傷損鋼軌無損加固技術(shù)及裝備研究

張建強(qiáng) 同濟(jì)大學(xué)（上海鐵路局科研所）

鋼軌是軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部件，是直接承受機(jī)車車輛各種荷載的部分。運(yùn)營線上如果出現(xiàn)鋼軌斷裂就有可能造成列車脫軌、傾覆等重大行車安全事故。近年，高速鐵路在全球得到了快速發(fā)展，成為世界各國交通運(yùn)輸業(yè)的主力軍，我國業(yè)已成為世界上高速鐵路運(yùn)營里程最長(zhǎng)的國家。隨著列車速度的提高，鐵路行車安全面臨著一系列新的難題，鋼軌傷損就是危及行車安全突出問題之一。

目前線路大多為無縫線路，由于軌溫的變化使鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生極大的溫度力。尤其在低溫時(shí)鋼軌承受巨大拉力，此時(shí)在鋼軌存在各種傷損缺陷的部位，特別是鋼軌內(nèi)部有核傷的時(shí)候，很容易發(fā)生裂紋甚至折斷，高速鐵路同樣無法完全避免斷軌的發(fā)生。因此開展在線傷損鋼軌加固技術(shù)及裝備研究對(duì)保障列車行車安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 目前國內(nèi)傷損鋼軌加固急救裝置現(xiàn)狀

目前在我國鐵路所使用的傷損鋼軌加固急救裝置主要有兩種類型：傳統(tǒng)型急救器和鉗式無損夾具型急救器。傳統(tǒng)急救器型加固急救裝置，由弓形夾具和普通夾板或鼓包夾板組成，施加給夾板的夾緊力是靠弓形夾具上的螺栓擰緊產(chǎn)生。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但夾緊力小，并且不易保持，在列車動(dòng)荷載作用下螺栓扭力矩衰減快。鉗式無損夾具型加固急救裝置，由鉗式夾具和普通夾板或鼓包夾板組成，通過施加竄過軌底螺栓的扭力矩，得到對(duì)夾板的夾緊力，如圖1 所示。與傳統(tǒng)急救器型加固急救裝置相比夾緊力有很大的提高，并設(shè)有螺栓防松裝置。但是由于夾緊螺栓在軌底，形成懸臂梁，夾緊力仍然較小。

圖1 鉗式無損夾具型加固急救裝置

2 傷損鋼軌在線無損加固技術(shù)方案

2.1 主要功能分析

鋼軌外部和內(nèi)部傷損都有可能在車輪和溫度應(yīng)力作用下導(dǎo)致斷軌，因此在線傷損鋼軌加固急救裝置必須具有以下功能：

(1)預(yù)防斷軌：當(dāng)發(fā)生鋼軌傷損時(shí)，安裝傷損鋼軌加固急救裝置預(yù)防鋼軌斷裂，保障列車按規(guī)定的限速或常速繼續(xù)運(yùn)行，保障行車安全。

(2)斷軌應(yīng)急處置：當(dāng)線路突發(fā)斷軌時(shí)，可快速應(yīng)急加固，同時(shí)恢復(fù)正常的線路信號(hào)，使列車按規(guī)定的限速繼續(xù)運(yùn)行，待天窗點(diǎn)進(jìn)行永久處理。

(3)多適應(yīng)性：一是鋼軌傷損對(duì)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；二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；三是對(duì)傷損、斷軌發(fā)生位置的多適用性，當(dāng)鋼軌在長(zhǎng)度方向任何位置發(fā)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(jìn)行急救加固；四是能適用于有砟和無砟軌道，尤其要能適應(yīng)無砟軌道不同型號(hào)軌道板使用。

2.2 傷損鋼軌無損加固技術(shù)方案

根據(jù)傷損鋼軌加固急救裝置的功能要求、工作載荷和現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件，確定如下技術(shù)方案：采用雙面搭板膠接接頭的結(jié)構(gòu)形式，利用雙夾具緊固形式膠接加固，無損夾具采用弓形結(jié)構(gòu)。該技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：傷損鋼軌加固后可以常速開通線路，不影響運(yùn)輸組織；對(duì)傷損鋼軌進(jìn)行加固時(shí)，不改變?cè)熊壍罊z測(cè)電路，如在處理加固長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)生斷軌，軌道電路顯示紅光帶，確保列車運(yùn)行的安全；使用弓形無損夾具，夾緊力大，無需鉆孔加裝膠接絕緣夾板，盡可能降低了對(duì)原鋼軌母材的影響，消除了螺孔裂紋、傷損加劇等可能的不利影響；利用膠接絕緣技術(shù)和工藝提高傷損鋼軌加固接頭的性能。

3 新型鋼軌傷損無損加固急救裝置設(shè)計(jì)

通過對(duì)各類鋼軌傷損如鋁熱焊、氣壓焊、接觸焊接頭及鋼軌母材和各型各種軌道位置如傷損在軌枕處、枕木孔中間等基本特征，尤其對(duì)各型無砟軌道不同型號(hào)軌道板的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，確定相應(yīng)加固措施。開展了適應(yīng)快速加固的絕緣夾板、夾具的研究，包括斷面尺寸、長(zhǎng)度及強(qiáng)度的檢算，夾具緊固機(jī)構(gòu)研究及緊固力計(jì)算和測(cè)試，夾板與夾具的配合分析等；對(duì)無損加固急救裝置進(jìn)行了絕緣設(shè)計(jì)，包括絕緣方案、絕緣材料和方式、絕緣層的強(qiáng)度，絕緣性能的測(cè)試等。傷損鋼軌加固急救裝置在軌道上安裝后，夾板與鋼軌間的靜摩擦力（整體剪切力）是考核裝置整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要指標(biāo)，必須進(jìn)行加固急救裝置性能試驗(yàn)。

3.1 整體結(jié)構(gòu)

加固急救裝置在軌道上安裝后，可用軌道接頭阻力即整體靜摩擦力（剪切力）來作為考核裝置整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)之一，當(dāng)進(jìn)行斷軌加固或傷損鋼軌加固后斷裂時(shí)，加固急救裝置與鋼軌形成了典型的軌道接頭結(jié)構(gòu)形式。夾具、螺栓提供給楔形夾板的夾緊力在鋼軌下顎和軌底斜坡作用面上將產(chǎn)生靜摩擦力，或在鋼軌下顎、軌底斜坡和軌腰都與夾板膠合面上產(chǎn)生夾板膠接的抗剪力。

膠接剪切力的計(jì)算依據(jù)：

夾板與鋼軌膠接后，在不產(chǎn)生兩膠合面剝離力的情況下，膠合層的剪切力與膠粘劑的膠合強(qiáng)度和膠合面積有關(guān)。在膠合強(qiáng)度一定時(shí)，剪切力與膠合面積成正比。

QH=τ·S式中：QH--膠接剪切力；

τ--膠粘劑膠合剪切強(qiáng)度；

S--膠合面積。

3.2 夾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加固急救裝置選擇目前常用的雙面搭板接頭結(jié)構(gòu)形式，其中夾板是此結(jié)構(gòu)的重要部件之一。在進(jìn)行夾板的研究、設(shè)計(jì)是需考慮受力形式、抗彎強(qiáng)度、夾板長(zhǎng)度、膠接方法等。

3.2.1 受力分析

加固急救裝置安裝在線路上時(shí)，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(chǎn)生靜摩擦力或膠接整體剪切力；承受鋼軌彎曲產(chǎn)生的彎矩。根據(jù)其受力的特點(diǎn)和需要，確定了能滿足膠接要求的楔形夾板的結(jié)構(gòu)，其表層與鋼軌接觸面為膠接絕緣層。

絕緣夾板通過夾具所施加的夾緊力，在鋼軌下顎和軌底斜坡上獲得作用點(diǎn)和方向明確的正壓力，并能保證這一正壓力隨著夾具所施加夾緊力的增大而增大，從而在受力面上得到結(jié)構(gòu)所要求的摩擦阻力；而當(dāng)采用膠接加固時(shí)，在鋼軌下顎、軌底斜坡和軌腰都與夾板膠合，最大可能地得到膠接面，大大地提高夾板膠接的抗剪強(qiáng)度。

3.2.2 抗彎強(qiáng)度

夾板的抗彎強(qiáng)度是加固急救裝置的重要的強(qiáng)度指標(biāo)之一。它與夾板的斷面尺寸有關(guān)，斷面尺寸的設(shè)計(jì)決定了夾板構(gòu)件的斷面面積、水平慣性矩和垂直慣性矩。該夾板為可適用鋁熱焊（大焊筋）接頭加固的內(nèi)凹外平夾板結(jié)構(gòu)形式。內(nèi)凹適用于鋁熱焊（大焊筋）接頭的加固，外平能提供夾具安裝時(shí)的足夠空間位置。內(nèi)凹產(chǎn)生的變截面采用足夠的弧線順接，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3.3 膠接方法研究和膠接劑選擇

3.3.1 膠接劑選擇

根據(jù)傷損鋼軌無損加固的特點(diǎn)，研制了改性環(huán)氧樹脂膠粘劑。該膠粘劑具有粘接力大、機(jī)械物理性能好、固化時(shí)收縮率小、尺寸穩(wěn)定、隔熱、絕緣和耐受各種介質(zhì)的侵濁的特點(diǎn)。

通過在環(huán)氧樹脂中添加耐熱性工程塑料來提高膠粘性能，在環(huán)氧膠粘劑中加入無堿玻璃纖維布提高膠接強(qiáng)度。其力學(xué)性能好，水解度低，是一種良好的增強(qiáng)材料，對(duì)膠粘物理機(jī)械性能影響很大。不僅可以提高膠的抗沖擊能力，而且可以制成有載體的膠膜，在膠接接頭中形成膠線，保證所需的厚度，同時(shí)起到絕緣行程增加作用，使絕緣性能更可靠。

3.3.2 膠接方法

急救夾板要具有膠接和螺栓加固、夾具加固三種安裝方式的功能。由螺栓加固、夾具加固所采用的楔形結(jié)構(gòu)的受力形式可知，為保證通過夾具、螺栓所給的夾緊力，在鋼軌下顎和軌底斜坡上獲得作用點(diǎn)和方向明確的正壓力，夾板與軌腰不能受力，保持一定的間隙。當(dāng)進(jìn)行膠接時(shí)這一間隙由膠粘劑來填充。

間隙的寬度即膠層厚度對(duì)于膠接質(zhì)量的影響起著重要的作用，它不僅關(guān)系到膠接的強(qiáng)度的高低，而且影響接頭的絕緣的可靠度。在一般情況下，膠接強(qiáng)度隨著膠層的厚度的減少而提高，膠層愈薄，強(qiáng)度愈高。因此為保證膠接強(qiáng)度，間隙寬度即膠層厚度的控制設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。膠接方法采用由工廠膠接加現(xiàn)場(chǎng)膠接共同實(shí)現(xiàn)：先在工廠按照加熱固化膠接工藝生產(chǎn)絕緣膠板，再到施工現(xiàn)場(chǎng)利用膠粘劑進(jìn)行常溫固化膠接。

3.4 無損夾具的研制

3.4.1 工作載荷確定

夾緊力：為使夾板與鋼軌受力分布均勻，夾緊力作用于鋼軌螺栓孔中心線，垂直于夾板外表面。

傾覆力矩：夾緊力距離軌底一定高度，在夾具底板處產(chǎn)生的力矩。

3.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)時(shí)充分分析了其工作載荷情況以及安裝條件，必須提供足夠的夾緊力以滿足整體剪切力要求，同時(shí)為適應(yīng)無砟軌道不同軌道板的結(jié)構(gòu)尺寸，必須盡可能減小夾具在軌底的結(jié)構(gòu)尺寸，還要有可靠的防松措施，防止夾緊力失效。經(jīng)反復(fù)推敲和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了形鉸接式增力組合夾具(見圖2)。

圖2 夾具設(shè)計(jì)效果圖

3.4.3 設(shè)計(jì)原理

弓形鉸接式增力組合夾具工作原理為：通過施力機(jī)構(gòu)，利用底板的彈性變形反力作為夾緊力。為實(shí)現(xiàn)夾緊力的最大化，充分利用材料的力學(xué)性能指標(biāo)，利用鉸接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增力。鉸接式增力機(jī)構(gòu)根據(jù)力的分解原理，利用力在大角度方向?qū)ΨQ的兩個(gè)分力倍增的特點(diǎn)，大大提高了夾緊力。表1 是計(jì)算所得的兩種不同夾緊機(jī)構(gòu)操作施力與夾緊力的對(duì)比。

3.4.5 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核

底板的彈性變形產(chǎn)生作用于軌腰的夾緊力，其受力情況見圖3。底板的受力情況最不利，由于受軌底空間高度的限制，很難通過合理截面設(shè)計(jì)提高其抗彎截面系數(shù)。為了盡可能減小其體積（重量），選用了高強(qiáng)度的調(diào)質(zhì)鋼42CrMo，經(jīng)熱處理，該材料的屈服強(qiáng)度σs 可達(dá)950 MPa。

表1 不同型式夾具作用力比較

圖3 底板受力圖

其中M=F′×H，其抗彎截面系數(shù)W為W=1/6×bh2=1.5×10-5(m3)，底板在其中部為最大變形位置，當(dāng)其承受工作載荷時(shí)，其最大傾角為1.83°擾度為2.4 mm(見圖4)。

圖4 力-形變圖

4 室內(nèi)整體剪切試驗(yàn)

為驗(yàn)證總體結(jié)構(gòu)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)使用條件的吻合度，參照膠接絕緣接頭的整體剪切試驗(yàn)方法(如圖5 所示)，在同濟(jì)大學(xué)軌道結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的5000 kN 液壓壓力機(jī)上對(duì)不同形式的試樣進(jìn)行整體剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖5 整體剪切力試驗(yàn)

表2 整體剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：①非膠接傷損鋼軌加固急救裝置最大整體剪切力210 kN，最小整體剪切力115 kN，其最小整體剪切力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但整體剪切力受不同安裝條件（摩擦系數(shù)）影響較大；②膠接安裝傷損鋼軌加固急救裝置最大整體剪切力1 800 kN，不受安裝條件及安裝夾具影響。

5 結(jié)束語

采用雙夾具緊固雙面搭板膠接技術(shù)的在線傷損鋼軌加固急救裝置，為現(xiàn)場(chǎng)在線處理傷損鋼軌提供了有效手段，特別對(duì)使用Ⅱ型軌道板的無砟軌道具有很強(qiáng)的實(shí)用性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試用，能滿足線路鋼軌傷損加固處理的需要。