普速鐵路鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置設(shè)計(jì)研究

徐玉坡 李燁峰 魏剛 孫陶陶 張利中 王敏 蔣金洲

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司，太原 030013

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，鐵路干線全面提速，鐵路的日常維護(hù)對(duì)行車安全起著至關(guān)重要的作用［1］。行車密度增大，行車間距縮短，導(dǎo)致可用于線路養(yǎng)護(hù)維修的時(shí)間減少。目前，在非常有限的天窗點(diǎn)內(nèi)，養(yǎng)護(hù)維修單位無(wú)法完成更換鋼軌、道岔的全部工作，從而導(dǎo)致存在兩方面的問(wèn)題：①鋼軌焊接作業(yè)時(shí)間不足，沒(méi)有達(dá)到120 min 的標(biāo)準(zhǔn)焊接時(shí)間，致使通車時(shí)部分鋁熱焊縫鋼軌軌溫未下降至300 ℃以下；②當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)無(wú)法完成時(shí)，在鋼軌兩端鉆孔，用接頭夾板聯(lián)結(jié)的方法作為臨時(shí)過(guò)渡以放行列車，鉆孔對(duì)鋼軌本身造成了二次傷害［2］。

基于這一現(xiàn)狀，本文研究一種安全可靠、安裝拆卸便捷、適用線路范圍廣的鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置，以滿足在天窗點(diǎn)內(nèi)完成更換鋼軌、道岔作業(yè)的需求，為列車安全通行提供保障。

1 鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置設(shè)計(jì)

鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置主要由夾板（夾板一和夾板二，分別位于鋼軌兩側(cè)）和夾具構(gòu)成。利用夾具將夾板固定在鋼軌軌縫處，完成對(duì)鋼軌的加固，取代普通夾板（魚(yú)尾板），避免了在鋼軌上鉆孔［3］。鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置的抗彎性能和縱向摩阻力與普通魚(yú)尾板相當(dāng)，甚至優(yōu)于普通魚(yú)尾板。

1.1 夾板

為了保證夾板的強(qiáng)度要求，選擇42CrMo 合金材料，其屈服強(qiáng)度不小于930 MPa。夾板的設(shè)計(jì)原則是在不影響扣件安裝的情況下，使其豎向剛度盡量大，從而有效地減小車輪沖擊力，延長(zhǎng)接頭區(qū)鋼軌使用壽命［4］?？紤]行車安全和扣件系統(tǒng)的安裝要求，夾板的高度和厚度并不能無(wú)限增大［5-6］。本文對(duì)鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置夾板抗彎剛度的設(shè)計(jì)要求是不低于魚(yú)尾板。

根據(jù)鐵路軌枕和扣件的布置情況來(lái)確定長(zhǎng)夾板的長(zhǎng)度，如圖1 所示。軌枕間距L2=（600±20）mm。60 kg/m鋼軌?mèng)~尾板的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為820 mm［7］，軌縫在兩軌枕中間時(shí)，夾具無(wú)法夾緊夾板兩端，所以820 mm 的長(zhǎng)度不能滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝要求。根據(jù)軌枕間距和軌縫位置，確定長(zhǎng)夾板長(zhǎng)度L1=1 000 mm。

圖1 長(zhǎng)夾板長(zhǎng)度的確定

夾板的截面尺寸決定了其抗彎性能和安裝便攜性。夾板外側(cè)面設(shè)有錐形凹槽，防止夾板和夾具相對(duì)滑動(dòng)。鋼軌軌頭下顎和軌底上表面與夾板接觸，對(duì)接觸部分進(jìn)行粗糙度處理（圖2），增大夾板與鋼軌的摩擦，使緊固后產(chǎn)生較大的摩阻力。經(jīng)計(jì)算，鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置夾板的抗彎性能比普通魚(yú)尾板增加了1.8%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 夾板接觸面粗糙處理

1.2 夾具

夾具提供垂直于軌腰的壓力，用于緊固夾板。夾具主要包含聯(lián)結(jié)底板、壓緊塊、螺栓、螺母、平墊圈和彈簧墊圈，如圖3 所示。聯(lián)結(jié)底板兩端各設(shè)置一個(gè)壓緊塊，壓緊塊上安裝螺栓、螺母、平墊圈和彈簧墊圈。

圖3 夾具構(gòu)造

1.3 組裝

將夾板放置于鋼軌軌腰處，使夾板上下斜面分別與鋼軌上下顎貼合（圖4）。安裝夾具前，螺母處于松弛狀態(tài)，不影響螺栓的緊固。先將一個(gè)壓緊塊固定在聯(lián)結(jié)底板一端，接著將聯(lián)結(jié)底板置于鋼軌底部，然后安裝另一個(gè)壓緊塊，調(diào)整夾具位置使螺栓對(duì)準(zhǔn)錐形凹槽，擰緊螺栓達(dá)到規(guī)定的扭矩，最后擰緊螺母。

圖4 聯(lián)結(jié)裝置組裝

2 仿真分析

列車通過(guò)鋼軌接頭時(shí)，鋼軌接頭的抗彎剛度越大，接頭處鋼軌的撓度越小。對(duì)鋼軌撓度和夾板應(yīng)力分布進(jìn)行仿真分析。

建立三維仿真模型，鋼軌和夾板均為實(shí)尺模型。由于夾具螺栓擰緊后，荷載對(duì)夾具的影響很小，故對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，由垂直于鋼軌軌腰的力代替夾具產(chǎn)生的鎖緊力［8-9］，如圖5所示。

圖5 三維仿真模型

根據(jù)鋼軌凍結(jié)接頭靜載試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立模型，支座間距為1.0 m，鋼軌長(zhǎng)度為1.2 m，軌縫位于2個(gè)支座的中間位置。夾具螺栓擰緊扭矩800 N·m，計(jì)算得到預(yù)緊力為190 kN［10］。夾板與鋼軌之間的接觸設(shè)置為摩擦接觸，摩擦因數(shù)取0.2。

在鋼軌接頭處施加200 kN 垂向荷載進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明，夾板下表面最大縱向應(yīng)力出現(xiàn)在軌縫處，夾板中部垂向位移最大。在鋼軌軌縫為0、6、12、18 mm 四種工況下，夾板的最大縱向應(yīng)力和中部垂向位移見(jiàn)表1?？芍涸?00 kN垂向荷載下，夾板下表面中部最大應(yīng)力為284 MPa，42CrMo 合金鋼的屈服強(qiáng)度不低于930 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求；隨著軌縫寬度的增加，夾板拉應(yīng)力幾乎不變，變形小幅增加，中部垂向位移最大為1.34 mm。

表1 夾板縱向應(yīng)力和垂向位移

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證接頭的抗彎性能和強(qiáng)度，試制了鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置，進(jìn)行鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置和魚(yú)尾板的對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案

參照TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接第1 部分：通用技術(shù)條件》，進(jìn)行鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置和魚(yú)尾板整體剪切試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目

魚(yú)尾板鋼軌接頭和鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置鋼軌接頭靜載試驗(yàn)的試件均由2 根0.6 m 長(zhǎng)的60 kg/m 鋼軌和夾板組裝而成。

試驗(yàn)設(shè)備主要包括數(shù)顯式液壓脈動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、位移傳感器和電阻應(yīng)變片。數(shù)顯式液壓脈動(dòng)試驗(yàn)機(jī)和微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)用于對(duì)試件施加荷載，位移傳感器用于測(cè)量鋼軌和夾板的垂向位移，電阻應(yīng)變片用于測(cè)量夾板的應(yīng)力。

將軌縫設(shè)置為10 mm，進(jìn)行鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置和魚(yú)尾板鋼軌接頭的整體剪切試驗(yàn)。由4組夾具對(duì)夾板進(jìn)行緊固，螺栓擰緊扭矩為800 N·m。魚(yú)尾板在螺栓扭矩700 N·m（最高、最低軌溫差大于85 ℃）、500 N·m（最高、最低軌溫差小于等于85 ℃）兩種工況下進(jìn)行整體剪切試驗(yàn)。

在軌縫為0、6、12、18 mm 四種工況下，進(jìn)行鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置和魚(yú)尾板的靜彎試驗(yàn)（圖6），試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量夾板底面的應(yīng)力以及鋼軌和夾板的垂向位移。鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置鋼軌接頭的靜載試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 鋼軌接頭室內(nèi)靜載試驗(yàn)

將軌縫設(shè)置為8 mm，進(jìn)行鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置的疲勞試驗(yàn)。在軌縫上方加載，支座間距為1 m，最大荷載Fmax=200 kN，最小荷載Fmin=0.2Fmax=40 kN。試驗(yàn)加載頻率為4～5 Hz，正弦波加載，疲勞次數(shù)200萬(wàn)次，每50萬(wàn)次進(jìn)行夾板外觀檢查。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

整體剪切試驗(yàn)得到的夾板摩阻力見(jiàn)表3?？芍轰撥墴o(wú)損聯(lián)結(jié)裝置在螺栓擰緊扭矩為800 N·m時(shí)的摩阻力為839 kN，魚(yú)尾板螺栓擰緊扭矩700、500 N·m 對(duì)應(yīng)的摩阻力分別為638、439 kN。鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置的摩阻力比魚(yú)尾板摩阻力大，在不打孔的情況下，鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)夾板摩阻力的要求。

表3 夾板摩阻力

靜彎試驗(yàn)得到的夾板撓度和應(yīng)力見(jiàn)表4?？芍孩傧嗤奢d下，鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置和魚(yú)尾板夾板的應(yīng)力相差不大；無(wú)論是鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置還是魚(yú)尾板，軌縫為0時(shí)夾板應(yīng)力明顯小于其他軌縫，軌縫為6、12、18 mm時(shí)的應(yīng)力基本相同，這說(shuō)明軌縫大于6 mm時(shí)軌縫的增大對(duì)夾板應(yīng)力的影響很小。②軌縫為0、6 mm時(shí)，相同荷載下鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置的夾板撓度均大于等于魚(yú)尾板；軌縫為12、18 mm 時(shí)，相同荷載下鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置的夾板撓度大多小于魚(yú)尾板。夾板撓度與軌縫無(wú)正比關(guān)系。

表4 夾板撓度和應(yīng)力

200 萬(wàn)疲勞試驗(yàn)后，夾板未見(jiàn)裂紋或損壞。疲勞試驗(yàn)中夾板應(yīng)力見(jiàn)表5?？芍谠囼?yàn)過(guò)程中，夾板最大應(yīng)力為253 MPa，出現(xiàn)在50 萬(wàn)次時(shí)。隨著疲勞次數(shù)增加，夾板應(yīng)力并未增大。

表5 疲勞試驗(yàn)過(guò)程中夾板應(yīng)力

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求和仿真分析，對(duì)鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和試制。室內(nèi)試驗(yàn)表明，鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置摩阻力為839 kN，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。鋼軌無(wú)損聯(lián)結(jié)裝置和魚(yú)尾板在相同荷載下夾板的應(yīng)力基本相同，鋼軌軌縫的大小對(duì)夾板的最大應(yīng)力影響很小。疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，夾板最大應(yīng)力為253 MPa，隨著疲勞次數(shù)的增加，夾板最大應(yīng)力并未增大。