无缝线路

无缝线路评估员黄红梅1 2 3 4无缝线路概述无缝线路温度力计算无缝线路纵向阻力无缝线路温度力分布无缝线路稳定性51 2 3 4无缝线路概述无缝线路温度力计算无缝线路纵向阻力无缝线路温度力分布无缝线路稳定性51. 无缝线路无缝线路就是把若干根标准长度的钢轨焊接成为1000-2000m而铺设的铁路线路。

通常是在焊轨厂将无孔标准轨焊接成200-500m的轨条，再运到现场就地焊接后铺设。

2.无缝线路发展历程随着无缝线路一系列理论和技术问题的解决，无缝线路于五十年代得以迅速发展。

德国是无缝线路发展最早的国家，1926年就开始试铺，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，但进展较缓慢，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1万km。

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年开始铺设无缝线路，现已铺设5000余km。

近年来日本在新干线上采用了一次性铺设无缝线路技术。

前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年开始试铺，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，接头采用高强度螺栓连接。

至2003年底，世界各国的无缝线路铺设里程如下表所示。

国别最大轨温幅度（℃）无缝线路总长（km）占营业线比例（%）备注美国94.411620043.2全世界铺设无缝线路最多的国家俄罗斯1193990032.2轨温变化幅度最大的国家德国907600096无缝线路发展最早和最快的国家中国1023988045.0法国702245764.8日本701271629不含新干线3.无缝线路的基本特点及分类(1)特点与普通线路相比，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，并能适应高速行车的要求，是轨道现代化的发展方向。

(2）分类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是由一根焊接长钢轨及其两端2～4根标准轨组成，并采用普通接头的形式。

温度应力式无缝线路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，适用于年轨温差较大的地区。

采用伸缩接头的放散温度应力式无缝线路2)根据钢轨铺设长度划分为：普通无缝线路全区间无缝线路跨区间无缝线路1 2 3 4无缝线路概述无缝线路温度力计算无缝线路纵向阻力无缝线路温度力分布无缝线路稳定性5目录当轨温变化时，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。

tl l ∆⋅⋅=∆α1.温度力的计算一根长度为可自由伸缩的钢轨，当轨温变化Δt ℃时，其伸缩量为：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：t E ll E E t t ∆⋅⋅=∆=⋅=αεσ(N)式中α-钢轨的线膨胀系数，取0.0118mm/m·℃；l -钢轨长度，m ；E -钢的弹性模量，E ＝2.1×l05MPa ；将E,α之值代入上式，则温度应力为：(MPa)一根钢轨所受的温度力P t 为：式中F-钢轨截面积（mm 2）；Ft F P t t ⋅∆=⋅=502.σt t t ∆=∆⨯⨯⨯=-50210811101265...σ由以上无缝线路温度应力和温度应力的计算公式得知：1．在两端固定的钢轨中所产生的温度力，仅与轨温变化幅度有关，而与钢轨本身长度无关。

因此，从理论上讲，钢轨可焊成任意长，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化幅度。

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。

对于75、60、50kg/m 钢轨，如轨温变化1℃所产生的温度力分别为23.6、19.2、16.3kN 。

3．无缝线路钢轨伸长量与轨温变化幅度和轨长有关，与钢轨断面积无关。

Ft F P t t ⋅∆=⋅=502.σ：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。

为此，无缝线路上长钢轨的两端是用钢轨联结零件和防爬设备加以强制性固定的，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。

中间轨温：最高轨温和最低轨温的平均值，最大轨温差是最大轨温和最低轨温之差。

锁定轨温：又称零应力轨温。

设计、施工、运营情况不同，运用锁定轨温的概念不同。

设计锁定轨温：设计确定的锁定轨温。

施工锁定轨温：施工确定的锁定轨温。

实际锁定轨温：无缝线路在运营过程中处于零应力状态时的轨温。

3.温度力图面积与钢轨伸缩量1)温度力图面积与被约束伸缩量任何温度力图都是对应于一定的Δt。

现在任取一段钢轨的温度力图进行分析，如图所示。

轨端伸缩量计算此处温度力图为曲线，代表了道床纵向阻力梯度取为变量的更一般的情况。

由于受有纵向力，则该段钢轨L必存在有受到约束的，或说未能实现的伸缩量ΔL。

而对于单位长度的钢轨来说，必然存在相应的受到约束而未能实现的应变εt (x )。

对于长度为dx 的钢轨，其受约束的伸缩量应为εt (x ) dx ，因此，该L 段钢轨被约束的总伸缩量为：文字表述：L 段钢轨被约束的伸缩量等于该段钢轨温度力图面积除以EF 。

EFx P E x x t t )()()(==σε⎰⎰==∆L t Lt dxx P EF dx x L 00)(1)(εEF tΩ=⎰=∆Lt dxx L 0)(ε如一段钢轨自其被钡定之后未曾产生过任何伸缩位移，则其温度力图为矩形，如图所示：tEF P t ∆⋅=α2）标准温度力图面积与全约束伸缩量此时，该L 段钢轨被约束的总伸缩量为ΔL t ，即：Lt t t t P L L dx t L EF EF εα⋅Ω∆==⋅∆⋅==⎰全约束伸缩量ΔL t 的意思是：该段钢轨自锁定后，被完全约束住，未产生任何伸缩变形，在温度变化幅度为Δt 时的伸缩量，它仅是Δt 的函数。

tEF P t ∆⋅=α温度力为：相应的应变为：EFP t t t =∆⋅=αε3）温度力图面积差及实现的伸缩量任何一段钢轨的两个温度力图面积差都反映了该段钢轨在两种工况下被约束伸缩量的变化量，亦即实现了的伸缩量。

冬季断轨时的温度力图1 2 3 4无缝线路概述无缝线路温度力计算无缝线路纵向阻力无缝线路温度力分布无缝线路稳定性5目录Sn P H ⋅=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阻力和螺栓的抗剪力提供。

为了安全，我国接头阻力仅考虑钢轨与夹板间的摩阻力。

1.接头阻力无缝线路纵向阻力包括接头阻力、扣件阻力及道床纵向阻力。

夹板受力图摩阻力的大小主要取决于螺栓拧紧后的张拉力和钢轨与夹板之间的摩擦系数f 。

接头螺栓拧紧后产生的拉力在夹板的上、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，它与的夹角等于摩擦角φ，其中T = P /2，则有：)sin(cos ϕαθ+==22PPR)sin(cos ϕαθ+==22P P R 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 为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。

()fPf R Nf F ⋅⋅+=⋅==ϕϕαϕcos sin cos 2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S 为：因为接头一端有三枚螺栓，因此接头阻力P H 为：钢的摩擦系数一般为0.25，而f =tan φ，则有φ＝arctan0.25；又有α＝arctan i 。

相应值代入得到：70, 50kg/m 钢轨：S ＝1.03P ；60, 43kg/m 钢轨：S ＝0.90P 。

()f P F S ⋅⋅+=⋅=ϕϕαcos sin 24()P f S P H ⋅+=⋅=ϕαϕsin cos 63由以上分析表明：一枚螺栓的拉力接近它所产生的接头阻力。

接头阻力的表达式，可写成：P H=n·P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P的关系可用经验公式表示：T = K ·D ·P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)。

列车通过钢轨接头时产生的振动，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。

修理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8-1所示为计算时采用的接头阻力值。

2.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垫板面之间的摩阻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。

一组扣件的阻力F 为：F=2(μ1+μ2)P扣板受力图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扣压力P 的大小与螺栓所受拉力的大小有关。

以扣板式扣件为例：拉P b a bP +=式中P 拉—扣板螺栓拉力，与螺帽扭矩有关；a ,b —扣板着力点至螺栓中心的距离。

实测资料指出，在一定的扭矩下，扣件阻力随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，通常垫板的压缩与扣件的磨损按1mm 估计。

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。

为此规定：扣板扣件扭矩应保持在80～120N·m；弹条扣件为100～150N·m。