新荷兰钢轨焊接几何形状评估

代尔夫特理工大学与荷兰铁路基础设施管理公司proorail合作，为荷兰冶金轨道焊缝的几何偏差制定了新的技术法规标准。

像世界上所有的标准一样，荷兰标准是建立在垂直(和水平)公差的基础上的。由此可见，只有钢轨表面纵不平整度的最大值起作用，而几何形状则不重要。然而，这种形状与轮轨动态接触力有直接关系，这是不可忽视的，因为这些力是许多铁路部件缺陷和轨道劣化机制的根源。此外，在旧标准中，列车速度限制对所讨论的线段没有影响。

为了解决这一缺点，决定开发一种方法来评估每个单独实现的焊缝几何形状的整体动态质量，依赖于线段速度。这种质量可以用焊缝几何形状对列车通道产生的动态影响来表示。下面的文章将详细阐述这个概念。

理论背景

两种不同的方法可以作为估计轮轨动态接触力及其随时间发展的方法:一种方法将垂直动力与非簧载质量的垂直加速度联系起来，另一种方法将力与其垂直速度联系起来。下面几节将讨论这两种方法。

加速度的方法

在一个简单的模型中，可以假设，当列车通过轨道上的焊缝时，非簧载轮质量遵循垂直轨道的不规则性，这被认为是固定的。只要所考虑的不规则的长度尺度(或激励的时间尺度，两个量与列车速度耦合)与赫兹弹簧上车轮质量的振动周期或准静态响应相比足够大，从动态的角度来看，这个假设是正确的。在这种简单的方法中，没有考虑轨道和子结构的刚度。在集总建模中，这种刚度是频率相关的。

根据牛顿第二定律，轮轨相互作用力(记为Fdyn(t))等于源自车轮质量M沿垂直不规则z(x)的惯性力:

其中z(t)由z(x)引出x = vt，其中v表示列车速度，由所讨论的线段速度给出。
近似地，ω<ω0/2时出现准静态响应。线性化赫兹弹簧上车轮质量的固有频率约为₁：

在列车速度下，最小波长L为20mm时，激励频率为:

现在对w的要求可以写成v<1.4m/s或v<5km/h。当列车运行速度达到200km/h时，对激励频率的要求明显不能满足。结合信号中波长的变化，这意味着整个频率响应域是相关的，响应可能远远不是准静态的，特别是对于更高的速度。此外，非线性也可能起重要作用。

然而，要将复杂的动态接触力问题转化为几何问题，可以采用(1)式的方法，因为几何曲率是动态影响的度量。在动力学问题中，为了计算弹簧或接触力，必须确定车轮质量在赫兹弹簧上的位移，必须求解一个微分方程(或多个微分方程)，而在几何问题中，必须求解一个代数方程来确定接触力。假定车轮质量在一定速度下遵循不规则轨迹，其加速度与动态接触力之间存在直接关系。根据垂直轨道几何形状，为(1)可表示为:

为了得到式(2)中的力的绝对值，应加入一个常数因子a，以考虑动态影响和轨道刚度的影响。它的值可以根据线段速度的不同而选择，并且应该从验证测量中确定。

速度的方法

纵向上的垂直轨道几何形状是一个函数z(x)，可以转换到频域(通过FFT进行离散采样)。

与式(1)类似，假设接触力与几何的二阶导数耦合，但等效质量随频率线性减小或随波长线性增加，则可以表示为:

式中me = M·λ/λ0， λ0为参考波长。从一个谐波信号z = z0 sin(2pvt / l)出发，经过一些阐述如下:

由于假设波长与有效质量之间存在线性关系，因此该表达式与l无关，并适用于任意函数z。根据轨道几何形状(斜率)，Via dx = v·dt如下:

为了进行定性比较，参考波长10可以取2m，因为焊缝是用1m的直尺测量的;然后，信号中最长的波长得到me = m。为了从(3)中得到绝对值，可以加入常数因子b。它的值也可以选择不同的每条线截面速度，并应由测量确定。

比较

在这两种方法中，动态接触力问题都转化为纯粹的几何问题。这一点很重要，因为评估每个单独的焊缝几何形状需要一个简单的程序来估计发生的动态影响。几何方法易于在测量装置的小处理器上用数字代码实现，而且最重要的是:它比动态方法快得多。此外，两种方法都允许在不同的轨道几何形状之间进行定性比较。为获得定量结果，应通过测量验证因素a和b。

图1:不规则车轮上的车轮质量

焊接标准的推导

根据(2)和式(3)，在两种情况下，力的干预水平分别是通过对大量焊缝几何形状样本的评估得出的，并且随着线截面速度的不同而不同。在荷兰使用的测量装置每隔5mm取样垂直轨道几何形状。在确定离散信号的导数之前，将其在25mm的距离上平均(五个数据点)，并且每25mm使用一个数据点(图2)。这样做是为了避免由于非常短的长度微不规则而导致两个导数的信号非常粗糙，这些微不规则在实际中会在一定数量的列车通道后发生塑性变形。

图2:测量和平均焊缝几何形状的示例

在图3中，显示了焊接几何形状的平均测量信号及其一阶导数和二阶导数的示例。所有的量都按其各自的最大值进行了缩放。很明显，这两种导数都能很好地估计纵向焊缝几何形状的“平滑度”。下面将分别对这两种讨论的方法进行评估。

图3:无量纲焊接几何形状，一阶导数和二阶导数(每个量按其最大值缩放)

加速度的方法

根据式(2)，对实践中大量的焊接测量结果进行评估，其中车轮质量(非簧载质量的一半)取2000kg(和)，就每列速度范围内的最大力而言，得出以下干预水平:

• v≤40km/h: 50kN
• 40 < v≤80km/h: 100kN
• 80 < v≤140km/h: 250kN
• 140 < v≤200km/h: 500kN

每个速度范围的接受水平是根据经验主观确定的。人们期望在所有速度范围内都有相同的允许力水平，然而，由于(2)中的二次速度影响，这是不可行的。例如，与高速线路焊接的最大精度相对应的力将导致铁路车场的厘米级公差，这是不可接受的。

对于使用的焊缝几何形状样本(72)，根据旧标准的不合格率为76%。根据新系统，在4个速度范围内分别有33%、64%、93%和94%的不合格率。

速度的方法

按照上一节描述的相同程序，但现在应用表达式(3)(其中b = 1)，可以得到力的干预水平如下:

• v≤40km/h: 2.5kN
• 40 < v≤80km/h: 7.5kN
• 80 < v≤140km/h: 17.5kN
• 140 < v≤200km/h: 32.5kN

由于两种方法不可比较，不同力值之间的相同因素(如前所述，只有相对意义)在两种方法中都不存在。对于使用的焊缝几何形状样品，在四个速度范围内，新系统的焊缝废品率分别为33%，53%，81%和86%。

两种方法的评价和标准化选择

为了对两种方法进行比较，引入了所谓的每焊缝质量指标。在一定速度范围内，计算得到的焊缝最大力除以干预水平。这样就得到了一个无量纲数;质量指数小于或等于1表示焊缝合格。两种方法的比较表明，一般来说，速度方法比加速度方法产生的极值要小。这一结论也可以从分析焊缝群体的平均分数中得出。根据加速度法，四个考虑的速度范围的平均质量指数为1.2、1.8、3和3，而根据速度法，平均质量指数为1.2、1.6、2和2.2，更为适中。

此外，加速度方法对非常小的短长度不规则(长度尺度为厘米)非常敏感，而对较长的不规则(长度尺度为0.5m)不太敏感，这与速度方法的情况不同。由于冷却后的收缩，在焊接钢轨时，焊缝材料两侧经常出现非常小的、短长度的不规则(压痕)。在图4中，给出了两个几乎完全直焊缝的例子，但两者都有这些压痕。根据加速度法，图4a焊缝的质量指标为1.3、1.7、3.3和3.3，根据速度法，焊缝的质量指标为0.5、0.7、0.9和1。对于图4b中的焊缝，分别为1.3、1.7、3.3、3.3和0.6、0.8、1、1.1。

图4a和4b:由于焊接收缩而产生压痕的焊缝的测量示例

如图5所示，焊缝几何形状不规则，长度尺度较长(焊缝质量差，最大高度0.8mm)。按照加速度法，焊缝质量指标分别为0.6、0.9、1.4和1.4，按照速度法，焊缝质量指标分别为1.1、1.4、2和2。

在上述比较和TU Delft1报告中描述的综合分析的基础上，决定采用速度或一阶导数方法作为垂直焊缝几何形状评估的标准。

图5:测量具有较长长度刻度的不规则焊缝

在图6中，一个清晰的例子显示了新旧开发的标准之间的差异。焊缝几何形状显示出侵略性的步骤，根据旧标准(磨削前，公差+0.3mm)被接受。然而，根据新标准，该焊缝在四个速度范围内的指标分别为1.1、1.7、2和2.5，因此被拒绝。

图6:用台阶测量焊缝

在图7中，展示了一个几乎完美焊接的例子。但是由于它有一些负的高度坐标，所以按照旧的标准被拒绝。根据新标准，焊缝的指标为0.5、0.7、0.9和1，并在所有速度范围内均可接受。

图7:用负高度坐标测量焊缝

通过式(3)，力的干预水平可以直接表示为垂直轨道几何形状的一阶空间导数(以毫弧度为单位):

• V≤40km/h: 3.2mrad
• 40 < v≤80km/h: 2.4mrad
• 80 < v≤140km/h: 1.8mrad
• 140 < v≤200km/h: 0.9mrad
• 200 < v≤300km/h(高速线路):0.9mrad

最后一个水平已经确定，假设相同的力水平，为速度范围140 < v≤200。0.7mrad的最大斜率非常接近焊接和磨削所能达到的最大精度。垂直钢轨几何形状的空间一阶导数的上述给定值是proorail采用的垂直焊接几何形状的最终标准。

对于水平焊缝几何形状，采用了基于实践的经验方法。横向动力作用不明显;在曲线中，轮缘与轨道头只有真正的弹性接触，除此之外，旋转的轮缘磨掉了小的缺陷。采纳了以下实用价值:

• V≤40km/h:±1mm
• 40 < v≤80km/h:±0.7mm
• 80 < v≤300km/h:±0.5mm

实际的实现

在实践中，对焊缝(垂直方向)的新评估是根据以下步骤进行的(例如比较RAILPROF测量装置)₂）：

1. 焊缝用1m数字直尺测量。垂直轨道几何形状的采样间隔为5mm。
2. 直尺软件滤除长度小于25mm的不规则形状，计算几何形状的一阶导数，并将一阶导数的离散值除以前面给出的速度相关范数，然后确定最大值。通过这种方法，得到了焊缝的无因次质量指标(QI)。
3. 几何形状本身以1mm的值(作为最大值)进行缩放，并与图形显示器上标准化一阶导数的绝对值一起绘制，以便焊接人员可以立即看到他们的工作结果。如果上述质量指标大于1，则焊缝被拒绝，如果小于1则被接受。

在图8中给出了测量装置的图形输出的示例。

图8:轨道焊缝评估测量装置的屏幕输出

司法框架

原轨道交通法规更新的动因_3、4是制定一个明确和连贯的标准化，以避免欧洲条例和荷兰国家标准之间的误解和误解，这些标准在不同的评估文件中分别描述。

新的标准化是基于欧洲标准EN 729-25，其中规定了焊接的一般质量体系。在此规范的基础上，确定了允许为proorail生产轨道焊缝的焊接企业的质量标准。为了评估整个焊接过程，包括焊接公司本身、焊接人员、焊接材料和焊接工艺，已经制定了不同的测试证书。为了获得有效性，这些证书必须经过proorail的认证。

焊接后，每个单独的焊缝必须由焊接公司进行数字化测量，并根据新标准进行判断，然后由proorail8进行最终验收。此外，由proorail进行审计。此外，处罚制度可以排除焊接公司和提供不良质量的船员。

这整个鉴定框架提供了一种有效的方式来确保遵守新的焊接几何标准。

未来的发展

前一节所描述的框架是由proorail与荷兰最重要的焊接公司合作开发的。对新技术规范的评价表明它们是可用的和可接受的。应用联合问题方法是独特的，将在未来得到推广;proorail和焊接公司每年将举行两次会议，以评估结果，实施实践反馈并在必要时进行改进。

在新的焊接几何形状评估中，主要参数是轮轨动态力，而在以前的情况下，这是垂直几何形状的最大高度差。很明显，动力与履带和车辆部件的损坏有更直接的关系。此外，还引入了线段速度的微分。然而，仍有一些问题有待解决。为了回答这些问题，在不久的将来，proorail将与代尔夫特理工大学开展研究工作，proorail将提供真实的轨道测量结果，用于理论模型的验证和验证。在未来的研究中，将重点关注以下主题:

• 在经验的基础上或多或少主观地选择的接受程度应与生命周期分析相结合，在生命周期分析中应确定轨道系统中最关键的部件。通过这种方式，可以实现干预水平的优化。
• 对于获得定量结果的系数，应进行测量以验证和验证公式(3)，即新焊缝评估的基本工具(也可能包括公式(1))。
• 监测最初实现的焊缝几何形状作为通过吨位的函数(由于塑性变形和磨损导致焊缝质量的改善和恶化)。
• 监测整个轨道质量(其他轨道部件)与初始焊接质量的对比，并将其作为通过吨位的函数。

参考文献

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