浅析钢轨低接头产生原因及处理措施

田爱民

淮北矿业集团铁路运输处，安徽 淮北 235100

钢轨在轨道中以连续梁的形式直接承受着机车车辆传来的荷载为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，而钢轨接头由于构造上的原因破坏了钢轨的连续性，降低了轨道的承载强度，增加了列车的阻力和冲击力，在荷载作用下接头范围内钢轨、轨枕、道床所受的力及变形较其它部位成倍增加，因而钢轨接头是轨道中的薄弱环节，它的受力复杂，结构薄弱，承受最大的荷载冲击力，钢轨低接头是常见的接头病害，所以加强钢轨接头的养护维修是十分重要的。

1 钢轨接头的受力分析

1.1 夹板受力及挠曲

为了计算方便，将夹板的近三角形分布受力作为集中荷载处理，如图1所示：

图1 接头夹板受力分析简图

若把夹板看作是支承在B,C两点的简支梁，则夹板中点A的挠度为：

式中IH为两块夹板的截面惯性矩。

1.2 车轮踏面冲击钢轨接头时的受力分析

当列车车轮压在铁轨上时，铁轨就下沉，当车轮离开时，铁轨就反弹上升，铁轨象面条一样呈波浪形上下起伏，路基也跟着上下波动。这种现象特别在铁轨头部的接缝处下沉幅度很大，幅度越大振动也就越强烈。铁轨的横向接缝之所以引起振动，是因为当行驶的列车车轮压在接缝后面那根铁轨的一瞬间，铁轨下沉幅度很大，与接缝前面那根铁轨的轨面形成一定的高差，这个高差阻挡了车轮前进。经过长期的观察，车轮踏面在越过轨缝后接触钢轨接头时，对钢轨接头的冲击最为强烈。此时车轮受力如图2所示。

图2 车轮踏面冲击钢轨接头时的受力分析简图

车轮踏面受到钢轨接头的作用力F为：

式中：

P为车辆重力在每个车轮上的分担量；

R为车轮半径；

θ为轮轨作用力与垂向的夹角；

δ为钢轨接头轨缝。

力的作用是相互的，因此钢轨接头受到车轮踏面的冲击力与F大小相等，方向相反。经简单分析，不难发现车轮踏面对钢轨接头的冲击力随着钢轨接头轨缝的增大而急剧增加。另外，钢轨接头受到的冲击会随着通过车辆的轴重和速度的增加而增大。

2 钢轨低接头的形成原因分析

1）捣固不良。由于接头捣固不坚实，在动荷载作用下接头沉陷造成夹板挠曲，列车轮对对接头产生的冲击力越来越大，周而复始轮端下垂，弹性减弱。随之而来的是接头处道床坍塌，枕底基础被破坏，低接头形成并越来越严重。起道打塞时图快只打一个枕头的塞，造成接头两根轨枕软硬不均，使两根钢轨轨端受力不均，加大了车轮对接头的冲击。起道捣固接头带小腰，由于接头和小腰捣固的力度，镐数掌握的不好致使小腰高接头低造成轨道不平顺，使车辆对接头的冲击力加大。由于维修养护不当接头处形成空吊板也会造成接头病害。

2）大轨缝。由于轨缝设置的不合理，配件及防爬设备失效造成的大轨缝未及时整治，钢轨接头受到较大的振动和冲击造成接头下沉轨端弯曲变形。

3）对接头养护不及时。对线路水平高低轨向只有在维修时全面整修，平时只消灭失格处所，设备检查时侧重轨距水平忽视轨向高低，不注重日常的全面养护，特别是相对式接头4～6mm的接头高低很容易在列车长时间的碾压冲击下形成低接头。

4）木枕地段因改道垫板手工捣固作业方法不当使轨枕过早地失去承载能力而又不及时更换轨枕或接头两根轨枕不同时更换造成一软一硬，接头顺垫板超过规定数量，垫板串出，钢轨变形造成接头病害。

5）钢轨剥落掉块及马鞍型磨耗，严重擦伤和上下错牙等病害加剧车轮对接头的冲击振动造成钢轨变形。

6）道床厚度不足不清洁降低了轨道弹性，使钢轨接头受力加大，以及因路基土壤排水不良等原因造成路基下沉都会导致接头病害。

3 钢轨低接头的危害分析

1）钢轨低接头容易发生三折事故，钢轨夹板的伤损与制造工艺和材质有关外，还与线路养护维修质量及线路几何状态也有很大关系，钢轨低接头因受强烈的冲击振动易使钢轨夹板加速疲劳，强度弱而伤损，折断对行车安全有很大的危胁。

2）低接头构成三角坑加剧列车振动摇晃，在列车偏载或超速运行的情况下容易造成脱轨颠覆事故。

3）低接头使机车车辆受到强烈的振动，使机车车辆部件受到损害。

4）加速线路爬行，由于低接头加大了车轮对轨道的冲击力从而加速线路爬行。

5）增加了线路养护工作量，低接头的存在加剧了轨距扩大，配件损坏，木枕机械磨损，混凝土枕失效，高低变化等。

6）对路基道床的危害，由于低接头受到强烈的振动冲击，起道捣固容易形成枕下道碴锅而积水甚至翻浆冒泥，造成道床板结。

7）加速钢轨磨耗和肥边的形成。

4 钢轨低接头的预防措施

1）根据不同季节钢轨伸缩的情况放散接头应力或加强扭力，出现大轨缝和瞎缝时进行调整并加强锁定，防止大轨缝和瞎缝长时间存在。

2）检查设备时线路高低（特别是接头高低）水平方向（特别是接头支嘴）应检查全面及时安排整修，对于不超过经常保养标准的接头高低水平也要安排经常保养，春融乱道季节及时检查整修。

3）对剥落掉块，压溃和严重擦伤的钢轨要更换或焊补，对上下错牙的接头要及时进行调整，如因垂直磨耗不能调整的要更换。

4）加强作业质量消灭空吊板，起接头打塞打两块板，接头更换轨枕要同时更换两根捣固要坚实。

5）加强路基养护保持排水畅通及时清筛不洁道床。

5 钢轨低接头的整治步骤

1）调查。不仅要调查低接头的位置、数量、形成原因，测量低接头深度，查明形成的原因，据此判定整治对策和编制工时用料计划。

2）根据形成的原因采取不同的对策。调查轨缝锁定线路，疏通排水，整修路基，更换伤损钢轨，抽换轨枕，清筛不洁道床，补充道碴使道床饱满。

3）捣垫结合适当抬高接头。可以结合维修和经常保养进行，捣固的预留下沉量一般应和接头凹陷深度相等，但最多以不超过15mm为宜，经现场实际测验第一次列车通过后下沉幅度为预留下沉量的一半，第二次列车通过后为剩余量的1/3，之后下沉幅度就更小了，所以每周捣（垫）一次是比较适宜的，捣固范围一定要在凹陷以内，一般不捣小腰，防止小腰弓起，下沉量较小或冬季应用胶垫整治，用胶垫整治能改善轨道弹性，不需要预留下沉量，以高于钢轨水平线2mm～3mm为宜，不可为了一次性达到目的而把接头抬的过高，防止夹板钢轨因应力剧变折损。

4）上紧接头螺栓。减少钢轨夹板机械磨损，提高接头的整体性。

5）对接头范围的不洁道床及时进行清筛，保持排水畅通。

6）保持接头道碴饱满并夯实。

[1]勃隆贝尔克叶姆，威利高坶符.车辆和线路的相互作用[M].铁道出版社，1956.

[2]龙驭球.弹性地基粱的计算[M].北京高等教育出版社，1985.

[3]练松良.轨道动力学[M].同济大学出版社，2003.

[4]常治平.铁路线路及站场[M].中国铁道出版社计算机图书中心，2007.