无缝钢轨实现的原理.docx

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无缝钢轨实现的原理

无缝钢轨实现的原理

材料1503马俊良

一、研究动机

我们生活在一个交通便捷的时代，纵横交错的铁路网络把祖国的广大土地连接在了一起，人们可以方便地乘坐火车出行。

特别是随着我国高速铁路的发展和运用，铁路客运的速度、效率有了很大的提高。

从北京到昆明，火车耗时从原来的34个小时缩短到10个小时。

高铁除了速度快，还有运行平稳，噪音小等特点，大大提高乘坐体验。

2009年12月26日武广高速铁路正式运营，设计时速350千米/小时，列车在如此高的速度下运行，即使把矿泉水瓶倒置在小桌板上也不会倒，同时列车运行中完全没有传统列车的有节奏的大声响，是什么技术会达到如此效果呢？

原因在于铁路建设中使用了超长无缝钢轨。

无缝钢轨，是将不钻孔、不淬火的10根或20根标准钢轨先在工厂焊接成200—500米的钢轨，人们俗称其为“长钢轨”，再用特别编组的运轨车运到铺设工地，焊接成1000~2000米的长轨铺设在线路上，通常称之为“铁路无缝线路”。

从而大大减少了“轨缝”，减少了由此产生的噪音，让旅客列车更加平稳、舒适。

如果没有加工、运输、施工方面的困难，从理论上讲，“无缝线路”可以无限长。

为了学习无缝钢轨的实现原理，查阅了大量的资料，对问题展开了学习和研究。

二、文献综述

当今世界各国铁路都在大力发展无缝线路（CWR—continuouslyweldedrails）。

所谓“无缝线路”，就是把不钻孔、不淬火的25m长的钢轨，在基地工厂用气压焊或接触焊的办法，焊接成200m到500m的长轨，然后运到铺轨地点，再焊接成1000m到2000m的长度，甚至更长的钢轨，铺到线路上就成为一段无缝线路，其特点是每段钢轨间不留轨缝。

与普通线路相比，无缝线路在其长钢轨段内消灭了轨缝，从而消除了车轮对钢轨接头的冲击，使得列车运行平稳，旅客舒适，延长了线路设备和机车车辆的使用寿命，减少了线路养护维修工作量。

据有关部门方面统计，无缝线路至少能节省15%的经常维修费用，延长25%的钢轨使用寿命，并能适应高速行车的要求，是轨道现代化的发展方向。

无缝钢轨是把25米长的钢轨焊接起来连成几百米长甚至几千米长，然后再铺在路基上，每隔很长一段距离才会有一个轨缝，而且每个轨缝仅有11毫米，当车轮行至两根钢轨接缝时，车轮踏面的一部分压在第一根钢轨上的同时，车轮踏面的另一部分同时压在第二根钢轨上了，使两根钢轨同时受力，使车轮平滑通过两钢轨接缝处，不产生振动，减少了噪音污染。

与普通铁轨相比，无缝铁轨由于消除了大量钢轨接头，因而消除了接头冲击力，磨损大大减少，减少了线路损害，节省了大量原材料，线路维修可节约费用30%—75%。

由于钢轨之间的无缝连接，消除了大量的轨缝，使得轨道变得平滑，行驶在无缝钢轨上的火车更加的平稳，提高了轨道的可靠性，因此火车的速度可以大幅度提高。

为了学习无缝钢轨的实现原理，查阅了大量的资料，并将它们进行归纳总结，形成了本文。

本文将从基本的原理出发，探究无缝钢轨的实现原理，焊接方法及养护措施。

三、研究方法和内容

3.1无缝铁路实现原理概述

正由于钢轨接头被焊接,轨条变长了,线路在外界温度变化要承受巨大的温度力,据测算，钢轨温度每改变1℃，每根钢轨就会承受1.645吨的压力或拉力。

因此铺设无缝线路的关键是设法克服长钢轨因轨温变化而产生的温度力问题。

现在解决热胀冷缩有两种方法，一种是长轨节自身承受全部温度应力，即将无缝线路上长钢轨的两端用钢轨联结零件和防爬设备加以强制性固定，其他部分也是采用强度大的中间联结零件和防爬设备使之紧扣于钢筋混凝土轨枕之上，称为锁定线路（图2）。

锁定时（即铺设或维修时）的钢轨温度称为锁定轨温。

当温度变化时，钢轨不能自由伸缩，只能在钢轨内部产生应力，这个力是由轨温变化引起的，叫做温度力，它均匀地作用在钢轨的全长上。

夏天轨温升高，钢轨内部产生压应力；冬天轨温降低，钢轨内部产生拉应力。

温度力F=250·Δt·s（s为钢轨断面积），所以温度力产生的压强只和轨温变化Δt有关。

可见，选择适当的锁定轨温，对无缝线路的强度和稳定性具有很大影响。

选择锁定轨温时，应使钢轨在冬季和夏季所受到的最大温度力尽量接近，一般采用稍高于本地区的中间轨温作为锁定轨温比较适宜。

例如，北京地区最高轨温为62.6℃，最低轨温为?

22.8℃，中间轨温为19.9℃，而设计时的锁定轨温一般采用24℃。

另一种解决热胀冷缩的方法是长轨节自身不承受温度应力，而以自动放散应力或定期放散应力。

“应力放散”就是在夏季或秋季，将钢轨切个口子释放能量，再根据公式计算出热胀的量对钢轨进行切割，使用拉伸机将缺口拉拢焊接，冬季采取相同方法解决冷缩问题。

3.2温度应力及温度力

一根不受任何限制而自由伸缩的钢轨,当轨温变化时,其伸缩量为:

式中:

a—钢的线膨胀系数,等于0.0000118,即每米长钢轨,当轨温变化1℃时,钢轨伸缩0.0000118，l—钢轨长度（米）；—轨温变化度数（℃）。

无缝线路的钢轨,中间接头被焊接,且其两端被扣件及防爬设备扣紧、锁定,不能白由伸缩。

当轨温变化时,无缝线路中部的钢轨就

无法伸缩,于是在钢轨内产生应力,根据虎克定律,钢轨内的应力为:

式中:

E—钢的弹性模量,等于2.l公斤/；其他符号意义同前。

把、E值代人上式,则:

也就是说,两端固定的钢轨,当轨温升高或降低1℃时,钢轨产生25公斤/的压应力或拉应力。

由于这个应力是由轨温变化引起的,所以通常称为温度应力。

而整根钢轨承受的由轨温变化引起的压力或拉力称为温度力。

由此,一根钢轨承受的温度力则为:

（公斤）（4）

S为钢轨的断面积,各定型钢轨的断面积值见表1。

钢轨类型

断面积）

P50

65.80

P43

57.00

P38

49.40

以每米50公斤钢轨为例，当轨温变化时,两端固定的钢轨所承受的温度力为:

即:

轨温变化1℃时,一股钢轨要承受1645公斤的拉力或压力。

所以,无缝线路中的钢轨,随轨温变化,要承受巨大的温度力,这是无缝线路非常重要的一个特点,也是无缝线路设计、施工及维修养护工作中必须考虑的一个特殊矛盾。

由于铁路线路固定区内的钢轨紧固件约束并限制其热胀冷缩，所以在此区间的钢轨内部必然存在相应的纵向温度应力。

钢轨无法向两侧伸长，只好把这种内应力（温度应力）均匀地作用在钢轨内部的全长上。

为减小钢轨的这种温度应力，铺设时要在钢轨处于合适的温度时锁定线路，一般采用当地最高轨温与最低轨温平均稍高点时的轨温来锁定。

若控制不当，夏天温度高时，钢轨内部产生巨大的压应力，就会胀轨跑道；冬天气温低时，钢轨内部产生的巨大拉应力，就会细轨断裂。

由于这种导致钢轨的变形的热应力，威胁到列车的运行安全，所以准确、及时地掌握钢轨内部温度应力具有重要意义。

国内外的实践证明：

无缝钢轨的钢轨拉断后，车辆几乎不发生脱轨，而胀轨跑道的路段，只要车辆上去，必然脱轨，乃至颠覆。

在此情况下，国内外的做法一致，掌握不了钢轨的温度应力就不惜付出巨大的经济代价，从产生胀轨跑道的各种可能因素入手来解决胀轨问题。

长轨的广泛应用，使得掌握由温度改变和外加载荷而引起的长轨纵向应力成为必要的任务。

但上述方法都提高了铁路建设的成本，并且有的方法对铁路整体具有破坏性。

特别是，即便采用上述方法人们仍无法知道什么时间，什么位置的钢轨中存在温度应力超标的危险。

3.3长轨温度应力检测方法

长轨中的温度应力估计，因为许多因素可能造成干扰，比如地基温度应力和长轨中不平均的温度分布，仅凭外界或钢轨的温度及人工经验是很难准确评估的。

因此又有许多建立在钢轨本身不同物理现象上的应力测量方法也被实验性的采用。

综合起来无缝轨道上的钢轨实际温度应力的测定可分为两大类，即应力法和应变法。

应力法排除不了钢轨微结构的影响和非温度应力的干扰；而应变法又超越不了传统的长度精度概念上的不足。

测量钢轨应力从采用的方法与设备上可主要分为两类。

一类是破坏性测量方法，它包括锯切法、钻孔法、开槽法；另一类是非破坏性方法，包括X射线法、超声波法、磁弹性法、中子衍射法等。

最简单的长轨纵向温度应力检测方法是破坏性的，它是基于应变原理。

采用机械方法把含有应力的工件一部分分离掉，使内应力由于释放而引起变形，若把这种变形测量出来，再利用弹性理论进行处理，即可推算出释放前的应力值。

用这种方法能够大致估算出某段钢轨中在切割前的应力值。

在钢轨上的具体做法是，人工切割一截钢轨，从而测量切断处钢轨的变形位移。

一般常用应变片采集分离前后的应变变化。

在很长一段时间中，各国的铁路部门根据实践经验，在钢轨容易出现应力问题的地方采取锯切法，将钢轨的温度应力释放掉。

但这种凭经验进行的养护工作，显然效率低下，既不准确又造成浪费。

它被许多国家和地区采用。

这种方法需要日积月累，将轨道方向数个标记点的变形监控起来。

在轨道沿线，路基上和对应的钢轨上相隔200m做一个标记，并作记录。

如果两个标记间的距离发生改变，就意味着钢轨中有应力变化，标记间距离缩短表明存在压应力，反之为拉应力。

我国的铁路轨温监测主要是采用这种靠人工定点定时测量的方法。

该方法获得的监测数据密度小，占用劳动力多、测量误差大、实时性差，因此难以为铁路养护作业提供及时、准确、科学的决策依据。

3.3.3非破坏性检测方法

随着科技的进步，非破坏性检测方法成为可能。

无损检测方法是建立在物理或晶体特性和应力之间关系的基础上的。

因为应力的存在，将影响到材料的物理性质，测量这些物理性质的变化能反馈出应力的分布和大小。

这些物理参数包括晶面间距、比容、磁性等。

随着无损检测的发展，目前国外的科研机构和铁路公司都在开发采用无损检测无缝钢轨纵向温度应力的方法，测量金属残余应力的工具也被用于长轨纵向应力检测中。

例如：

各种磁技术和巴森豪克噪音技术、X射线法、中子衍射法等等。

磁弹性法（又称为巴克豪森法）在八十年代到九十年代研究较多。

其原理基本是：

铁磁材料内部存在许多微小的、不同取向的小磁畴。

在无外界因素作用下，每个磁畴沿其极化的结晶方向取向，其总体磁化效果为零。

当有外加交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生90o或180o反转或使磁畴壁移动，导致磁畴发生一定规则的取向，这种磁畴变化过程使材料内部产生一系列突变、阶越式的跳跃脉冲信号，即巴克豪森信号。

这种磁化过程的跳跃现象称为巴克豪森效应，每一巴克豪森跳跃在铁磁材料表面的检测线圈内会形成感应电脉冲信号，称为巴克豪森噪声（BN）。

BN的大小除与接收线圈长度和磁化强度有关，还与跳跃产生的平均电流有关，而平均电流的大小与被测区域内的内应力有关，因此巴克豪森效应是检测材料内应力的一种无损方法。

3.4钢轨温度与锁定轨温

由公式

（2）、（4）可知,无缝线路中钢轨的温度应力与温度力的大小与轨温变化有直接关系。

所以,钢轨温度就成为设计、铺设和维修无缝线路的重要技术资料。

影响轨温的因素比较复杂,它不但受天气变化、风力大小、日照程度影响,而且还受地形、线路方向与测量条件影响。

根据多年的观测资料,一般认为最高轨温比当地最高气温高20℃,最低轨温与当地最低气温相同。

现场一般用半导体点温计侧量轨温。

当用普通温度计测量轨温时,应把温度计置于轨顶上,使水银球与轨顶面接触,并用砂子埋盖,过10分钟后再量取轨温读数（但用此法时,因轨温与砂的质量关系很大,量得的轨温读数往往不太准确）。

当然也可用短轨和普通水银温度计做成专门测量轨温的温度计。

如前所述,无缝线路钢轨的温度力和温度应力大小与轨温变化度数有关。

所谓“轨温变化度数”是指计算温度力时的轨温与无缝线路两端固定（也叫无缝线路锁定）时的轨温差数。

无缝线路的锁定是通过拧紧无缝线路两端扣件和拧紧按设计安置的防爬设备实现的,在锁定时的轨温,叫“锁定轨温”。

选择无缝线路的锁定轨温是一件十分重要的工作。

设计无缝线路时采用的设计锁定轨温,通常是在保证无缝线路的强度与稳定的条件下由计算确定的,即这样的锁定轨温要保证无缝线路在冬天