蔣文娟

（晉控煤業(yè)集團(tuán)鐵路運營管理山西有限公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037001）

0 引言

近幾年，隨著礦山鐵路全面提速，鐵路干線車輛數(shù)量增多，礦山鐵路安全維護(hù)對礦山安全運輸起著重要作用，但是隨著煤礦鐵路干線運輸車輛數(shù)量增加、行車速度縮短，造成鐵路干線維護(hù)時間少、勞動作業(yè)強度，而鐵路鋼軌維護(hù)是重要一項內(nèi)容，檢測內(nèi)容主要是規(guī)矩變形情況、軌道連接牢固情況等；鋼軌魚尾板是鋼軌連接重要設(shè)施，固定和控制軌道間變形現(xiàn)象，但是由于傳統(tǒng)鋼軌連接魚尾板承載強度有限，在使用時很容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象，同時傳統(tǒng)魚尾板在使用時存在以下幾方面問題：魚尾板安裝時需與鋼軌之間進(jìn)行焊接，焊接實際要求不得低于2 h，致使魚尾板焊接質(zhì)量差；傳統(tǒng)魚尾板安裝時需對鋼軌兩端鉆孔固定，對鋼軌損傷嚴(yán)重；針對以上技術(shù)難題，礦山鐵路公司通過技術(shù)研究，對傳統(tǒng)鋼軌固定方式進(jìn)行優(yōu)化，采用一套鋼軌無損連接裝置。

1 鋼軌無損裝置設(shè)計

礦山鐵路鋼軌無損裝置主要由夾板和夾具組成，夾板共計2 塊，通過夾具將2 塊夾板固定在鋼軌兩側(cè)并施加預(yù)緊力，從而達(dá)到固定鋼軌目的；與傳統(tǒng)魚尾板相比，減少了對鋼軌鉆孔施工[1]。

1.1 夾板規(guī)格參數(shù)

1）為了提高夾板剛性，夾板采用42CrMo 高錳鋼材料澆筑而成，夾板屈服強度不低于960 MPa，為了減小車輪對鋼軌接頭沖擊破壞，在不影響夾板扣件安裝的前提下，應(yīng)保證夾板具有足夠的縱向強度，且抗彎強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于魚尾板。

2）夾板長度主要根據(jù)鐵路軌枕和扣件參數(shù)進(jìn)行確定；礦山鐵路軌道之間間距為0.6 m，誤差在20 mm范圍內(nèi)；鋼軌質(zhì)量為60 kg/m，采用傳統(tǒng)魚尾板進(jìn)行固定時長度為0.82 m，但是當(dāng)軌縫在軌枕中間時采用夾板無法穩(wěn)定固定，所以應(yīng)根據(jù)軌縫位置及長度延長夾板長度，最終確定夾板長度為1.0 m。

3）為了保證夾板與夾具之間穩(wěn)固性，將夾板外側(cè)設(shè)置為錐形凹槽型，同時增加夾板橫截面積可以提高夾板抗彎性能，實測該夾板抗彎性能是魚尾板的2.1 倍。夾板安裝時分別與鋼軌軌頭下顎和軌底上表面接觸，為了保證夾板固定后具有較強的摩擦阻力，對其接觸部分采取粗糙處理。

1.2 夾具

夾具主要對夾板施加預(yù)應(yīng)力，確保夾具固定在軌道上；夾具主要由底座、壓緊塊、螺栓、螺母、平墊圈和彈簧墊圈等部分組成，如圖1 所示，壓緊塊安裝在底座兩端，壓緊塊上安裝螺栓、螺母、平墊圈和彈簧墊圈。

圖1 鋼軌無損連接裝置夾具結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 安裝工序

鋼軌無損裝置安裝示意圖，如圖2 所示。

圖2 鋼軌無損裝置安裝示意圖

1）首先將2 塊夾板分別安裝在鋼軌規(guī)定處，并將夾板斜面與鋼軌下顎接觸嚴(yán)實，夾板安裝時兩側(cè)安裝位置必須對稱布置。

2）在進(jìn)行夾具安裝前固定螺栓處于松弛狀態(tài)，將壓緊塊安裝在聯(lián)結(jié)底板一側(cè)，并將聯(lián)結(jié)底板安裝在鋼軌的底部，第一塊壓緊塊安裝后安裝第二塊，最后調(diào)整夾具位置使螺栓與夾板錐形凹槽，并對螺栓進(jìn)行預(yù)緊[2-3]。

2 仿真模擬分析

為了驗證在車輛通過鋼軌軌縫時對夾板產(chǎn)生靜載荷強度，以及夾板變形情況，根據(jù)實際鋼軌長度建立三維仿真模型并進(jìn)行模擬實驗。

1）建立的模型中支架間距為1.5 m，支架上安裝2 根長度為1.0 m 鋼軌，鋼軌軌縫位置位于支架中間為主，采用2 塊長度為1.0 m 夾板以及4 個夾具進(jìn)行預(yù)緊固定，夾具固定螺栓預(yù)緊力為210 kN，夾板與鋼軌之間采用摩擦接觸方式，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.25。

2）在軌縫處施加垂直鋼軌的載荷應(yīng)力，應(yīng)力值為200 kN，通過仿真模擬計算可得，在載荷應(yīng)力作用下夾板所受最大垂向應(yīng)力位于軌縫處，夾板中部位置變形嚴(yán)重；通過設(shè)定軌縫距離為0mm、5mm、10mm、15mm、20 mm 五種情況下，軌縫處夾板最大垂應(yīng)力和變形量如表1 所示。通過表1 可知，在固定靜載荷應(yīng)力作用下，軌縫間距在0～15 mm 范圍內(nèi)隨著軌縫間距增加，夾板所受最大應(yīng)力及變形量也隨之增加；當(dāng)軌縫間距超過15 mm 后，應(yīng)力及變形量不再變化，夾板承受最大應(yīng)力為287 MPa，最大變形量為1.42 mm，而夾板屈服強度為960 MPa，滿足要求[4]。

表1 不同軌縫夾板所受應(yīng)力及變形量

3 室內(nèi)對比試驗分析

為了進(jìn)一步驗證鋼軌無損連接裝置抗彎性能及強度，對無損連接裝置及魚尾板在實驗室分別進(jìn)行剪切、靜載荷和抗疲勞等試驗，并進(jìn)行對比分析。

3.1 試件參數(shù)及設(shè)備

1）試驗對象：試驗對象分別為魚尾板鋼軌接頭和無損連接裝置，魚尾板試驗配件由2 根長度為1.0 m、質(zhì)量為60 kg/m 鋼軌和2 塊長度為0.86 m 魚尾板組成；無損連接裝置試驗配件由2 根長度為1.0 m、質(zhì)量為60 kg/m 鋼軌和2 塊長度為1.0 m 夾板以及4 個夾具組成。

2）試驗設(shè)備：試驗設(shè)備主要包括對試件施加載荷力的液壓脈動試驗機和微機控制電液伺服壓力試驗機，監(jiān)測在載荷作用力下試件變形的位移傳感器以及檢測試件所受應(yīng)力的電阻應(yīng)變片等部分組成。

3.2 試驗項目

1）抗剪試驗：在進(jìn)行抗剪試驗時，魚尾板和無損連接裝置固定鋼軌軌縫設(shè)置為10 mm，魚尾板采用5根高強度螺栓固定并施加500 N·m 預(yù)緊力（最大預(yù)緊力），無損連接裝置采用4 組夾具固定，施加螺栓預(yù)緊力為800 N·m。

2）靜載荷試驗：在進(jìn)行靜載荷試驗時，分別設(shè)置軌縫間距為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm 以及20 mm五種，在試驗過程中實時監(jiān)測夾板受力情況以及變形情況。

3）疲勞試驗：在進(jìn)行試件疲勞試驗時，設(shè)置軌縫間距為8 mm，設(shè)置支座間距為1.0 m，疲勞載荷范圍為40～200 kN，采用正弦波加載，加載頻率為4～8 Hz，加載總次數(shù)為250 萬次，每加載50 萬次對試件外觀進(jìn)行一次檢查[5]。

3.3 試驗結(jié)果分析

1）通過抗剪試驗發(fā)現(xiàn)：無損連接裝置螺栓預(yù)緊力在800 N·m 時夾板與鋼軌之間的摩擦阻力達(dá)到了874 kN，而魚尾板規(guī)定螺栓預(yù)緊力在500 N·m 時魚尾板與鋼軌之間的摩擦阻力為627 kN，由此可見，無損連接裝置固定后與鋼軌之間穩(wěn)定性更好。

2）在相同載荷作用下，隨著軌縫增大，魚尾板、無損連接裝置所受應(yīng)力逐漸增大，但是當(dāng)軌縫增加至10 mm 以上時試件所受應(yīng)力不再變化；當(dāng)軌縫在5 mm、15 mm 時無損連接裝置撓度大于魚尾板，而軌縫在10 mm、20 mm 時無損連接裝置撓度小于魚尾板。

3）通過對試件進(jìn)行疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行疲勞試驗過程中魚尾板出現(xiàn)局部斷裂、裂紋現(xiàn)象，但是無損連接裝置未出現(xiàn)斷裂，在加載第100 萬次時魚尾板、無損連接裝置所受應(yīng)力最大為288 MPa，在第100～200 萬次時應(yīng)力不再發(fā)生變化。

4 結(jié)語

晉控煤業(yè)集團(tuán)鐵路運營管理山西有限公司礦山鐵路分公司針對鐵路鋼軌傳統(tǒng)魚尾板連接裝置在實際應(yīng)用時存在的問題，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，采取了無損連接裝置，改裝投入使用后縮短了連接裝置安裝時間，避免了鋼軌穿孔現(xiàn)象，裝置剛度高、抗載荷能力強，能夠使用礦山鐵路多車次、多頻率通車需求，取得了顯著應(yīng)用成效。