矿山铁路钢轨无损连接装置优化应用

蒋文娟

（晋控煤业集团铁路运营管理山西有限公司矿山铁路分公司，山西 大同 037001）

0 引言

近几年，随着矿山铁路全面提速，铁路干线车辆数量增多，矿山铁路安全维护对矿山安全运输起着重要作用，但是随着煤矿铁路干线运输车辆数量增加、行车速度缩短，造成铁路干线维护时间少、劳动作业强度，而铁路钢轨维护是重要一项内容，检测内容主要是规矩变形情况、轨道连接牢固情况等；钢轨鱼尾板是钢轨连接重要设施，固定和控制轨道间变形现象，但是由于传统钢轨连接鱼尾板承载强度有限，在使用时很容易出现变形现象，同时传统鱼尾板在使用时存在以下几方面问题：鱼尾板安装时需与钢轨之间进行焊接，焊接实际要求不得低于2 h，致使鱼尾板焊接质量差；传统鱼尾板安装时需对钢轨两端钻孔固定，对钢轨损伤严重；针对以上技术难题，矿山铁路公司通过技术研究，对传统钢轨固定方式进行优化，采用一套钢轨无损连接装置。

1 钢轨无损装置设计

矿山铁路钢轨无损装置主要由夹板和夹具组成，夹板共计2 块，通过夹具将2 块夹板固定在钢轨两侧并施加预紧力，从而达到固定钢轨目的；与传统鱼尾板相比，减少了对钢轨钻孔施工[1]。

1.1 夹板规格参数

1）为了提高夹板刚性，夹板采用42CrMo 高锰钢材料浇筑而成，夹板屈服强度不低于960 MPa，为了减小车轮对钢轨接头冲击破坏，在不影响夹板扣件安装的前提下，应保证夹板具有足够的纵向强度，且抗弯强度远远大于鱼尾板。

2）夹板长度主要根据铁路轨枕和扣件参数进行确定；矿山铁路轨道之间间距为0.6 m，误差在20 mm范围内；钢轨质量为60 kg/m，采用传统鱼尾板进行固定时长度为0.82 m，但是当轨缝在轨枕中间时采用夹板无法稳定固定，所以应根据轨缝位置及长度延长夹板长度，最终确定夹板长度为1.0 m。

3）为了保证夹板与夹具之间稳固性，将夹板外侧设置为锥形凹槽型，同时增加夹板横截面积可以提高夹板抗弯性能，实测该夹板抗弯性能是鱼尾板的2.1 倍。夹板安装时分别与钢轨轨头下颚和轨底上表面接触，为了保证夹板固定后具有较强的摩擦阻力，对其接触部分采取粗糙处理。

1.2 夹具

夹具主要对夹板施加预应力，确保夹具固定在轨道上；夹具主要由底座、压紧块、螺栓、螺母、平垫圈和弹簧垫圈等部分组成，如图1 所示，压紧块安装在底座两端，压紧块上安装螺栓、螺母、平垫圈和弹簧垫圈。

图1 钢轨无损连接装置夹具结构示意图

1.3 安装工序

钢轨无损装置安装示意图，如图2 所示。

图2 钢轨无损装置安装示意图

1）首先将2 块夹板分别安装在钢轨规定处，并将夹板斜面与钢轨下颚接触严实，夹板安装时两侧安装位置必须对称布置。

2）在进行夹具安装前固定螺栓处于松弛状态，将压紧块安装在联结底板一侧，并将联结底板安装在钢轨的底部，第一块压紧块安装后安装第二块，最后调整夹具位置使螺栓与夹板锥形凹槽，并对螺栓进行预紧[2-3]。

2 仿真模拟分析

为了验证在车辆通过钢轨轨缝时对夹板产生静载荷强度，以及夹板变形情况，根据实际钢轨长度建立三维仿真模型并进行模拟实验。

1）建立的模型中支架间距为1.5 m，支架上安装2 根长度为1.0 m 钢轨，钢轨轨缝位置位于支架中间为主，采用2 块长度为1.0 m 夹板以及4 个夹具进行预紧固定，夹具固定螺栓预紧力为210 kN，夹板与钢轨之间采用摩擦接触方式，摩擦因数设置为0.25。

2）在轨缝处施加垂直钢轨的载荷应力，应力值为200 kN，通过仿真模拟计算可得，在载荷应力作用下夹板所受最大垂向应力位于轨缝处，夹板中部位置变形严重；通过设定轨缝距离为0mm、5mm、10mm、15mm、20 mm 五种情况下，轨缝处夹板最大垂应力和变形量如表1 所示。通过表1 可知，在固定静载荷应力作用下，轨缝间距在0～15 mm 范围内随着轨缝间距增加，夹板所受最大应力及变形量也随之增加；当轨缝间距超过15 mm 后，应力及变形量不再变化，夹板承受最大应力为287 MPa，最大变形量为1.42 mm，而夹板屈服强度为960 MPa，满足要求[4]。

表1 不同轨缝夹板所受应力及变形量

3 室内对比试验分析

为了进一步验证钢轨无损连接装置抗弯性能及强度，对无损连接装置及鱼尾板在实验室分别进行剪切、静载荷和抗疲劳等试验，并进行对比分析。

3.1 试件参数及设备

1）试验对象：试验对象分别为鱼尾板钢轨接头和无损连接装置，鱼尾板试验配件由2 根长度为1.0 m、质量为60 kg/m 钢轨和2 块长度为0.86 m 鱼尾板组成；无损连接装置试验配件由2 根长度为1.0 m、质量为60 kg/m 钢轨和2 块长度为1.0 m 夹板以及4 个夹具组成。

2）试验设备：试验设备主要包括对试件施加载荷力的液压脉动试验机和微机控制电液伺服压力试验机，监测在载荷作用力下试件变形的位移传感器以及检测试件所受应力的电阻应变片等部分组成。

3.2 试验项目

1）抗剪试验：在进行抗剪试验时，鱼尾板和无损连接装置固定钢轨轨缝设置为10 mm，鱼尾板采用5根高强度螺栓固定并施加500 N·m 预紧力（最大预紧力），无损连接装置采用4 组夹具固定，施加螺栓预紧力为800 N·m。

2）静载荷试验：在进行静载荷试验时，分别设置轨缝间距为0 mm、5 mm、10 mm、15 mm 以及20 mm五种，在试验过程中实时监测夹板受力情况以及变形情况。

3）疲劳试验：在进行试件疲劳试验时，设置轨缝间距为8 mm，设置支座间距为1.0 m，疲劳载荷范围为40～200 kN，采用正弦波加载，加载频率为4～8 Hz，加载总次数为250 万次，每加载50 万次对试件外观进行一次检查[5]。

3.3 试验结果分析

1）通过抗剪试验发现：无损连接装置螺栓预紧力在800 N·m 时夹板与钢轨之间的摩擦阻力达到了874 kN，而鱼尾板规定螺栓预紧力在500 N·m 时鱼尾板与钢轨之间的摩擦阻力为627 kN，由此可见，无损连接装置固定后与钢轨之间稳定性更好。

2）在相同载荷作用下，随着轨缝增大，鱼尾板、无损连接装置所受应力逐渐增大，但是当轨缝增加至10 mm 以上时试件所受应力不再变化；当轨缝在5 mm、15 mm 时无损连接装置挠度大于鱼尾板，而轨缝在10 mm、20 mm 时无损连接装置挠度小于鱼尾板。

3）通过对试件进行疲劳试验发现，在进行疲劳试验过程中鱼尾板出现局部断裂、裂纹现象，但是无损连接装置未出现断裂，在加载第100 万次时鱼尾板、无损连接装置所受应力最大为288 MPa，在第100～200 万次时应力不再发生变化。

4 结语

晋控煤业集团铁路运营管理山西有限公司矿山铁路分公司针对铁路钢轨传统鱼尾板连接装置在实际应用时存在的问题，对其结构进行合理优化，采取了无损连接装置，改装投入使用后缩短了连接装置安装时间，避免了钢轨穿孔现象，装置刚度高、抗载荷能力强，能够使用矿山铁路多车次、多频率通车需求，取得了显著应用成效。