合寧客運(yùn)專線現(xiàn)場膠接絕緣接頭技術(shù)研究

段金超 合寧鐵路有限公司

合寧鐵路于2005年7月開工建設(shè)，2006年10月開始鋪軌，2007年10月完成全線無縫線路和高速道岔鋪軌任務(wù)。其中，現(xiàn)場膠接絕緣接頭由于其整體性好、接頭阻力大、使用壽命長、運(yùn)輸方便、施工靈活簡便、成本低，深受現(xiàn)場施工人員的歡迎。但隨著列車運(yùn)行速度的提高，對膠接絕緣接頭質(zhì)量要求越來越高。

鋼軌現(xiàn)場膠接絕緣接頭是無縫線路的重要組成部分，要求它的整體性強(qiáng)，使用壽命長，絕緣性能穩(wěn)定，從而確保列車運(yùn)行安全和平穩(wěn)。目前國內(nèi)使用的膠接絕緣（包括德國施密特MT膠接絕緣）接頭，其強(qiáng)度基本滿足160km/h及以下的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，尚不能達(dá)到在250km/h線路上使用的技術(shù)要求。因此研究開發(fā)滿足250km/h線路使用的膠接絕緣接頭，適應(yīng)客運(yùn)專線鐵路建設(shè)和鐵路提速的需求是非常必要的。

合寧線客運(yùn)專線實(shí)施時(shí)，通過重新設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)并完善，較好地解決了高速客運(yùn)專線現(xiàn)場膠接絕緣接頭存在的技術(shù)難題。研制的新型膠接絕緣接頭已通過了實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)營考驗(yàn)，技術(shù)指標(biāo)符合鐵道部標(biāo)準(zhǔn)（TB/T2975-2000）的規(guī)定，達(dá)到時(shí)速250km/h客運(yùn)專線的使用要求，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品。

1 現(xiàn)場膠接絕緣接頭設(shè)計(jì)原則和力學(xué)性能分析

1.1 技術(shù)指標(biāo)

合寧客運(yùn)專線現(xiàn)場膠接絕緣接頭的整體剪切強(qiáng)度不小于3250kN。當(dāng)絕緣夾板安裝完畢，螺栓按規(guī)定的扭距和順序擰緊后，由于復(fù)合膠粘劑的壓敏作用，作業(yè)完畢，膠接接頭就能產(chǎn)生最終強(qiáng)度的60%，45min后達(dá)到90%以上的最終強(qiáng)度。復(fù)合絕緣夾板出廠均需進(jìn)行電氣絕緣性能測試。1000V兆歐表測量護(hù)板和鋼夾板間干燥狀態(tài)下的電阻值大于50MΩ；用萬用表測量護(hù)板和鋼夾板之間潮濕狀態(tài)下的電阻值，大于2000Ω。

1.2 設(shè)計(jì)原則

接頭是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)之一。在采用現(xiàn)場膠接絕緣接頭后，能使超長無縫線路的接頭減少到最低限度。理想的膠絕緣接頭應(yīng)能滿足如下幾個(gè)要求：

⑴在接頭范圍內(nèi)，鋼軌應(yīng)能象其它部位一樣，承受列車通過時(shí)作用在其上的垂直沖擊和橫向沖擊。也就是在荷載作用下，接頭范圍內(nèi)鋼軌繞曲的形狀和大小與其它部位相同。

⑵在溫度力的作用下，膠接接頭的軌縫沒有變化，或變形控制在允許的微變形之內(nèi)，接頭能夠可靠傳溫度力。

⑶膠接接頭必須可靠絕緣和耐高壓，能夠滿足軌道電路在接頭處的絕緣需要和抗電氣化區(qū)段高壓回流引起的擊穿。

1.3 整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

膠接絕緣接頭是由絕緣夾板、高強(qiáng)度螺栓、絕緣端片、絕緣套管在現(xiàn)場用常溫固化膠與鋼軌組裝、膠接在一起的H型結(jié)構(gòu)(見圖1)。其中絕緣夾板是由鋼夾板、絕緣膠層和槽形鋼板在工廠加熱固化粘接在一起的絕緣結(jié)構(gòu)。

圖1 膠接絕緣接頭H型結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場組裝時(shí)，槽形鋼板與鋼軌接觸，絕緣層保證了鋼夾板與槽形鋼板間的絕緣，從而實(shí)現(xiàn)鋼夾板與鋼軌的絕緣。同時(shí)，槽形鋼板可保護(hù)絕緣膠層，使其在運(yùn)輸和安裝過程中不致被損壞。絕緣膠層采用改性環(huán)氧膠粘劑預(yù)制成槽形膠板。該膠板采用浸過膠的玻璃纖維布，經(jīng)過預(yù)固化壓制而成。使用時(shí)加熱到一定溫度即溶化，固化后將鋼夾板與槽形鋼板粘在一起。槽形鋼板與鋼軌接觸及絕緣膠層與鋼軌接觸相比，產(chǎn)生的摩擦阻力會更大。絕緣夾板中的絕緣膠層和軌端絕緣片及絕緣套管共同形成了鋼軌與鋼軌之間、鋼軌與鋼夾板和螺栓間的絕緣。

1.4 力學(xué)性能分析

1.4.1 軌道受力分析

膠接絕緣接頭是鋼軌、夾板、膠粘劑、金屬與非金屬組成的一個(gè)不均勻整體，在受外力作用時(shí)，應(yīng)力分布很復(fù)雜。但作用于接頭的力主要有兩種：一種是在列車荷載作用下，接頭受力彎曲，產(chǎn)生作用于接頭的垂直力和沿鋼軌方向的縱向水平力，同時(shí)引起膠層內(nèi)部的彈性變形，其結(jié)果在材料內(nèi)部積存了變形能量；另一種是在無縫線路區(qū)段受溫度變化引起的鋼軌縱向水平力，該力在縱向水平力中是最大的，是導(dǎo)致膠接絕緣接頭破壞的主要因素。鋼軌膠接絕緣接頭所承受的溫度力，作用在膠層平面內(nèi)。當(dāng)溫度力大于接頭的膠接力時(shí)，會發(fā)生剪切變形，鋼軌與絕緣夾板就出現(xiàn)相對錯(cuò)動(dòng)。

考慮溫度力對膠接絕緣接頭的剪切強(qiáng)度要求時(shí)，溫度力計(jì)算公式為：

Pt=σ×F=E×α×△t×F

式中：

E--鋼軌彈性模量其值為

E=2.1×105MPa

α--鋼軌線脹系數(shù)其值為

α=1.18×10-5

△t--軌溫變化度數(shù)℃

F--鋼軌斷面積。

無縫線路在設(shè)計(jì)施工時(shí)，根據(jù)各地中間軌溫及±5℃來計(jì)算鋼軌縱向拉壓力。如：上海地區(qū)最高軌溫為60.3℃，最低軌溫為-12.1℃，鄭州地區(qū)最高軌溫63.0℃，最低軌溫為-17.9℃，……。如以鄭州地區(qū)為例，一般設(shè)計(jì)鎖定軌溫在20℃～30℃，則△t取 50℃計(jì)算。由此可算得60kg/m鋼軌最大溫度力為：

Pt=σ×F=E×α×△t×F=915kN

由于鋼軌每年承受溫度力大部分是壓應(yīng)力，鋼軌處于受壓狀態(tài)，只有在氣溫很低的冬季才受拉。時(shí)間雖短，但拉力往往大于壓力。在我國溫差最大地區(qū)60kg/m鋼軌大約承受1000kN的拉力。

接頭阻力由鋼軌與夾板間的摩擦阻力、螺栓的抗彎力或抗剪力以及絕緣夾板與鋼軌間絕緣膠層的粘接力提供。為保證安全，僅考慮鋼軌與絕緣夾板間的膠接剪切強(qiáng)度。

1.4.2 膠接固化特性分析

固化特性與時(shí)間關(guān)系曲線見圖2，以有效粘接面積1300mm2，單根螺栓鎖緊力設(shè)計(jì)算值P≥297kN，固化溫度環(huán)境25℃，膠層厚度大于1.5mm為膠接接頭計(jì)算依據(jù)。

圖2 固化特性與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖2固化特性與時(shí)間關(guān)系曲線中初步推算，整個(gè)作業(yè)完成需10min左右，其膠接剪切強(qiáng)度達(dá)到約13.8MPa；大約在45min左右，其膠接剪切強(qiáng)度達(dá)到約25MPa；大約在120min后，其膠接剪切強(qiáng)度達(dá)到最大約26MPa,膠接面積約1300mm2。

初始抗剪切力：

P10=τ×F=13.8×0.13=1.794MN=1794kN

45min抗剪切力：

P45=τ×F=25×0.13=3.25MN=3250kN

最大抗剪切力：

P120=τ×F=26×0.13=3.38MN=3380kN

在縱向力傳遞方面，整個(gè)現(xiàn)場膠接接頭膠接過程，膠接剪切強(qiáng)度始終大于鋼軌的溫度力。同時(shí)考慮列車通過時(shí)，如計(jì)算列車荷載沖擊引起的縱向力，膠接絕緣接頭的整體剪切強(qiáng)度達(dá)到3250 kN完全可滿足其受力的需要。

2 膠接絕緣接頭各部結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

膠接絕緣接頭是由絕緣夾板、高強(qiáng)度螺栓、絕緣端片、絕緣套管通過現(xiàn)場用常溫固化膠與鋼軌組裝膠接組成。其技術(shù)性能應(yīng)符合和服從絕緣接頭整體結(jié)構(gòu)性能的要求。

2.1 絕緣夾板

絕緣夾板設(shè)計(jì)和制作應(yīng)遵循的原則是：

⑴絕緣夾板在裝配時(shí)，在常溫固化膠粘劑和螺栓的共同作用下與鋼軌上下額產(chǎn)生楔緊作用，以增大鋼軌與絕緣夾板的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場膠接時(shí)的初始接頭阻力，保證在軌溫調(diào)整器卸載后接頭不被拉開。

⑵絕緣夾板與鋼軌腹部的間隙控制在膠粘劑固化反應(yīng)必要的厚度以上（1.5mm以內(nèi)），充分發(fā)揮絕緣夾板與鋼軌膠接層的粘接作用。

⑶在同一側(cè)的兩塊槽形鋼板間預(yù)留14mm間隙，防止鋼軌鋸斜給絕緣帶來危害，以保證絕緣性能。

⑷根據(jù)所選膠膜的粘接和電氣特性，在槽形鋼板與鋼夾板間保證0.5mm～0.8mm的膠接厚度，來滿足接頭的整體剪切強(qiáng)度和交、直流絕緣性能。

⑸絕緣夾板在組裝時(shí)避開與扣件接觸，并充分考慮鋼夾板加強(qiáng)筋由于鋼軌磨耗后輪緣與其相碰。

絕緣夾板結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 絕緣夾板結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖3 絕緣夾板結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鋼夾板

鋼夾板機(jī)械性能不低于標(biāo)準(zhǔn)雙頭夾板標(biāo)準(zhǔn)；槽形鋼板與鋼夾板間預(yù)留0.8mm以內(nèi)間隙以提高復(fù)合夾板的整體性；夾板下部不能與扣件接觸。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 鋼夾板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖4 鋼夾板結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 槽形鋼板

槽形鋼板設(shè)計(jì)與制作應(yīng)使槽形鋼板上下部位的斜面與鋼軌的上下顎密貼，在鋼軌上、下顎產(chǎn)生"楔子"的作用，以增大鋼軌與絕緣夾板的摩擦阻力。槽形鋼板的長度應(yīng)使在同一側(cè)的兩塊槽形鋼板間預(yù)留14mm距離，以保證絕緣性能。槽形鋼板結(jié)構(gòu)示意圖見圖5、結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 槽形鋼板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖5 槽形鋼板結(jié)構(gòu)圖

2.4 軌端絕緣片

斷面尺寸與鋼軌相同。為了減輕列車在接頭處的沖擊和噪音，又要考慮確保絕緣接頭絕緣性能，關(guān)鍵是厚度的控制。

厚度的大小選擇其實(shí)是一個(gè)辯證的關(guān)系。厚度大沖擊也大，肥邊容易產(chǎn)生，但允許肥邊的行程也大；厚度小沖擊也小，肥邊不易產(chǎn)生，但允許肥邊的行程也小。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，絕緣端片的厚度控制在3mm～6mm為最佳。

參照部標(biāo)（TB/T2975-2000）規(guī)定，我們選擇絕緣端片的厚度為6mm，材料為絕緣電工膠木板加工而成。

2.5 絕緣膠接層

對絕緣膠接而言，膠接厚度控制得小一點(diǎn)對粘接強(qiáng)度有益，但也必須考慮絕緣性能。如果控制得太薄，絕緣夾板的電容效應(yīng)增大，對交流絕緣不利。所以選擇控制在0.5mm～0.8mm。

2.6 高強(qiáng)螺栓

選用經(jīng)磷化皂處理的12.9級高強(qiáng)螺栓（型號 M24×145），螺栓的扭矩系數(shù)k應(yīng)控制在0.14以內(nèi)，公稱直徑D=24mm。

若設(shè)螺栓扭矩M=1000N×m,則單只螺栓鎖緊力計(jì)算：

螺栓鎖緊力：P=M/k×D×10-3=297kN

六只螺栓總的鎖緊力約為：

6×297=1782kN

通過分析和實(shí)驗(yàn)表明，螺栓的總鎖緊力足夠保證抵御絕緣夾板和鋼軌之間的剪切力。

3 提高絕緣接頭的整體性能的措施

在無縫線路中，接頭是一個(gè)不可小視的薄弱點(diǎn)。它在線路上不僅受溫度力，而且在列車運(yùn)行時(shí)受到各種復(fù)雜的作用力。膠接絕緣接頭在線路中的綜合能力要靠絕緣夾板的整體設(shè)計(jì)和粘接質(zhì)量來保證。為此，要提高膠接絕緣接頭整體性能，在研制實(shí)施過程中采取以下措施：

3.1 鋼夾板與槽形鋼板的粘接

在預(yù)制絕緣夾板時(shí)，模具、鋼夾板、槽形鋼板先預(yù)熱到同一個(gè)溫度，也就是復(fù)合絕緣固化的最佳溫度，再進(jìn)行組裝、恒溫。這樣能保證熱固化的膠體受熱均勻、徹底，不再受氣候環(huán)境溫度的影響。

3.2 充分發(fā)揮常溫固化結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接強(qiáng)度

每一種膠粘劑在使用時(shí)都具有反應(yīng)厚度的要求，過厚或太薄對被粘接物的強(qiáng)度都有很大的影響。所以復(fù)合絕緣夾板與鋼軌的膠接具有極其嚴(yán)格的鋼夾板斷面尺寸要求，同時(shí)也必須考慮鋼軌斷面的誤差，在設(shè)計(jì)和加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制斷面尺寸及加工精度。

3.3 增加鋼夾板的長度

適當(dāng)增加鋼夾板的長度，從而加大有效膠接面積，提高接頭的剪切強(qiáng)度。

3.4 優(yōu)化鋼夾板結(jié)構(gòu)

在鋼夾板上下兩則增加加強(qiáng)筋，增強(qiáng)接頭的垂直方向和水平方向的慣性矩，提高接頭在線路上承受各種復(fù)雜變力的能力，進(jìn)一步提高接頭的抗疲勞能力。

3.5 提高絕緣性能

因?yàn)榻^緣夾板是由鋼夾板－復(fù)合絕緣膠膜－槽形鋼板以熱固化的形式粘接而成的，絕緣層被保護(hù)在兩個(gè)剛體之間。在與鋼軌膠接現(xiàn)場作業(yè)時(shí)也只是槽形鋼板與鋼軌接觸，絕緣層不直接受到磕碰，所以絕緣性能是有保障的。采用槽形鋼板的目的，主要在于防止由化學(xué)腐蝕以及表面磁化給絕緣帶來危害。同時(shí)將復(fù)合絕緣夾板整體防銹隔水處理，也是為了防止鋼夾板的銹蝕和雨天水膜存在對絕緣的影響。

3.6 調(diào)整膠粘劑的固化反應(yīng)厚度

根據(jù)絕緣夾板斷面尺寸以及鋼軌斷面尺寸的允許偏差，自動(dòng)調(diào)整膠粘劑的固化反應(yīng)厚度，確保鋼軌斷面的全斷面膠接特點(diǎn)，提高膠接整體剪切強(qiáng)度。

3.7 改善膠粘劑的內(nèi)部組成

改善膠粘劑的內(nèi)部組成，充分發(fā)揮膠粘劑的壓敏效果，提高膠粘劑在現(xiàn)場膠接要求的適應(yīng)能力，確保接頭在施工完畢時(shí)的初始抗剪能力。

3.8 施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求

膠粘劑的性能必須通過絕緣夾板的斷面尺寸來保證，同時(shí)，施工時(shí)螺栓的鎖緊力必須嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求。

3.9 絕緣夾板制作和現(xiàn)場絕緣接頭裝配工藝流程

(1)絕緣夾板工廠制作工藝流程

在進(jìn)行絕緣夾板膠接作業(yè)前，首先應(yīng)將各部件進(jìn)行預(yù)裝配，檢查鋼夾板、槽形鋼板、復(fù)合絕緣膠膜和螺栓孔徑位置是否合適，然后將模具、鋼夾板、槽形鋼板預(yù)熱到同一個(gè)溫度，在復(fù)合絕緣的固化最佳溫度進(jìn)行膠接作業(yè)。制作工藝流程見圖6。

圖7 現(xiàn)場絕緣接頭裝配工藝流程

圖6 絕緣夾板工廠制作工藝流程

(2)現(xiàn)場絕緣接頭裝配工藝流程

現(xiàn)場膠接絕緣接頭運(yùn)至安裝地點(diǎn)后，首先準(zhǔn)備施工所需工具，做好安裝前的準(zhǔn)備工作，然后進(jìn)入絕緣接頭裝配。裝配工藝流程見圖7。

4 結(jié)束語

綜上所述，采取以下措施后，我局自行研制的客運(yùn)專線場膠接絕緣接頭各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)得到大大提高。

(1)通過鋼夾板上下兩則增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)接頭的垂直方向和水平方向的慣性矩。夾板剛度加大，強(qiáng)化了鋼軌絕緣接頭整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)改善膠粘劑的內(nèi)部組成，充分發(fā)揮膠粘劑的壓敏效果，提高膠粘劑在現(xiàn)場膠接要求的適應(yīng)能力，確保接頭在施工完畢時(shí)的初始抗剪能力。

(3)通過增加鋼夾板長度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而加大有效膠接面積，提高接頭的剪切強(qiáng)度。

(4)通過絕緣夾板制作和現(xiàn)場裝配施工工藝改進(jìn)，進(jìn)一步提高了膠接絕緣接頭的整體剪切強(qiáng)度和電氣絕緣性能。

新型膠接絕緣接頭通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)營考驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合時(shí)速250km/h客運(yùn)專線的使用要求，為在我國鐵路提速200km/h以上區(qū)段和客運(yùn)專線上鋪設(shè)無縫線路提供了技術(shù)保障。