CN1958954B - 伤损钢轨及焊接接头修复技术和器材 - Google Patents
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Abstract
本发明开创采用预防性、补强性加固修复伤损钢轨及焊接接头的新技术，在不锯切钢轨、不插入短钢轨和不钻螺栓孔的情况下，加固修复轻伤钢轨或焊接接头(1)，在不锯切钢轨、不插入短钢轨的情况下，加固修复重伤(含已折断)钢轨及焊接接头(7)的方法、配套器材，它包括：碳纤维布(2)、常温快固胶(3)、防老化保护膜(4)、夹板模具(5)、强力夹具(6)、加肋高强夹板(8)、玻璃纤维布胶层(9)和经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)，其中夹板模具(5)和加肋高强夹板(8)为关键性器材。本发明克服了既有技术“外科手术”似修复处理的缺点，延长钢轨及焊接接头的使用寿命，低成本、节能源、无公害、且提高铁路行车安全的可靠性。
Description
技术领域
本项发明用于铁路轨道(包括地铁轨道)上，提供一种加固修复伤损钢轨及焊接接头的方法和配套器材。突出特点是不锯切线路上钢轨、不插入短钢轨的情况下，进行预防性和补强性的加固修复，使之恢复到正常钢轨或焊接接头等同的强度，延长钢轨及焊接接头使用寿命，节约材料和费用，提高铁路行车安全的可靠性。
背景技术
2006年中华人民共和国铁道部颁布的《铁路线路修理规则》第4.6.10条对采用现有技术处理修复有伤钢轨及焊接接头作如下规定：一、探伤捡查发现钢轨或焊缝有重伤时，不待断裂，则切除重伤部位60mm，实施原位焊复，钢轨或焊接接头已折断，若切除断口折损部位不超过60mm，亦可进行原位焊复；二、当发现钢轨或焊接接头已折断，无法进行原位焊复时，则先采取紧急处理，在断缝处安装普通臌包夹板后，列车限速运行；其后采取临时处理，在伤损处切除钢轨长6m，在两锯口间插入长6m的同类型钢轨，轨端钻螺栓孔，上接头夹板后，列车按正常速度运行；最后采用永久处理，用不带螺栓孔的短钢轨将带螺栓孔的6m短钢轨换下，并焊接两个钢轨接头。至此，采用现有技术完成伤损钢轨焊接接头的永久修复。现有技术所采用的两个实施方案存在以下缺点：①原位焊复方案，实施此方案有一定条件限制，且应以锯切钢轨作为焊接修复的先决条件；②紧急处理、临时处理、永久处理方案，实施此方案更应反复锯切钢轨、插入短轨，至气候条件许可时才进行永久性的焊接修复。其缺点除无可避免要切除钢轨，大多数情况要插入短轨外，更主要的它是“外科手术”性质的处理和修复，由于它要锯切钢轨、插入短钢轨，最后重焊修复，工序繁复，而且现场焊接修复作业受到气候条件的限制，因而尽管现有铁路技术规范对伤损钢轨或焊接接头的处理修复已有规定，但每年国内外铁路干线上仍然有相当数量的钢轨或焊接接头发生折断后，难以及时作永久性修复，有时甚至酿成重大行车事故。本发明开创预防性和补强性加固修复钢轨及焊接接头的新思路，所提供的方法和器材可靠，能够克服现有技术所存在的缺点，节约材料、减少能耗，有利于环保，为铁路行车安全提供可靠保障，符合科学技术部关于枝术创新应符合4E(低成本Econboics、节能源Energy、无公害Environment、高性能Excellence)的要求。
发明内容
本项发明除伤损钢轨或焊接接头作为本体外，采用以下3种加固修复方法和配套器材：轻伤钢轨或焊接接头采用碳纤维布、常温快固胶、防老化保护膜、夹板模具和强力夹具等器材，在不锯切钢轨、不插入短钢轨、不钻螺栓孔情况下，采取预防方法加固修复；重伤钢轨或焊接接头采用加肋高强夹板、玻璃纤维布胶层、常温快固胶和经磷化皂化处理的高强度螺栓等器材，在不锯切钢轨、不插入短钢轨情况下，采取补强性方法加固修复，使伤损的钢轨或焊接接头与胶粘器材构成整体结构，增大强度和刚度，恢复和提高负载能力；已折断钢轨或焊接接头预先采用液压钢轨拉伸器张拉，将断缝挤严，然后采取与重伤钢轨或焊接接头相同的方法和配套器材加固修复。
作为本项发明主要有三项创新：
其一，开创预防性和补强性加固修复钢轨及焊接接头的新技术：在不锯切钢轨、不插入短钢轨、不钻螺栓孔情况下，加固修复轻伤钢轨或焊接接头；在不锯切钢轨、不插入短钢轨情况下，加固修复重伤钢轨或焊接接头；即使已折断的钢轨或焊接接头，使用液压钢轨拉伸器将轨缝挤严后，也可在不锯切钢轨、不插入短钢轨情况下，进行永久性加固修复。
其二，研制成功一种夹板模具，并采用碳纤维布和常温快固胶加固修复轻伤钢轨或焊接接头。碳纤维的抗拉强度和弹性模量极高，分别是钢轨钢的2.5～3.1倍和1.08～1.42倍，但撕裂强度、剪切强度很低，且轨道所受的交变动荷载很大，将碳纤维布用于钢轨或焊接接头的加固修复，提高碳纤维布与钢轨或焊接接头之间的胶粘强度是技术关键。本项发明研制成功的夹板模具与轻伤钢轨或焊接接头的轨颚、轨腰和轨底上表面几何形状一致，两者能完全密贴吻合，运用胶粘原理，采用高强度、高韧性常温快固胶，将碳纤维布与钢轨或焊接接头胶粘，通过夹板模具及与其配套的强力夹具施加压力，则两者之间形成极性基团而产生极强的粘接力，使碳纤维布的高弹性模量、高抗拉强度特性得以充分发挥作用，达到加固修复轻伤钢轨或焊接接头的技术要求。为防止长期运营胶层受酸、碱、湿热作用和紫外线幅射而老化，在碳纤维布的最外层胶粘一层防老化保护膜，因而使轻伤钢轨或焊接接头的加固修复保持长效。曾进行5次实物试件疲劳试验：经加固修复后的CHN60型钢轨轻伤铝热焊接头试件，在支距为1.0m、跨中施加集中荷载Fmax＝350kN、Fmin＝70kN的情况下，循环加载2×106次后，5次试验的试件均未折断，且探伤检查未发现原有伤损扩大，证明本项发明提供的轻伤钢轨或焊接接头加固修复方法和器材有效可靠。
其三，研制成功复合有玻璃纤维布胶层的加肋高强夹板，用于加固修复重伤及已折断的钢轨或焊接接头。由于重伤及已折断的钢轨或焊接接头已显著削弱或已失去负载能力，因而实施加固修复除应增强其抗拉、抗弯曲和抗剪切的强度外，还应提高其竖向和横向刚度，新研制的复合有玻璃纤维布胶层的加肋高强夹板与现有技术所采用的普通臌包夹板相比，不仅竖向和横向刚度较钢轨的原有刚度增大35.3％，更重要的是它的断面形状和几何尺寸作了改进，普通臌包夹板的腰部侧面设计成凹槽，不可能在其侧面涂抹胶粘剂后再复合玻璃纤维布胶层，则紧固锁定钢轨与夹板完全靠螺栓提供的紧固力，其抗剪力很小(试验测得其值≤600kN)，本项发明提供的加肋高强夹板，其侧面的几何尺寸与有伤钢轨焊接接头的颚、腰和上底面的几何尺寸相似，即使有焊筋的钢轨焊接接头也能紧密贴合，与钢轨的胶粘面积显著增大，锁定加肋高强夹板与伤损钢轨及焊接接头，螺栓提供的紧固力所起作用微小，而主要依赖夹板与钢轨之间的胶层提供量值很大的抗剪力(试验测得其值≥3000kN)，使加肋高强夹板、胶层与有伤钢轨及焊接接头构成一个整体结构。曾用7个有重伤的CHN60型钢轨和8个已折断的同类型钢轨焊接接头的实物试件进行静弯曲试验，在支距1.0m、跨中施加1600kN～1800kN竖向荷载的情况下，15个试件均未发生胶层脱开和夹板折断，TB/T1632.2《钢轨焊接第2部分闪光焊接》和TB/T1632.3《钢轨焊接第3部分铝热焊接》规定，CHN60型钢轨闪光焊接和铝热焊接接头静弯曲检验的破断荷载载分别为1450kN和1300kN，试验结果远高于检验标准，充分证明本项发明所提供的重伤和已折断的钢轨或焊接接头加固修复方法和器材可靠，效果良好，能提高铁路行车安全的可靠性。
本发明的效益：2004年底铁道部运输局公布的数据，我国已有焊接钢轨无缝线路40517km，又据调查每年每300km无缝线路平均有轻、重伤和断裂焊接接头5个(不包含钢轨母材)，采用前已介绍的现有技术“原位重焊”的方案修复一个焊接接头的材料费、机械设备折旧费、封锁线路运输损失费和工时费为3500元，采用前已介绍的现有技术“紧急处理、临时处理和永久性处理”的方案修复一个有伤焊接接头的材料费、机械设备折旧费、封锁线路运输损失费和工时费为6500元，每5个有伤焊接接头其中1个采用“原位重焊”，4个采用“紧急处理、临时处理和永久性处理”的方法修复，则每年用现有技术处理、修复有伤钢轨焊接接头所花各项费用总计为3921533.33元。而采用本项发明提供的方法和器材加固修复每一接头所花材料费、机械设备折旧费、封锁线路运输损失费和工时费用为2900元，如果全国铁路每年伤损钢轨焊接接头都用本项发明提供的方法和器材进行加固修复，则只需花费费用为1927533.33元，每年全国铁路可节约该项修复处理费用2025850元。该项发明所能产生社会效益更比经济效益突出，因为每天铁路上运行的列车装载着国家财产和全国东西南北四方八处的旅客，即使防止一次行车事故，其价值也无法用金钱来计算。应当认为本项发明除具有实用性和一定的经济效益外，更为突出的是社会效益。
附图说明
图1是本发明提供的用胶粘碳纤维布加固修复轻伤钢轨或焊接接头组装图。
图2是本发明提供的加固修复重伤及已折断钢轨或焊接接头的胶粘器材组装图。
图3是本发明提供的加固修复轻伤钢轨焊接接头器材中的的夹板模具立面图。
图4是本发明提供的加固修复轻伤钢轨焊接接头器材中的的夹板模具，为图2所示沿A-A线的剖面图。
图5是本发明提供的加固修复重伤及折断钢轨或焊接接头器材中的带玻璃纤维布胶层加肋高强夹板立面图。
图6是本发明提供的加固修复重伤及折断钢轨或焊接接头器材中的带玻璃纤维布胶层加肋高强夹板，为图5所示沿B-B线的剖面图。
具体实施方式
当钢轨或焊接接头探伤检查发现伤损，按不同性质伤损实施以下三种方式加固修复：
钢轨或焊接接头有轻伤——探伤检查发现轻伤钢轨或焊接接头，在图1上如(1)，可采用本发明提供的碳纤维布(2)、常温快固胶(3)、防老化保护膜(4)、夹板模具(5)和强力夹具(6)，在不锯切钢轨、不插入短钢轨、不钻螺栓孔的情况下，按以下步骤实施加固修复：
①封锁线路；②以轻伤钢轨或焊接接头(1)的有伤截面为中心前后各65cm，对轨腰、轨颚和轨底上表面进行打磨除锈；③在工作台上铺2张防老化保护膜(4)，并在2张防老化保护膜(4)上分别胶粘3张碳纤维布(2)；④在已完成打磨除锈的轨腰、轨颚和轨底上表面喷涂丙酮或丁酮，进行清洗；⑤分别在轻伤钢轨或焊接接头(1)的轨腰、轨颚、轨底上表面和2张带有防老化保护膜的碳纤维布(2)上，均匀涂抹常温快固胶(3)；⑥将带有防老化保护膜(4)、涂有常温快固胶(3)的碳纤维布(2)与轻伤钢轨或焊接接头(1)胶粘；⑦安装夹板模具(5)和强力夹具(6)；⑧紧固夹具螺栓；⑨待常温快固胶固化后，拆卸下夹板模具(5)和强力夹具(6)，完成加固修复。
钢轨或焊接接头有重伤——探伤检查发现重伤钢轨或焊接接头，在图2上如(7)，采用加肋高强夹板(8)、玻璃纤维布胶层(9)、常温快固胶(3)和经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)，在不锯切钢轨、不插入短钢轨情况下，按以下步骤实施加固修复：
①按本发明提供的加肋高强夹板设计图，加工一批加肋高强夹板，在图2上为(8)；②在加肋高强夹板(8)上涂抹胶粘剂，胶粘玻璃纤维布，则在加肋高强夹板上复合有一层玻璃纤维布胶层，在图2上为(9)；③封锁区间线路，在重伤钢轨或焊接接头(7)处按规定尺寸和要求钻螺栓孔；④以钢轨或焊接接头重伤截面为中心前后各65cm，对轨腰、轨颚和轨底上表面进行打磨除锈；⑤在重伤钢轨或焊接接头(7)的轨颚、轨腰、轨底上表面喷涂丙酮或丁酮，进行清洗后，涂抹常温快固胶
(3)；⑥在加肋高强夹板的玻璃纤维布胶层(9)面上也涂抹常温快固胶(3)，并将两者胶粘组装；⑦将经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)穿入螺栓孔，并用测力扳手紧固；⑧待常温快固胶(3)固化后，则完成加固修复。
钢轨或焊接接头已折断——检查发现已折断的钢轨或焊接接头，在图2上如(7)，同样采用加肋高强夹板(8)、玻璃纤维布胶层(9)、常温快固胶(3)和经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)，在不锯切钢轨、不插入短钢轨情况下加固修复。实施步骤与加固修复重伤钢轨及焊接接头相近，仅应在完成钻螺栓孔及轨腰、轨颚、轨底打磨除锈后，用液压钢轨拉伸器张拉钢轨，将断缝挤严，并调整轨顶的平直度，然后在已折断钢轨或焊接接头(7)的轨颚、轨腰、轨底上表面喷涂丙酮或丁酮，进行清洗后，涂抹常温快固胶(3)，同时也在加肋高强夹板(8)的玻璃纤维胶层(9)面上涂抹常温快固胶(3)，将两者胶粘组装后，在螺栓孔中穿入经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)，并用测力扳手紧固，当常温快固胶固化后，完成加固修复。
Claims (2)
1.一种钢轨及焊接接头的预防性加固修复方法，其特征在于：探伤检查发现轻伤钢轨或焊接接头(1)，采用碳纤维布(2)、常温快固胶(3)、防老化保护膜(4)、夹板模具(5)和强力夹具(6)，在不锯切钢轨、不插入短钢轨、不钻螺栓孔的情况下，按以下步骤实施加固修复：
①封锁线路；②以轻伤钢轨或焊接接头(1)的有伤截面为中心前后各65cm，对轨腰、轨颚和轨底上表面进行打磨除锈；③在工作台上铺2张防老化保护膜(4)，并在2张防老化保护膜(4)上分别胶粘3张碳纤维布(2)；④在已完成打磨除锈的轨腰、轨颚和轨底上表面喷涂丙酮或丁酮，进行清洗；⑤分别在轻伤钢轨或焊接接头(1)的轨腰、轨颚、轨底上表面和2张带有防老化保护膜的碳纤维布(2)上，均匀涂抹常温快固胶(3)；⑥将带有防老化保护膜(4)、涂有常温快固胶(3)的碳纤维布(2)与轻伤钢轨或焊接接头(1)胶粘；⑦安装夹板模具(5)和强力夹具(6)；⑧紧固夹具螺栓；⑨待常温快固胶固化后，拆卸下夹板模具(5)和强力夹具(6)，完成加固修复。
2.一种钢轨及焊接接头的补强性加固修复方法，其特征在于：探伤检查发现重伤钢轨或焊接接头(7)，采用加肋高强夹板(8)、玻璃纤维布胶层(9)、常温快固胶(3)和经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)，在不锯切钢轨、不插入短钢轨的情况下，按以下步骤实施加固修复：
①加工一批加肋高强夹板；②在加肋高强夹板(8)上涂抹胶粘剂，胶粘玻璃纤维布，则在加肪高强夹板上复合有一层玻璃纤维布胶层；③封锁区间线路，在重伤钢轨或焊接接头(7)处按规定尺寸和要求钻螺栓孔；④以钢轨或焊接接头重伤截面为中心前后各65cm范围，对轨腰、轨颚和轨底上表面进行打磨除锈；⑤在重伤钢轨或焊接接头(7)的轨颚、轨腰、轨底上表面喷涂丙酮或丁酮，进行清洗后，涂抹常温快固胶(3)；⑥在加肋高强夹板的玻璃纤维布胶层(9)面上也涂抹常温快固胶(3)，并将两者胶粘组装；⑦将经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)穿入螺栓孔后，用测力扳手紧固螺栓；⑧待常温快固胶(3)固化后，则完成加固修复。
当发现已折断的钢轨或焊接接头时，采用加肋高强夹板(8)、玻璃纤维布胶层(9)、常温快固胶(3)和经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)，在不锯切钢轨、不插入短钢轨的情况下加固修复。实施步骤与加固修复重伤钢轨或焊接接头相近，仅在完成钻螺栓孔及轨腰、轨颚、轨底打磨除锈后，用液压钢轨拉伸器张拉钢轨，将断缝挤严，并调整轨顶的平直度，在已折断钢轨或焊接接头(7)的轨颚、轨腰、轨底上表面喷涂丙酮或丁酮，进行清洗后，涂抹常温快固胶(3)，同时也在加肋高强夹板(8)的玻璃纤维胶层(9)面上涂抹常温快固胶(3)，将两者胶粘组装后，在螺栓孔中穿入经磷化皂化处理的高强度螺栓(10)，用测力扳手紧固，当常温快固胶固化后，则完成加固修复。
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