低温环境下既有线路钢轨胶粘冻结接头施工技术研究

何 震

(中铁六局集团天津铁路建设有限公司，天津 300232)

由于目前铁路运输需求的不断增加，全面提速和轨道结构现代化是铁路发展不可逆转的趋势，因此，对铁路钢轨的要求也会越来越高.既有普通线路面临列车不断提速以及不断增加的货物运输总量的现实，从而使轨道改进及维修养护作业量呈数量级的增长[1].在此背景下，既有铁路大规模升级改造为跨区间无缝线路已迫在眉睫.无缝线路轨道对减少列车冲击，增大行车平稳性十分有利，但在小半径曲线上由于钢轨侧磨等损伤病害严重，需频繁更换钢轨，给养护维修带来极大不便.

钢轨胶粘冻结接头在克服了无缝钢轨上述缺点的同时，能够保证铁轨的整体性能，确保了列车运行中的平稳性和安全性，充分满足了铁路的运行要求，其必将成为铁路运输工程中大量使用的结构构件.钢轨胶粘冻结接头的黏结剂适宜的固结温度为 18～25℃[2]，因此在低温环境下进行钢轨胶粘冻结接头施工时，如果不采取任何措施必将会影响胶黏剂的黏接强度，从而影响钢轨胶粘冻结接头的工作性能，严重者甚至会影响到列车的安全行驶.因此在低温环境下进行钢轨胶粘冻结接头的施工时必须要采取相应的措施以保证胶黏剂的胶结强度.

1 钢轨胶粘冻结接头的基本结构和技术指标

1.1 钢轨胶粘冻结接头的基本结构

钢轨胶粘冻结接头是指采用鱼尾板与高强螺栓联结钢轨，使轨端密贴或预留小轨缝，将钢轨锁定的一种接头形式.钢轨胶粘冻结接头的机械性能较好，不仅接头强度各项指标符合要求，而且施工方法简便，节省投资.

钢轨胶粘冻结接头由鱼尾板、套管、高强度螺栓(Φ 27，10.9S)、10H级施必牢防松螺母及高强度平垫圈组成.在现场安装接头时，需在鱼尾板与钢轨腹部之间涂抹高强度胶黏剂.钢轨胶粘冻结接头结构如图1所示.

图1 钢轨胶粘冻结接头结构示意图

鱼尾板由加强型鱼尾板经加温固化而成，需由专业工厂生产.接头轨缝为 6～8 mm.钢轨胶粘冻结接头的实际外观如图2所示.

图2 钢轨胶粘冻结接头实际外观图

1.2 钢轨胶粘冻结接头的技术指标

钢轨胶粘冻结接头整体剪切试验时，鱼尾板与钢轨组装并胶接后，经轴向加载2500 kN，粘接面未破坏.在 200万次疲劳试验过程中，跨中截面的最大位移≯1.8 mm.钢轨胶粘冻结接头的轨道电路具有良好的导电性能，克服了使用常温固化胶黏剂生产的钢轨接头无法满足导电要求的缺陷，用500 V兆欧表测得干燥状态电阻≤0.1 Ω.钢轨胶粘冻结接头在施工现场使用快速固化胶黏剂，在环境温度18～25 ℃、相对湿度＜60%的情况下，约30 min胶黏剂达到固化.

2 钢轨胶粘冻结接头的结构特点

(1) 鱼尾板刚度大[3].钢轨胶粘冻结接头中所用鱼尾板采用B7钢制作，在设计时加大了断面尺寸，其厚度为 50 mm，因此称作加强型鱼尾板.与普通鱼尾板相比，此种鱼尾板的刚度提高了，重量增加了46%.与进口同类产品相比，此鱼尾板的厚度增加了20%～30%，强化了钢轨接头结构.

(2) 螺栓强度高.在钢轨胶粘冻结接头设计中，采用了10.9级、直径27 mm高强度螺栓和10H级施必牢防松螺母，拧紧扭矩为1400 N·m.此种接头联结结构，不仅提高了胶接鱼尾板与钢轨的摩擦力，而且可以有效防止因螺母扭矩的衰减而导致接头整体结构强度的降低.进口同类产品的联结螺栓一般为直径 24 mm，拧紧扭矩为 900～1000 N·m，其接头结构强度较低.

(3) 胶接效果好.胶粘冻结接头鱼尾板的内侧有一层2 mm厚的钢板，在安装后可以增大鱼尾板与钢轨的摩阻力，从而实现有效冻结[4].另外在胶粘冻结接头鱼尾板与钢轨腹部之间涂抹高强度快速固化胶黏剂进行现场胶接，从而进一步提高了接头结构的整体强度.

(4) 安装、维护简便.钢轨胶粘冻结接头与整体焊接钢轨接头相比施工更为简便： ①钢轨胶粘冻结接头适用于任何部位的钢轨接头， 解决了钢轨在岔区不便于焊接的问题；②当胶粘冻结接头发生伤损时，可以随时更换.

3 低温环境下既有铁路线钢轨胶粘冻结接头施工工艺

3.1 施工工艺简介

钢轨胶粘冻结接头在高寒地区施工时，通过一种新型保温措施保证现场施工温度(18～25 ℃)，该项工艺可以保证钢轨胶粘冻结接头在高寒地区正常使用.

普通有缝道岔经该项工艺施工处理后可以使既有线路达到无缝化道岔的线路标准，满足了列车的平顺性和安全性要求，同时最大限度减少了铁路工务系统各业务段的维修养护作业量，在充分利用既有轨道设备的条件下，为既有普通区间无缝线路大规模升级改造为跨区间无缝线路提供了强有力的技术支持.

3.2 施工工艺过程

为了使胶黏剂达到理想的胶结强度，必须让胶黏剂在适宜的温度(18～25 ℃)下硬化，为此，在低温环境下进行钢轨胶粘冻结接头施工时必须采取一定的保温措施.采用暖棚法对接头施工处的温度进行控制，可使接头处的施工温度保持在18～25 ℃之间[5].具体的施工步骤为：

(1) 暖棚施工，使接头处的温度保持在适宜温度范围之间；

(2) 对钢轨和鱼尾板进行预处理，以便于进行胶粘施工；

(3) 粘结鱼尾板和钢轨，并使其在暖棚中固结.

3.3 施工注意事项

3.3.1 暖棚施工

(1) 要合理选择暖棚的尺寸，以便在所用燃料较少的情况下可以保证暖棚内的施工温度.

(2) 暖棚的骨架采用钢管搭设，严格按脚手架搭设规定进行搭设以确保安全.

(3) 为保证接头处的施工温度，必须保证暖棚的密闭性，然后根据热工计算，确定安装保暖炉子的数量.同时为保证暖棚内的温度均匀，尤其是施工处的温度均匀，需配置电风扇，在炉子点起后立即开始工作，以增加暖棚内的空气流通，提高热循环.

3.3.2 钢轨和鱼尾板的预处理

(1) 对螺栓进行防锈处理，使用油刷、防锈漆材料将螺杆涂刷防锈，晾干待用.

(2) 打磨钢轨和鱼尾板，钢轨粘接面和鱼尾板粘接面必须保持干净.

(3) 用专用模具将玻璃纤维布涂胶并分层粘贴在鱼尾板上.

(4) 待玻璃纤维布涂胶固化后脱模.

3.3.3 粘接钢轨和鱼尾板的施工

(1) 螺栓的拧紧力矩必须达到1400 N·m，复紧的拧紧力矩也必须达到 1400 N·m，胶黏剂固化时间不能少于规定的时间.

(2) 组装钢轨冻结接头要求使用高强度螺栓紧固，螺栓上不得加套绝缘套管和端板，将钢轨接头顶严，使用轨缝调整器将轨缝调整为零.

(3) 使用死口板手、扭力板手等工具，利用温度的升高，挤严轨缝，必要时可适当震轨，使轨缝达到施工要求.

(4) 将带胶层的鱼尾板与钢轨粘结时要保证环境和材料干燥.若遇雨天或空气湿度特别大，鱼尾板粘接面受潮时不得粘接.

(5) 要保证接头导电性能.由于使用的双组分常温固化胶黏剂本身是绝缘材料，而钢轨冻结接头又要求导电，因此生产钢轨胶粘冻结接头时应采用如下辅助导电措施，保证对轨道电路不产生负面影响：①使用含铜导电胶.这种胶的组成为 3组分，即经脱氧处理的铜粉、稀释剂及固化剂.将搅拌均匀的导电胶涂在轨缝的前后2 cm范围，且轨腰左右两侧均应涂抹；②可在完成鱼尾板与钢轨胶粘后，用角磨机或电磨头将鱼尾板两端钢轨轨腰和鱼尾板边缘溢出的胶打磨掉，再涂导电胶；③可用细如发丝、经脱氧处理的铜丝将2根相邻钢轨第一螺栓孔缠绕5圈，缠时应注意铜丝不能重叠.为确保冻结接头 2根钢轨的导电性能，还需在2根钢轨上分别打导电销，用导线连接.

3.4 暖棚的热工理论研究

为了在高寒地区能够保证达到胶粘冻结接头施工所要求的温度，用导热系数小的材料制作成符合要求的保温棚，在保温棚中生火炉，使保温棚内温度升高.同时被保温棚覆盖的钢轨接头处的温度也随之升高，直至达到规定温度，使得胶黏剂在其适合的温度环境下发挥作用，保证接头质量符合要求.在此过程中，不仅要保证钢轨胶粘冻结接头的施工温度，还要尽量减少燃料的用量以减少工程开支.这就需要对暖棚的耗热量进行计算，以此为依据来计算燃料的用量.

3.4.1 暖棚耗热计算

暖棚在单位时间内的耗热量按下列公式计算

式中：Q0——暖棚总耗热量，kJ；

Q1——通过围护结构散热量总和，kJ；

Q2——通风换气引起的热损失，kJ；

A——围护结构的总面积，m2；

K——围护结构传热系数，W/(m2·K)；

T2——棚内温度，℃；

T1——室外温度，℃；

V——暖棚体积，m3；

n——每小时换气次数，一般取2次；

Ca——空气的比热容，取1kJ/(kg·K)；

ρa——空气的表观密度(容重)，取1.37 kg/m3；

3.6——换算系数，1 W＝3.6 kJ/h.

3.4.2 加热燃料用量计算

暖棚内加热的燃料用量可按下式计算

式中：GP——燃料耗用量，kg/h；

Q0——暖棚总耗热量，kJ；

η——加热器效率；

R——燃料发热量.

以上燃煤量为充分燃烧，以每个炉子每小时燃煤量为2.5 kg计，在现场施工时，时刻观测棚内温度，当温度有所下降时，加大炉子的火势或增加炉子个数，以保证暖棚内温度在18～25 ℃之间.

4 低温环境下既有铁路线钢轨胶粘冻结接头的养护

由于列车速度的不断提高，对铁路平顺性的要求也越来越高，接头是铁路路线中的薄弱环节，接头处的施工质量直接影响铁路整体的使用性能，因此不仅要在施工过程中严格控制接头处的施工质量，在后期的运行过程中也要对其进行定期的养护，以保证接头的使用性能.钢轨胶粘冻结接头在使用过程中虽然具有良好的使用性能，但是其结构部件中有像螺栓和胶黏剂之类的活动部件，因此要对钢轨胶粘冻结接头进行定期的养护，以保障接头工作性能的可靠性[6].

(1) 定期拧紧钢轨胶粘冻结接头处的螺栓，使每根螺栓达到 1400 N·m的规定拧紧力矩，定期对失效的防爬设备和支撑进行修整或更换.

(2) 钢轨接头存在轨缝是接头损坏产生和发展的根本原因，要合理调整轨缝，定期检查轨缝的变化，使轨缝的大小控制在规定的范围内.控制轨温的变化，做好轨枕扣件及道床的养护，保证足够的线路横向纵向阻力.

(3) 加强接头捣固，这是预防低接头的关键，是保证线路稳固的基础，所以必须按作业标准进行捣固.

(4) 对无碴、少碴和污碴线路要及时进行清筛.

(5) 做好桥、涵的防洪和路基的排水，以防路基发生永久性变形.

(6) 定期检查胶黏剂的胶结强度，以保证鱼尾板与钢轨良好的整体性.

(7) 加强接头平顺状态的日常检查，发现问题及时处理.

(8) 接头两端的轨枕材质要一致，尤其更换枕木时应将接头处相邻两根枕木同时更换，保持支承条件一致.

(9) 保证鱼尾板与轨端下腭间密贴，接头处鱼尾板与钢轨下腭之间存在的空隙超过1 mm时，应及时垫以符合规定的铁片.

5 结 语

本文研究了在低温环境下钢轨胶粘冻结接头的施工工艺，这种施工工艺保证了胶粘冻结接头胶黏剂的胶结强度，从而增强了钢轨胶粘冻结接头的使用性能，进而改善了钢轨接头段的整体性能，满足了在较高速度下列车通过的各种要求.文章最后提出了钢轨胶粘冻结接头的养护措施.在钢轨胶粘冻结接头广泛应用的背景下，本文研究的施工工艺在低温高寒地区具有广泛推广的使用价值，有较好的发展前景.

［1］余泽西，刘凤恩，王善元. 钢轨胶接绝缘接头的研制与应用[J]. 铁道建筑，2004(4)：39-40.

［2］刘本泉. 钢轨胶粘冻结接头的质量控制[J]. 铁道建筑，2005，2(20)：72-72.

［3］陈希顺. 异形绝缘接头钢轨夹板的研制与应用[J]. 河北冶金，2007(6)：63-64.

［4］刘学毅，刘爱萍.“冻结”接头鱼尾板动弯应力准静态计算方法[J]. 西南交通大学学报，2001，36(4)：337-340.

［5］孙耀武. 高寒地区铺设的胶结绝缘接头[J]. 铁道建筑，1993(9)：25-27.

［6］贺原义. 无缝道岔接头冻结的实践[J]. 铁道建筑，2003(12)：75-76.