新型胶接绝缘接头总体设计

张建强 上海铁路局科研所

新型胶接绝缘接头总体设计

张建强 上海铁路局科研所

新型胶接绝缘接头采用无损胶接加固钢轨的方式避免了钢轨发生螺孔裂纹、轨腰裂纹等病害的发生，实现线路“无缝”连接；并且在无损胶接绝缘夹板基础上利用结构的变形产生反力的原理设计了配套锁紧夹具，为胶接绝缘接头提供夹紧力；为了规范胶接及安装工艺设计了夹紧工装及加载工装。利用ABAQUS/CAE有限元软件对结构进行优化并进行强度校核。

无损胶接；绝缘接头；结构设计；强度

1 引言

钢轨胶接绝缘接头技术作为铺设跨区间无缝线路的关键技术之一，因其减少列车在接头区的冲击与振动，延长了轮、轨部件的使用寿命，大大提高了列车运行的安全性和舒适性，也成为高速铁路建设不可或缺的装备之一。在《铁路钢轨胶接绝缘接头技术条件》（TB/T 2975-2010）中详细规定了其技术要求和试验方法等，并纳入CRCC考核要求。

目前现场使用的有厂制胶接绝缘接头和现场胶接绝缘接头两种类型，分别研制于上世纪90年代和本世纪初，通过螺栓组联接加胶接的方式连接两根钢轨。铺设在线路上的胶接绝缘接头的工作荷载非常复杂，有垂直荷载、水平荷载、纵向荷载，还有巨大的冲击力和振动等，因此现场发现多种钢轨和胶接绝缘接头病害，有钢轨螺孔裂纹、轨腰横裂纹等，也有胶接接头本身的各类病害如接头拉开、绝缘不良、夹板和螺栓断裂等问题，这些都严重影响着铁路客货运输的安全。因此研究新型钢轨胶接绝缘接头对减少线路病害、提高列车运行的安全性具有重要意义。

基于此开展了大量的研究工作，包括新型胶接绝缘接头结构形式、胶接技术、胶接绝缘夹板结构、锁紧装置、施工工艺等方面的研究。

2 新型胶接绝缘接头功能设计

2.1 设计要求

为了消除钢轨胶接绝缘接头各类病害，结合现场安全和施工需求，提出以下总体方案设计要求：

（1）功能和关键部件机械强度刚度等力学性能满足相关标准要求；

（2）消除钢轨螺孔裂纹、轨腰横裂纹、螺栓断裂等病害；

（3）结构能满足不同线路使用要求；

（4）安装工艺更加便捷、规范；（5）具有状态实时监控功能。

2.2 新型胶接绝缘接头总体方案设计

通过无损夹具夹持位于轨腰的两根绝缘夹板经现场常温固化胶接实现钢轨的“无缝”绝缘连接。现场安装时通过锁紧夹具夹紧绝缘夹板胶接加固钢轨的方式，实现胶接绝缘接头的快速安装。锁紧夹具利用自身结构的变形产生反力的原理提供需要的夹紧力。

安装过程中需要夹紧工装配合锁紧夹具完成。由于胶接过程所需扭矩较大，并且夹板自重较大，设计以下安装工序：先是是利用夹紧工装将夹板锁紧进行胶接，夹紧力能够达到规定的标准；同时安装锁紧夹具，待胶接固化达一定强度后拆掉夹紧工装。安装过程中存在锁紧夹具加载位置偏离钢轨中和轴的问题，锁紧力不能与钢轨中和轴共线，出现锁紧力不均匀问题。为了避免这一问题的发生，设计了一套保证锁紧力方向与钢轨中和轴共线的加载工装。

设计的实时监测模块能对胶接绝缘接头进行状态实时监测，其工作原理是：监测装置固定在道旁，内置的控制器能高速采集胶接接头两根钢轨的相对位移，通过数学模型实时分析计算，超过设定值，监测装置立即通过GPRS网络发送报警数据，调度指挥中心的上位机立刻收到报警结果，同时能将报警数据以短信的形式发送给指定的手机。监测装置在日常工作时，定期发送电池电压、机箱温度、车辆通过时位移值和无车通过位移值等常规数据。

3 新型胶接绝缘接头结构设计

3.1 新型胶接绝缘夹板设计

绝缘夹板是整个结构中最为关键的一环，划分闭塞区间时将钢轨断开，钢轨断开部位有一个6 mm左右的锯缝，实际胶接绝缘接头安装中用超弹性材料进行绝缘，因此对钢轨来说，此处相当于一个悬臂梁。

图1 胶接绝缘接头处受力情况

图2 胶接绝缘夹板外观

如图1所示，列车通过胶接绝缘接头时，钢轨承受来自车轮的瞬时冲击力p要比正常平顺线路通过时大至少3倍，说明接头处受力情况较为复杂恶劣，而新型胶接绝缘夹板则是与钢轨胶接为一体，直接承受来自钢轨的冲击力及垂向载荷、横向载荷、纵向载荷等，这些恶劣工况对胶接绝缘夹板的机械强度有较高要求。

该胶接绝缘夹板主要用于高铁线路中，列车高速通过会带来更大的冲击力，因此需要更高的机械强度，通过机械强度计算优化确定了合理的夹板外形尺寸，新型胶接绝缘夹板表面尤其在危险截面处没有安装孔，避免了绝缘夹板安装孔引起的应力集中，进一步提高了夹板的疲劳性能。该新型绝缘夹板也考虑了注胶工艺和安装定位，如图2所示夹板上有两个螺纹通孔，这两个螺纹孔可以用来注胶和对夹板进行定位。

3.2 夹紧工装设计

图3 夹紧工装部件图

绝缘夹板将断开钢轨进行胶接加固，实现线路“无缝”连接，需要将夹板与钢轨胶接为一体，并且胶接剪切强度要满足《铁路钢轨胶接绝缘接头技术条件》中所规定的强度要求。胶接过程中需要将夹板与钢轨均匀的贴合在一起，因此将夹紧力均匀分散，将夹紧力通过5组夹紧工装进行施加。夹紧工装施加夹紧力的方式是通过加载螺栓使夹紧工装产生变形，从而产生反力夹紧夹板。夹板长期承受各种载荷及冲击力，如果夹板表面有损伤，在长期不规则动载冲击下，容易从表面产生裂纹源，影响夹板的疲劳寿命。由于夹紧工装变形产生的反力直接施加在夹板上，加载过程中为了保证夹板的表面质量不受破坏，在夹板与加载螺栓之间增加了一个过渡性的支撑垫块，支撑垫块的材料硬度低于夹板的硬度，这样可以避免夹板表面损伤，降低夹板表面应力集中。加载螺栓扭转过程中，夹紧工装会产生结构变形，从而改变反力的方向，为了保证反力方向始终与钢轨中和轴共线，支撑垫块与加载螺栓之间的接触设计成了球面副，具有更大的自由度，并且支撑垫块与绝缘夹板在安装时是相对固定的，能够保证夹紧力的方向与钢轨中和轴共线。加紧工装与加载螺栓在工作期间会产生很大的摩擦力，为了延长夹紧工装的使用寿命，加载螺栓的材料硬度低于加紧工装，通过磨损加载螺栓来延长夹紧工装的寿命，如图3所示。

3.3 锁紧夹具设计

图4 锁紧夹具部件图

新型胶接绝缘夹板与钢轨胶接为一体后，还需要一个能够持续为绝缘接头结构提供锁紧力的装备，这样能够形成整个的绝缘接头结构，保证绝缘接头的强度。

锁紧夹具通过自身的变形量为绝缘接头结构提供锁紧力，利用ABAQUS/CAE有限元软件计算得出，当锁紧夹具的变形量在4 mm时，其所产生的反力能够满足要求的锁紧力。基于此加载螺栓将锁紧夹具从一端进行拉伸，当拉伸量达到4 mm时，将支撑垫块放入锁紧夹具内部，如图3所示，然后通过开口销将支撑垫块进行横向固定，以免振动引起垫块脱落，即可完成锁紧夹具的安装，具体如图4所示。

3.4 加载工装设计

图5 加载工装部件图

在现场安装锁紧夹具中，锁紧夹具螺纹孔中心线需要与钢轨中和轴共线，这样才能对胶接绝缘夹板施加正确的锁紧力，因此需要将新型绝缘夹具或者加载螺栓进行定位，但是锁紧夹具安装过程中承受旋转力矩，容易产生跟转，难以进行定位。基于此设计了一款辅助加载工装，如图5所示，该工装主要利用轨底和胶接绝缘夹板上加强筋对加载螺栓进行约束定位，在加载过程中加载螺栓的方向始终与钢轨中和轴共线。

4 强度分析

整个新型胶接绝缘接头结构中，胶接绝缘夹板和锁紧装置自安装之后与钢轨成为一体，承受复杂载荷和冲击，这对夹板和锁紧装置的力学性能具有较高的要求，因此在设计过程中需要对各部件进行强度分析。表1为各主要受力部位材料力学性能。

表1 新型胶接绝缘接头材料力学性能

本文对新型胶接绝缘夹板进行强度计算时将其所受复杂载荷和冲击力简化为垂向力、纵向力及横向力，表2所示为胶接绝缘夹板在不同工况下所受载荷类型及大小。

表2 胶接绝缘夹板受力示意图

图6所示为利用ABAQUS/CAE有限元软件对新型胶接绝缘夹板三种单一工况进行的强度分析及三种工况共同作用下对胶接绝缘夹板的强度分析。

图6 新型胶接绝缘夹板三种工应力云图

表3 新型胶接绝缘夹板不同工况下最大应力值

表3所示为新型胶接绝缘夹板在三种单一工况下，最大应力值均小于其材料屈服强度；三种工况共同作用下最大应力值达到最大，为458.74 MPa，小于其材料屈服强度，这说明新型胶接绝缘夹板的力学性能达到要求。

图7 极限载荷下不同部件关键承力部位应力云图

表4 各部件关键承力部位最大应力值

根据胶接绝缘夹板相关标准计算得到夹紧工装、锁紧夹具、加载工装的加载载荷大小，如表4所示。在该载荷条件下，计算得到三种工装、夹具各关键受力部位的最大应力值，图7为各计算应力云图，具体数值见表4，可见各关键受力部位最大应力值均小于其屈服强度，并且有很大的余量，各力学性能达到安全要求。

5 结束语

本文设计的新型胶接绝缘接头结构不仅对从根源上避免钢轨产生螺孔裂纹、轨腰横裂纹、螺栓断裂等病害，而且还减少了胶接绝缘夹板本身的通孔数量，减少了应力集中影响，提升了夹板的疲劳性能，具有实际应用意义。

利用锁紧夹具的结构变形产生反力对胶接绝缘夹板进行锁紧解决了新型绝缘夹板锁紧力的提供问题；夹紧工装、加载工装等辅助安装工装，规范了新型胶接绝缘夹板的安装过程，使绝缘夹板和锁紧夹具的安装工艺更加合理，尤其是保证夹紧力、锁紧力都与钢轨中和轴保持共线。

文中利用ABAQUS/CAE有限元软件对各部件关键受力部位进行了强度校核，最大应力值均小于其屈服强度，达到安全要求。

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责任编辑：许耀元

来稿日期：2016-11-29