无缝线路理论知识.docx

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无缝线路理论知识

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一、发展无缝线路的意义                                       

   　　无缝线路是把标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路。

它是当今轨道结构的一项重要新技术，世界各国竞相发展。

 在普通线路上，钢轨接头是轨道的薄弱环节之一，由于接缝的存在，列车通过是发生冲击和振动，并伴随有打击噪声，冲击力可达到非接头区的三倍以上。

接头冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适，并促使道床破坏、线路状况恶化、钢轨及连接零件的使用寿命缩短、维修劳动费用的增加。

养护线路接头区的费用占养护总经费的35%以上；钢轨因轨端损坏而抽换的数量较其他部位大2-3倍；重伤钢轨60%发生在接头区。

随着列车轴重、行车速度和密度的不断增长,上述缺点更加突出，更不能适应现代高速重载运输的需要。

　　为了改善钢轨接头的工作状态，人们从本世纪三十年代开始至今，一直致力于这方面的研究与实践,采用各种方法将钢轨焊接起来构成无缝线路。

这中间首先遇到了接头焊接质量问题；其次就是长轨在列车动力和温度力共同作用下的强度和稳定问题；还有无缝线路设计、长轨运输、铺设施工、养护维修等一系列理论和技术问题。

随着上述一系列问题的逐步解决，无缝线路在世界各国得到了广泛的运用。

   无缝线路由于消灭了大量的接头，因而具有行车平稳、旅客舒适，同时机车车辆和轨道的维修费用减少,使用寿命延长等一系列优点。

有资料表明，从节约劳动力和延长设备寿命方面计算，无缝线路比有缝线路可节约维修费用30%~70%。

在桥梁上铺设无缝线路，可以减轻列车车论对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运营条件，延长设备使用寿命，减少养护维修工作量。

这些优点在行车速度提高时尤为显著。

二、无缝线路的类型

无缝线路根据处理钢轨内部温度应力方式的不同，可分为温度应力式和放散温度应力式两种。

  温度应力事无缝线路是由一根焊接长钢轨及其端2~4根标准轨组成，并采用普通接头的形式。

无缝线路铺设锁定后，焊接长钢轨因受线路纵向阻力的抵抗，两端自由伸缩受到一定的限制，中间部分完全不能伸缩，因而在钢轨内部产生很大的温度力，其值随轨温变化而异。

温度应力式无缝线路结构简单，铺设维修方便，因而得到广泛应用。

对于直线轨道，铺设50kg/m和60kg/m钢轨，每公里配量1840根混凝土枕时，铺设温度应力式无缝线路允许轨温差分别为100℃和108℃。

　　放散温度应力式无缝线路，又分为自动放散式和定期放散式两种，适用与年轨温差较大的地区。

自动放散式是为了消除和减少钢轨内部的温度力，允许长轨条自由伸缩，在长轨两端设置钢轨伸缩接头，为了防止钢轨爬行，在长轨中部使用特制的中间扣件。

由于结构复杂，已不使用。

定期放散温度应力式无缝线路的结构形式与温度应力式相同。

根据当地轨温条件，把钢轨内部的温度应力每年调整放散~2次。

放散时，松开焊接长钢轨的全部扣件，使它自由伸缩，放散内部温度应力，应用更换缓冲区不同长度调节轨的办法，保持必要的轨缝。

每次放散应力许耗费大量劳动力，作业很不方便。

放散温度应力式无缝线路曾在前苏联和我国年温差较大的地区使用，目前已不使用。

现在世界各国主要采用温度应力式无缝线路。

三、国内外无缝线路发展概况   

   　　随着无缝线路一系列理论和技术问题的解决，于五十年代无缝线路才得以迅速发展。

德国是无缝线路发展最早的国家，1926年就开始铺设，到50年代，已将无缝线路作为国家的标准线路。

到60年代已开始试验把无缝线路和道岔焊连在一起，至今大部分道岔已焊成无缝道岔。

美国虽然从30年代开始铺设无缝线路，但较进展缓慢，直到70年代才得以迅速发展，以年平均铺设7590km的速度增长，最多时年铺设达到

10000km。

到1979年底无缝线路已超过12万km，是目前全世界铺设无缝线路最多的国家。

日本于50年代开始铺设无缝线路，现已铺设5000余公里，其特点是每段无缝线路长1300km，在长轨条两端设置伸缩调节器。

近年来在新干线上采用一次性铺设无缝线路技术。

原苏联由于大部分地区温度变化幅度较大，对无缝线路的发展有所影响，直到1956年才正式开始铺设。

近十年发展较快，无缝线路已达5000余公里。

  　我国无缝线路从1957年开始铺设，开始时采用电弧焊法，分别在北京、上海各试铺了1km，以后逐步扩大。

后来在工厂采用气压焊或接触焊将钢轨焊成250~500m的长轨条，然后运至铺设地点在现场用铝热焊或小型气压焊将其焊连成设计长度。

一般情况下，一段无缝线路长度为1000~2000m。

每段之间铺设2~4根调节轨，接头采用高强螺栓连接。

目前京广、京沪、京沈、陇海等主要干线均已铺设无缝线路。

至今无缝线路已铺设约2.46万km。

90年代开始了对超长无缝线路的研究和铺设工作，至今已在北京、上海、郑州等路局铺设了超长无缝线路近千公里。

一、钢轨温度力、伸缩位移与轨温变化的关系

　　无缝线路的特点是轨条长，当轨温变化时，钢轨要发生伸缩，但由于有约束作用，不能自由伸缩，在钢轨内部要产生很大的轴向温度力。

为保证无缝线路的强度和稳定，需要了解长轨条内温度力及其变化规律。

为此首先要分析温度力、伸缩位移与轨温变化及阻力之间的关系。

　　一根长度为l可自由伸缩的钢轨，当轨温变化Δt℃时，其伸缩量为   

         （5-1）      

式中α--钢轨的线膨胀系数，取11.8×10-6/℃；

  l--钢轨长度（mm）；

  Δt--轨温变化幅度（℃）。

　　如果钢轨两端完全被固定，不能随轨温变化而自由伸缩，则将在钢轨内部产生温度应力。

根据虎克定律，温度应力σt为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5-2）

式中  E——钢的弹性模量，E=2.1×105Mpa；

   εt——钢的温度应变。

将E、α之值带入式（5-2），则温度应力为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5-3）

　　一根钢轨所受的温度力Pt为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5-4）

式中F--钢轨断面积（mm）。

　　公式（5-1、5-2、5-4）即为无缝线路温度应力和温度力计算的基本公式。

由此可知：

　　1．在两端规定的钢轨中所产生的温度力，仅与轨温变化有关，而与钢轨本身长度无关。

因此，从理论上讲，钢轨可以焊成任意长，且对轨内温度力没有影响，控制温度力大小的关键是如何控制轨温变化幅度Δt。

　　2．对于不同类型的钢轨，同一轨温变化幅度产生的温度力大小不同。

如轨温变化1℃所产生的温度力。

对于75、60、50kg/m轨分别是23.6、19.2、16.3kN。

　　3．无缝线路钢轨伸长量与轨温变化幅度Δt，轨长l有关，与钢轨断面积无关。

　　为降低长轨条内的温度力，需选择一个适宜的锁定轨温，又称零应力状态的轨温。

在铺设无缝线路中，将长轨条始终端落槽就位时的平均轨温称为施工锁定轨温。

施工锁定轨温应在设计锁定轨温允许变化范围之内。

锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准，因此根据强度、稳定条件确定锁定轨温是无缝线路设计的主要内容。

　　钢轨温度不同于气温。

影响轨温的因素比较复杂，它与气候变化、风力大小、日照强度、线路走向和所取部位等有密切关系。

根据多年观测，最高轨温Tmax要比当地最高气温高18~25℃，最低轨温Tmin比当地的最低气温低2~3℃。

计算时通常取最高轨温等于当地最高气温加20℃，最低轨温等于最低气温。

表5-1为我国主要地区的轨温资料。

第二节无缝线路纵向受力分析线路纵向阻力

　　轨温变化时，影响钢轨两端自由伸缩的原因是来自线路纵向阻力的抵抗，它包括接头阻力、扣件阻力及道床纵向阻力。

（一）接头阻力                        

　　钢轨两端接头处由钢轨夹板通过螺栓拧紧，产生阻止钢轨纵向位移的阻力，称接头阻力。

接头阻力由钢轨夹板间的摩擦力和螺栓的抗剪力提供。

为了安全，我国接头阻力PH仅考虑钢轨与夹板间的摩擦力。

图5-1夹板受力图   

   式中　　s——钢轨与夹板间对应1枚螺栓的摩擦力；

　　　　n——接头一端的螺栓数。

   　　摩擦力的大小主要取决于螺栓拧紧后的张拉力P和钢轨与夹板之间的摩擦系数f。

图5-1为夹板的受力情况。

   　　接头螺栓拧紧后产生的拉力P在夹板的上、下接触面上将产生分力。

图中T为水平分力；N为法向分力，它垂直于夹板的接触面；R为N与T的合力，它与N的夹角等于摩擦角φ。

   　　由图可知：

∵T=P／2，则有：

   式中　　Ｐ——一枚螺栓拧紧后的拉力（kＮ）；

　　　　α——夹板接触面的倾角，tanα＝i；

　　　　i——轨底顶面接触面斜率，50、75kg/m钢轨：

i=1/4；43、60kg/m钢轨：

i=1/3。

   　　当钢轨发生位移时，夹板与钢轨接触面之间将产生摩阻力F，F将阻止钢轨的位移。

   　　一枚螺栓对应有四个接触面，其上所产生的摩阻力之和为s，则有：

                  （5-5）   

   　　对应于一枚螺栓所提供的摩阻力可作如下分析。

钢的摩擦系数一般为0.25，而f=tan，则有=arctan0.25，又有α=arctani。

将以上相应值代入求s的公式，可得到：

　　70、50kg/m钢轨：

s=1.03P；60、43kg/m钢轨：

s=0.90P。

　　上式表明，一跟螺栓的拉力接近它所产生的接头阻力。

在此情况下，接头阻力PH的表达式，可写成：

   　　接头阻力与螺栓材质、直径、拧紧程度和夹板孔数有关。

在其他条件均相同的情况下，螺栓的拧紧程度就是保持接头阻力的关键。

扭力矩T与螺栓拉力的关系可用经验公式表示：

式中　　T——拧紧螺帽时的扭力矩（N•m）；

　　　　K——扭矩系数，K=0.18~0.24；

　　　　Ｐ——螺栓拉力（kＮ）；

　　　　D——螺栓直径（mm）。

　　列车通过钢轨接头是产生的振动，会使扭力矩下降，接头阻力值降低。

据国内外资料，可降低到静力测定值的40%~50%。

所以，定期检查扭力矩，重新拧紧螺帽，保证接头阻力值在长期运营过程中保持不变，是一项十分重要的措施。

维修规则规定无缝线路钢轨接头必须采用10.9级螺栓，扭矩应保持在700~900N•m。

表5-2所示为计算时采用的接头阻力值。

（二）扣件阻力

  中间扣件和防爬设备抵抗钢轨沿轨枕面纵向位移的阻力，称扣件阻力。

为了防止钢轨爬行，要求扣件阻力必须大于道床纵向阻力。

　　扣件阻力是由钢轨与轨枕板面之间的摩擦力和扣压件与轨底扣着面之间的摩阻力所组成。

摩阻力的大小取决于扣件扣压力和摩擦系数的大小。

一组口家的阻力F为：

式中　　P——扣件一侧扣压件对钢轨的扣压力；

　　　　μ1——钢轨与垫板之间的摩擦系数；

　　　　μ2--钢轨与扣压件之间的摩擦系数。

　　据铁道科学研究院试验，如果混凝土轨枕下采用橡胶垫板，不论是扣板式扣件还是弹条式扣件，其摩擦系数为μ1+μ2=0.8。

扣压件P的大小与螺栓所受拉力P拉的大小有关。

以扣板式扣件为例，按图5-2可得P的算式如下：

图5-2扣板受力图   

式中　　P拉——扣件螺栓所受拉力，与螺帽扭矩有关；

　　　　a、b——扣板着力点只螺栓中心的距离。

　　扣件摩阻力F的表达式为：

实测资料指出，在一定的扭矩下，扣件阻力岁钢轨位移的增加而增大。

当钢轨位移达到某一定值之后，钢轨产生滑移，阻力不再增加。

　　垫板压缩和扣件局部磨损，将导致扣件阻力下降，如在一个维修周期内，垫板的压缩与扣件的磨损按1mm估计，则不同扣件的摩阻力，如表5-3所示。

表5-3扣件阻力表   

   　　此外，列车通过时的振动，会使螺帽松动，扭矩下降，导致扣件阻力下降。

为此《铁路线路维修规则》规定：

扣板扣件扭矩应保持在80~120N•m；弹条扣件为100~150N•m。

　　（三）道床纵向阻力         

  道床纵向阻力系指道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力。

一般以每根轨枕的阻力R，或每延厘米分布阻力r表示。

它是抵抗钢轨伸缩，防止线路爬行的重要参数。

　　道床纵向阻力受道碴材质、颗粒大小、道床断面、捣固质量、脏污程度、轨道框架重量等因素的影响。

只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床抵抗轨枕纵向位移的阻力，则无缝线路长钢轨的温度应力和温度应变的纵向分布规律将完全由接头阻力和道床纵向阻力确定。

图5-3道床纵向阻力与位移的关系曲线   

　　道床纵向阻力，是由轨枕与道床之间的摩阻力和枕木盒内道碴抗推力组成。

图5-3为实测得到的单根轨枕在正常轨道状态下，道床纵向阻力与位移关系曲线。

由图可以看出：

道床纵向阻力值随位移的增大而增加，当位移达到一定值之后，轨枕盒内的道碴颗粒之间的结合被破坏，在此情况下，即使位移再增加，阻力也不再增大；在正常轨道条件下，钢筋混凝土轨枕位移小于2mm木枕位移小于1mm，道床纵向阻力呈斜线增长，钢筋混凝土枕轨道道床纵向阻力大于木枕轨道。

　　在无缝线路设计中，采用轨枕位移位mm时相应的道床纵向阻力值，见表5-4。

表5-4道床纵向阻力表   

　　表列数据是单根轨枕的实测结果。

据国外资料介绍，如采用整个轨道框架实验，则纵向阻力将比单根轨枕测得的结果大得多，对钢筋混凝土枕轨道，平均阻力可提高80%。

　　另外，线路的养护维修作业在一定程度上破坏了道床原状，使道床纵向阻力降低，需要通过一定时间的列车碾压后，才能恢复到原有的阻力值。

温度力图　　

温度力沿长钢轨的纵向分布，常用温度力图来表示，故温度力图实质是钢轨内力图。

温度力图的横坐标轴表示钢轨长度，纵坐标轴表示钢轨的温度力（拉力为正，压力为负）。

钢轨内部温度力和钢轨外部阻力随时保持平衡是温度力纵向分布的基本条件。

一根焊接长钢轨沿其纵向的温度力分布并不是均匀的。

它不仅与阻力和轨温变化幅度等因素有关，而且还与轨温变化的过程有关。

（一）约束条件                                    

      1．接头阻力的约束      

　　为简化计算，通常假定接头阻力PH为常量。

无缝线路长轨条锁定后，当轨温发生变化，由于有接头的约束，长轨条不产生伸缩，只在钢轨全长范围内产生温度力Pt，这时有多大温度力作用于接头上，接头就提供相等的阻力与之平衡。

当温度力Pt大于接头阻力PH时，钢轨才能开始伸缩。

因此在克服接头阻力阶段，温度力的大小灯油接头阻力，即

                     （5-7）                           

式中　　ΔtH--接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅度。

      2．道床纵向阻力的约束   

   　　接头阻力被克服后，当轨温继续变化时，道床纵向阻力开始阻止钢轨伸缩。

但道床纵向阻力的产生是体现在道床对轨枕的位移阻力，随着轨枕位移的根数的增加，相应的阻力也增加。

为计算方便，常将单根钢轨的阻力换算为钢轨单位长度上的阻力r，并取为常量，由上述特征可见，道床纵向阻力是以阻力梯度r的形式分布。

故在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量伸缩，钢轨内部温度力放散，因而各截面的温度力并不相等，以斜率r分布。

（二）基本温度力图         

   　　无缝线路所顶以后，轨温单向变化时，温度力沿钢轨纵向分布的规律，称为基本温度力图。

先以降温为例说明，图5-4即为基本温度力图。

   　　1．当轨温t等于锁定轨温t0时，钢轨内部无温度力，即Pt=0，如图中A-A'线。

图5-4基本温度力图   

   　　2．当t－t0≤ΔtH时，轨端无位移，温度力在整个长轨条内均匀分布，Pt=PH，图中B-B'线。

   　　3．当t－t0＞ΔtH时，道床纵向阻力开始发挥作用，轨端开始产生收缩位移，同时在x长度范围内放散部分温度力，图中BC、B'C'范围内任意截面的温度力Pt=PH+r•x。

   　　4．当t将到最低轨温Tmin时，钢轨内产生最大温度拉力maxPt拉，这时x达到最大值，即为伸缩区长度。

如图中D-D'线。

此时maxPt拉和ls可按下式计算。

   式中　　Δt拉max--最大降温幅度。

　　（三）轨温反向变化时的温度力图                                       

　　上面分析了轨温从t0下降到Tmin时，温度力纵向变化的情况。

实际上轨温是要随气温循环往复变化的，这时温度力的变化会与前述正向变化有所不同，且与锁定轨温t0的取值有关。

t0可能有大于、等于或小于当地中间轨温t中的三种情况，则温度力分布图也会有三种不同情况。

图5-5轨温反向变化时的温度力图   

　　现以常见的t0＞t中情况进行分析。

如图5-5所示，轨温由t0下降到Tmin时，温度力图为ABCDD'（由于温度力图左右对称，图中仅画出了左侧部分）。

当轨温开始回升时，温度力的变化情况如下。

　　1．当Tmin－t≤ΔtH时，这时轨温回升，钢轨想伸厂，首先仍然遇到接头阻力的抵抗，钢轨全长范围内温度拉力减小，温度力图平行下移PH值，接头处的温度拉力变为零。

温度力分布如图中AEE'。

　　2．当ΔtH≤Tmin－t≤2ΔtH时，这时接头阻力反向起作用，温度力图继续平行下移PH值，此时接头处承受温度压力，固定区仍为温度拉力，如图中FGG'所示。

　　3．当Tmin－t≥2ΔtH时，正、反接头阻力已被完全克服完，钢轨要开始伸长，这时道床纵向阻力起作用，使得部分长度上温度力梯度反向，在伸缩区温度压力以斜率r而增加，如图中FT所示。

　　4．当t=Tmin时，固定区温度压力达到maxPt后。

这时由于Δt拉max＞Δt压max，固定区温度力平行下移到HH'，则HN与FT的交点，出现了温度压力峰P峰，其值大于固定区的温度压力。

温度压力峰等于固定区最大温度拉力与最大温度压力的平均值，即   

                        （5-10）         

　　上式说明，温度压力峰的大小与锁定轨温无关。

　　上式说明，温度压力峰的位置相当于中间轨温锁定时的伸缩区终点。

　　在取锁定轨温等于或小于中间轨温时，则不会在伸缩区出现温度压力峰。

（四）轨端伸缩量的计算                                          

　　从温度力图中可知，无缝线路长轨条中部承受大小相等的温度力，钢轨不能伸缩，称为固定区。

在两端，温度力是变化的，在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量的伸缩，称为伸缩区。

伸缩区两端的调节轨称为缓冲区。

在设计中要对缓冲区的轨缝进行计算，因此需对长轨及标准轨端的伸缩量进行计算。

1．长轨一端的伸缩量   

　　由温度力图5-6可见，其中阴影部分为克服道床纵向阻力阶段释放的温度力，从而实现了钢轨伸缩。

由材料力学可知，轨端伸缩量λ长与阴影线部分面积的关系为：

                                 （5-12）         

   图5-6长轨条轨端伸缩量计算图      

图5-7标准轨轨端伸缩量计算图            

　　2．标准轨一端的缩量   

　　标准轨轨端伸缩量λ短计算方法与λ长基本相同。

标准轨的温度力图如图5-7所示。

由于标准轨现长度短，随着轨温的变化，在克服完接头阻力后，在克服道床纵向阻力时，由于轨枕根数有限，很快被全部克服，以后，钢轨可以自由伸缩，温度力得到释放。

在标准轨内最大的温度力只有PH+r•l/2（l为标准轨长度）。

标准轨一端温度力；释放的面积为阴影线部分BCGH。

同理，可得到轨端伸缩量λ短计算公式：

                                 （5-13）         

式中　　maxPt为从锁定轨温到最低或最高轨温时所产生的温度力。

第三节无缝线路稳定性分析

稳定性概念

　　无缝