傷損鋼軌無損加固技術及裝備研究

張建強 同濟大學（上海鐵路局科研所）

鋼軌是軌道交通運輸系統的重要組成部件，是直接承受機車車輛各種荷載的部分。運營線上如果出現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展，成為世界各國交通運輸業的主力軍，我國業已成為世界上高速鐵路運營里程最長的國家。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部產生極大的溫度力。尤其在低溫時鋼軌承受巨大拉力，此時在鋼軌存在各種傷損缺陷的部位，特別是鋼軌內部有核傷的時候，很容易發生裂紋甚至折斷，高速鐵路同樣無法完全避免斷軌的發生。因此開展在線傷損鋼軌加固技術及裝備研究對保障列車行車安全具有重要的現實意義。

1 目前國內傷損鋼軌加固急救裝置現狀

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：傳統型急救器和鉗式無損夾具型急救器。傳統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生。其特點是結構簡單、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。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，得到對夾板的夾緊力，如圖1 所示。與傳統急救器型加固急救裝置相比夾緊力有很大的提高，并設有螺栓防松裝置。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方案

2.1 主要功能分析

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

(1)預防斷軌：當發生鋼軌傷損時，安裝傷損鋼軌加固急救裝置預防鋼軌斷裂，保障列車按規定的限速或常速繼續運行，保障行車安全。

(2)斷軌應急處置：當線路突發斷軌時，可快速應急加固，同時恢復正常的線路信號，使列車按規定的限速繼續運行，待天窗點進行永久處理。

(3)多適應性：一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；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；四是能適用于有砟和無砟軌道，尤其要能適應無砟軌道不同型號軌道板使用。

2.2 傷損鋼軌無損加固技術方案

根據傷損鋼軌加固急救裝置的功能要求、工作載荷和現場的安裝條件，確定如下技術方案：采用雙面搭板膠接接頭的結構形式，利用雙夾具緊固形式膠接加固，無損夾具采用弓形結構。該技術方案具有以下優點：傷損鋼軌加固后可以常速開通線路，不影響運輸組織；對傷損鋼軌進行加固時，不改變原有軌道檢測電路，如在處理加固長度范圍內發生斷軌，軌道電路顯示紅光帶，確保列車運行的安全；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計

通過對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，尤其對各型無砟軌道不同型號軌道板的現場調查分析，確定相應加固措施。開展了適應快速加固的絕緣夾板、夾具的研究，包括斷面尺寸、長度及強度的檢算，夾具緊固機構研究及緊固力計算和測試，夾板與夾具的配合分析等；對無損加固急救裝置進行了絕緣設計，包括絕緣方案、絕緣材料和方式、絕緣層的強度，絕緣性能的測試等。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）是考核裝置整體結構強度的主要指標，必須進行加固急救裝置性能試驗。

3.1 整體結構

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構強度的指標之一，當進行斷軌加固或傷損鋼軌加固后斷裂時，加固急救裝置與鋼軌形成了典型的軌道接頭結構形式。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生夾板膠接的抗剪力。

膠接剪切力的計算依據：

夾板與鋼軌膠接后，在不產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度和膠合面積有關。在膠合強度一定時，剪切力與膠合面積成正比。

QH=τ·S式中：QH--膠接剪切力；

τ--膠粘劑膠合剪切強度；

S--膠合面積。

3.2 夾板結構設計

加固急救裝置選擇目前常用的雙面搭板接頭結構形式，其中夾板是此結構的重要部件之一。在進行夾板的研究、設計是需考慮受力形式、抗彎強度、夾板長度、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，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。根據其受力的特點和需要，確定了能滿足膠接要求的楔形夾板的結構，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構所要求的摩擦阻力；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，最大可能地得到膠接面，大大地提高夾板膠接的抗剪強度。

3.2.2 抗彎強度

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。該夾板為可適用鋁熱焊（大焊筋）接頭加固的內凹外平夾板結構形式。內凹適用于鋁熱焊（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。

3.3 膠接方法研究和膠接劑選擇

3.3.1 膠接劑選擇

根據傷損鋼軌無損加固的特點，研制了改性環氧樹脂膠粘劑。該膠粘劑具有粘接力大、機械物理性能好、固化時收縮率小、尺寸穩定、隔熱、絕緣和耐受各種介質的侵濁的特點。

通過在環氧樹脂中添加耐熱性工程塑料來提高膠粘性能，在環氧膠粘劑中加入無堿玻璃纖維布提高膠接強度。其力學性能好，水解度低，是一種良好的增強材料，對膠粘物理機械性能影響很大。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構的受力形式可知，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。當進行膠接時這一間隙由膠粘劑來填充。

間隙的寬度即膠層厚度對于膠接質量的影響起著重要的作用，它不僅關系到膠接的強度的高低，而且影響接頭的絕緣的可靠度。在一般情況下，膠接強度隨著膠層的厚度的減少而提高，膠層愈薄，強度愈高。因此為保證膠接強度，間隙寬度即膠層厚度的控制設計成為結構設計的關鍵。膠接方法采用由工廠膠接加現場膠接共同實現：先在工廠按照加熱固化膠接工藝生產絕緣膠板，再到施工現場利用膠粘劑進行常溫固化膠接。

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，在夾具底板處產生的力矩。

3.4.2 結構設計

夾具設計時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，同時為適應無砟軌道不同軌道板的結構尺寸，必須盡可能減小夾具在軌底的結構尺寸，還要有可靠的防松措施，防止夾緊力失效。經反復推敲和實驗，設計了形鉸接式增力組合夾具(見圖2)。

圖2 夾具設計效果圖

3.4.3 設計原理

弓形鉸接式增力組合夾具工作原理為：通過施力機構，利用底板的彈性變形反力作為夾緊力。為實現夾緊力的最大化，充分利用材料的力學性能指標，利用鉸接機構實現增力。鉸接式增力機構根據力的分解原理，利用力在大角度方向對稱的兩個分力倍增的特點，大大提高了夾緊力。表1 是計算所得的兩種不同夾緊機構操作施力與夾緊力的對比。

3.4.5 關鍵結構設計校核

底板的彈性變形產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計提高其抗彎截面系數。為了盡可能減小其體積（重量），選用了高強度的調質鋼42CrMo，經熱處理，該材料的屈服強度σs 可達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，當其承受工作載荷時，其最大傾角為1.83°擾度為2.4 mm(見圖4)。

圖4 力-形變圖

4 室內整體剪切試驗

為驗證總體結構理論計算與現場使用條件的吻合度，參照膠接絕緣接頭的整體剪切試驗方法(如圖5 所示)，在同濟大學軌道結構實驗室的5000 kN 液壓壓力機上對不同形式的試樣進行整體剪切試驗，試驗結果見表2。

圖5 整體剪切力試驗

表2 整體剪切試驗數據匯總

從實驗數據可以得出：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到設計要求，但整體剪切力受不同安裝條件（摩擦系數）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 結束語

采用雙夾具緊固雙面搭板膠接技術的在線傷損鋼軌加固急救裝置，為現場在線處理傷損鋼軌提供了有效手段，特別對使用Ⅱ型軌道板的無砟軌道具有很強的實用性。經過實驗室檢測和現場試用，能滿足線路鋼軌傷損加固處理的需要。