徐偉昌 上海鐵路局工務(wù)處

龔佩毅張建強上海鐵路局科研所

高速鐵路鋼軌傷損加固急救裝置標準的研究

徐偉昌 上海鐵路局工務(wù)處

龔佩毅張建強上海鐵路局科研所

根據(jù)研發(fā)成功且適應(yīng)高速鐵路使用的鋼軌傷損加固急救裝置的技術(shù)特點，開展了技術(shù)性能指標和管理規(guī)范的研究、試驗和分析工作，可為相關(guān)企業(yè)標準的制定提供依據(jù)。

鋼軌傷損；加固急救；規(guī)范標準

1 前言

鋼軌傷損加固急救裝置是當鐵路線路鋼軌發(fā)生傷損、折斷時進行搶修加固的重要器具。在普速鐵路中，工務(wù)部門采用傳統(tǒng)的鋼軌傷損急救器和鋼軌接頭大阻力夾緊裝置，基本適應(yīng)了鐵路鋼軌防斷安全的要求。隨著高速鐵路開通運營，傳統(tǒng)的鋼軌傷損急救器和快速夾具不論從結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)強度和安全保障能力上都不能滿足高速鐵路運營的需求。為此，2010年路局工務(wù)處、科研所等單位研發(fā)了適應(yīng)高速鐵路使用的鋼軌傷損加固急救裝置，其技術(shù)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的急救器和鋼軌接頭大阻力夾緊裝置。

鋼軌傷損加固急救裝置在高速鐵路上應(yīng)用后，建立完善的高速鐵路加固急救裝置的技術(shù)標準和管理標準，確保加固急救裝置的生產(chǎn)加工質(zhì)量、正確安裝使用和有效管理成為工務(wù)部門鋼軌防斷安全工作的重要內(nèi)容之一。本文從建立企業(yè)標準的角度，就技術(shù)標準和運營管理標準兩個方面進行研究，提出上海鐵路局企業(yè)標準的建議。

2 技術(shù)性能指標研究、試驗和分析

這種傷損鋼軌加固急救裝置與傳統(tǒng)的鋼軌傷損急救器和快速夾具相比，在技術(shù)上有很大的創(chuàng)新。其特點是：

（1）夾板采用與鋼軌楔形配合的型式，當發(fā)生鋼軌傷損時，可根據(jù)現(xiàn)場情況適應(yīng)選用夾具快速加固、上螺栓加固和膠接加固三種方式加固。

（2）夾板采用絕緣技術(shù)，如在傷軌加固處理長度范圍內(nèi)發(fā)生斷軌，軌道電路顯示紅光帶，確保列車運行的安全。

（3）夾具采取分力式施力機構(gòu)，使得安裝作業(yè)施力省勁，而夾緊力大大提高且防松效果好；膠接技術(shù)的應(yīng)用，使加固處所整體強度提高，更為安全可靠。

（4）適用范圍廣，能加固處理各種類型焊接接頭（包括鋁熱焊）傷損和多種類型鋼軌母材傷損，且在鋼軌長度方向任何位置發(fā)生傷損或斷軌進行加固安裝不受軌枕、扣件等軌道部件的影響。

2.1 主要參照標準

鑒于采用了膠接絕緣技術(shù)及加固急救裝置結(jié)構(gòu)特點，分析采納了鐵道行業(yè)標準《膠接絕緣鋼軌技術(shù)條件》（TB/ T2975-2010）作為主要參照標準，如表1所示。

表1 主要參照標準TB/T2975-2010的有關(guān)技術(shù)指標

2.2 幾個重點關(guān)注的技術(shù)指標

2.2.1 夾具的材料強度和關(guān)鍵尺寸偏差

夾具采用40Cr鋼號，其強度在彈性范圍內(nèi)完全滿足夾具夾緊力的需求；夾具的型式尺寸允許偏差指標對夾具的夾板夾緊被動作用點至夾緊機構(gòu)后靠作用點水平距離誤差、夾具軌底平板上平面至夾板夾緊作用點的垂直距離誤差提出了要求，這兩個尺寸偏差將直接影響夾具的緊固力，因此必須進行控制。

2.2.2 加板危險斷面及強度參照標準

夾板斷面設(shè)計要考慮夾板的膠接強度、抗彎強度等性能指標，加固用的夾板應(yīng)滿足焊接接頭特別是鋁熱焊接頭的加固需求，夾板中央內(nèi)側(cè)要留出焊筋的位置，而夾板外側(cè)位安裝夾具必須保持平直，因此夾板設(shè)計成內(nèi)凹外平，夾板中央斷面削弱。但設(shè)計時努力做到最危險斷面的水平慣性矩不小于50kg/m鋼軌普通夾板的慣性矩。這樣能保證即使在鋼軌完全垂直折斷的情況下，也能保證行車安全。如表2為夾板慣性矩比較。

表2 各型夾板基本力學(xué)參數(shù)比較表

2.2.3 疲勞強度指標的確定與試驗

加固急救裝置主要是針對傷損鋼軌的加固，鋼軌本身還保持著連續(xù)性。疲勞強度指標沒有按TB/T2975-2010《膠接絕緣鋼軌技術(shù)條件》兩點加載，加載波形相位差180°試驗方法，而是參照采用鋼軌焊接接頭的疲勞試驗一點加載方法。在試驗鋼軌跨中軌底中央拉應(yīng)力最大的不利位置銑一個弓形的模擬傷損，安裝加固急救裝置后試驗。最大荷載Fmax按下式計算：

式中：

Fmax--施加在鋼軌上的荷載（N）；

σmax--最大疲勞應(yīng)力（MPa），閃光焊接、氣壓焊接最大疲勞應(yīng)力σmax為297MPa，鋁熱焊接最大疲勞應(yīng)力σmax為217 MPa；

L--試件支距（mm）；

W--鋼軌下部斷面系數(shù)（mm3）。

考慮60kg/m鋼軌及鋁熱焊接的強度是完全滿足正常線路運營條件的，因此采用60kg/m鋼軌的W=396000mm3，取σmax為217MPa，得：

最大荷載取350kN，最小荷載為70kN。

采用這一技術(shù)指標和試驗方法，在同濟大學(xué)城市軌道與鐵道工程系鐵道工程實驗室疲勞試驗機上試驗，經(jīng)2×106次70kN～350kN的循環(huán)荷載作用后，鋼軌、夾板均無斷裂，夾具螺栓無松動。

2.2.4 整體剪切（摩擦阻力）強度及試驗

表3為同濟大學(xué)城市軌道與鐵道工程系鐵道工程實驗室進行的接頭整體剪切（摩擦阻力）強度試驗結(jié)果。

試驗結(jié)果表明一組加固夾具，最大摩阻力、膠接剪切力（接頭阻力）在100kN～1800kN范圍。當加固的傷損鋼軌折斷后，其斷縫λ可按下式計算：

式中：

λ1--傷損鋼軌折斷后一端長軌的位移量（mm）；

λ2--傷損鋼軌折斷后另一端長軌的位移量（mm）；

Pt拉max--最大溫度力（N）；

PH--摩阻力（接頭阻力）（N）；

E--鋼軌鋼的彈性模量(2.1×105N/mm2)；

F--鋼軌斷面面積（7745mm2）；

p--單位長度道床阻力(N/mm)；

Ts拉max--最高鎖定軌溫（℃）；

Tmix--最低軌溫（℃）。

當無縫線路鎖定軌溫Ts=24±5℃，加固的傷損鋼軌在冬季較極端的溫度Tmin=-15℃下發(fā)生斷軌：

（1）在有砟軌道上，采用夾具緊固加固，接頭摩擦阻力（PH）為100kN，道床阻力p=9.1N/mm，計算斷縫值。

（2）無砟軌道無縫線路的軌道阻力由接頭阻力和扣件阻力組成，采用夾具緊固加固，接頭摩擦阻力（PH）為100kN?？奂目蹓毫Π从嘘P(guān)規(guī)定，養(yǎng)護過程中彈條扣壓力不得小于8 kN，軌枕（扣件）間距600mm，若鋼軌與扣件間的摩擦系數(shù)取0.3，鋼軌與墊板間的摩擦系數(shù)都取0.4，扣件阻力為：

由此計算得斷縫值λ為18.2mm。

（3）從試驗結(jié)果表3可知，采用膠接加固時最不利的接頭剪切阻力也達到1000kN，鋼軌斷開后，溫度力克服不了接頭阻力，斷縫不會產(chǎn)生。

表3 整體剪切（摩擦阻力）強度試驗結(jié)果

3 有關(guān)管理規(guī)范的對比分析

研究制定的企業(yè)標準有關(guān)管理的建議條款主要是兩個方面：一是允許加固的傷損鋼軌類型，二是加固后的線路限速條件。主要依據(jù)是《鐵路線路修理規(guī)則》、《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》。對比分析見表4、表5。

表4 允許加固的傷損鋼軌類型分析

表5 加固后的線路限速條件分析

從表4、表5分析可知：

（1）對于傷損鋼軌處理的分析：

適用于普速鐵路的《鐵路線路修理規(guī)則》只對重傷鋼軌提出了“及時”處理、加固的要求，加固的器具是夾板上螺栓、或夾板傳統(tǒng)急救器、還是夾板快速夾具沒有限制，加固后也無限速要求。

適用于高速鐵路的《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》對輕傷鋼軌提出了“及時”采用無損加固處理；對重傷鋼軌提出了“立即”進行處理、可加固處理的要求，但加固處理采用夾板上螺栓處理還是無損加固處理沒有明確規(guī)定。也未有提出加固后的限速要求。

建議條款明確規(guī)定鋼軌母材核傷、焊縫傷損和擦傷裂紋、剝離裂紋及掉塊等軌頂面輕傷可采用急救裝置加固，并規(guī)定軌腰斜裂紋、螺孔裂紋、下顎水平裂紋和有斜裂、揭蓋傾向的水平裂紋、擦傷裂紋和剝離掉塊以及傷損情況不明時嚴禁用急救裝置加固處理。并且明確提出常速和限速的要求。

（2）對于鋼軌折斷處理的分析：

《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定了當鋼軌斷縫不大于50mm時，在斷縫處上好夾板或臌包夾板，用急救器固定。如斷縫小于30mm時，放行列車速度為15km/h～25km/h。

《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》把上夾板或臌包夾板用急救器加固的斷軌的斷縫限制在不大于30mm，而加固后放行列車的速度放寬到不超過45km/h，提出了鄰線限速不超過160km/h的要求。

建議條款對采用加固急救裝置的斷軌形態(tài)進行規(guī)定，如“斷裂面軌面（水平）夾角大于70°”、“鋼軌斜斷、揭蓋時，嚴禁采用本急救加固裝置”。并認為斷縫的大小的安全性與加固后的限速速度有關(guān)，因此提出了鋼軌斷縫不大于50mm和斷縫不大于30mm的限速規(guī)定。

4 結(jié)束語

鋼軌傷損加固急救裝置研發(fā)成功后，已在滬寧、滬杭、京滬高鐵上全面推廣應(yīng)用。建議應(yīng)加快相關(guān)企業(yè)標準的研究、編寫、審定和頒布工作。該企業(yè)標準的研究與制定，將對鐵路鋼軌防斷安全技術(shù)的進步具有積極的促進作用，有利于鋼軌傷損加固急救裝置產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，有利于該器具現(xiàn)場正確安裝和安全使用，可提高鐵路的安全保障能力。

[1]鐵道部.《鐵路線路修理規(guī)則》.2006年

[2]鐵道部.《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》.2012年.

[3]《膠接絕緣鋼軌技術(shù)條件》TB/T2975-2010.

[4]張建強.傷損鋼軌無損加固技術(shù)及裝備研究.上海鐵道科技.2011年第3期.

[5]倪海曦.現(xiàn)場膠接絕緣急救裝置夾板設(shè)計.上海鐵道科技.2011年第4期.

[6]鄭健.傷損鋼軌加固裝置的結(jié)構(gòu)與工藝研究.上海鐵道科技.2012年第1期.

責任編輯：王華

來稿日期：2014-02-07