普速鐵路鋼軌無損聯結裝置設計研究

徐玉坡 李燁峰 魏剛 孫陶陶 張利中 王敏 蔣金洲

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.中國鐵路太原局集團有限公司，太原 030013

隨著我國鐵路運輸業的快速發展，鐵路干線全面提速，鐵路的日常維護對行車安全起著至關重要的作用［1］。行車密度增大，行車間距縮短，導致可用于線路養護維修的時間減少。目前，在非常有限的天窗點內，養護維修單位無法完成更換鋼軌、道岔的全部工作，從而導致存在兩方面的問題：①鋼軌焊接作業時間不足，沒有達到120 min 的標準焊接時間，致使通車時部分鋁熱焊縫鋼軌軌溫未下降至300 ℃以下；②當現場焊接作業無法完成時，在鋼軌兩端鉆孔，用接頭夾板聯結的方法作為臨時過渡以放行列車，鉆孔對鋼軌本身造成了二次傷害［2］。

基于這一現狀，本文研究一種安全可靠、安裝拆卸便捷、適用線路范圍廣的鋼軌無損聯結裝置，以滿足在天窗點內完成更換鋼軌、道岔作業的需求，為列車安全通行提供保障。

1 鋼軌無損聯結裝置設計

鋼軌無損聯結裝置主要由夾板（夾板一和夾板二，分別位于鋼軌兩側）和夾具構成。利用夾具將夾板固定在鋼軌軌縫處，完成對鋼軌的加固，取代普通夾板（魚尾板），避免了在鋼軌上鉆孔［3］。鋼軌無損聯結裝置的抗彎性能和縱向摩阻力與普通魚尾板相當，甚至優于普通魚尾板。

1.1 夾板

為了保證夾板的強度要求，選擇42CrMo 合金材料，其屈服強度不小于930 MPa。夾板的設計原則是在不影響扣件安裝的情況下，使其豎向剛度盡量大，從而有效地減小車輪沖擊力，延長接頭區鋼軌使用壽命［4］。考慮行車安全和扣件系統的安裝要求，夾板的高度和厚度并不能無限增大［5-6］。本文對鋼軌無損聯結裝置夾板抗彎剛度的設計要求是不低于魚尾板。

根據鐵路軌枕和扣件的布置情況來確定長夾板的長度，如圖1 所示。軌枕間距L2=（600±20）mm。60 kg/m鋼軌魚尾板的標準長度為820 mm［7］，軌縫在兩軌枕中間時，夾具無法夾緊夾板兩端，所以820 mm 的長度不能滿足現場安裝要求。根據軌枕間距和軌縫位置，確定長夾板長度L1=1 000 mm。

圖1 長夾板長度的確定

夾板的截面尺寸決定了其抗彎性能和安裝便攜性。夾板外側面設有錐形凹槽，防止夾板和夾具相對滑動。鋼軌軌頭下顎和軌底上表面與夾板接觸，對接觸部分進行粗糙度處理（圖2），增大夾板與鋼軌的摩擦，使緊固后產生較大的摩阻力。經計算，鋼軌無損聯結裝置夾板的抗彎性能比普通魚尾板增加了1.8%，滿足設計要求。

圖2 夾板接觸面粗糙處理

1.2 夾具

夾具提供垂直于軌腰的壓力，用于緊固夾板。夾具主要包含聯結底板、壓緊塊、螺栓、螺母、平墊圈和彈簧墊圈，如圖3 所示。聯結底板兩端各設置一個壓緊塊，壓緊塊上安裝螺栓、螺母、平墊圈和彈簧墊圈。

圖3 夾具構造

1.3 組裝

將夾板放置于鋼軌軌腰處，使夾板上下斜面分別與鋼軌上下顎貼合（圖4）。安裝夾具前，螺母處于松弛狀態，不影響螺栓的緊固。先將一個壓緊塊固定在聯結底板一端，接著將聯結底板置于鋼軌底部，然后安裝另一個壓緊塊，調整夾具位置使螺栓對準錐形凹槽，擰緊螺栓達到規定的扭矩，最后擰緊螺母。

圖4 聯結裝置組裝

2 仿真分析

列車通過鋼軌接頭時，鋼軌接頭的抗彎剛度越大，接頭處鋼軌的撓度越小。對鋼軌撓度和夾板應力分布進行仿真分析。

建立三維仿真模型，鋼軌和夾板均為實尺模型。由于夾具螺栓擰緊后，荷載對夾具的影響很小，故對仿真模型進行簡化，由垂直于鋼軌軌腰的力代替夾具產生的鎖緊力［8-9］，如圖5所示。

圖5 三維仿真模型

根據鋼軌凍結接頭靜載試驗的相關標準建立模型，支座間距為1.0 m，鋼軌長度為1.2 m，軌縫位于2個支座的中間位置。夾具螺栓擰緊扭矩800 N·m，計算得到預緊力為190 kN［10］。夾板與鋼軌之間的接觸設置為摩擦接觸，摩擦因數取0.2。

在鋼軌接頭處施加200 kN 垂向荷載進行仿真計算。結果表明，夾板下表面最大縱向應力出現在軌縫處，夾板中部垂向位移最大。在鋼軌軌縫為0、6、12、18 mm 四種工況下，夾板的最大縱向應力和中部垂向位移見表1?？芍涸?00 kN垂向荷載下，夾板下表面中部最大應力為284 MPa，42CrMo 合金鋼的屈服強度不低于930 MPa，滿足設計要求；隨著軌縫寬度的增加，夾板拉應力幾乎不變，變形小幅增加，中部垂向位移最大為1.34 mm。

表1 夾板縱向應力和垂向位移

3 室內試驗

為進一步驗證接頭的抗彎性能和強度，試制了鋼軌無損聯結裝置，進行鋼軌無損聯結裝置和魚尾板的對比試驗。

3.1 試驗方案

參照TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接第1 部分：通用技術條件》，進行鋼軌無損聯結裝置和魚尾板整體剪切試驗、靜載試驗和疲勞試驗，試驗項目見表2。

表2 試驗項目

魚尾板鋼軌接頭和鋼軌無損聯結裝置鋼軌接頭靜載試驗的試件均由2 根0.6 m 長的60 kg/m 鋼軌和夾板組裝而成。

試驗設備主要包括數顯式液壓脈動試驗機、微機控制電液伺服壓力試驗機、位移傳感器和電阻應變片。數顯式液壓脈動試驗機和微機控制電液伺服壓力試驗機用于對試件施加荷載，位移傳感器用于測量鋼軌和夾板的垂向位移，電阻應變片用于測量夾板的應力。

將軌縫設置為10 mm，進行鋼軌無損聯結裝置和魚尾板鋼軌接頭的整體剪切試驗。由4組夾具對夾板進行緊固，螺栓擰緊扭矩為800 N·m。魚尾板在螺栓扭矩700 N·m（最高、最低軌溫差大于85 ℃）、500 N·m（最高、最低軌溫差小于等于85 ℃）兩種工況下進行整體剪切試驗。

在軌縫為0、6、12、18 mm 四種工況下，進行鋼軌無損聯結裝置和魚尾板的靜彎試驗（圖6），試驗過程中實時測量夾板底面的應力以及鋼軌和夾板的垂向位移。鋼軌無損聯結裝置鋼軌接頭的靜載試驗如圖6所示。

圖6 鋼軌接頭室內靜載試驗

將軌縫設置為8 mm，進行鋼軌無損聯結裝置的疲勞試驗。在軌縫上方加載，支座間距為1 m，最大荷載Fmax=200 kN，最小荷載Fmin=0.2Fmax=40 kN。試驗加載頻率為4～5 Hz，正弦波加載，疲勞次數200萬次，每50萬次進行夾板外觀檢查。

3.2 試驗結果及分析

整體剪切試驗得到的夾板摩阻力見表3。可知：鋼軌無損聯結裝置在螺栓擰緊扭矩為800 N·m時的摩阻力為839 kN，魚尾板螺栓擰緊扭矩700、500 N·m 對應的摩阻力分別為638、439 kN。鋼軌無損聯結裝置的摩阻力比魚尾板摩阻力大，在不打孔的情況下，鋼軌無損聯結裝置滿足現場對夾板摩阻力的要求。

表3 夾板摩阻力

靜彎試驗得到的夾板撓度和應力見表4?？芍孩傧嗤奢d下，鋼軌無損聯結裝置和魚尾板夾板的應力相差不大；無論是鋼軌無損聯結裝置還是魚尾板，軌縫為0時夾板應力明顯小于其他軌縫，軌縫為6、12、18 mm時的應力基本相同，這說明軌縫大于6 mm時軌縫的增大對夾板應力的影響很小。②軌縫為0、6 mm時，相同荷載下鋼軌無損聯結裝置的夾板撓度均大于等于魚尾板；軌縫為12、18 mm 時，相同荷載下鋼軌無損聯結裝置的夾板撓度大多小于魚尾板。夾板撓度與軌縫無正比關系。

表4 夾板撓度和應力

200 萬疲勞試驗后，夾板未見裂紋或損壞。疲勞試驗中夾板應力見表5。可知，疲勞試驗過程中，夾板最大應力為253 MPa，出現在50 萬次時。隨著疲勞次數增加，夾板應力并未增大。

表5 疲勞試驗過程中夾板應力

4 結語

本文結合現場應用需求和仿真分析，對鋼軌無損聯結裝置進行了設計和試制。室內試驗表明，鋼軌無損聯結裝置摩阻力為839 kN，滿足現場應用要求。鋼軌無損聯結裝置和魚尾板在相同荷載下夾板的應力基本相同，鋼軌軌縫的大小對夾板的最大應力影響很小。疲勞試驗過程中，夾板最大應力為253 MPa，隨著疲勞次數的增加，夾板最大應力并未增大。