現場膠接絕緣急救裝置夾板設計

倪海曦 上海鐵路局科研所

隨著既有線提速200 km/h和客運專線、高速鐵路的開通，列車高速運行對軌道結構安全性、特別是對列車運行直接構成威脅鋼軌傷損的處理能力及處理后的可靠性提出了更高的要求，從而引起工務線路養修人員的重視和關注。目前在我國既有鐵路的鋼軌傷損急救器、鼓包夾板等器具對發生傷損部位起到了一定的加強作用，但是對各類、各種軌道位置的鋼軌傷損（焊接接頭、鋼軌母材及軌枕處、枕木孔中間等位置）采用器具的通用性和處理方法的簡易程度方面不理想，以及存在當處理加固部位鋼軌發生斷軌時，改變軌道電路導向安全顯示方式的弊端。

目前在我國鐵路所使用的傷損鋼軌加固急救裝置主要有三種類型：傳統急救器型、下鎖緊式無損夾具型、新開發型。其中，傳統急救型加固裝置雖然其結構簡單、操作方便，但夾緊力小，并且不易保持，在列車動荷載作用下螺栓扭力矩衰減快，因此只能用于120 km/h以下線路傷損鋼軌臨時加固處理。鉗式無損夾具型加固急救裝置通過施加穿過軌底螺栓的扭力矩，得到對夾板的夾緊力。這種急救加固裝置整體結構強度大，與傳統的相比夾緊力已有很大的提高，但是由于夾緊螺栓在軌底，對夾板的夾緊力得不到最大的發揮。隨著客運專線和高速鐵路的建設和運營，也出現了一些帶有絕緣或膠接絕緣的設計思想的新開發的加固急救裝置。但夾具仍為鉗式結構，存在結構較大，安裝操作復雜等弊端。

1 無縫線路

鐵道線路有三大薄弱環節：鋼軌接頭、曲線、道岔。其中影響面最大的是鋼軌接頭。由于鋼軌具有熱脹冷縮的特性，所以鋼軌接頭必須留有一定的縫隙，叫"軌縫"。這樣一來，列車在通過接頭是就會發生沖擊和振動，不但影響了行車的平穩性，還會加劇鋼軌等軌道構建的機車車輛的磨耗與傷損。為了解決這個問題，就要想方設法最大限度地消除鋼軌接頭，于是產生了無縫線路技術。

無縫線路是把普通25 m鋼軌一根接一根地焊在一起構成的鐵路。鋪設無縫線路，要先將25 m標準軌在工廠內用接觸焊方法焊成250 m或500 m的常規條，再用運軌車運到現場，然后用鋁熱焊或小型氣壓焊將之連接為1 km或更長的軌條。每根軌條兩端鋪設2～4根25 m短軌，作為調節軌條伸縮變化的"緩沖"。因此無縫線路又稱為焊接長鋼軌線路。當然，無縫線路并不是一個軌縫都沒有。所謂"無縫"是指在一定的區間內沒有鋼軌接頭，并不是無限延伸的。無縫線路焊接的長度有的幾百米，有的幾千米。隨著科學技術的不斷發展，無縫線路的長度也在一步步提高。出現了超長無縫線路或跨區間無縫線路。

其中在現場焊接鋼軌用鋁熱焊或小型氣壓焊?，F場焊接后的鋼軌呈現圖1的狀況：在鋼軌軌腰和軌底的部分凸出來一部分。夾板的為了信號的傳輸和絕緣的考慮，對其結構設計也有影響。

圖1 鋁熱焊鋼軌

當無縫線路出現緊急情況，如傷損或斷軌，由于天窗時間短，急救裝置可以應急使用。當發生鋼軌傷損時，可根據現場情況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，使列車按規定的限速或常速繼續運行；并且如在處理加固長度范圍內發生斷軌，軌道電路顯示紅光帶，列車可在前方停車，確保列車運行的安全。當發生斷軌時，可快速加固，同時恢復正常的線路信號，使列車按規定的限速繼續運行。

2 夾板設計

2.1 夾板結構設計

夾板研究設計時主要考慮受力形式、抗彎強度、絕緣實現、夾板長度、膠接方法等。夾板可采用夾具快速加固、螺栓加固和膠接加固三種方式加固，研制過程中充分考慮、權衡了夾具、螺栓加固受力與膠接加固受力的特點和需要，確定了能滿足膠接要求的楔形絕緣夾板的結構形式。

同時該夾板采用可適用焊接接頭（包括鋁熱焊）加固的內凹外平夾板結構形式。內凹適用于焊接接頭的加固，外平能提供夾具安裝時的足夠空間位置。內凹產生的變截面采用足夠的弧線順接，不易出現應力集中（設計三維圖見圖2）。

圖2 夾板設計三維圖

該夾板在結構上有以下特點：夾板首先在進行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，并能保證這一正壓力隨著夾具、螺栓所給的夾緊力的增大而增大，從而在受力面上得到結構所要求的靜摩擦力；而當采用膠接加固時，在鋼軌下顎、軌底斜坡和軌腰都與夾板膠合即全斷面膠接，最大可能地增大膠接面，可有效提高夾板膠接的抗剪強度。

2.2 夾板受力分析及關鍵尺寸確定

2.2.1 夾板受力分析

企業的盈利能力可以用總資產凈利率、凈資產收益率等指標來分析。企業的盈利能力越強，表明企業的獲利能力越強，同時企業的財務競爭力也會增加，具體分析如下所示：

急救裝置安裝在線路上時，夾板所承受的工作載荷有：傳遞螺栓或夾具的夾緊力，與鋼軌之間產生靜摩擦力或膠接整體剪切力；承受鋼軌彎曲產生的彎矩。

2.2.2 抗彎強度的計算與對比分析

夾板的抗彎強度是加固急救裝置的重要的強度指標之一。它與夾板的斷面尺寸有關，斷面尺寸的設計決定了夾板構件的斷面面積、水平慣性矩和垂直慣性矩。要提高夾板的抗彎強度必須盡可能提高其抗彎截面系數W，而抗彎截面系數與慣性矩成正比，所以夾板設計應該通過采用合理的截面形狀以提高W數值，充分發揮材料的性能，即以最小的斷面面積得到最大的慣性矩，特別是水平慣性矩。

該夾板采用內凹外平夾板結構，使該斷面面積減小、慣性矩降低。但分析認為這一斷面的慣性矩只要設計達到或接近50 kg/m鋼軌普通夾板的抗彎強度水平就是合理的。

2.2.3 夾板長度確定

夾板長度主要考慮三個因素：首先是要有滿足膠接強度要求的足夠的膠接面積，再則是采用夾具加固時，留有足夠的、合理的夾具安裝位置，其次是急救安裝施工時便于運輸、攜帶。

根據設計要求，膠接時整體剪切力不小于3000 kN（螺栓緊固）和2000 kN（夾具緊固）。由于鋼軌和夾板接觸面在高度方向長度幾乎是一定值，因此膠接強度在一定有效長度范圍內，與膠接面積成正比，即與夾板長度成正比。計算按下式：

QH=τ·S×2

式中：QH--膠接整體剪切力；

τ--膠粘劑膠合剪切強度；

S--每塊夾板的膠合面積。

國內外膠接絕緣接頭成熟產品夾板長度一般取820 mm～900 mm。

同時，為了做到在鋼軌長度范圍任何位置發生傷損或斷軌時，都能采用夾具迅速、方便進行安裝，夾板長度與軌枕寬度、夾具尺寸和鋼軌傷損位置有關。

L≥W1+n·bj

式中：L--夾板長度；

W1--軌枕寬度；

bj--夾具寬度；

n--安裝的夾具數量；一般夾具2、4個。

當W1為250 mm，bj為120 mm時，L≥W1+n·bj=250+4×120=730 mm 2.2.4夾板效果圖

通過計算和試驗，最終夾板與鋼軌形成最佳配合。配合效果圖見3，局部放大土見圖4。

圖3 夾板與鋼軌的配合效果圖

圖4 局部放大圖

3結束語

研制的內凹外平、薄弱處加筋補強、強度合理符合多適用性要求的現場膠接絕緣急救絕緣夾板具有以下優點：一是安裝功能的多適用性，即能夾具安裝、螺栓安裝和膠接安裝；二是鋼軌傷損對象的多適用性，能處理焊接接頭傷損和多類型鋼軌母材傷損；三是對傷損、斷軌發生位置的多適用性，當鋼軌在長度方向任何位置發生傷損或斷軌，能不受軌枕、扣件等軌道部件的影響，正常、快速地進行急救加固。