60 kg/m鋼軌膠接絕緣接頭疲勞性能關(guān)鍵因素研究與優(yōu)化

許森森

(中國鐵建重工集團股份有限公司道岔分公司 湖南株洲 412005)

1 引言

按照《鋼軌膠接絕緣接頭》(TB/T 2975—2018)中規(guī)定，型式試驗包括接頭整體剪切試驗以及疲勞試驗等。制造工廠應(yīng)對60 kg/m鋼軌膠接絕緣接頭進(jìn)行疲勞性能試驗[1]7。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定接頭在疲勞試驗中，跨中截面向上和向下最大位置之和f試件不超過相同斷面鋼軌在相同試驗條件下測試值f鋼軌的110%，為合格[1]5。

實際生產(chǎn)中，各鋼軌、夾板、絕緣材料均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但疲勞試驗有不合格情況發(fā)生。

目前國內(nèi)大連鐵聯(lián)鐵路器材制造有限公司[2]、上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所[3]等機構(gòu)以及李敏[4]、張建強[5]、余澤西[6]、馬戰(zhàn)國[7]、李培坤[8]等人均對膠接絕緣接頭結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新性研究與分析，李存榮等[9]基于Grubbs_ARMA模型開展了鋼軌膠接絕緣接頭變化預(yù)測研究，但以上研究均未分析膠接絕緣接頭疲勞性能影響因素以及相應(yīng)的改進(jìn)措施。

因此急需探究影響60 kg/m鋼軌膠接絕緣接頭疲勞試驗的關(guān)鍵因素并做出相應(yīng)改進(jìn)，確保疲勞試驗合格。

2 關(guān)鍵因素研究

2.1 膠接接頭結(jié)構(gòu)以及疲勞試驗方法

鋼軌膠接絕緣接頭由絕緣膠接組件(槽板、端板、套管)、高強螺栓組件(螺栓、平墊片、螺母)、夾板、鋼軌組成，采用一定的膠接工藝將絕緣槽板加熱固化，形成絕緣膠接，在高強螺栓組件緊壓下，鋼軌、夾板膠接成一整體結(jié)構(gòu)[1]1－2。

膠接接頭的疲勞壽命試驗采用兩點加載方法。試件長度為100 cm與70 cm兩根60 kg/m鋼軌膠接而成，在試件的跨中截面A加載P1，端部截面B加載P2，P1和P2的最小載荷2.5 kN，最大載荷200 kN。試件支距為100 cm，A、B間距為75 cm。按正弦波往復(fù)加載，每往復(fù)加載5×105次測定跨中截面的向上和向下位移值，直至往復(fù)加載2×106次[1]6。

2.2 關(guān)鍵因素研究

參考廠制60 kg/m鋼軌膠接絕緣接頭常見問題[10]，結(jié)合膠接接頭的疲勞特性，本文從螺栓力學(xué)性能與松動、接頭外觀、夾板力學(xué)性能、膠層厚度等因素分析。

2.2.1 螺栓力學(xué)性能與螺栓松動

膠接接頭螺栓采用10.9級及以上螺栓，螺栓組件技術(shù)條件符合《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》(GB/T 1231—2006)要求[11]，廠內(nèi)扭矩為960 N·m。測試某一疲勞試驗不合格試件的螺栓扭矩，發(fā)現(xiàn)有3個螺栓出現(xiàn)松動，螺栓均為非相鄰螺栓，扭矩在800 N·m。緊固后重新進(jìn)行加載，位移同樣超過標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可見，螺栓松動不是影響疲勞試驗的關(guān)鍵因素。

2.2.2 膠接接頭平直度

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定時速>200 km/h線路，軌頂面垂直方向最大偏差≤0.2，軌頭側(cè)面水平最大偏差不超過±0.2[1]4。檢測某一疲勞試驗不合格試件的平直度，平直度偏差均≤0.2。由此判定接頭平直度不是影響疲勞試驗的關(guān)鍵因素。

2.2.3 鋼軌與夾板力學(xué)性能

鋼軌與夾板力經(jīng)取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，由此可排除鋼軌與夾板力學(xué)性能影響接頭疲勞試驗不合格。

2.2.4 膠層厚度

膠層材質(zhì)為環(huán)氧樹脂玻璃布，抗拉強度約為400 MPa。夾板材質(zhì)一般為55鋼，其抗拉強度≥785 MPa[12]；鋼軌的抗拉強度 >1 000 MPa[13]。膠層遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于夾板與鋼軌的抗拉強度。在規(guī)定載荷加載下，膠層處易被壓縮變形，造成接頭整體變形較大。

對疲勞不合格試件在接頭兩端、中間處進(jìn)行取樣，分別測量鋼軌下顎1∶3斜度處、軌腰、軌肢 1∶3斜度處膠層厚度，如圖1所示。膠層厚度分布如表1所示。

圖1 膠層厚度測量位置

表1 膠層厚度分布 mm

綜合比較，下顎膠層與軌肢膠層整體厚度偏大約0.5 mm。

通過分析，影響絕緣接頭疲勞性能不合格的因素主要是下顎膠層與軌肢膠層偏大，導(dǎo)致接頭豎向剛度不足。

3 優(yōu)化措施

3.1 膠接夾板優(yōu)化

現(xiàn)有膠接夾板膠接面輪廓均按照鋼軌軌腰間距2 mm設(shè)計，在保證接頭一定剪切性能的情況下，設(shè)計特殊輪廓夾板。

夾板上下部1∶3斜度處距離鋼軌相應(yīng)輪廓1.3 mm，夾板大圓弧距離鋼軌軌腰2.4 mm，如圖2所示。保證一定軌腰膠層，且減小下顎與軌肢膠層厚度。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與特制夾板

當(dāng)螺栓預(yù)緊后，按照鋼軌夾板軌腰膠層減薄1.2 mm計算，特制夾板與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌配合后，理論上下顎與軌肢膠層較現(xiàn)有均減小1.1 mm。

3.2 增加螺栓預(yù)緊扭矩

當(dāng)膠層加熱融化后，需要預(yù)緊螺栓，給膠層一定壓力。由于特制夾板輪廓變大，原螺栓預(yù)緊扭矩已不能滿足要求。經(jīng)過試驗，螺栓預(yù)緊扭矩可設(shè)定至300～400 N·m，下顎與軌肢膠層出膠明顯，膠層固化后符合設(shè)計預(yù)期。

3.3 優(yōu)化后膠層厚度

由于鋼軌軌腰兩側(cè)輪廓、夾板實際輪廓與標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計有一定偏差，實際膠層厚度接近理論設(shè)計值，與改進(jìn)前相比，下顎與軌肢膠層減薄明顯，如表2所示。

表2 改進(jìn)后膠層厚度實際分布 mm

4 試驗結(jié)果

4.1 剪切試驗

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行膠接接頭剪切試驗，試驗軸向載荷3 600 kN，大于標(biāo)準(zhǔn)要求3 000 kN要求，且位移在0.09～0.22 mm，均小于0.5 mm，試樣未破壞，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 疲勞試驗

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行膠接接頭疲勞試驗，經(jīng)過200 萬次疲勞試驗，試件變形f試件＝1.037f鋼軌，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求:f試件≤1.1f鋼軌，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)束語

通過對影響60 kg/m鋼軌膠接絕緣接頭疲勞性能關(guān)鍵因素的分析，得到了鋼軌軌頭下顎以及軌肢斜度處膠層偏厚是導(dǎo)致接頭疲勞失效的關(guān)鍵因素；通過夾板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減小鋼軌下顎與軌肢膠層厚度，可有效提高60 kg/m鋼軌絕緣接頭的疲勞性能，達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。