现场胶接绝缘急救装置夹板设计

倪海曦 上海铁路局科研所

随着既有线提速200 km/h和客运专线、高速铁路的开通，列车高速运行对轨道结构安全性、特别是对列车运行直接构成威胁钢轨伤损的处理能力及处理后的可靠性提出了更高的要求，从而引起工务线路养修人员的重视和关注。目前在我国既有铁路的钢轨伤损急救器、鼓包夹板等器具对发生伤损部位起到了一定的加强作用，但是对各类、各种轨道位置的钢轨伤损（焊接接头、钢轨母材及轨枕处、枕木孔中间等位置）采用器具的通用性和处理方法的简易程度方面不理想，以及存在当处理加固部位钢轨发生断轨时，改变轨道电路导向安全显示方式的弊端。

目前在我国铁路所使用的伤损钢轨加固急救装置主要有三种类型：传统急救器型、下锁紧式无损夹具型、新开发型。其中，传统急救型加固装置虽然其结构简单、操作方便，但夹紧力小，并且不易保持，在列车动荷载作用下螺栓扭力矩衰减快，因此只能用于120 km/h以下线路伤损钢轨临时加固处理。钳式无损夹具型加固急救装置通过施加穿过轨底螺栓的扭力矩，得到对夹板的夹紧力。这种急救加固装置整体结构强度大，与传统的相比夹紧力已有很大的提高，但是由于夹紧螺栓在轨底，对夹板的夹紧力得不到最大的发挥。随着客运专线和高速铁路的建设和运营，也出现了一些带有绝缘或胶接绝缘的设计思想的新开发的加固急救装置。但夹具仍为钳式结构，存在结构较大，安装操作复杂等弊端。

1 无缝线路

铁道线路有三大薄弱环节：钢轨接头、曲线、道岔。其中影响面最大的是钢轨接头。由于钢轨具有热胀冷缩的特性，所以钢轨接头必须留有一定的缝隙，叫"轨缝"。这样一来，列车在通过接头是就会发生冲击和振动，不但影响了行车的平稳性，还会加剧钢轨等轨道构建的机车车辆的磨耗与伤损。为了解决这个问题，就要想方设法最大限度地消除钢轨接头，于是产生了无缝线路技术。

无缝线路是把普通25 m钢轨一根接一根地焊在一起构成的铁路。铺设无缝线路，要先将25 m标准轨在工厂内用接触焊方法焊成250 m或500 m的常规条，再用运轨车运到现场，然后用铝热焊或小型气压焊将之连接为1 km或更长的轨条。每根轨条两端铺设2～4根25 m短轨，作为调节轨条伸缩变化的"缓冲"。因此无缝线路又称为焊接长钢轨线路。当然，无缝线路并不是一个轨缝都没有。所谓"无缝"是指在一定的区间内没有钢轨接头，并不是无限延伸的。无缝线路焊接的长度有的几百米，有的几千米。随着科学技术的不断发展，无缝线路的长度也在一步步提高。出现了超长无缝线路或跨区间无缝线路。

其中在现场焊接钢轨用铝热焊或小型气压焊。现场焊接后的钢轨呈现图1的状况：在钢轨轨腰和轨底的部分凸出来一部分。夹板的为了信号的传输和绝缘的考虑，对其结构设计也有影响。

图1 铝热焊钢轨

当无缝线路出现紧急情况，如伤损或断轨，由于天窗时间短，急救装置可以应急使用。当发生钢轨伤损时，可根据现场情况可选用夹具快速加固、夹板上螺栓加固和胶接加固三种方式加固，使列车按规定的限速或常速继续运行；并且如在处理加固长度范围内发生断轨，轨道电路显示红光带，列车可在前方停车，确保列车运行的安全。当发生断轨时，可快速加固，同时恢复正常的线路信号，使列车按规定的限速继续运行。

2 夹板设计

2.1 夹板结构设计

夹板研究设计时主要考虑受力形式、抗弯强度、绝缘实现、夹板长度、胶接方法等。夹板可采用夹具快速加固、螺栓加固和胶接加固三种方式加固，研制过程中充分考虑、权衡了夹具、螺栓加固受力与胶接加固受力的特点和需要，确定了能满足胶接要求的楔形绝缘夹板的结构形式。

同时该夹板采用可适用焊接接头（包括铝热焊）加固的内凹外平夹板结构形式。内凹适用于焊接接头的加固，外平能提供夹具安装时的足够空间位置。内凹产生的变截面采用足够的弧线顺接，不易出现应力集中（设计三维图见图2）。

图2 夹板设计三维图

该夹板在结构上有以下特点：夹板首先在进行伤损钢轨处理时能起到绝缘的作用，同时当采用夹具、螺栓加固时，通过夹具、螺栓所给的夹紧力，在钢轨下颚和轨底斜坡上获得作用点和方向明确的正压力，并能保证这一正压力随着夹具、螺栓所给的夹紧力的增大而增大，从而在受力面上得到结构所要求的静摩擦力；而当采用胶接加固时，在钢轨下颚、轨底斜坡和轨腰都与夹板胶合即全断面胶接，最大可能地增大胶接面，可有效提高夹板胶接的抗剪强度。

2.2 夹板受力分析及关键尺寸确定

2.2.1 夹板受力分析

企业的盈利能力可以用总资产净利率、净资产收益率等指标来分析。企业的盈利能力越强，表明企业的获利能力越强，同时企业的财务竞争力也会增加，具体分析如下所示：

急救装置安装在线路上时，夹板所承受的工作载荷有：传递螺栓或夹具的夹紧力，与钢轨之间产生静摩擦力或胶接整体剪切力；承受钢轨弯曲产生的弯矩。

2.2.2 抗弯强度的计算与对比分析

夹板的抗弯强度是加固急救装置的重要的强度指标之一。它与夹板的断面尺寸有关，断面尺寸的设计决定了夹板构件的断面面积、水平惯性矩和垂直惯性矩。要提高夹板的抗弯强度必须尽可能提高其抗弯截面系数W，而抗弯截面系数与惯性矩成正比，所以夹板设计应该通过采用合理的截面形状以提高W数值，充分发挥材料的性能，即以最小的断面面积得到最大的惯性矩，特别是水平惯性矩。

该夹板采用内凹外平夹板结构，使该断面面积减小、惯性矩降低。但分析认为这一断面的惯性矩只要设计达到或接近50 kg/m钢轨普通夹板的抗弯强度水平就是合理的。

2.2.3 夹板长度确定

夹板长度主要考虑三个因素：首先是要有满足胶接强度要求的足够的胶接面积，再则是采用夹具加固时，留有足够的、合理的夹具安装位置，其次是急救安装施工时便于运输、携带。

根据设计要求，胶接时整体剪切力不小于3000 kN（螺栓紧固）和2000 kN（夹具紧固）。由于钢轨和夹板接触面在高度方向长度几乎是一定值，因此胶接强度在一定有效长度范围内，与胶接面积成正比，即与夹板长度成正比。计算按下式：

QH=τ·S×2

式中：QH--胶接整体剪切力；

τ--胶粘剂胶合剪切强度；

S--每块夹板的胶合面积。

国内外胶接绝缘接头成熟产品夹板长度一般取820 mm～900 mm。

同时，为了做到在钢轨长度范围任何位置发生伤损或断轨时，都能采用夹具迅速、方便进行安装，夹板长度与轨枕宽度、夹具尺寸和钢轨伤损位置有关。

L≥W1+n·bj

式中：L--夹板长度；

W1--轨枕宽度；

bj--夹具宽度；

n--安装的夹具数量；一般夹具2、4个。

当W1为250 mm，bj为120 mm时，L≥W1+n·bj=250+4×120=730 mm 2.2.4夹板效果图

通过计算和试验，最终夹板与钢轨形成最佳配合。配合效果图见3，局部放大土见图4。

图3 夹板与钢轨的配合效果图

图4 局部放大图

3结束语

研制的内凹外平、薄弱处加筋补强、强度合理符合多适用性要求的现场胶接绝缘急救绝缘夹板具有以下优点：一是安装功能的多适用性，即能夹具安装、螺栓安装和胶接安装；二是钢轨伤损对象的多适用性，能处理焊接接头伤损和多类型钢轨母材伤损；三是对伤损、断轨发生位置的多适用性，当钢轨在长度方向任何位置发生伤损或断轨，能不受轨枕、扣件等轨道部件的影响，正常、快速地进行急救加固。