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(CW—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%勺经常维修费用，延长25%

的钢轨使用寿命，并能适应高速行车材料求15是轨马代化的发展方向。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泊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1C,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・

△ t • s （s为钢轨断面积），所以温度力

产生的压强只和轨温变化△ t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 C,最低轨温为?22.8 C,中间轨温为19.9 C,而设计时的锁定轨温一般采用

24C。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「C时,钢轨伸缩

0.0000118，l —钢轨长度（米）; —轨温变化度数（C）。

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：

----- （公斤厘米）（）

式中:E —钢的弹性模量，等于2」公斤/厘米；其他符号意义同前。把、E值代人

上式,则：

（公斤厘米）（）

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

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

（公斤）即：轨温变化「C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。