无缝钢轨实现的原理

无缝钢轨实现的原理

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—continuously welded rails）。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

材料1503 马俊良

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。

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

图2

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:

?l=α?l??t（1）

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)；?t—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:

σ=E?ε=E??l l

?l=α?l??t

σ=E?α?l??t

l

=E?α??t（公斤/厘米2）（2）

式中: E—钢的弹性模量, 等于2.l×106公斤/厘米3

；其他符号意义同前。把α、E值

代人上式,则:

σ=2.1×106×0.0000118×?t≈25?t（公斤/厘米2）（3）

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/厘米2

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:

P=σ?S=E?α??t?S=25??t?S（公斤）（4）

S为钢轨的断面积,各定型钢轨的断面积值见表1。