2023年無(wú)縫線路理論知識(shí)

第無(wú)縫線路理論知識(shí)

鐵路無(wú)縫線路鋼軌溫度力伸縮位移軌溫變化縱向受力分析

無(wú)縫線路理論知識(shí)

一、發(fā)展無(wú)縫線路的意義

無(wú)縫線路是把標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌焊接而成的長(zhǎng)鋼軌線路，又稱焊接長(zhǎng)鋼軌線路。它是當(dāng)今軌道結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要新技術(shù)，世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展。

在普通線路上，鋼軌接頭是軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一，由于接縫的存在，列車通過(guò)是發(fā)生沖擊和振動(dòng)，并伴隨有打擊噪聲，沖擊力可達(dá)到非接頭區(qū)的三倍以上。接頭沖擊力影響行車的平穩(wěn)和旅客的舒適，并促使道床破壞、線路狀況惡化、鋼軌及連接零件的使用壽命縮短、維修勞動(dòng)費(fèi)用的增加。養(yǎng)護(hù)線路接頭區(qū)的費(fèi)用占養(yǎng)護(hù)總經(jīng)費(fèi)的35%以上；鋼軌因軌端損壞而抽換的數(shù)量較其他部位大2-3倍；重傷鋼軌60%發(fā)生在接頭區(qū)。隨著列車軸重、行車速度和密度的不斷增長(zhǎng),上述缺點(diǎn)更加突出，更不能適應(yīng)現(xiàn)代高速重載運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

為了改善鋼軌接頭的工作狀態(tài)，人們從本世紀(jì)三十年代開(kāi)始至今，一直致力于這方面的研究與實(shí)踐,采用各種方法將鋼軌焊接起來(lái)構(gòu)成無(wú)縫線路。這中間首先遇到了接頭焊接質(zhì)量問(wèn)題；其次就是長(zhǎng)軌在列車動(dòng)力和溫度力共同作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定問(wèn)題；還有無(wú)縫線路設(shè)計(jì)、長(zhǎng)軌運(yùn)輸、鋪設(shè)施工、養(yǎng)護(hù)維修等一系列理論和技術(shù)問(wèn)題。隨著上述一系列問(wèn)題的逐步解決，無(wú)縫線路在世界各國(guó)得到了廣泛的運(yùn)用。

無(wú)縫線路由于消滅了大量的接頭，因而具有行車平穩(wěn)、旅客舒適，同時(shí)機(jī)車車輛和軌道的維修費(fèi)用減少,使用壽命延長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。有資料表明，從節(jié)約勞動(dòng)力和延長(zhǎng)設(shè)備壽命方面計(jì)算，無(wú)縫線路比有縫線路可節(jié)約維修費(fèi)用30%~70%。在橋梁上鋪設(shè)無(wú)縫線路，可以減輕列車車論對(duì)橋梁的沖擊，改善列車和橋梁的運(yùn)營(yíng)條件，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。這些優(yōu)點(diǎn)在行車速度提高時(shí)尤為顯著。

二、無(wú)縫線路的類型

無(wú)縫線路根據(jù)處理鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力方式的不同，可分為溫度應(yīng)力式和放散溫度應(yīng)力式兩種。

溫度應(yīng)力事無(wú)縫線路是由一根焊接長(zhǎng)鋼軌及其端2~4根標(biāo)準(zhǔn)軌組成，并采用普通接頭的形式。無(wú)縫線路鋪設(shè)鎖定后，焊接長(zhǎng)鋼軌因受線路縱向阻力的抵抗，兩端自由伸縮受到一定的限制，中間部分完全不能伸縮，因而在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度力，其值隨軌溫變化而異。溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鋪設(shè)維修方便，因而得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于直線軌道，鋪設(shè)50kg/m和60kg/m鋼軌，每公里配量1840根混凝土枕時(shí)，鋪設(shè)溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路允許軌溫差分別為100℃和108℃。

放散溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路，又分為自動(dòng)放散式和定期放散式兩種，適用與年軌溫差較大的地區(qū)。自動(dòng)放散式是為了消除和減少鋼軌內(nèi)部的溫度力，允許長(zhǎng)軌條自由伸縮，在長(zhǎng)軌兩端設(shè)置鋼軌伸縮接頭，為了防止鋼軌爬行，在長(zhǎng)軌中部使用特制的中間扣件。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已不使用。定期放散溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路的結(jié)構(gòu)形式與溫度應(yīng)力式相同。根據(jù)當(dāng)?shù)剀墱貤l件，把鋼軌內(nèi)部的溫度應(yīng)力每年調(diào)整放散~2次。放散時(shí)，松開(kāi)焊接長(zhǎng)鋼軌的全部扣件，使它自由伸縮，放散內(nèi)部溫度應(yīng)力，應(yīng)用更換緩沖區(qū)不同長(zhǎng)度調(diào)節(jié)軌的辦法，保持必要的軌縫。每次放散應(yīng)力許耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，作業(yè)很不方便。放散溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路曾在前蘇聯(lián)和我國(guó)年溫差較大的地區(qū)使用，目前已不使用?，F(xiàn)在世界各國(guó)主要采用溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路。

三、國(guó)內(nèi)外無(wú)縫線路發(fā)展概況

隨著無(wú)縫線路一系列理論和技術(shù)問(wèn)題的解決，于五十年代無(wú)縫線路才得以迅速發(fā)展。德國(guó)是無(wú)縫線路發(fā)展最早的國(guó)家，1926年就開(kāi)始鋪設(shè)，到50年代，已將無(wú)縫線路作為國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)線路。到60年代已開(kāi)始試驗(yàn)把無(wú)縫線路和道岔焊連在一起，至今大部分道岔已焊成無(wú)縫道岔。美國(guó)雖然從30年代開(kāi)始鋪設(shè)無(wú)縫線路，但較進(jìn)展緩慢，直到70年代才得以迅速發(fā)展，以年平均鋪設(shè)7590km的速度增長(zhǎng)，最多時(shí)年鋪設(shè)達(dá)到

10000km。到1979年底無(wú)縫線路已超過(guò)12萬(wàn)km，是目前全世界鋪設(shè)無(wú)縫線路最多的國(guó)家。日本于50年代開(kāi)始鋪設(shè)無(wú)縫線路，現(xiàn)已鋪設(shè)5000余公里，其特點(diǎn)是每段無(wú)縫線路長(zhǎng)1300km，在長(zhǎng)軌條兩端設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器。近年來(lái)在新干線上采用一次性鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)。原蘇聯(lián)由于大部分地區(qū)溫度變化幅度較大，對(duì)無(wú)縫線路的發(fā)展有所影響，直到1956年才正式開(kāi)始鋪設(shè)。近十年發(fā)展較快，無(wú)縫線路已達(dá)5000余公里。我國(guó)無(wú)縫線路從1957年開(kāi)始鋪設(shè)，開(kāi)始時(shí)采用電弧焊法，分別在北京、上海各試鋪了1km，以后逐

鐵路無(wú)縫線路鋼軌溫度力伸縮位移軌溫變化縱向受力分析

步擴(kuò)大。后來(lái)在工廠采用氣壓焊或接觸焊將鋼軌焊成250~500m的長(zhǎng)軌條，然后運(yùn)至鋪設(shè)地點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)用鋁熱焊或小型氣壓焊將其焊連成設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。一般情況下，一段無(wú)縫線路長(zhǎng)度為1000~2000m。每段之間鋪設(shè)2~4根調(diào)節(jié)軌，接頭采用高強(qiáng)螺栓連接。目前京廣、京滬、京沈、隴海等主要干線均已鋪設(shè)無(wú)縫線路。至今無(wú)縫線路已鋪設(shè)約2.46萬(wàn)km。90年代開(kāi)始了對(duì)超長(zhǎng)無(wú)縫線路的研究和鋪設(shè)工作，至今已在北京、上海、鄭州等路局鋪設(shè)了超長(zhǎng)無(wú)縫線路近千公里。

一、鋼軌溫度力、伸縮位移與軌溫變化的關(guān)系

無(wú)縫線路的特點(diǎn)是軌條長(zhǎng)，當(dāng)軌溫變化時(shí)，鋼軌要發(fā)生伸縮，但由于有約束作用，不能自由伸縮，在鋼軌內(nèi)部要產(chǎn)生很大的軸向溫度力。為保證無(wú)縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定，需要了解長(zhǎng)軌條內(nèi)溫度力及其變化規(guī)律。為此首先要分析溫度力、伸縮位移與軌溫變化及阻力之間的關(guān)系。

一根長(zhǎng)度為l可自由伸縮的鋼軌，當(dāng)軌溫變化Δt℃時(shí)，其伸縮量為

(5-1)

式中α--鋼軌的線膨脹系數(shù)，取11.8#215;10-6/℃；

l--鋼軌長(zhǎng)度(mm)；

Δt--軌溫變化幅度（℃）。

如果鋼軌兩端完全被固定，不能隨軌溫變化而自由伸縮，則將在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。根據(jù)虎克定律，溫度應(yīng)力ζt為

(5-2)

式中E——鋼的彈性模量，E=2.1#215;105Mpa；

εt——鋼的溫度應(yīng)變。

將E、α之值帶入式（5-2），則溫度應(yīng)力為：

（5-3）

一根鋼軌所受的溫度力Pt為：

（5-4）

式中F--鋼軌斷面積(mm)。

公式（5-1、5-2、5-4）即為無(wú)縫線路溫度應(yīng)力和溫度力計(jì)算的基本公式。由此可知：

1．在兩端規(guī)定的鋼軌中所產(chǎn)生的溫度力，僅與軌溫變化有關(guān)，而與鋼軌本身長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。