高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置及制作和安装方法
【专利摘要】本发明高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置，包括第一连接钢轨段、第二连接钢轨段，第一连接钢轨段中的第一端轨头上沿纵向设置有活塞式缸体、位于轨头顶面且与活塞式缸体顶部相通的上V型槽、位于轨底上的V型下梳齿，第二连接钢轨段中第一端轨头上有与活塞式缸体滑动配合的活塞、与上V型槽滑动配合的V型凸起上梳齿，第二连接钢轨段轨底上有与V型下梳齿滑动配合的下V型槽。本发明装置推广性强，可伸缩、抗弯曲、抗错位和降噪声。本发明还提供了高速铁路刚性伸缩型轨道的制作方法和安装方法。
【专利说明】
高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置及制作和安装方法
[0001 ] 技术领域:
本发明涉及一种可伸缩、抗弯曲、抗错位和降噪声的高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置及制作方法和安装方法。
[0002]【背景技术】:
我国高速铁路发展迅速，已建成营运的高速铁路里程已达1.9万公里，“四纵四横”骨干高速铁路网基本形成。在建高速铁路总里程约11000公里，规划到2020年高速铁路营运里程将达到3万公路。随着营运高速铁路里程的迅猛增加，轨道的养护与维护、病害监测与检测诊断定位、病害修复与耗损铁轨更换等工作量激剧增加。其中，病害修复及铁轨更换严重影响高速铁路的营运，甚至造成巨大的灾难性损失或间接的经济损失。据统计，普通铁路1980年断轨达1257根，换轨达2616km; 1986年断轨达1211根，换轨达4005km; 1990年断轨达751根，换轨近5000km; 1992年断轨达580根，换轨5000多km。随着重载货车线载荷量和列车通过频次的增加，近年来即使因钢轨炼制技术和缺陷探测技术水平的提高，轨道原伤率不断降低，轨道损伤检出率不断提高，但是轨道损伤事件和断轨总量不断增加，这就增加了断轨引发灾难性事件发生的潜在危险性。
[0003]断轨的原因多是轨道在原始缺陷(炼制、运输及安装等因素造成)基础上，受周期性温度变化产生的附加应力和列车等交变复杂应力状态作用下，以及路基“意外”变形产生的附加应力作用下，钢轨原始缺陷扩展，或者超限变形，或者疲劳变形破裂造成的。为了解决此类问题，目前所采用的轨道连接技术如下。
[0004](I)短钢轨轨道连接技术。该技术是沿轨道间隔数十米(一般25m)设置伸缩缝，钢轨端面平头，钢轨端部两侧设置两块钢质夹板，用沿线路方向可移动的螺栓(配合钢轨及夹板上的条形螺孔)将两根钢轨连接在一起，即“平头夹板式”轨道连接技术。以解决轨道温度等因素引起的附加应力。另一方面，螺栓孔对轨道端段的削弱和冲击荷载作用，又使伸缩缝两侧轨道端段断裂的几率增加，进而增加了轨道断裂的风险。据统计60%以上的钢轨破损发生在钢轨接头处，其修理费用约占线路全部养护费用的70%。
[0005](2)长钢轨大间隔伸缩缝轨道连接技术。该技术类似于传统的“平头夹板式”轨道连接技术，只是采用低膨胀率的短钢轨，焊接成长钢轨，伸缩缝设置的间隔距离较大，达数百米至十余公里。该轨道连接技术一定程度上解决了“短钢轨轨道连接技术”存在的噪声问题和轨缝段钢轨变形、强度和刚度不连续的结构问题。但是轨道出现了一定程度的温度应力问题。
[0006](3 )无缝轨道连接技术。该技术是在“长钢轨大间隔伸缩缝轨道连接技术”基础上，进一步采用材质更优，膨胀率更低的短钢轨，焊接为长钢轨，伸缩缝设置的间隔距离进一步加大，达数十公里至数百公里。该轨道连接技术进一步解决了“短钢轨轨道连接技术”存在的噪声问题，以及其它诸如轨缝段钢轨变形、强度和刚度不连续的结构问题，但是轨道温度应力问题更加突出。
[0007](4)钢轨温度应力放散轨道连接技术。该技术是在长轨道和无缝轨道钢轨两端设置钢轨伸缩接头，钢轨能自动滑移变形散放温度应力;或者人工定期松开扣件，让钢轨自由变形释放温度应力的技术。该技术允许长轨条自由伸缩，放散钢轨温度应力，降低了钢轨断裂的几率。
[0008](5)钢轨伸缩调节器轨道连接技术。该技术是沿线路一定间隔距离，或者桥梁线路段设置单向或双向“削竹式”钢轨伸缩调节器，通过调节器两侧钢轨相对错动滑移，实现轨道的伸缩变形位移，最大可调节位移能达到1000mm。这样能够减小钢轨热涨变形产生的温度应力问题。
[0009](6)无缝钢轨热膨胀变形强制约束轨道连接技术。该技术是利用扣件将钢轨牢牢地固定在轨枕上，因钢轨与轨枕之间，轨枕与轨道板之间，轨道板与路床之间和路床与路基之间形成的摩擦阻力或者变形抗力，分散控制钢轨在线路纵向的膨胀压缩或拉伸变形，强制其向钢轨横向(截面内周向)变形，不至于钢轨在其纵向上的变形积累在局部，而产生弯曲变形或断裂的一项技术。
[0010]现有高速铁路无缝轨道连接技术所面临的难题:
在高速铁路轨道安装调试中，即使采用上述长轨或无缝轨道连接技术和放散钢轨温度应力技术，以及安装钢轨伸缩调节器轨道连接技术，但这些轨道连接技术也存在各自的技术难题。
[0011](I)自动或人工散放钢轨温度应力技术。对于自动散放钢轨温度应力技术，因钢轨伸缩接头结构复杂，现已较少使用;对于人工散放钢轨温度应力，每次作业需要耗费大量的劳力和时间，作业很不方便，因高速铁路“天窗”时间短，限制了该技术的推广应用。
[0012](2)国内外常用的“竹削式”钢轨伸缩调节器轨道连接技术。因“竹削式”钢轨伸缩调节器产生纵向相对位移时，横向将产生“膨胀”，对此如果控制不到位会引起轨距的变化，甚至使轨距超出容许范围，导致列车运行安全风险的增加。
[0013](3)在高速铁路轨道安装调试中，即使采用上述综合的轨道连接技术，但对于昼夜和季节性温差变化较大的北方或高原地区，或者路基变形敏感地段，仍然不能完全解决钢轨因温度变化和其它因素引起的附加应力问题。如沪宁线上303km长的无缝钢轨，要解决热胀冷缩问题仅靠数量不多的钢轨伸缩接头缝隙是不够的。
[0014](4)无缝钢轨热膨胀变形强制约束轨道连接技术，在一定程度上能够解决钢轨热膨胀等因素引起的压缩变形局部集中的问题，但在解决钢轨极端情况(如温差较大地区和路基局部较大变形地段)下的拉伸变形甚至断裂问题非常有限。
[0015](5)上述轨道连接技术，特别是长钢轨或无缝轨道连接技术，以及无缝钢轨热膨胀变形强制约束轨道连接技术，其重点在于解决钢轨热膨胀产生的温度压缩应力和制动产生的钢轨压缩应力问题。对于昼夜温差较大的北方或高原地区和路基变形敏感地段，因长钢轨或无缝轨道钢轨频繁的收缩变形和路基的不均匀沉降变形，在钢轨结构中将会产生由钢轨轴向拉伸应力、弯曲局部张应力与剪切应力和轴向扭转剪切应力构成的复杂应力状态。在此基础上钢轨受到列车车轮频繁的横向交变荷载作用下，钢轨炼制过程中存在的原始缺陷和后期安装、调试和运行过程中产生的次生缺陷，产生扩展断裂的几率和风险性将大大增加。钢轨的张剪性断裂与压剪性破断相比更具有突发性，并且其随机性更强，探测定位难度更大。
[0016]
【发明内容】
:
本发明的目的是针对目前高速铁路长钢轨和无缝轨道面临的上述难题，本发明的目的是为了提供一种推广性强的可伸缩、抗弯曲、抗错位和降噪声的高速铁路轨道刚性伸缩型轨道连接装置。本发明的另一个目的是为了提供这种轨道连接装置的制造方法。本发明的再一个目的是为了提供这种轨道连接装置的安装方法。
[0017]本发明的目的是这样来实现的:
本发明高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置，包括第一连接钢轨段、第二连接钢轨段，第一连接钢轨段中的第一端轨头上沿纵向设置有活塞式缸体、位于轨头顶面且与活塞式缸体顶部相通的上V型槽、位于轨底上的V型下梳齿，第二连接钢轨段中第一端轨头上有与活塞式缸体滑动配合的活塞、与上V型槽滑动配合的V型凸起上梳齿，第二连接钢轨段轨底上有与V型下梳齿滑动配合的下V型槽。
[0018]上述的第一连接钢轨段第二端、第二连接钢轨段第二端上分别有标准连接段、加强段、过渡段，过渡段的长度为所在连接钢轨段的长度的0.2—0.3倍，加强段的轨头高度分别为待连接轨道的轨头高度的1.2—1.8倍，加强段的轨腰高度、厚度分别为待连接轨道的轨腰的高度、厚度0.7—0.9倍、1.2—1.8倍，保证钢轨连接装置轨段的强度和刚度，保证钢轨连接装置轨段总高度与同类型标准轨总高度一致，轨底断面保持不变，与相应类型标准轨断面相同。
[0019]本发明高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置的制造方法，包括以下步骤:
(1)根据铁路规范及标准要求，确定相应类型钢轨和高速列车荷载强度，将连接装置钢轨段分别在水平面内和竖直面内简化为三齿相向组合梁，两端固定或铰支，上侧受竖向列车等效线荷载作用，钢轨之下的轨枕简化为弹性地基支撑的模型，根据组合梁截面实际形状及尺寸，断面面积和极惯性模量等价原理，确定相应规格钢轨梳齿状组合梁断面矩形等效尺寸；
(2)根据步骤(I)确定的等效组合梁模型和尺寸，计算内力；依据结构安全度要求判断其安全性，如果不满足规范规程要求，调整组合梁尺寸，再行计算直至满足安全性要求为止；
(3)根据梳齿状矩形组合梁等效尺寸，反算连接装置加强段钢轨实际断面形态下所需要的尺寸，并利用有限元数值分析法进行结构模拟计算，验证理论计算结果，即考虑其变换在结构力学上的差异，通过数值计算或结构力学试验确定其修正系数，必要时调整参考有限元数值计算结果再次调整连接装置轨段钢轨截面尺寸，直至满足变形、强度和刚度变化连续和平顺为止；
(4)根据单个轨道连接装置所需要的最大伸缩量，计算设计轨道连接装置所需长度；
(5)按照上述步骤确定的连接装置尺寸，设计制作锻造模具，按照同类规格钢轨炼制质量控制参数选择钢胚，进行铸造；
(6)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，对铸件进行外表打磨加工，使其满足相应类别钢轨技术标准的要求；
(7)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，对轨道连接装置中的活塞式缸体进行机械加工，机械加工精度和要求的相应过盈量，应满足机械加工技术规范要求；
(8)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，对连接装置中的活塞进行机械加工；
(9)将加工制作好的零件，形成“高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置”。
[0020]上述的高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置的制造方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)将装配好的轨道连接装置，置于平坦地面或平台，进行伸缩性及活动性测试及调试;要求轨道连接装置既具灵活自如的伸缩特性，在一定精度下又具一定的方向性，无明显的横向晃动特性；
(2)根据轨道设计需要，将轨道连接装置与相应类型的普通钢轨对焊相连。两端分别焊接在两侧普通钢轨上，置于轨道板的轨道槽中；
(3)预留:伸缩缝宽度
(4)其余工作步骤和要求与普通轨道安装和调试一致。
[0021]本发明轨道连接装置中第一连接钢轨段缸体是在全活塞缸体结构基础上，为了解决轨面上车轮滚动平顺过渡和钢轨纵向自由伸缩位移空间问题，在轨面设置“V”形开口从而形成半活塞式缸体，解决了轨面上车轮滚动平顺过渡、钢轨纵向自由伸缩位移空间问题和横向限制其位移问题，在第二连接钢轨段的轨面设置“V”形凸起上梳齿，与半活塞式结构缸体构成半活塞式可自由伸缩结构，形成了钢轨纵向自由滑移的轨头半活塞式缸体结构。轨底“V”字形自由伸缩结构、为了限制钢轨纵向自由伸缩位移过程中，轨底产生侧向超限位移，轨底伸缩缝设置成“V”字形形态，即轨底“V”字形自由伸缩结构，活塞缸体“V”字形开口、活塞柱体(芯)“V”字形凸起体和轨底“V”字形结构，共同构成了半活塞式自由伸缩结构在水平面上的“梳齿”状形态。为了保证钢轨在竖直剖面内的强度和刚度，在列车车轮竖向碾压交变荷载作用下列车运行的平顺性，在钢轨竖直剖面内设置“燕尾槽”形齿状，槽和齿的端部预留伸缩缝供钢轨纵向自由伸缩变形位移，矩形燕尾槽与矩形齿共同构成钢轨竖直平面内的钢轨竖直平面内的“梳齿状”结构与水平面上的“梳齿状”结构，共同构成钢轨“双梳齿状”自由伸缩结构，该“半活塞式一双梳齿状”结构在水平及竖直平面内具有一定的刚度，便形成为“半活塞式一双梳齿状一刚性伸缩型轨道连接装置”。
[0022]本发明装置可伸缩、抗弯曲、抗错位、降噪声效果好，解决了已有的轨道连接技术尚未解决的难题，推广性强。本发明制作方法能保证装置的制作质量。本发明的安装方法方便简单。
[0023]【附图说明】:
图1为本发明连接装置分离示意图。
[0024]图2为本发明连接装置结构示意图。
[0025]图3为图2的俯视图。
[0026]图4为第一连接钢轨段结构示意图。
[0027]图5为图4的左视图。
[0028]图6为图4中的A—A剖面图。
[0029]图7为图4中的B—B剖面图。
[0030]图8为图4中的C一 C剖面图。
[0031]图9为图4中的俯视图。
[0032]图10为第二连接钢轨段结构示意图。
[0033]图11为图10的左视图。
[0034]图12为图10中的D—D剖面图。
[0035]图13为图10中的E—E剖面图。
[0036]图14为图10中的F—F剖面图。
[0037]图15为图10中的俯视图。
[0038]图16为连接装置轨道安装示意图。
[0039]图17为图16中的J—J剖视图。
[0040]图18为图16中的K一K剖视图。
[0041]【具体实施方式】:
参见图1?图15，本实施例高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置，包括第一连接钢轨段1、第二连接钢轨段2。第一连接钢轨段中的第一端轨头3上沿纵向设置有活塞式缸体4、位于轨头顶面且与活塞式缸体顶部相通的上V型槽5、位于轨底上的V型下梳齿6。第二连接钢轨段中第一端轨头7上有与活塞式缸体滑动配合的活塞8、与上V型槽滑动配合的V型凸起上梳齿
9。第二连接钢轨段轨底10上有与V型下梳齿滑动配合的下V型槽11。第一连接段第二端、第二连接钢轨段第二端上分别有第一标准连接段12、第一过滤段13、第一加强段14、第二标准连接段15、第二过渡段16、第二加强段17。第一过渡段的长度为第一连接钢轨段的长度的
0.2倍，第二过渡段的长度为第二连接钢轨段的0.2倍。第一连接钢轨段、第二连接钢轨段加强段的轨头高度分别为待连接轨道加强段的轨头高度的1.5倍。第一连接钢轨段、第二连接钢轨段加强段的轨腰高度、厚度分别为待连接轨道的加强段轨腰高度、厚度的0.8倍、1.5倍。
[0042]本实施例高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置的制造方法，包括以下步骤:
(1)根据铁路规范及标准要求，确定相应类型钢轨和高速列车荷载强度，将连接装置钢轨段分别在水平面内和竖直面内简化为“三齿相向组合梁”，两端固定或铰支，上侧受竖向列车等效线荷载(考虑动力效应)作用，钢轨之下的轨枕简化为弹性地基支撑的模型，根据组合梁截面实际形状及尺寸，断面面积和极惯性模量等价原理，确定相应规格钢轨梳齿状组合梁断面矩形等效尺寸；
(2)根据第(I)步确定的等效组合梁模型和尺寸，计算内力；依据结构安全度要求判断其安全性，如果不满足规范规程要求，调整组合梁尺寸，再行计算直至满足安全性要求为止；
(3)根据梳齿状矩形组合梁等效尺寸，反算轨道连接装置加强段钢轨实际断面形态下所需要的尺寸。并利用有限元数值分析法进行结构模拟计算，验证理论计算结果，即考虑其变换在结构力学上的差异，通过数值计算或结构力学试验确定其修正系数，必要时调整连接装置轨段实际钢轨截面尺寸。参考有限元数值计算结果再次调整连接装置轨段钢轨截面尺寸，直至满足变形、强度和刚度变化连续和平顺为止；
(4)根据单个伸缩连接装置所需要的最大伸缩量，计算设计连接装置所需长度；
(5)按照上述步骤确定的连接装置尺寸，设计制作锻造模具，按照同类规格钢轨炼制质量控制参数选择钢胚，进行铸造；
(6)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，按照图1?图15示意图件，对铸件进行外表打磨加工，使其满足相应类别钢轨技术标准的要求；
(7)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，按照图4?图9中零件示意图，对连接装置中的半活塞式轨段缸体进行机械加工。其中部件端部加工需要车床;槽面和“V”字形口端面需要铣床和刨床等进行机械加工;缸体内部加工需用镗床完成。机械加工精度和要求的相应过盈量，应满足机械加工技术规范要求；
(8)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，按照图10?图15中零件示意图，对连接装置中的半活塞式轨段柱体(芯)进行机械加工。其中，部件端部加工需要车床;凹面和“V形键”侧面需要铣床和刨床等机械器具进行加工;柱体四周表面加工需用洗床完成；
上述零部件机械加工也可利用数控机床完成；
(9)将加工制作好的零件，按照图1?图15所示进行装配，形成“半活塞式一双梳齿状一刚性轨道伸缩型连接装置”。
[0043]参见图16?图18，本实施例高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置的安装方法，包括以下步骤:
(I)将装配好的连接装置，置于平坦地面或平台，进行伸缩性及活动性测试及调试;要求连接装置既具灵活自如的伸缩特性，在一定精度下又具一定的方向性，无明显的横向晃动特性。
[0044](2)根据轨道设计需要，将轨道连接装置与相应类型的普通钢轨对焊相连。第一连接钢轨段第二端、第二连接钢轨段的第二端分别焊接在两侧普通钢轨上，置于轨道板18的轨道槽中；
(3)伸缩缝宽度的预留，根据气候、铺轨安装时的气温等因素确定。在南方，安装气温低时，伸缩缝应留宽一些;安装气温高时可留小一些。在北方或高原地区，相同安装条件下伸缩缝预留值相应要大一些；
(4)其余工作步骤和要求与普通轨道安装和调试一致。自由伸缩连接装置养护和维护中，重点应注意其内部预留缝隙不能被杂物堵塞，特别是较为坚硬的杂物堵塞。
[0045]上述实施例是对本发明的上述内容作进一步说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置，其特征在于包括第一连接钢轨段、第二连接钢轨段，第一连接钢轨段中的第一端轨头上沿纵向设置有活塞式缸体、位于轨头顶面且与活塞式缸体顶部相通的上V型槽、位于轨底上的V型下梳齿，第二连接钢轨段中第一端轨头上有与活塞式缸体滑动配合的活塞、与上V型槽滑动配合的V型凸起上梳齿，第二连接钢轨段轨底上有与V型下梳齿滑动配合的下V型槽。2.如权利要求1所述的高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置，其特征在于第一连接钢轨段第二端、第二连接钢轨段第二端上分别有标准连接段、过渡段、加强段，过渡段的长度为所在连接钢轨段的长度的0.2—0.3倍，加强段的轨头高度为待连接轨道的轨头高度的1.2—1.8倍，加强段的轨腰高度、厚度分别为待连接轨道的轨腰高度、厚度的0.7—0.9倍、1.2—1.8倍。3.高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置的制造方法，其特征在于包括以下步骤: (1)根据铁路规范及标准要求，确定相应类型钢轨和高速列车荷载强度，将轨道连接装置钢轨段分别在水平面内和竖直面内简化为三齿相向组合梁，两端固定或铰支，上侧受竖向列车等效线荷载作用，钢轨之下的轨枕简化为弹性地基支撑的模型，根据组合梁截面实际形状及尺寸，断面面积和极惯性模量等价原理，确定相应规格钢轨梳齿状组合梁断面矩形等效尺寸； (2)根据步骤(I)确定的等效组合梁模型和尺寸，计算内力；依据结构安全度要求判断其安全性，调整组合梁尺寸，再行计算直至满足安全性要求为止； (3)根据梳齿状矩形组合梁等效尺寸，反算连接装置加强段钢轨实际断面形态下所需要的尺寸，并利用有限元数值分析法进行结构模拟计算，验证理论计算结果，即考虑其变换在结构力学上的差异，通过数值计算或结构力学试验确定其修正系数，必要时调整参考有限元数值计算结果再次调整连接装置轨段钢轨截面尺寸，直至满足变形、强度和刚度变化连续和平顺为止； (4)根据单个轨道连接装置所需要的最大伸缩量，计算设计轨道连接装置所需长度； (5)按照上述步骤确定的轨道连接装置尺寸，设计制作锻造模具，按照同类规格钢轨炼制质量控制参数选择钢胚，进行铸造； (6)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，对铸件进行外表打磨加工，使其满足相应类别钢轨技术标准的要求； (7)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，对轨道连接装置中的活塞式缸体进行机械加工，机械加工精度和要求的相应过盈量，应满足机械加工技术规范要求； (8)根据铁路相关技术规范和相关机械加工技术规范，对轨道连接装置中的活塞进行机械加工； (9)将加工制作好的零件装配形成高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置。4.高速铁路刚性伸缩型轨道连接装置的制造方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将装配好的轨道连接装置置于平坦地面或平台，进行伸缩性及活动性测试及调试；要求轨道连接装置既具灵活自如的伸缩特性，在一定精度下又具一定的方向性，无明显的横向晃动特性； (2)根据轨道设计需要，将轨道连接装置与相应类型的普通钢轨对焊相连，第一连接钢轨段的第二端、第二连接钢轨段的第二两端分别焊接在两侧普通钢轨上，置于轨道板的轨道槽中； (3)预留伸缩缝宽度 (4)其余工作步骤和要求与普通轨道安装和调试一致。
【文档编号】E01B29/17GK106049197SQ201610597411
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610597411.2, CN 106049197 A, CN 106049197A, CN 201610597411, CN-A-106049197, CN106049197 A, CN106049197A, CN201610597411, CN201610597411.2
【发明人】邓荣贵, 钟志彬, 吕蕾, 孙怡, 尹静, 邵康, 陈 光, 王园园, 张颖, 陈拔进, 冯伟, 王拓, 杜亚宇, 王振永, 陈泽硕
【申请人】西南交通大学