倪海曦 上海鐵路局科研所

隨著既有線提速200 km/h和客運專線、高速鐵路的開通，列車高速運行對軌道結(jié)構(gòu)安全性、特別是對列車運行直接構(gòu)成威脅鋼軌傷損的處理能力及處理后的可靠性提出了更高的要求，從而引起工務線路養(yǎng)修人員的重視和關注。目前在我國既有鐵路的鋼軌傷損急救器、鼓包夾板等器具對發(fā)生傷損部位起到了一定的加強作用，但是對各類、各種軌道位置的鋼軌傷損（焊接接頭、鋼軌母材及軌枕處、枕木孔中間等位置）采用器具的通用性和處理方法的簡易程度方面不理想，以及存在當處理加固部位鋼軌發(fā)生斷軌時，改變軌道電路導向安全顯示方式的弊端。

目前在我國鐵路所使用的傷損鋼軌加固急救裝置主要有三種類型：傳統(tǒng)急救器型、下鎖緊式無損夾具型、新開發(fā)型。其中，傳統(tǒng)急救型加固裝置雖然其結(jié)構(gòu)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，因此只能用于120 km/h以下線路傷損鋼軌臨時加固處理。鉗式無損夾具型加固急救裝置通過施加穿過軌底螺栓的扭力矩，得到對夾板的夾緊力。這種急救加固裝置整體結(jié)構(gòu)強度大，與傳統(tǒng)的相比夾緊力已有很大的提高，但是由于夾緊螺栓在軌底，對夾板的夾緊力得不到最大的發(fā)揮。隨著客運專線和高速鐵路的建設和運營，也出現(xiàn)了一些帶有絕緣或膠接絕緣的設計思想的新開發(fā)的加固急救裝置。但夾具仍為鉗式結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)較大，安裝操作復雜等弊端。

1 無縫線路

鐵道線路有三大薄弱環(huán)節(jié)：鋼軌接頭、曲線、道岔。其中影響面最大的是鋼軌接頭。由于鋼軌具有熱脹冷縮的特性，所以鋼軌接頭必須留有一定的縫隙，叫"軌縫"。這樣一來，列車在通過接頭是就會發(fā)生沖擊和振動，不但影響了行車的平穩(wěn)性，還會加劇鋼軌等軌道構(gòu)建的機車車輛的磨耗與傷損。為了解決這個問題，就要想方設法最大限度地消除鋼軌接頭，于是產(chǎn)生了無縫線路技術。

無縫線路是把普通25 m鋼軌一根接一根地焊在一起構(gòu)成的鐵路。鋪設無縫線路，要先將25 m標準軌在工廠內(nèi)用接觸焊方法焊成250 m或500 m的常規(guī)條，再用運軌車運到現(xiàn)場，然后用鋁熱焊或小型氣壓焊將之連接為1 km或更長的軌條。每根軌條兩端鋪設2～4根25 m短軌，作為調(diào)節(jié)軌條伸縮變化的"緩沖"。因此無縫線路又稱為焊接長鋼軌線路。當然，無縫線路并不是一個軌縫都沒有。所謂"無縫"是指在一定的區(qū)間內(nèi)沒有鋼軌接頭，并不是無限延伸的。無縫線路焊接的長度有的幾百米，有的幾千米。隨著科學技術的不斷發(fā)展，無縫線路的長度也在一步步提高。出現(xiàn)了超長無縫線路或跨區(qū)間無縫線路。

其中在現(xiàn)場焊接鋼軌用鋁熱焊或小型氣壓焊?，F(xiàn)場焊接后的鋼軌呈現(xiàn)圖1的狀況：在鋼軌軌腰和軌底的部分凸出來一部分。夾板的為了信號的傳輸和絕緣的考慮，對其結(jié)構(gòu)設計也有影響。

圖1 鋁熱焊鋼軌

當無縫線路出現(xiàn)緊急情況，如傷損或斷軌，由于天窗時間短，急救裝置可以應急使用。當發(fā)生鋼軌傷損時，可根據(jù)現(xiàn)場情況可選用夾具快速加固、夾板上螺栓加固和膠接加固三種方式加固，使列車按規(guī)定的限速或常速繼續(xù)運行；并且如在處理加固長度范圍內(nèi)發(fā)生斷軌，軌道電路顯示紅光帶，列車可在前方停車，確保列車運行的安全。當發(fā)生斷軌時，可快速加固，同時恢復正常的線路信號，使列車按規(guī)定的限速繼續(xù)運行。

2 夾板設計

2.1 夾板結(jié)構(gòu)設計

夾板研究設計時主要考慮受力形式、抗彎強度、絕緣實現(xiàn)、夾板長度、膠接方法等。夾板可采用夾具快速加固、螺栓加固和膠接加固三種方式加固，研制過程中充分考慮、權衡了夾具、螺栓加固受力與膠接加固受力的特點和需要，確定了能滿足膠接要求的楔形絕緣夾板的結(jié)構(gòu)形式。

同時該夾板采用可適用焊接接頭（包括鋁熱焊）加固的內(nèi)凹外平夾板結(jié)構(gòu)形式。內(nèi)凹適用于焊接接頭的加固，外平能提供夾具安裝時的足夠空間位置。內(nèi)凹產(chǎn)生的變截面采用足夠的弧線順接，不易出現(xiàn)應力集中（設計三維圖見圖2）。

圖2 夾板設計三維圖

該夾板在結(jié)構(gòu)上有以下特點：夾板首先在進行傷損鋼軌處理時能起到絕緣的作用，同時當采用夾具、螺栓加固時，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，并能保證這一正壓力隨著夾具、螺栓所給的夾緊力的增大而增大，從而在受力面上得到結(jié)構(gòu)所要求的靜摩擦力；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即全斷面膠接，最大可能地增大膠接面，可有效提高夾板膠接的抗剪強度。

2.2 夾板受力分析及關鍵尺寸確定

2.2.1 夾板受力分析

企業(yè)的盈利能力可以用總資產(chǎn)凈利率、凈資產(chǎn)收益率等指標來分析。企業(yè)的盈利能力越強，表明企業(yè)的獲利能力越強，同時企業(yè)的財務競爭力也會增加，具體分析如下所示：

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(chǎn)生靜摩擦力或膠接整體剪切力；承受鋼軌彎曲產(chǎn)生的彎矩。

2.2.2 抗彎強度的計算與對比分析

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(gòu)件的斷面面積、水平慣性矩和垂直慣性矩。要提高夾板的抗彎強度必須盡可能提高其抗彎截面系數(shù)W，而抗彎截面系數(shù)與慣性矩成正比，所以夾板設計應該通過采用合理的截面形狀以提高W數(shù)值，充分發(fā)揮材料的性能，即以最小的斷面面積得到最大的慣性矩，特別是水平慣性矩。

該夾板采用內(nèi)凹外平夾板結(jié)構(gòu)，使該斷面面積減小、慣性矩降低。但分析認為這一斷面的慣性矩只要設計達到或接近50 kg/m鋼軌普通夾板的抗彎強度水平就是合理的。

2.2.3 夾板長度確定

夾板長度主要考慮三個因素：首先是要有滿足膠接強度要求的足夠的膠接面積，再則是采用夾具加固時，留有足夠的、合理的夾具安裝位置，其次是急救安裝施工時便于運輸、攜帶。

根據(jù)設計要求，膠接時整體剪切力不小于3000 kN（螺栓緊固）和2000 kN（夾具緊固）。由于鋼軌和夾板接觸面在高度方向長度幾乎是一定值，因此膠接強度在一定有效長度范圍內(nèi)，與膠接面積成正比，即與夾板長度成正比。計算按下式：

QH=τ·S×2

式中：QH--膠接整體剪切力；

τ--膠粘劑膠合剪切強度；

S--每塊夾板的膠合面積。

國內(nèi)外膠接絕緣接頭成熟產(chǎn)品夾板長度一般取820 mm～900 mm。

同時，為了做到在鋼軌長度范圍任何位置發(fā)生傷損或斷軌時，都能采用夾具迅速、方便進行安裝，夾板長度與軌枕寬度、夾具尺寸和鋼軌傷損位置有關。

L≥W1+n·bj

式中：L--夾板長度；

W1--軌枕寬度；

bj--夾具寬度；

n--安裝的夾具數(shù)量；一般夾具2、4個。

當W1為250 mm，bj為120 mm時，L≥W1+n·bj=250+4×120=730 mm 2.2.4夾板效果圖

通過計算和試驗，最終夾板與鋼軌形成最佳配合。配合效果圖見3，局部放大土見圖4。

圖3 夾板與鋼軌的配合效果圖

圖4 局部放大圖

3結(jié)束語

研制的內(nèi)凹外平、薄弱處加筋補強、強度合理符合多適用性要求的現(xiàn)場膠接絕緣急救絕緣夾板具有以下優(yōu)點：一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；二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；三是對傷損、斷軌發(fā)生位置的多適用性，當鋼軌在長度方向任何位置發(fā)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。