浅谈冶金企业钢轨夹板需求及设计思路
【摘 要】 通过对以莱钢集团公司为代表的冶金铁路现状和接头病害的系统分析，针对接头夹板的特殊要求。分析了莱钢目前所使用的各种夹板的状况，并对缺陷进行了综合分析。确定了冶金企业夹板需求的方向，并针对近几年莱钢通过利用修复、设计改进的夹板进行的分析和现场应用所取得显著效果的展示，阐述了莱钢铁路在“以科技创新”战略指导下，依靠内部挖潜、自主创新的发展历程，同时也为冶金铁路的永续发展提出了新的课题。
【关键词】 冶金铁路钢轨夹板 需求 现状 设计 构想 实施
1 冶金铁路状况及对夹板的特殊要求
冶金企业厂矿铁路是连接原燃料、钢、铁、材各工艺生产环节的主要运输形式，其平纵断面设计一般都是以钢铁生产工艺生产线布置为主体，结合其所处地理位置和地势而修建。特别是像莱钢由于建设之初，运量少、轴重小、运行速度低以及受地形限制，呈现曲线多，道岔多、平交道口多、道岔型号多、道岔型号小、曲线半径小的不利现状。随着92年以来，我厂运量大幅增加使列车牵引重量和密度提高、轴重加大，使铁路线路钢轨、道岔磨耗加剧、路基道床病害突显，而钢轨接头是用接头夹板和接头螺栓将两根钢轨连接在一起的。由于存在轨缝λ和夹板抗弯刚度比ξ（夹板抗弯刚度占钢轨母材抗弯刚度的比例）只有1/4～1/3，车轮通过时，将产生剧烈冲击，钢轨承受的冲击力约是无接头处钢轨的2～3倍[1-2]。在速度相同情况下，轴重越大，冲击力越大，对轨道结构和下部基础破坏力越大。因此，钢轨接头是轨道结构的一个薄弱环节。莱钢拥有铁道线路铁路九十多公里，全部为12.5m或25m钢轨连接而成的有缝铁路，有大约15000个钢轨接头。每年在接头整治方面，要进行很多维修作业。 为适应周转频率高、货运量大的运输需求，保证轨道设备与运输需求同步发展，整体提高莱钢铁路安全状态，就需要从多方面整治钢轨接头病害。研究和实践表明，夹板的强度、刚度的不足所造成的钢轨接头结构上的薄弱，破坏了轨条在纵向的连续性。当车轮压低钢轨的送轮端时，钢轨的迎轮端有抬高趋势，形成台阶。荷载作用下钢轨接头处的扰曲不是连续曲线，而是折线。轨缝、台阶、折角同时出现都将产生轮轨冲击，从而增大接头处的附加动力。
2 莱钢目前所使用夹板的现状
莱钢目前所使用的夹板根据铁路情况，大体分为以下3种。
2.1 普通夹板
莱钢现使用的普通夹板分为普通型和绝缘型。根据不同的轨型，有P43、P45、P50、P60等型号。从材质方面，根据取样分析，目前我厂使用的夹板大部分材质为55#钢轧制品。该型号钢材为高强度中碳钢，经处理后有高的表面硬度和强度，但塑性、韧性较差，切削加工性能中等，焊接性、淬透性差，水淬具有形成裂纹的倾向。一般在正火或淬火后使用，用作要求较高的强度和耐磨性或弹性、动载荷及冲击负荷不大的零件。由于夹板生产厂家热处理工艺处理参差不齐，个别夹板在使用中存在断裂的现象，尤其是冬季较为寒冷，夹板发生断裂的频率增多。
2.2 异型夹板
当连接两根不同型式的钢轨时采用异型接头夹板；目前，我厂线路使用的异型夹板有P43/50、P45/50等型号。由于两种钢轨断面形状不同，夹板必须进行异型断面加工。根据调查，我厂使用的异型夹板大部分均为通用型改进加工，一种是通过热压、将孔距进行修补改进；另一种则是利用通用型进行刨切加工，其中P45/50型大多为此种工艺加工。以上两种加工方式，都在原有夹板的基础上进行改进，虽然加工后外形基本上满足了钢轨密贴要求，但是在加工过程中，对原有的夹板进行了外力加工和机械加工，使部分断面处产生了组织的破坏和应力集中，在使用中容易发生断裂。而对于孔加工中，采用的焊补再加工，使夹板的脆性增加，也容易产生裂纹。
2.3 加强型减振夹板
钢轨减振接头夹板的结构及减振作用原理是将每根钢轨联结在一起的接头联接件，它不直接受到轮载的压力。它不但起到钢轨的联结作用，而且另一个更大的作用是在钢轨联接处轨头区域外侧直接接受车轮的压力，与钢轨同时接受轮载力。减振夹板安装在钢轨的外侧，其结构型式是在原夹板的基础上进行局部改进和加强，增加了能够承受轮载的部分。这一部分在轨缝处起到了“桥梁”作用，当车轮在通过轨缝处时，车轮的外部踏面轧在外侧的夹板上通过。
3 对夹板设计构想及实施
根据莱钢现有的铁路结构和近几年对夹板研究攻关，目前我们从夹板的修复、研制等方面做了一些工作，具体的思路为：对原有的部分夹板进行修复使用，同时针对特殊的线路要求，从进一步提高夹板的强度、耐磨性、多样性入手，自行设计加工抗冲击、可修复性加强型减振组合夹板，以提高线路的安全性。
3.1 夹板的修复
自2011年以来，运输部针对P60型加强型减振夹板进行了修复攻关，通过设计制作减振夹板修复工装，完善修复工艺，有效解决了减振夹板磨损后报废的窘境；探索实施夹板修复与钢轨低塌接头综合治理工艺，采用较为经济的J606焊条，对夹板焊接尺寸0.5mm——1mm预留量，通过机车车轮碾压，其内部组织变细密，表面强度更高；通过查阅、计算机车轮对踏面斜度，和车轮经过钢轨的接触位置，将减振夹板高度外侧尺寸要高于钢轨1mm，并根据钢轨的磨耗情况进行各种匹配尺寸的夹板修磨。
3.2 加强型减振夹板设计加工
对钢轨断面形状进行分析，利用钢轨轨顶下底坡和轨底上低坡作为接触承压面，利用轨头侧面密贴设计，通过计算设计，利用废钢轨通过刨切、修磨等措施，自行设计加工出了出了新的替代品。该自制夹板强度高、耐磨性好，磨损后使用钢轨焊条焊补，可多次循环使用。经过近一年的安装使用，效果明显优于市场上同等功能的外购成品。目前，该技术已经发展到P50、P60型两种钢轨减振夹板的加工，今后有望在所有线路尽头推广（图1）。
3.3 异型加强型减振夹板组合
莱钢编组区2股铁道线路，有一段线路钢轨是P45和P50两种钢轨共线，采用了购买的异型夹板，在使用过程中频繁出现断裂。为此根据减振夹板的原理，设计制作了异型加强型减振组合，该夹板由于应用于异型钢轨，而且受钢轨内侧受机车轮缘的影响，必须设计内外配套的组合式夹板，外侧夹板为加强减振结构，内侧夹板为加强型结构。夹板同样采用钢轨刨切加工，由于两侧夹板都具有加强作用，且外侧夹板具有独特的减振设计，夹板的强度、使用寿命明显提高。