傷損鋼軌加固急救器的結(jié)構(gòu)與工藝研究

鄭 健 上海鐵路局科研所

1 前言

傷損鋼軌加固急救器是一種能對鐵路運營線上的傷損鋼軌、斷軌進行快速加固處理的技術(shù)裝置，是確保列車運行安全的必要保障措施。隨著既有線提速200 km/h和客運專線、高速鐵路的開通，對于加固急救裝置結(jié)構(gòu)的安全可靠性及功能的適用性提出了新要求。經(jīng)過對高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)、運營特征和普速提速鐵路加固急救器使用情況的充分調(diào)研分析，成功研制了高速鐵路傷損鋼軌加固急救器（以下簡稱急救器）。

2 功能、結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)指標

2.1 功能定位

本急救器采用新型夾板與鋼軌的楔形配合和膠接絕緣技術(shù)，當發(fā)生鋼軌傷損時，可根據(jù)現(xiàn)場情況選用夾具快速加固、夾板上螺栓加固和膠接加固三種方式加固，使列車按規(guī)定的限速或允速繼續(xù)運行；若在處理加固長度范圍內(nèi)發(fā)生斷軌，軌道電路能顯示紅光帶，列車可在前方停車，實現(xiàn)故障導向安全。

2.2 結(jié)構(gòu)特點

新型夾板采用了內(nèi)凹外平、薄弱處加筋補強的設(shè)計方案，強度合理并能加固處理各種類型焊接接頭傷損和多種類型鋼軌母材傷損；在鋼軌長度方向任何位置發(fā)生傷損或斷軌進行加固安裝都不受軌枕、扣件等軌道部件的影響，能適用于國內(nèi)所有型號高速無砟軌道和普速提速有砟線路。

新型夾具采取了強化型弓形夾具母體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了鉸接式增力夾緊機構(gòu)，既提高了材料的強度性能，又具有操作安裝方便簡單、施力省勁、夾緊力大和防松效果好等特點。

2.3 主要技術(shù)指標

主要技術(shù)指標有兩項，一是安裝后鋼軌軸向加載的膠接整體剪切力指標，二是絕緣性能指標。

2.3.1 膠接整體剪切力

本急救器整體剪切力指標見表1所示。

表1 整體剪切力指標

2.3.2 絕緣性能

安裝后的本急救器在干燥、潮濕兩種狀態(tài)均達到表2要求為合格。

表2 急救器絕緣性能指標

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 工作載荷確定

本急救器工作時工作載荷主要有：新型夾板與鋼軌之間的膠接整體剪切力或由新型夾具夾緊力產(chǎn)生的夾板與鋼軌之間的靜摩擦力，以承受軌道溫度應力等縱向力；夾板彎曲產(chǎn)生的彎曲應力以承受軌道彎曲時產(chǎn)生的彎矩力。

3.2 新型夾板與夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)工作載荷和現(xiàn)場的安裝條件，本急救器選擇目前常用的雙面搭板接頭的結(jié)構(gòu)形式，采用滿足膠接用全斷面接觸型絕緣夾板和雙夾具緊固形式；新型夾具為弓形結(jié)構(gòu)及鉸接式增力機構(gòu)，實現(xiàn)鎖緊可靠，且防松效果好。

3.2.1 新型夾板

新型夾板應滿足夾具快速加固、螺栓加固和膠接加固等三種加固方式，設(shè)計時應充分權(quán)衡夾具、螺栓加固受力與膠接加固受力的特點和需要，還包括抗彎強度、夾板長度、膠接方法、絕緣部位等因素，確定楔形絕緣夾板的結(jié)構(gòu)形式。

新型夾板采用內(nèi)凹外平夾板結(jié)構(gòu)形式，可適用焊接接頭（包括鋁熱焊）加固，滿足內(nèi)凹適于焊接接頭的加固、外平能供夾具安裝的足夠空間；內(nèi)凹變截面設(shè)計弧線順接，避免產(chǎn)生應力集中。

新型夾板在傷損鋼軌處理時能起到絕緣的作用；同時當采用夾具、螺栓加固時，通過夾具、螺栓所給的夾緊力，在鋼軌下顎和軌底斜坡上獲得作用點和方向明確的正壓力，這正壓力隨著夾具、螺栓所給的夾緊力的增大而增大，實現(xiàn)在受力面上得到結(jié)構(gòu)所需的靜摩擦力；而采用膠接加固時，在鋼軌下顎、軌底斜坡和軌腰都與夾板全斷面膠接，實現(xiàn)膠接面最大化，會更多提升夾板膠接的抗剪強度。

根據(jù)整體剪切力不小于3 000 kN（螺栓緊固）和2 000 kN（夾具緊固）的設(shè)計指標及抗彎強度、安全冗余、安裝使用便捷的要求，設(shè)計出夾板長度、斷面尺寸。

3.2.2 新型夾具

依據(jù)夾具夾緊力、傾覆力矩的工作載荷，將新型夾具設(shè)計成弓形鉸接式增力型方案，其增力機理為，充分利用材料屈服極限，通過施力機構(gòu)施力--底板彈性變形反力--鎖緊力的分力--實現(xiàn)夾緊力的最大化。其優(yōu)點和特點：一是充分利用鋼軌和軌道板之間的間隙，實現(xiàn)最大夾緊力；二是實現(xiàn)了絕緣夾板與鋼軌之間的絕緣，同時夾具與絕緣墊接觸面為圓弧面，保證了夾具夾緊力與夾板作用力方向的正確性；三是裝配時方便省力，夾具在軌底的結(jié)構(gòu)尺寸盡可能減小，還有可靠的防松措施，防止夾緊力失效；四是適應于無砟軌道不同結(jié)構(gòu)尺寸的軌道板（見圖1）。

圖1 新型夾具設(shè)計方案圖

根據(jù)調(diào)研高速鐵路無砟軌道的鋼軌與軌道板之間間隙和底板的彈性變形產(chǎn)生作用于軌腰的夾緊力、螺栓組抵抗夾緊力產(chǎn)生的傾覆力矩等因素，確定底板厚度、選擇底板材料和支承螺栓直徑。

4 絕緣

采用軌道絕緣技術(shù)，當對傷損鋼軌加固處理后，如在加固長度范圍內(nèi)發(fā)生斷軌時確保急救器與鋼軌的絕緣，使軌道電路顯示紅光帶，列車在前方停車，實現(xiàn)故障導向安全功能。

4.1 絕緣設(shè)計

夾具中特制的絕緣夾板與鋼軌接觸面間為絕緣材料，夾緊力通過絕緣墊傳遞到絕緣夾板，因此在鋼軌和夾板中間實現(xiàn)充分、可靠的絕緣，在鋼軌萬一發(fā)生斷開時可通過電信號即時反饋。

絕緣材料為添加工程塑料后的環(huán)氧樹脂改性膠粘劑，具有粘接力大、固化時收縮率小、隔熱、絕緣和耐受各種介質(zhì)的侵濁等特點。按實際需求設(shè)計兩個膠接固化工藝，一是工廠膠接，適用于工廠生產(chǎn)的加熱固化膠接法，二是現(xiàn)場膠接，適用施工現(xiàn)場的常溫固化膠接法。

4.2 絕緣性能測試

依據(jù)抽樣檢測要求，隨機抽取7件產(chǎn)品試件（其中3組膠接、4組夾緊安裝），進行室內(nèi)整體剪切試驗，在干燥狀態(tài)進行了絕緣性能測試，均大于100 MΩ，完全符合絕緣指標。

5 整體結(jié)構(gòu)檢算

本急救器在軌道上安裝后，若當斷軌或傷損鋼軌加固后斷裂時，急救器與鋼軌形成了軌道接頭典型結(jié)構(gòu)，夾具、螺栓提供給楔形夾板的夾緊力在鋼軌下顎和軌底斜坡作用面上產(chǎn)生靜摩擦力，或在鋼軌下顎、軌底斜坡和軌腰都會與夾板膠合面產(chǎn)生夾板膠接的抗剪力。

5.1 理論計算

5.1.1 靜摩擦力計算

就楔形夾板受力而言，接頭摩擦力用PH表示。

式中：s--一個夾具或螺栓提供的靜摩擦力；

n--接頭一端的夾具或螺栓個數(shù)。

每個夾具或螺栓產(chǎn)生的靜摩擦力與夾具的夾緊力或螺栓的拉力P與夾板之間的摩擦系數(shù)有關(guān)。

鋼與鋼或膠層與鋼的摩擦系數(shù)一般取0.25～0.45，故接頭摩阻力為：

5.1.2 膠接剪切力計算

夾板與鋼軌膠接后，在不產(chǎn)生兩膠合面剝離力的情況下，膠合層的剪切力、膠粘劑的膠合強度和膠合面積有關(guān)。在膠合強度一定時，剪切力（QH）與膠合面積（S）成正比。

式中：τ--膠粘劑膠合剪切強度。

5.2 實驗室試驗

在結(jié)構(gòu)實驗室5 000 kN液壓壓力機上，參照《膠接絕緣接頭的整體剪切試驗方法》，進行膠接后整體剪切試驗和夾具安裝后的摩阻力試驗，在夾板與鋼軌間安裝千分表位移計，膠接狀態(tài)試驗時，相對位移達到0.5 mm（膠層破壞）時的剪切力為最大剪切力；在安裝夾具試驗時，以位移繼續(xù)增加而摩阻力開始下降時的摩阻力作為最大摩阻力。

試驗按四種狀態(tài)，即絕緣膠接剪切力、絕緣安裝1組夾具、安裝2組夾具和非絕緣安裝1組夾具的摩阻力。分析試驗檢測數(shù)據(jù)表明，膠接安裝的急救器最大整體剪切力達1 800 kN，不受安裝條件及安裝夾具，而非膠接的急救器整體剪切力受不同安裝條件影響較大。

6 絕緣夾板制作工藝流程

6.1 工廠制作工藝

在進行絕緣夾板膠接作業(yè)前，首先應將各部件進行預裝配，檢查鋼夾板、復合絕緣膠膜和螺栓孔徑位置是否合適，然后將模具、鋼夾板、預熱到同一個溫度，在復合絕緣的固化最佳溫度進行膠接作業(yè)。制作工藝流程見圖2所示。

圖2 工藝流程圖

6.2 現(xiàn)場安裝工藝流程

現(xiàn)場安裝應認真做好安裝前的準備工作，包括清點急救加固裝置的所有零部件，不要缺少、遺漏，準備好施工所需工具。確認準備工作完畢后，然后進入安裝工藝流程?，F(xiàn)場安裝根據(jù)需要可選用夾具快速加固、夾板上螺栓加固和膠接加固三種方式加固。在一般情況下推薦采用更為安全可靠的夾具快速加固和膠接加固方式，工藝流程見圖3和4。

圖3 夾具快速加固工藝

圖4 膠接加固工藝

7 安裝適用條件

傷損鋼軌加固的目的在于，一是通過加固使傷損部位得到結(jié)構(gòu)上強化，限制或減緩傷損的發(fā)展；二是當由于傷損產(chǎn)生鋼軌折斷時，使折斷的鋼軌得到加固，確保行車安全。

而楔形夾板通過夾具、螺栓所給的夾緊力，在鋼軌下顎和軌底斜坡上獲得的作用力對某些鋼軌傷損如斜裂紋、下顎水平裂紋并不能起到限制和減緩作用。并且這些裂紋所產(chǎn)生揭蓋型斷軌，夾板的加固作用十分有限。因此，本急救器對鋼軌傷損加固的對象是有條件的，軌腰斜裂紋、螺孔裂紋、下顎水平裂紋及傷損情況不明時不能采用，用戶使用時須對傷損類型有一定限制。

8 結(jié)束語

本急救器設(shè)計獨特的絕緣夾板和施力機構(gòu)，有效地實現(xiàn)了多適用性、優(yōu)絕緣性和無損夾緊、強防松力，可在現(xiàn)場對傷損或斷軌鋼軌進行在線、快速地急救加固。歷經(jīng)一年時間在數(shù)條有碴客專和無碴高鐵運營線上現(xiàn)場使用200余套該裝置，表明本急救器設(shè)計合理，性能可靠，安裝方便，能滿足線路傷損鋼軌加固處理的需求。