的增大，钢轨位移逐渐减小。这是因为：随着螺栓扭矩的增加，钢轨与夹板的连接越来越紧，使接头轨缝变小。

4 应对措施和建议

本文通过对地铁车辆段接头轨缝的长期跟踪数据进行分析，并通过有限元软件建立普通线路50轨钢轨接头实体模型，讨论接头螺栓不同扭力矩下对钢轨接头应力的影响。结合地铁车辆段实际日常保养情况和分析结果，现提出以下建议。

4.1 及时调整接头扭力矩

根据图1-图5轨缝变化趋势可知，对于接头螺栓的紧固除每两月的周期性复拧外，还应在气温有明显变化导致轨缝变化幅度增大的时间前后，大致在每年3月中旬和8月中旬对钢轨接头进行轨缝普查和接头螺栓的全面复拧工作，并根据接头特点调整接头螺栓扭力矩水平。

通过对接头的应力分析可知，一方面，较小的螺栓扭力矩在夹板内部产生较小应力并造成轨端应力增加。所以应定期检查接头夹板外观及性能是否完好，若夹板产生损耗、松动，应及时进行复拧达到规定扭力矩。另一方面，钢轨低接头、错牙等病害会引起夹板螺栓松弛，进而影响夹板效用的发挥，产生接头病害。若不能及时整改，会造成螺栓松动和接头病害的恶性循环。

所以，对于普通接头，扭力矩可调整为500-600Nm，保证夹板和钢轨实现相对滑动，缓解因钢轨热胀冷缩造成钢轨内部的应力变化。同时较大的扭力矩水平也限制了钢轨接头位移，避免接头轨缝失格。对于绝缘接头扭力矩可调整在800Nm，并在每年的10月中旬至次年2月中旬对绝缘接头轨缝加密检查，及时复拧，轨缝过大时应及时进行均匀轨缝作业。对于冻结接头，应将扭力矩控制在1000Nm，避免过大的扭力矩使钢轨轨腰产生较大的拉应力，产生伤损。

4.2 整治现存病害，保证接头平顺

（1）更换老化轨下胶垫。接头因其不连续性受到列车的过大冲击，胶垫的良好性能可以有效缓解列车通过接头时的震动，降低对轨端的冲击力。

（2）及时打磨轨端肥边、飞边，对接头出现的高低、左右错牙及时调整，并加强前后道砟捣固。

（3）及时均匀轨缝。应在每年10月中旬至2月中旬针对车辆段接头轨缝每月普查情况进行调整，普通接头轨缝不大于18mm，绝缘接头不大于15mm。

（4）矫直钢轨方向。在车辆段接头前后大多存在小方向，应进行整正，使钢轨通过接头区域时行驶平稳，降低对接头冲击。

（5）及时更换失效扣件零部件。保持轨距扣板有足够扣压力，保证螺母达到规定扭力矩，以有效应对列车经过带来的过度振动。

（6）提高道床弹性，应对接头振动。对于病害严重的接头，在前后4根轨枕区域应进行清筛换砟捣固，伤损轨枕及时整修，失效轨枕可考虑更换承载面积更大的，杜绝空吊现象，轨下胶垫垫高不超过10mm。

参考文献：

[1]杨荣山. 钢轨接头的应力分析与优化研究[D].西南交通大学，2002.

（作者单位：苏州市轨道交通集团有限公司运营分公司）