低溫環(huán)境下既有線路鋼軌膠粘凍結接頭施工技術研究

何 震

(中鐵六局集團天津鐵路建設有限公司，天津 300232)

由于目前鐵路運輸需求的不斷增加，全面提速和軌道結構現(xiàn)代化是鐵路發(fā)展不可逆轉的趨勢，因此，對鐵路鋼軌的要求也會越來越高.既有普通線路面臨列車不斷提速以及不斷增加的貨物運輸總量的現(xiàn)實，從而使軌道改進及維修養(yǎng)護作業(yè)量呈數(shù)量級的增長[1].在此背景下，既有鐵路大規(guī)模升級改造為跨區(qū)間無縫線路已迫在眉睫.無縫線路軌道對減少列車沖擊，增大行車平穩(wěn)性十分有利，但在小半徑曲線上由于鋼軌側磨等損傷病害嚴重，需頻繁更換鋼軌，給養(yǎng)護維修帶來極大不便.

鋼軌膠粘凍結接頭在克服了無縫鋼軌上述缺點的同時，能夠保證鐵軌的整體性能，確保了列車運行中的平穩(wěn)性和安全性，充分滿足了鐵路的運行要求，其必將成為鐵路運輸工程中大量使用的結構構件.鋼軌膠粘凍結接頭的黏結劑適宜的固結溫度為 18～25℃[2]，因此在低溫環(huán)境下進行鋼軌膠粘凍結接頭施工時，如果不采取任何措施必將會影響膠黏劑的黏接強度，從而影響鋼軌膠粘凍結接頭的工作性能，嚴重者甚至會影響到列車的安全行駛.因此在低溫環(huán)境下進行鋼軌膠粘凍結接頭的施工時必須要采取相應的措施以保證膠黏劑的膠結強度.

1 鋼軌膠粘凍結接頭的基本結構和技術指標

1.1 鋼軌膠粘凍結接頭的基本結構

鋼軌膠粘凍結接頭是指采用魚尾板與高強螺栓聯(lián)結鋼軌，使軌端密貼或預留小軌縫，將鋼軌鎖定的一種接頭形式.鋼軌膠粘凍結接頭的機械性能較好，不僅接頭強度各項指標符合要求，而且施工方法簡便，節(jié)省投資.

鋼軌膠粘凍結接頭由魚尾板、套管、高強度螺栓(Φ 27，10.9S)、10H級施必牢防松螺母及高強度平墊圈組成.在現(xiàn)場安裝接頭時，需在魚尾板與鋼軌腹部之間涂抹高強度膠黏劑.鋼軌膠粘凍結接頭結構如圖1所示.

圖1 鋼軌膠粘凍結接頭結構示意圖

魚尾板由加強型魚尾板經加溫固化而成，需由專業(yè)工廠生產.接頭軌縫為 6～8 mm.鋼軌膠粘凍結接頭的實際外觀如圖2所示.

圖2 鋼軌膠粘凍結接頭實際外觀圖

1.2 鋼軌膠粘凍結接頭的技術指標

鋼軌膠粘凍結接頭整體剪切試驗時，魚尾板與鋼軌組裝并膠接后，經軸向加載2500 kN，粘接面未破壞.在 200萬次疲勞試驗過程中，跨中截面的最大位移≯1.8 mm.鋼軌膠粘凍結接頭的軌道電路具有良好的導電性能，克服了使用常溫固化膠黏劑生產的鋼軌接頭無法滿足導電要求的缺陷，用500 V兆歐表測得干燥狀態(tài)電阻≤0.1 Ω.鋼軌膠粘凍結接頭在施工現(xiàn)場使用快速固化膠黏劑，在環(huán)境溫度18～25 ℃、相對濕度＜60%的情況下，約30 min膠黏劑達到固化.

2 鋼軌膠粘凍結接頭的結構特點

(1) 魚尾板剛度大[3].鋼軌膠粘凍結接頭中所用魚尾板采用B7鋼制作，在設計時加大了斷面尺寸，其厚度為 50 mm，因此稱作加強型魚尾板.與普通魚尾板相比，此種魚尾板的剛度提高了，重量增加了46%.與進口同類產品相比，此魚尾板的厚度增加了20%～30%，強化了鋼軌接頭結構.

(2) 螺栓強度高.在鋼軌膠粘凍結接頭設計中，采用了10.9級、直徑27 mm高強度螺栓和10H級施必牢防松螺母，擰緊扭矩為1400 N·m.此種接頭聯(lián)結結構，不僅提高了膠接魚尾板與鋼軌的摩擦力，而且可以有效防止因螺母扭矩的衰減而導致接頭整體結構強度的降低.進口同類產品的聯(lián)結螺栓一般為直徑 24 mm，擰緊扭矩為 900～1000 N·m，其接頭結構強度較低.

(3) 膠接效果好.膠粘凍結接頭魚尾板的內側有一層2 mm厚的鋼板，在安裝后可以增大魚尾板與鋼軌的摩阻力，從而實現(xiàn)有效凍結[4].另外在膠粘凍結接頭魚尾板與鋼軌腹部之間涂抹高強度快速固化膠黏劑進行現(xiàn)場膠接，從而進一步提高了接頭結構的整體強度.

(4) 安裝、維護簡便.鋼軌膠粘凍結接頭與整體焊接鋼軌接頭相比施工更為簡便： ①鋼軌膠粘凍結接頭適用于任何部位的鋼軌接頭， 解決了鋼軌在岔區(qū)不便于焊接的問題；②當膠粘凍結接頭發(fā)生傷損時，可以隨時更換.

3 低溫環(huán)境下既有鐵路線鋼軌膠粘凍結接頭施工工藝

3.1 施工工藝簡介

鋼軌膠粘凍結接頭在高寒地區(qū)施工時，通過一種新型保溫措施保證現(xiàn)場施工溫度(18～25 ℃)，該項工藝可以保證鋼軌膠粘凍結接頭在高寒地區(qū)正常使用.

普通有縫道岔經該項工藝施工處理后可以使既有線路達到無縫化道岔的線路標準，滿足了列車的平順性和安全性要求，同時最大限度減少了鐵路工務系統(tǒng)各業(yè)務段的維修養(yǎng)護作業(yè)量，在充分利用既有軌道設備的條件下，為既有普通區(qū)間無縫線路大規(guī)模升級改造為跨區(qū)間無縫線路提供了強有力的技術支持.

3.2 施工工藝過程

為了使膠黏劑達到理想的膠結強度，必須讓膠黏劑在適宜的溫度(18～25 ℃)下硬化，為此，在低溫環(huán)境下進行鋼軌膠粘凍結接頭施工時必須采取一定的保溫措施.采用暖棚法對接頭施工處的溫度進行控制，可使接頭處的施工溫度保持在18～25 ℃之間[5].具體的施工步驟為：

(1) 暖棚施工，使接頭處的溫度保持在適宜溫度范圍之間；

(2) 對鋼軌和魚尾板進行預處理，以便于進行膠粘施工；

(3) 粘結魚尾板和鋼軌，并使其在暖棚中固結.

3.3 施工注意事項

3.3.1 暖棚施工

(1) 要合理選擇暖棚的尺寸，以便在所用燃料較少的情況下可以保證暖棚內的施工溫度.

(2) 暖棚的骨架采用鋼管搭設，嚴格按腳手架搭設規(guī)定進行搭設以確保安全.

(3) 為保證接頭處的施工溫度，必須保證暖棚的密閉性，然后根據(jù)熱工計算，確定安裝保暖爐子的數(shù)量.同時為保證暖棚內的溫度均勻，尤其是施工處的溫度均勻，需配置電風扇，在爐子點起后立即開始工作，以增加暖棚內的空氣流通，提高熱循環(huán).

3.3.2 鋼軌和魚尾板的預處理

(1) 對螺栓進行防銹處理，使用油刷、防銹漆材料將螺桿涂刷防銹，晾干待用.

(2) 打磨鋼軌和魚尾板，鋼軌粘接面和魚尾板粘接面必須保持干凈.

(3) 用專用模具將玻璃纖維布涂膠并分層粘貼在魚尾板上.

(4) 待玻璃纖維布涂膠固化后脫模.

3.3.3 粘接鋼軌和魚尾板的施工

(1) 螺栓的擰緊力矩必須達到1400 N·m，復緊的擰緊力矩也必須達到 1400 N·m，膠黏劑固化時間不能少于規(guī)定的時間.

(2) 組裝鋼軌凍結接頭要求使用高強度螺栓緊固，螺栓上不得加套絕緣套管和端板，將鋼軌接頭頂嚴，使用軌縫調整器將軌縫調整為零.

(3) 使用死口板手、扭力板手等工具，利用溫度的升高，擠嚴軌縫，必要時可適當震軌，使軌縫達到施工要求.

(4) 將帶膠層的魚尾板與鋼軌粘結時要保證環(huán)境和材料干燥.若遇雨天或空氣濕度特別大，魚尾板粘接面受潮時不得粘接.

(5) 要保證接頭導電性能.由于使用的雙組分常溫固化膠黏劑本身是絕緣材料，而鋼軌凍結接頭又要求導電，因此生產鋼軌膠粘凍結接頭時應采用如下輔助導電措施，保證對軌道電路不產生負面影響：①使用含銅導電膠.這種膠的組成為 3組分，即經脫氧處理的銅粉、稀釋劑及固化劑.將攪拌均勻的導電膠涂在軌縫的前后2 cm范圍，且軌腰左右兩側均應涂抹；②可在完成魚尾板與鋼軌膠粘后，用角磨機或電磨頭將魚尾板兩端鋼軌軌腰和魚尾板邊緣溢出的膠打磨掉，再涂導電膠；③可用細如發(fā)絲、經脫氧處理的銅絲將2根相鄰鋼軌第一螺栓孔纏繞5圈，纏時應注意銅絲不能重疊.為確保凍結接頭 2根鋼軌的導電性能，還需在2根鋼軌上分別打導電銷，用導線連接.

3.4 暖棚的熱工理論研究

為了在高寒地區(qū)能夠保證達到膠粘凍結接頭施工所要求的溫度，用導熱系數(shù)小的材料制作成符合要求的保溫棚，在保溫棚中生火爐，使保溫棚內溫度升高.同時被保溫棚覆蓋的鋼軌接頭處的溫度也隨之升高，直至達到規(guī)定溫度，使得膠黏劑在其適合的溫度環(huán)境下發(fā)揮作用，保證接頭質量符合要求.在此過程中，不僅要保證鋼軌膠粘凍結接頭的施工溫度，還要盡量減少燃料的用量以減少工程開支.這就需要對暖棚的耗熱量進行計算，以此為依據(jù)來計算燃料的用量.

3.4.1 暖棚耗熱計算

暖棚在單位時間內的耗熱量按下列公式計算

式中：Q0——暖棚總耗熱量，kJ；

Q1——通過圍護結構散熱量總和，kJ；

Q2——通風換氣引起的熱損失，kJ；

A——圍護結構的總面積，m2；

K——圍護結構傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

T2——棚內溫度，℃；

T1——室外溫度，℃；

V——暖棚體積，m3；

n——每小時換氣次數(shù)，一般取2次；

Ca——空氣的比熱容，取1kJ/(kg·K)；

ρa——空氣的表觀密度(容重)，取1.37 kg/m3；

3.6——換算系數(shù)，1 W＝3.6 kJ/h.

3.4.2 加熱燃料用量計算

暖棚內加熱的燃料用量可按下式計算

式中：GP——燃料耗用量，kg/h；

Q0——暖棚總耗熱量，kJ；

η——加熱器效率；

R——燃料發(fā)熱量.

以上燃煤量為充分燃燒，以每個爐子每小時燃煤量為2.5 kg計，在現(xiàn)場施工時，時刻觀測棚內溫度，當溫度有所下降時，加大爐子的火勢或增加爐子個數(shù)，以保證暖棚內溫度在18～25 ℃之間.

4 低溫環(huán)境下既有鐵路線鋼軌膠粘凍結接頭的養(yǎng)護

由于列車速度的不斷提高，對鐵路平順性的要求也越來越高，接頭是鐵路路線中的薄弱環(huán)節(jié)，接頭處的施工質量直接影響鐵路整體的使用性能，因此不僅要在施工過程中嚴格控制接頭處的施工質量，在后期的運行過程中也要對其進行定期的養(yǎng)護，以保證接頭的使用性能.鋼軌膠粘凍結接頭在使用過程中雖然具有良好的使用性能，但是其結構部件中有像螺栓和膠黏劑之類的活動部件，因此要對鋼軌膠粘凍結接頭進行定期的養(yǎng)護，以保障接頭工作性能的可靠性[6].

(1) 定期擰緊鋼軌膠粘凍結接頭處的螺栓，使每根螺栓達到 1400 N·m的規(guī)定擰緊力矩，定期對失效的防爬設備和支撐進行修整或更換.

(2) 鋼軌接頭存在軌縫是接頭損壞產生和發(fā)展的根本原因，要合理調整軌縫，定期檢查軌縫的變化，使軌縫的大小控制在規(guī)定的范圍內.控制軌溫的變化，做好軌枕扣件及道床的養(yǎng)護，保證足夠的線路橫向縱向阻力.

(3) 加強接頭搗固，這是預防低接頭的關鍵，是保證線路穩(wěn)固的基礎，所以必須按作業(yè)標準進行搗固.

(4) 對無碴、少碴和污碴線路要及時進行清篩.

(5) 做好橋、涵的防洪和路基的排水，以防路基發(fā)生永久性變形.

(6) 定期檢查膠黏劑的膠結強度，以保證魚尾板與鋼軌良好的整體性.

(7) 加強接頭平順狀態(tài)的日常檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理.

(8) 接頭兩端的軌枕材質要一致，尤其更換枕木時應將接頭處相鄰兩根枕木同時更換，保持支承條件一致.

(9) 保證魚尾板與軌端下腭間密貼，接頭處魚尾板與鋼軌下腭之間存在的空隙超過1 mm時，應及時墊以符合規(guī)定的鐵片.

5 結 語

本文研究了在低溫環(huán)境下鋼軌膠粘凍結接頭的施工工藝，這種施工工藝保證了膠粘凍結接頭膠黏劑的膠結強度，從而增強了鋼軌膠粘凍結接頭的使用性能，進而改善了鋼軌接頭段的整體性能，滿足了在較高速度下列車通過的各種要求.文章最后提出了鋼軌膠粘凍結接頭的養(yǎng)護措施.在鋼軌膠粘凍結接頭廣泛應用的背景下，本文研究的施工工藝在低溫高寒地區(qū)具有廣泛推廣的使用價值，有較好的發(fā)展前景.

［1］余澤西，劉鳳恩，王善元. 鋼軌膠接絕緣接頭的研制與應用[J]. 鐵道建筑，2004(4)：39-40.

［2］劉本泉. 鋼軌膠粘凍結接頭的質量控制[J]. 鐵道建筑，2005，2(20)：72-72.

［3］陳希順. 異形絕緣接頭鋼軌夾板的研制與應用[J]. 河北冶金，2007(6)：63-64.

［4］劉學毅，劉愛萍.“凍結”接頭魚尾板動彎應力準靜態(tài)計算方法[J]. 西南交通大學學報，2001，36(4)：337-340.

［5］孫耀武. 高寒地區(qū)鋪設的膠結絕緣接頭[J]. 鐵道建筑，1993(9)：25-27.

［6］賀原義. 無縫道岔接頭凍結的實踐[J]. 鐵道建筑，2003(12)：75-76.