新型膠接絕緣接頭總體設(shè)計(jì)

張建強(qiáng) 上海鐵路局科研所

新型膠接絕緣接頭總體設(shè)計(jì)

張建強(qiáng) 上海鐵路局科研所

新型膠接絕緣接頭采用無(wú)損膠接加固鋼軌的方式避免了鋼軌發(fā)生螺孔裂紋、軌腰裂紋等病害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)線路“無(wú)縫”連接；并且在無(wú)損膠接絕緣夾板基礎(chǔ)上利用結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生反力的原理設(shè)計(jì)了配套鎖緊夾具，為膠接絕緣接頭提供夾緊力；為了規(guī)范膠接及安裝工藝設(shè)計(jì)了夾緊工裝及加載工裝。利用ABAQUS/CAE有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

無(wú)損膠接；絕緣接頭；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度

1 引言

鋼軌膠接絕緣接頭技術(shù)作為鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路的關(guān)鍵技術(shù)之一，因其減少列車在接頭區(qū)的沖擊與振動(dòng)，延長(zhǎng)了輪、軌部件的使用壽命，大大提高了列車運(yùn)行的安全性和舒適性，也成為高速鐵路建設(shè)不可或缺的裝備之一。在《鐵路鋼軌膠接絕緣接頭技術(shù)條件》（TB/T 2975-2010）中詳細(xì)規(guī)定了其技術(shù)要求和試驗(yàn)方法等，并納入CRCC考核要求。

目前現(xiàn)場(chǎng)使用的有廠制膠接絕緣接頭和現(xiàn)場(chǎng)膠接絕緣接頭兩種類型，分別研制于上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初，通過(guò)螺栓組聯(lián)接加膠接的方式連接兩根鋼軌。鋪設(shè)在線路上的膠接絕緣接頭的工作荷載非常復(fù)雜，有垂直荷載、水平荷載、縱向荷載，還有巨大的沖擊力和振動(dòng)等，因此現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)多種鋼軌和膠接絕緣接頭病害，有鋼軌螺孔裂紋、軌腰橫裂紋等，也有膠接接頭本身的各類病害如接頭拉開、絕緣不良、夾板和螺栓斷裂等問(wèn)題，這些都嚴(yán)重影響著鐵路客貨運(yùn)輸?shù)陌踩?。因此研究新型鋼軌膠接絕緣接頭對(duì)減少線路病害、提高列車運(yùn)行的安全性具有重要意義。

基于此開展了大量的研究工作，包括新型膠接絕緣接頭結(jié)構(gòu)形式、膠接技術(shù)、膠接絕緣夾板結(jié)構(gòu)、鎖緊裝置、施工工藝等方面的研究。

2 新型膠接絕緣接頭功能設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

為了消除鋼軌膠接絕緣接頭各類病害，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安全和施工需求，提出以下總體方案設(shè)計(jì)要求：

（1）功能和關(guān)鍵部件機(jī)械強(qiáng)度剛度等力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）消除鋼軌螺孔裂紋、軌腰橫裂紋、螺栓斷裂等病害；

（3）結(jié)構(gòu)能滿足不同線路使用要求；

（4）安裝工藝更加便捷、規(guī)范；（5）具有狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

2.2 新型膠接絕緣接頭總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)無(wú)損夾具夾持位于軌腰的兩根絕緣夾板經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)常溫固化膠接實(shí)現(xiàn)鋼軌的“無(wú)縫”絕緣連接?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)通過(guò)鎖緊夾具夾緊絕緣夾板膠接加固鋼軌的方式，實(shí)現(xiàn)膠接絕緣接頭的快速安裝。鎖緊夾具利用自身結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生反力的原理提供需要的夾緊力。

安裝過(guò)程中需要夾緊工裝配合鎖緊夾具完成。由于膠接過(guò)程所需扭矩較大，并且?jiàn)A板自重較大，設(shè)計(jì)以下安裝工序：先是是利用夾緊工裝將夾板鎖緊進(jìn)行膠接，夾緊力能夠達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)安裝鎖緊夾具，待膠接固化達(dá)一定強(qiáng)度后拆掉夾緊工裝。安裝過(guò)程中存在鎖緊夾具加載位置偏離鋼軌中和軸的問(wèn)題，鎖緊力不能與鋼軌中和軸共線，出現(xiàn)鎖緊力不均勻問(wèn)題。為了避免這一問(wèn)題的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一套保證鎖緊力方向與鋼軌中和軸共線的加載工裝。

設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊能對(duì)膠接絕緣接頭進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其工作原理是：監(jiān)測(cè)裝置固定在道旁，內(nèi)置的控制器能高速采集膠接接頭兩根鋼軌的相對(duì)位移，通過(guò)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)分析計(jì)算，超過(guò)設(shè)定值，監(jiān)測(cè)裝置立即通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)，調(diào)度指揮中心的上位機(jī)立刻收到報(bào)警結(jié)果，同時(shí)能將報(bào)警數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送給指定的手機(jī)。監(jiān)測(cè)裝置在日常工作時(shí)，定期發(fā)送電池電壓、機(jī)箱溫度、車輛通過(guò)時(shí)位移值和無(wú)車通過(guò)位移值等常規(guī)數(shù)據(jù)。

3 新型膠接絕緣接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 新型膠接絕緣夾板設(shè)計(jì)

絕緣夾板是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，劃分閉塞區(qū)間時(shí)將鋼軌斷開，鋼軌斷開部位有一個(gè)6 mm左右的鋸縫，實(shí)際膠接絕緣接頭安裝中用超彈性材料進(jìn)行絕緣，因此對(duì)鋼軌來(lái)說(shuō)，此處相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁。

圖1 膠接絕緣接頭處受力情況

圖2 膠接絕緣夾板外觀

如圖1所示，列車通過(guò)膠接絕緣接頭時(shí)，鋼軌承受來(lái)自車輪的瞬時(shí)沖擊力p要比正常平順線路通過(guò)時(shí)大至少3倍，說(shuō)明接頭處受力情況較為復(fù)雜惡劣，而新型膠接絕緣夾板則是與鋼軌膠接為一體，直接承受來(lái)自鋼軌的沖擊力及垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷等，這些惡劣工況對(duì)膠接絕緣夾板的機(jī)械強(qiáng)度有較高要求。

該膠接絕緣夾板主要用于高鐵線路中，列車高速通過(guò)會(huì)帶來(lái)更大的沖擊力，因此需要更高的機(jī)械強(qiáng)度，通過(guò)機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算優(yōu)化確定了合理的夾板外形尺寸，新型膠接絕緣夾板表面尤其在危險(xiǎn)截面處沒(méi)有安裝孔，避免了絕緣夾板安裝孔引起的應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高了夾板的疲勞性能。該新型絕緣夾板也考慮了注膠工藝和安裝定位，如圖2所示夾板上有兩個(gè)螺紋通孔，這兩個(gè)螺紋孔可以用來(lái)注膠和對(duì)夾板進(jìn)行定位。

3.2 夾緊工裝設(shè)計(jì)

圖3 夾緊工裝部件圖

絕緣夾板將斷開鋼軌進(jìn)行膠接加固，實(shí)現(xiàn)線路“無(wú)縫”連接，需要將夾板與鋼軌膠接為一體，并且膠接剪切強(qiáng)度要滿足《鐵路鋼軌膠接絕緣接頭技術(shù)條件》中所規(guī)定的強(qiáng)度要求。膠接過(guò)程中需要將夾板與鋼軌均勻的貼合在一起，因此將夾緊力均勻分散，將夾緊力通過(guò)5組夾緊工裝進(jìn)行施加。夾緊工裝施加夾緊力的方式是通過(guò)加載螺栓使夾緊工裝產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生反力夾緊夾板。夾板長(zhǎng)期承受各種載荷及沖擊力，如果夾板表面有損傷，在長(zhǎng)期不規(guī)則動(dòng)載沖擊下，容易從表面產(chǎn)生裂紋源，影響夾板的疲勞壽命。由于夾緊工裝變形產(chǎn)生的反力直接施加在夾板上，加載過(guò)程中為了保證夾板的表面質(zhì)量不受破壞，在夾板與加載螺栓之間增加了一個(gè)過(guò)渡性的支撐墊塊，支撐墊塊的材料硬度低于夾板的硬度，這樣可以避免夾板表面損傷，降低夾板表面應(yīng)力集中。加載螺栓扭轉(zhuǎn)過(guò)程中，夾緊工裝會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，從而改變反力的方向，為了保證反力方向始終與鋼軌中和軸共線，支撐墊塊與加載螺栓之間的接觸設(shè)計(jì)成了球面副，具有更大的自由度，并且支撐墊塊與絕緣夾板在安裝時(shí)是相對(duì)固定的，能夠保證夾緊力的方向與鋼軌中和軸共線。加緊工裝與加載螺栓在工作期間會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，為了延長(zhǎng)夾緊工裝的使用壽命，加載螺栓的材料硬度低于加緊工裝，通過(guò)磨損加載螺栓來(lái)延長(zhǎng)夾緊工裝的壽命，如圖3所示。

3.3 鎖緊夾具設(shè)計(jì)

圖4 鎖緊夾具部件圖

新型膠接絕緣夾板與鋼軌膠接為一體后，還需要一個(gè)能夠持續(xù)為絕緣接頭結(jié)構(gòu)提供鎖緊力的裝備，這樣能夠形成整個(gè)的絕緣接頭結(jié)構(gòu)，保證絕緣接頭的強(qiáng)度。

鎖緊夾具通過(guò)自身的變形量為絕緣接頭結(jié)構(gòu)提供鎖緊力，利用ABAQUS/CAE有限元軟件計(jì)算得出，當(dāng)鎖緊夾具的變形量在4 mm時(shí)，其所產(chǎn)生的反力能夠滿足要求的鎖緊力?；诖思虞d螺栓將鎖緊夾具從一端進(jìn)行拉伸，當(dāng)拉伸量達(dá)到4 mm時(shí)，將支撐墊塊放入鎖緊夾具內(nèi)部，如圖3所示，然后通過(guò)開口銷將支撐墊塊進(jìn)行橫向固定，以免振動(dòng)引起墊塊脫落，即可完成鎖緊夾具的安裝，具體如圖4所示。

3.4 加載工裝設(shè)計(jì)

圖5 加載工裝部件圖

在現(xiàn)場(chǎng)安裝鎖緊夾具中，鎖緊夾具螺紋孔中心線需要與鋼軌中和軸共線，這樣才能對(duì)膠接絕緣夾板施加正確的鎖緊力，因此需要將新型絕緣夾具或者加載螺栓進(jìn)行定位，但是鎖緊夾具安裝過(guò)程中承受旋轉(zhuǎn)力矩，容易產(chǎn)生跟轉(zhuǎn)，難以進(jìn)行定位。基于此設(shè)計(jì)了一款輔助加載工裝，如圖5所示，該工裝主要利用軌底和膠接絕緣夾板上加強(qiáng)筋對(duì)加載螺栓進(jìn)行約束定位，在加載過(guò)程中加載螺栓的方向始終與鋼軌中和軸共線。

4 強(qiáng)度分析

整個(gè)新型膠接絕緣接頭結(jié)構(gòu)中，膠接絕緣夾板和鎖緊裝置自安裝之后與鋼軌成為一體，承受復(fù)雜載荷和沖擊，這對(duì)夾板和鎖緊裝置的力學(xué)性能具有較高的要求，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)各部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。表1為各主要受力部位材料力學(xué)性能。

表1 新型膠接絕緣接頭材料力學(xué)性能

本文對(duì)新型膠接絕緣夾板進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)將其所受復(fù)雜載荷和沖擊力簡(jiǎn)化為垂向力、縱向力及橫向力，表2所示為膠接絕緣夾板在不同工況下所受載荷類型及大小。

表2 膠接絕緣夾板受力示意圖

圖6所示為利用ABAQUS/CAE有限元軟件對(duì)新型膠接絕緣夾板三種單一工況進(jìn)行的強(qiáng)度分析及三種工況共同作用下對(duì)膠接絕緣夾板的強(qiáng)度分析。

圖6 新型膠接絕緣夾板三種工應(yīng)力云圖

表3 新型膠接絕緣夾板不同工況下最大應(yīng)力值

表3所示為新型膠接絕緣夾板在三種單一工況下，最大應(yīng)力值均小于其材料屈服強(qiáng)度；三種工況共同作用下最大應(yīng)力值達(dá)到最大，為458.74 MPa，小于其材料屈服強(qiáng)度，這說(shuō)明新型膠接絕緣夾板的力學(xué)性能達(dá)到要求。

圖7 極限載荷下不同部件關(guān)鍵承力部位應(yīng)力云圖

表4 各部件關(guān)鍵承力部位最大應(yīng)力值

根據(jù)膠接絕緣夾板相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到夾緊工裝、鎖緊夾具、加載工裝的加載載荷大小，如表4所示。在該載荷條件下，計(jì)算得到三種工裝、夾具各關(guān)鍵受力部位的最大應(yīng)力值，圖7為各計(jì)算應(yīng)力云圖，具體數(shù)值見(jiàn)表4，可見(jiàn)各關(guān)鍵受力部位最大應(yīng)力值均小于其屈服強(qiáng)度，并且有很大的余量，各力學(xué)性能達(dá)到安全要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型膠接絕緣接頭結(jié)構(gòu)不僅對(duì)從根源上避免鋼軌產(chǎn)生螺孔裂紋、軌腰橫裂紋、螺栓斷裂等病害，而且還減少了膠接絕緣夾板本身的通孔數(shù)量，減少了應(yīng)力集中影響，提升了夾板的疲勞性能，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

利用鎖緊夾具的結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生反力對(duì)膠接絕緣夾板進(jìn)行鎖緊解決了新型絕緣夾板鎖緊力的提供問(wèn)題；夾緊工裝、加載工裝等輔助安裝工裝，規(guī)范了新型膠接絕緣夾板的安裝過(guò)程，使絕緣夾板和鎖緊夾具的安裝工藝更加合理，尤其是保證夾緊力、鎖緊力都與鋼軌中和軸保持共線。

文中利用ABAQUS/CAE有限元軟件對(duì)各部件關(guān)鍵受力部位進(jìn)行了強(qiáng)度校核，最大應(yīng)力值均小于其屈服強(qiáng)度，達(dá)到安全要求。

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責(zé)任編輯：許耀元

來(lái)稿日期：2016-11-29