淺析鋼軌低接頭產生原因及處理措施

田愛民

淮北礦業集團鐵路運輸處，安徽 淮北 235100

鋼軌在軌道中以連續梁的形式直接承受著機車車輛傳來的荷載為車輪提供連續、平順和阻力最小的滾動表面，而鋼軌接頭由于構造上的原因破壞了鋼軌的連續性，降低了軌道的承載強度，增加了列車的阻力和沖擊力，在荷載作用下接頭范圍內鋼軌、軌枕、道床所受的力及變形較其它部位成倍增加，因而鋼軌接頭是軌道中的薄弱環節，它的受力復雜，結構薄弱，承受最大的荷載沖擊力，鋼軌低接頭是常見的接頭病害，所以加強鋼軌接頭的養護維修是十分重要的。

1 鋼軌接頭的受力分析

1.1 夾板受力及撓曲

為了計算方便，將夾板的近三角形分布受力作為集中荷載處理，如圖1所示：

圖1 接頭夾板受力分析簡圖

若把夾板看作是支承在B,C兩點的簡支梁，則夾板中點A的撓度為：

式中IH為兩塊夾板的截面慣性矩。

1.2 車輪踏面沖擊鋼軌接頭時的受力分析

當列車車輪壓在鐵軌上時，鐵軌就下沉，當車輪離開時，鐵軌就反彈上升，鐵軌象面條一樣呈波浪形上下起伏，路基也跟著上下波動。這種現象特別在鐵軌頭部的接縫處下沉幅度很大，幅度越大振動也就越強烈。鐵軌的橫向接縫之所以引起振動，是因為當行駛的列車車輪壓在接縫后面那根鐵軌的一瞬間，鐵軌下沉幅度很大，與接縫前面那根鐵軌的軌面形成一定的高差，這個高差阻擋了車輪前進。經過長期的觀察，車輪踏面在越過軌縫后接觸鋼軌接頭時，對鋼軌接頭的沖擊最為強烈。此時車輪受力如圖2所示。

圖2 車輪踏面沖擊鋼軌接頭時的受力分析簡圖

車輪踏面受到鋼軌接頭的作用力F為：

式中：

P為車輛重力在每個車輪上的分擔量；

R為車輪半徑；

θ為輪軌作用力與垂向的夾角；

δ為鋼軌接頭軌縫。

力的作用是相互的，因此鋼軌接頭受到車輪踏面的沖擊力與F大小相等，方向相反。經簡單分析，不難發現車輪踏面對鋼軌接頭的沖擊力隨著鋼軌接頭軌縫的增大而急劇增加。另外，鋼軌接頭受到的沖擊會隨著通過車輛的軸重和速度的增加而增大。

2 鋼軌低接頭的形成原因分析

1）搗固不良。由于接頭搗固不堅實，在動荷載作用下接頭沉陷造成夾板撓曲，列車輪對對接頭產生的沖擊力越來越大，周而復始輪端下垂，彈性減弱。隨之而來的是接頭處道床坍塌，枕底基礎被破壞，低接頭形成并越來越嚴重。起道打塞時圖快只打一個枕頭的塞，造成接頭兩根軌枕軟硬不均，使兩根鋼軌軌端受力不均，加大了車輪對接頭的沖擊。起道搗固接頭帶小腰，由于接頭和小腰搗固的力度，鎬數掌握的不好致使小腰高接頭低造成軌道不平順，使車輛對接頭的沖擊力加大。由于維修養護不當接頭處形成空吊板也會造成接頭病害。

2）大軌縫。由于軌縫設置的不合理，配件及防爬設備失效造成的大軌縫未及時整治，鋼軌接頭受到較大的振動和沖擊造成接頭下沉軌端彎曲變形。

3）對接頭養護不及時。對線路水平高低軌向只有在維修時全面整修，平時只消滅失格處所，設備檢查時側重軌距水平忽視軌向高低，不注重日常的全面養護，特別是相對式接頭4～6mm的接頭高低很容易在列車長時間的碾壓沖擊下形成低接頭。

4）木枕地段因改道墊板手工搗固作業方法不當使軌枕過早地失去承載能力而又不及時更換軌枕或接頭兩根軌枕不同時更換造成一軟一硬，接頭順墊板超過規定數量，墊板串出，鋼軌變形造成接頭病害。

5）鋼軌剝落掉塊及馬鞍型磨耗，嚴重擦傷和上下錯牙等病害加劇車輪對接頭的沖擊振動造成鋼軌變形。

6）道床厚度不足不清潔降低了軌道彈性，使鋼軌接頭受力加大，以及因路基土壤排水不良等原因造成路基下沉都會導致接頭病害。

3 鋼軌低接頭的危害分析

1）鋼軌低接頭容易發生三折事故，鋼軌夾板的傷損與制造工藝和材質有關外，還與線路養護維修質量及線路幾何狀態也有很大關系，鋼軌低接頭因受強烈的沖擊振動易使鋼軌夾板加速疲勞，強度弱而傷損，折斷對行車安全有很大的危脅。

2）低接頭構成三角坑加劇列車振動搖晃，在列車偏載或超速運行的情況下容易造成脫軌顛覆事故。

3）低接頭使機車車輛受到強烈的振動，使機車車輛部件受到損害。

4）加速線路爬行，由于低接頭加大了車輪對軌道的沖擊力從而加速線路爬行。

5）增加了線路養護工作量，低接頭的存在加劇了軌距擴大，配件損壞，木枕機械磨損，混凝土枕失效，高低變化等。

6）對路基道床的危害，由于低接頭受到強烈的振動沖擊，起道搗固容易形成枕下道碴鍋而積水甚至翻漿冒泥，造成道床板結。

7）加速鋼軌磨耗和肥邊的形成。

4 鋼軌低接頭的預防措施

1）根據不同季節鋼軌伸縮的情況放散接頭應力或加強扭力，出現大軌縫和瞎縫時進行調整并加強鎖定，防止大軌縫和瞎縫長時間存在。

2）檢查設備時線路高低（特別是接頭高低）水平方向（特別是接頭支嘴）應檢查全面及時安排整修，對于不超過經常保養標準的接頭高低水平也要安排經常保養，春融亂道季節及時檢查整修。

3）對剝落掉塊，壓潰和嚴重擦傷的鋼軌要更換或焊補，對上下錯牙的接頭要及時進行調整，如因垂直磨耗不能調整的要更換。

4）加強作業質量消滅空吊板，起接頭打塞打兩塊板，接頭更換軌枕要同時更換兩根搗固要堅實。

5）加強路基養護保持排水暢通及時清篩不潔道床。

5 鋼軌低接頭的整治步驟

1）調查。不僅要調查低接頭的位置、數量、形成原因，測量低接頭深度，查明形成的原因，據此判定整治對策和編制工時用料計劃。

2）根據形成的原因采取不同的對策。調查軌縫鎖定線路，疏通排水，整修路基，更換傷損鋼軌，抽換軌枕，清篩不潔道床，補充道碴使道床飽滿。

3）搗墊結合適當抬高接頭。可以結合維修和經常保養進行，搗固的預留下沉量一般應和接頭凹陷深度相等，但最多以不超過15mm為宜，經現場實際測驗第一次列車通過后下沉幅度為預留下沉量的一半，第二次列車通過后為剩余量的1/3，之后下沉幅度就更小了，所以每周搗（墊）一次是比較適宜的，搗固范圍一定要在凹陷以內，一般不搗小腰，防止小腰弓起，下沉量較小或冬季應用膠墊整治，用膠墊整治能改善軌道彈性，不需要預留下沉量，以高于鋼軌水平線2mm～3mm為宜，不可為了一次性達到目的而把接頭抬的過高，防止夾板鋼軌因應力劇變折損。

4）上緊接頭螺栓。減少鋼軌夾板機械磨損，提高接頭的整體性。

5）對接頭范圍的不潔道床及時進行清篩，保持排水暢通。

6）保持接頭道碴飽滿并夯實。

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