摘要：随着无缝线路在我国铁路中的应用，能够有效降低轨道冲击应力，从而提高钢轨的使用年限，但是随着铁路运输密度的提升，钢轨焊接接头损伤的问题也越来越突出，导致铁路运行成本进一步升高，同时对铁路运输安全也造成了较大的影响。因此，铁轨焊接结构损伤的研究具有重要的现实意义。文章主要针对钢轨焊接结构低塌的原因和对策展开分析。
关键词：钢轨焊接；接头低塌；无缝铁路
铁路运输具有速度快、运载量高、能耗少且小一号的优势，相比于航空和公路运输而言具有更高的优势，不受自然气候的影响，因此铁路运输在我国经济发展中具有重要作用。自改革开放以来，我国铁路运输行业获得了较快的发展，但是轮轨和轨道损伤也不断增加，有文献指出我国每年铁路维修费用就超过了80亿人民币。钢轨接头是铁路三大重要部位之一，由于接头处焊接材料强度、硬度以及结构与母材料之间存在一定的差异，可能导致钢轨表面存在不平顺的情况，同时可能存在焊接缺陷或残余应力，这些都对钢轨造成了一定的影响，加速焊接接头破坏，从而出现接头低塌的情况。因此，需要关注钢轨焊接接头低塌发生的原因和影响，并加强相应的维护，从而保护铁路运输安全。
一、钢轨焊接接头损伤特征分析
近些年来，随着我国铁路运输的不断发展，列车的行驶速度以及荷载量也不断提升，但是钢轨损伤问题也逐渐暴露出来，这样一来给钢轨日常维护工作带来了较大的困难，尤其是无缝线路中，需要尽早采取有效的措施进行干预。文章主要以某地区铁路为例进行探究，截止至2018年，该路段铁路共计出现618处损伤，其中有286处出现在焊接接头上，所占百分比为46.3%，是钢轨损伤的重要问题之一[1]。根据该路段焊接记录分析，每隔25米有一个焊接接头，每隔500米有一个气压焊，从而计算焊接接头损伤率。由此可见，无论是热焊还是气压焊，都有较高的损伤率。同时，在热焊接的焊接接头中有着较高的损伤，通过曲线分析可致，焊接接头损伤率高的问题非常容易出现。钢轨焊接接头损伤问题对于铁路运输造成了较大的影响，损伤比重超过10%，威胁铁路运输安全。
二、钢轨焊接接头低塌原因分析
钢轨焊接接头损伤是铁路运输部门关注的重要问题，铁轨接触面积仅有10多平方厘米，但是承受着数十吨车辆的负荷，且轮轨接触面之间存在摩擦力，尤其是焊接接头部位。由于接头部位材料存在非均匀性和非同一性，加上运输密度高，因此焊接接头容易出现疲劳状态，导致承载能力下降甚至丧失[2]。钢轨焊接接头损伤的主要原因在于：在车辆荷载的作用下，由于钢轨焊接接头的硬度与母材不同，因此容易发生低塌问题，导致钢轨不平顺现象的发生，从而导致轮轨应力的加重，且不断降低了轨道框架的强度，从而导致钢轨焊接接头损伤。
钢轨接头低塌的主要原因为：①钢轨焊接之后产生的软化现象，这就导致焊缝区域相比于母材硬度而言要更低，因此，这也是引起焊接接头损伤的主要原因。正火后，钢轨接头无需喷风冷处理，这就导致接头强度要低于母材强度。在热处理过程中，焊接接头硬度下降，因此容易出现损伤的情况[3]。②在高速形式列车的影响下，焊接接头受到的摩擦力也会进一步增大，钢轨日常养护时间缩短，导致车轮损伤加重了钢轨损伤。
目前钢轨焊接主要工艺分为铝热焊、闪光焊、气压焊和电弧焊这几种，铝热焊焊接接头的性能相比于闪光焊和气压焊要更低，这主要是由于铝热焊焊接过程中容易出现杂物、气孔以及缺陷等问题[4]。焊接接头的性能主要是与接头整体性以及接头区域坡度。钢轨坡度是指钢轨纵断面形变引起的，这主要是由于接头与母材表面不均匀磨损和塑形引发的。钢轨焊接接头不平顺多表现为余弦波叠加引起的不平顺，且不平顺程度与运行总量呈函数关系，能够通过加强焊接接头日常维护从而延长钢轨的使用年限。
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三、钢轨焊接接头低塌对策分析
1.分析焊接接头损伤情况
根据焊接接头损伤情况分析，厂焊焊接接头损伤会随着使用时间以及运输量的增加而增加，与一般钢轨疲劳损伤规律相近。此外，与其他焊接接头损伤规律相比，能够通过总结过往统计学结果进行总结与归纳，例如气压焊焊接接头损伤水平会在一点时间之后逐渐趋于稳定，因此对于早期出现气压焊焊接接头损伤情况后，会在之后的一段时间逐渐展现出来相应的问题[5]。在统计线路上焊接接头的类型，若发现钢轨焊接接头损伤在早期表现为形变和低塌，那么在低塌出现之后可能伴随剥离、掉块以及裂纹等问题，甚至出现钢轨开裂等问题。
随着计算机技术的不断发展，各种计算方法在工业生产中得到广泛应有，尤其是钢轨接头损伤方面的应用。目前多数文献主要是集中在闪光焊以及铝热焊焊接接头性能以及疲劳规律。有学者提出了一种铝热焊焊接接头疲劳损伤数学模型，同时强调了孔隙对铝热焊焊接接头性能的影响。还有学者利用残余应力对焊接接头疲劳损伤模型进行设计，且利用有限元方法来计算接头的残余应力，且计算结果与实验结果相近，证实了这一方法的作用。钢轨焊接不同区域会呈现不同的拉应力，因此轨脚与轨头都存在应力，同时猝火与回火等处理措施能够减少参与应力。相关实验证实通过对钢轨焊接接头进行一定的热处理能够提升接头的抗拉强度以及延伸性能，同时能够将接头的脆性断裂改变为塑性破坏，从而通过模糊理论对不同路段钢轨损伤程度进行评估。
2.优化焊接工艺
在钢轨焊接过程中，通过正火处理的接头需要采取喷雾或喷风的方式，能够提高接头的硬度，因此在施工过程中需要对焊接工艺特点进行科学分析，并使用合适的冷却装置，从而提高焊接效果。对于已经出现低塌的接头来说，首先需要打磨钢轨，从而改善钢轨的平顺度，线使用高弹胶垫垫在轨枕上，从而起到缓冲的效果，处理轨迹并更换石砟，确保应力能够均匀分布在钢轨上。同时，还需要根据相关部门的确实要求，调整轨道形迹，从而延长接头的使用寿命。最后，对机动车辆的车轮进行定期检修，从而减小钢轨所受到的冲击力。热传导仿真技术能够模拟焊接接头损伤过程，因此通过改进现有焊接技术，能够避免接头缩孔的情况，但是仍存在接头冷隔以及缺陷问题，通过增加预热时间以及液体温度从而预防这两个问题的发生，但是仍有一定的微孔率。铁路施工现场需要避免轨道不平顺问题的发生，轨道不平顺容易造成相互作用力，导致车辆与轨道出现疲劳损伤，因此需要观察钢轨的几何不平顺形式，从而确定抗弯刚度与应力分布及轮轨作用力之间的关系。
结束语
钢轨焊接接头低塌的出现对铁路行驶安全性造成了较大的影响。因此，需要科学分析钢轨接头低塌发生的原因，并提出相应的改进措施，从而确保铁路运输的安全性。
参考文献
[1]张爱华,高佛来,牛小革等.基于BP神经网络的钢轨闪光对焊接头灰斑面积预测[J].焊接学报,2016,37(11):11-14.
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[3]马运忠,石永生,张玉华等.钢轨探伤车数据中接头不明反射点群分析及应用[J].铁道建筑,2017,57(11):107-109.
[4]丁韦,李力,王莹莹等.钢轨中的夹杂物对闪光焊接头力学性能的影响[J].焊接技术,2018,47(9):119-123.
[5]陈艳玮,王彪.钢轨接头扭转对车辆-轨道动力学的影响研究[J].铁道标准设计,2018,62(9):15-19.
论文作者:韦雁翔,黄善伦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/8
标签：钢轨论文; 损伤论文; 平顺论文; 铁路运输论文; 应力论文; 铁路论文; 轨道论文; 《基层建设》2019年第18期论文;