合寧客運專線現場膠接絕緣接頭技術研究

2010-06-20 12:33:04段金超合寧鐵路有限公司

上海鐵道增刊 2010年1期

段金超合寧鐵路有限公司

合寧鐵路于2005年7月開工建設，2006年10月開始鋪軌，2007年10月完成全線無縫線路和高速道岔鋪軌任務。其中，現場膠接絕緣接頭由于其整體性好、接頭阻力大、使用壽命長、運輸方便、施工靈活簡便、成本低，深受現場施工人員的歡迎。但隨著列車運行速度的提高，對膠接絕緣接頭質量要求越來越高。

鋼軌現場膠接絕緣接頭是無縫線路的重要組成部分，要求它的整體性強，使用壽命長，絕緣性能穩定，從而確保列車運行安全和平穩。目前國內使用的膠接絕緣（包括德國施密特MT膠接絕緣）接頭，其強度基本滿足160km/h及以下的技術標準，尚不能達到在250km/h線路上使用的技術要求。因此研究開發滿足250km/h線路使用的膠接絕緣接頭，適應客運專線鐵路建設和鐵路提速的需求是非常必要的。

合寧線客運專線實施時，通過重新設計和工藝改進并完善，較好地解決了高速客運專線現場膠接絕緣接頭存在的技術難題。研制的新型膠接絕緣接頭已通過了實驗室檢驗和現場實際運營考驗，技術指標符合鐵道部標準（TB/T2975-2000）的規定，達到時速250km/h客運專線的使用要求，關鍵技術指標優于目前國內外同類產品。

1 現場膠接絕緣接頭設計原則和力學性能分析

1.1 技術指標

合寧客運專線現場膠接絕緣接頭的整體剪切強度不小于3250kN。當絕緣夾板安裝完畢，螺栓按規定的扭距和順序擰緊后，由于復合膠粘劑的壓敏作用，作業完畢，膠接接頭就能產生最終強度的60%，45min后達到90%以上的最終強度。復合絕緣夾板出廠均需進行電氣絕緣性能測試。1000V兆歐表測量護板和鋼夾板間干燥狀態下的電阻值大于50MΩ；用萬用表測量護板和鋼夾板之間潮濕狀態下的電阻值，大于2000Ω。

1.2 設計原則

接頭是軌道結構的薄弱環節之一。在采用現場膠接絕緣接頭后，能使超長無縫線路的接頭減少到最低限度。理想的膠絕緣接頭應能滿足如下幾個要求：

⑴在接頭范圍內，鋼軌應能象其它部位一樣，承受列車通過時作用在其上的垂直沖擊和橫向沖擊。也就是在荷載作用下，接頭范圍內鋼軌繞曲的形狀和大小與其它部位相同。

⑵在溫度力的作用下，膠接接頭的軌縫沒有變化，或變形控制在允許的微變形之內，接頭能夠可靠傳溫度力。

⑶膠接接頭必須可靠絕緣和耐高壓，能夠滿足軌道電路在接頭處的絕緣需要和抗電氣化區段高壓回流引起的擊穿。

1.3 整體結構特點

膠接絕緣接頭是由絕緣夾板、高強度螺栓、絕緣端片、絕緣套管在現場用常溫固化膠與鋼軌組裝、膠接在一起的H型結構(見圖1)。其中絕緣夾板是由鋼夾板、絕緣膠層和槽形鋼板在工廠加熱固化粘接在一起的絕緣結構。

圖1 膠接絕緣接頭H型結構圖

現場組裝時，槽形鋼板與鋼軌接觸，絕緣層保證了鋼夾板與槽形鋼板間的絕緣，從而實現鋼夾板與鋼軌的絕緣。同時，槽形鋼板可保護絕緣膠層，使其在運輸和安裝過程中不致被損壞。絕緣膠層采用改性環氧膠粘劑預制成槽形膠板。該膠板采用浸過膠的玻璃纖維布，經過預固化壓制而成。使用時加熱到一定溫度即溶化，固化后將鋼夾板與槽形鋼板粘在一起。槽形鋼板與鋼軌接觸及絕緣膠層與鋼軌接觸相比，產生的摩擦阻力會更大。絕緣夾板中的絕緣膠層和軌端絕緣片及絕緣套管共同形成了鋼軌與鋼軌之間、鋼軌與鋼夾板和螺栓間的絕緣。

1.4 力學性能分析

1.4.1 軌道受力分析

膠接絕緣接頭是鋼軌、夾板、膠粘劑、金屬與非金屬組成的一個不均勻整體，在受外力作用時，應力分布很復雜。但作用于接頭的力主要有兩種：一種是在列車荷載作用下，接頭受力彎曲，產生作用于接頭的垂直力和沿鋼軌方向的縱向水平力，同時引起膠層內部的彈性變形，其結果在材料內部積存了變形能量；另一種是在無縫線路區段受溫度變化引起的鋼軌縱向水平力，該力在縱向水平力中是最大的，是導致膠接絕緣接頭破壞的主要因素。鋼軌膠接絕緣接頭所承受的溫度力，作用在膠層平面內。當溫度力大于接頭的膠接力時，會發生剪切變形，鋼軌與絕緣夾板就出現相對錯動。

考慮溫度力對膠接絕緣接頭的剪切強度要求時，溫度力計算公式為：

Pt=σ×F=E×α×△t×F

式中：

E--鋼軌彈性模量其值為

E=2.1×105MPa

α--鋼軌線脹系數其值為

α=1.18×10-5

△t--軌溫變化度數℃

F--鋼軌斷面積。

無縫線路在設計施工時，根據各地中間軌溫及±5℃來計算鋼軌縱向拉壓力。如：上海地區最高軌溫為60.3℃，最低軌溫為-12.1℃，鄭州地區最高軌溫63.0℃，最低軌溫為-17.9℃，……。如以鄭州地區為例，一般設計鎖定軌溫在20℃～30℃，則△t取 50℃計算。由此可算得60kg/m鋼軌最大溫度力為：

Pt=σ×F=E×α×△t×F=915kN

由于鋼軌每年承受溫度力大部分是壓應力，鋼軌處于受壓狀態，只有在氣溫很低的冬季才受拉。時間雖短，但拉力往往大于壓力。在我國溫差最大地區60kg/m鋼軌大約承受1000kN的拉力。

接頭阻力由鋼軌與夾板間的摩擦阻力、螺栓的抗彎力或抗剪力以及絕緣夾板與鋼軌間絕緣膠層的粘接力提供。為保證安全，僅考慮鋼軌與絕緣夾板間的膠接剪切強度。

1.4.2 膠接固化特性分析

固化特性與時間關系曲線見圖2，以有效粘接面積1300mm2，單根螺栓鎖緊力設計算值P≥297kN，固化溫度環境25℃，膠層厚度大于1.5mm為膠接接頭計算依據。

圖2 固化特性與時間關系曲線

從圖2固化特性與時間關系曲線中初步推算，整個作業完成需10min左右，其膠接剪切強度達到約13.8MPa；大約在45min左右，其膠接剪切強度達到約25MPa；大約在120min后，其膠接剪切強度達到最大約26MPa,膠接面積約1300mm2。

初始抗剪切力：

P10=τ×F=13.8×0.13=1.794MN=1794kN

45min抗剪切力：

P45=τ×F=25×0.13=3.25MN=3250kN

最大抗剪切力：

P120=τ×F=26×0.13=3.38MN=3380kN

在縱向力傳遞方面，整個現場膠接接頭膠接過程，膠接剪切強度始終大于鋼軌的溫度力。同時考慮列車通過時，如計算列車荷載沖擊引起的縱向力，膠接絕緣接頭的整體剪切強度達到3250 kN完全可滿足其受力的需要。

2 膠接絕緣接頭各部結構及技術參數

膠接絕緣接頭是由絕緣夾板、高強度螺栓、絕緣端片、絕緣套管通過現場用常溫固化膠與鋼軌組裝膠接組成。其技術性能應符合和服從絕緣接頭整體結構性能的要求。

2.1 絕緣夾板

絕緣夾板設計和制作應遵循的原則是：

⑴絕緣夾板在裝配時，在常溫固化膠粘劑和螺栓的共同作用下與鋼軌上下額產生楔緊作用，以增大鋼軌與絕緣夾板的摩擦阻力，實現現場膠接時的初始接頭阻力，保證在軌溫調整器卸載后接頭不被拉開。

⑵絕緣夾板與鋼軌腹部的間隙控制在膠粘劑固化反應必要的厚度以上（1.5mm以內），充分發揮絕緣夾板與鋼軌膠接層的粘接作用。

⑶在同一側的兩塊槽形鋼板間預留14mm間隙，防止鋼軌鋸斜給絕緣帶來危害，以保證絕緣性能。

⑷根據所選膠膜的粘接和電氣特性，在槽形鋼板與鋼夾板間保證0.5mm～0.8mm的膠接厚度，來滿足接頭的整體剪切強度和交、直流絕緣性能。

⑸絕緣夾板在組裝時避開與扣件接觸，并充分考慮鋼夾板加強筋由于鋼軌磨耗后輪緣與其相碰。

絕緣夾板結構示意圖見圖3，結構參數見表1。

表1 絕緣夾板結構參數表

圖3 絕緣夾板結構示意圖

2.2 鋼夾板

鋼夾板機械性能不低于標準雙頭夾板標準；槽形鋼板與鋼夾板間預留0.8mm以內間隙以提高復合夾板的整體性；夾板下部不能與扣件接觸。其結構示意圖見圖4，結構參數見表2。

表2 鋼夾板結構結構參數表

圖4 鋼夾板結構示意圖

2.3 槽形鋼板

槽形鋼板設計與制作應使槽形鋼板上下部位的斜面與鋼軌的上下顎密貼，在鋼軌上、下顎產生"楔子"的作用，以增大鋼軌與絕緣夾板的摩擦阻力。槽形鋼板的長度應使在同一側的兩塊槽形鋼板間預留14mm距離，以保證絕緣性能。槽形鋼板結構示意圖見圖5、結構參數見表3。

表3 槽形鋼板結構結構參數表

圖5 槽形鋼板結構圖

2.4 軌端絕緣片

斷面尺寸與鋼軌相同。為了減輕列車在接頭處的沖擊和噪音，又要考慮確保絕緣接頭絕緣性能，關鍵是厚度的控制。

厚度的大小選擇其實是一個辯證的關系。厚度大沖擊也大，肥邊容易產生，但允許肥邊的行程也大；厚度小沖擊也小，肥邊不易產生，但允許肥邊的行程也小。根據以往的經驗，絕緣端片的厚度控制在3mm～6mm為最佳。

參照部標（TB/T2975-2000）規定，我們選擇絕緣端片的厚度為6mm，材料為絕緣電工膠木板加工而成。

2.5 絕緣膠接層

對絕緣膠接而言，膠接厚度控制得小一點對粘接強度有益，但也必須考慮絕緣性能。如果控制得太薄，絕緣夾板的電容效應增大，對交流絕緣不利。所以選擇控制在0.5mm～0.8mm。

2.6 高強螺栓

選用經磷化皂處理的12.9級高強螺栓（型號 M24×145），螺栓的扭矩系數k應控制在0.14以內，公稱直徑D=24mm。

若設螺栓扭矩M=1000N×m,則單只螺栓鎖緊力計算：

螺栓鎖緊力：P=M/k×D×10-3=297kN

六只螺栓總的鎖緊力約為：

6×297=1782kN

通過分析和實驗表明，螺栓的總鎖緊力足夠保證抵御絕緣夾板和鋼軌之間的剪切力。

3 提高絕緣接頭的整體性能的措施

在無縫線路中，接頭是一個不可小視的薄弱點。它在線路上不僅受溫度力，而且在列車運行時受到各種復雜的作用力。膠接絕緣接頭在線路中的綜合能力要靠絕緣夾板的整體設計和粘接質量來保證。為此，要提高膠接絕緣接頭整體性能，在研制實施過程中采取以下措施：

3.1 鋼夾板與槽形鋼板的粘接

在預制絕緣夾板時，模具、鋼夾板、槽形鋼板先預熱到同一個溫度，也就是復合絕緣固化的最佳溫度，再進行組裝、恒溫。這樣能保證熱固化的膠體受熱均勻、徹底，不再受氣候環境溫度的影響。

3.2 充分發揮常溫固化結構膠粘劑的粘接強度

每一種膠粘劑在使用時都具有反應厚度的要求，過厚或太薄對被粘接物的強度都有很大的影響。所以復合絕緣夾板與鋼軌的膠接具有極其嚴格的鋼夾板斷面尺寸要求，同時也必須考慮鋼軌斷面的誤差，在設計和加工時應嚴格控制斷面尺寸及加工精度。

3.3 增加鋼夾板的長度

適當增加鋼夾板的長度，從而加大有效膠接面積，提高接頭的剪切強度。

3.4 優化鋼夾板結構

在鋼夾板上下兩則增加加強筋，增強接頭的垂直方向和水平方向的慣性矩，提高接頭在線路上承受各種復雜變力的能力，進一步提高接頭的抗疲勞能力。

3.5 提高絕緣性能

因為絕緣夾板是由鋼夾板－復合絕緣膠膜－槽形鋼板以熱固化的形式粘接而成的，絕緣層被保護在兩個剛體之間。在與鋼軌膠接現場作業時也只是槽形鋼板與鋼軌接觸，絕緣層不直接受到磕碰，所以絕緣性能是有保障的。采用槽形鋼板的目的，主要在于防止由化學腐蝕以及表面磁化給絕緣帶來危害。同時將復合絕緣夾板整體防銹隔水處理，也是為了防止鋼夾板的銹蝕和雨天水膜存在對絕緣的影響。