上海工程技术大学城市轨道交通公务概论41无缝线路000002

上海工程技术大学城市轨道交通公务概论41无缝线路000002

第 四 章 无 缝 线 路 第 一 节 概 述 3 一、铺设无缝线路的意义 定义：无缝线路是将标准轨焊接而成的长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路； 特点：消除了大量接头，从而具有行车平稳、旅客舒适；同时机车车辆和轨道的维修费用减少、使用寿命延长等特点。 全世界 130 万 km 铁路， 1/3 为无缝线路。 德 96% ，法 59% ，美 40% ，苏联 39% ，中 30% 二、形式的比较 1 、普通线路的结构 2 、无缝线路的结构 长轨条 长度：几百米至几千米 普通线路接头的缺点 车轮 由于钢轨接头是线路的薄弱环节，列车通过时，车轮对接缝处轨端发生巨大的冲击振动，不仅影响行车平稳和乘客的舒适，还加剧轨道设备的破损，如碎石道床发生局部下沉，导致空吊板，整体道床发生裂缝，车轮、钢轨接头及联结零件发生磨耗和伤损等，接头病害一直被人们认为是轨道的重要病害之一。 钢轨接头 无缝线路的发展经历了两大阶段，第一阶段由普通线路过渡到一般无缝线路，约 1-2 公里长度，每段无缝线路作为一个行车信号的闭塞区段，两端设置缓冲区，并装有信号设备。 随着无缝线路技术的发展，人们又将一般无缝线路进一步焊接相连成几十公里甚至一、二百公里的长度，这样，超长型无缝线路便应运而生。 城轨线路，除了基地站场线以外，正线均采用了超长型无缝线路的形式，所有运营线基本上都是一轨贯通。 7 20 世纪 60 年代，我国曾在广深线试铺长 8km 的无缝线路。 80 年代，北京局又在京山铁路上试铺了两段分别为 7.68km 和 7.64km 的无缝线路。 1998 年在沪宁下行线正仪～常州间铺设了跨 17 个区间、 33 个车站、长 104.6km 全路第一的跨区间无缝线路，创中国企业新纪录。 2000 年又延伸到栖霞山，长为 232.2km ，再次刷新全国新纪录； 2002 年沪宁下行南京至南翔 288.85km ，已铺设成功跨区间无缝线路，消灭普通接头 5277 个。 2004 年 11 月实现南京至上海 333km ，可以说一根钢轨到南京。 三、无缝线路的结构 无缝线路的平面结构分为固定区、伸缩区、缓冲区等组成部分。 固定区 伸缩区 伸缩区 缓冲区 缓冲区 25m 12.5m 12.5m 25m 25m 12.5m 12.5m 25m 1. 固定区 无缝线路长轨条的中间部分在一般情况下基本上处于稳定状态而不能伸缩，这一范围称为固定区。 固定区 伸缩区 伸缩区 缓冲区 缓冲区 2. 伸缩区 在长轨条的两端，钢轨受温度的影响，在一定距离范围内，要发生一定的伸缩变化，这一范围，称为伸缩区。伸缩区长度根据年轨温差幅值、道床纵向阻力、钢轨接头阻力等参数计算确定，一般为 50 ～ 100 米。 固定区 伸缩区 伸缩区 缓冲区 缓冲区 3. 缓冲区 为满足伸缩区钢轨长度的变化，必须在伸缩区以外，设置几根短轨，并于短轨之间设置轨缝来调节长轨条伸缩变化的影响。这一短轨区范围就称之缓冲区。 通常，缓冲区由 2 ～ 4 节标准轨 ( 含厂制缩短轨 ) 组成，普通绝缘接头为 4 节，采用胶接绝缘接头时，可将胶接绝缘钢轨插在 2 节或 4 节标准轨中间。 缓冲区钢轨接头必须使用 10 ． 9 级螺栓，扭矩应保持在 700 ～ 900N·m 。绝缘接头轨缝不得小于 6mm 。 固定区 伸缩区 伸缩区 缓冲区 缓冲区 无缝线路与道岔的衔接 岔前无缝线路平面示意图（单股钢轨） 道岔 缓冲区 无缝线路 无缝线路也可以与道岔进行焊接，以消灭缓冲区的接头 早期的无缝线路受各种条件的限制，最短的只有几百米，一般设计为 1-2 公里长度。缓冲区的短轨区，选择一个轨缝作为绝缘接头，安装绝缘设备，使前后的轨道电路隔断，从而形成一个闭塞区段。 四、无缝线路的类型 无缝线路分为锁定应力式和放散应力式两大类，其中，放散应力式又可以分为：定期放散应力式和自动放散应力式。 温度应力式 放散温度应力式 普通接头联结形式 伸缩接头联结形式 自动放散式 定期放散式 结构 类型 1 、锁定式无缝线路 锁定式无缝线路，用线路配件将钢轨锁定，无论轨温上升还是下降，通过多种阻力与温度力相抗衡，使钢轨内应力得到锁定，不让其释放。如地面碎石道床线路及遂道内的整体道床线路均采用锁定应力式无缝线路。 2 、自动放散应力式 放散应力式无缝线路是对钢轨不完全锁定，使长钢轨在温度力作用下进行一定量的伸缩，具体方法就是在长轨条两端设置钢轨伸缩调节器，当轨温发生变化时，钢轨内应力随着钢轨的伸缩而得到一定量的释放。如特大桥梁或城市高架桥面上铺设轨道均采用放散应力式无缝线路，以减少钢轨内应力对桥梁所发生的影响 。（南京大桥、上海三号线） 温度调节器也称为尖轨接头 3 、定期放散应力式 在定期放散应力式无缝线路上，每年对无缝线路的温度调整或放散 1~2 次，以减小长轨条中的温度力。在放散温度力时，将长轨条的所有扣件松开，使它能自由伸缩，放散其内部的温度应力，并在一定的温度条件下重新将全部钢轨扣件扣紧。这种方法主要用于年温差变化幅度较大的寒冷地区 ( 年温差大于 100℃ 地区 ) 。由于此种方法需要化费较多的人力和物力，工序繁杂，故很少采用。 第 二 节 无缝线路的基本原理 一、温度力及温度应力 1 、温度力 无缝线路，当轨温变化时，由于钢轨被锁定，无法伸缩，于是在钢轨内部产生内力，这种由于轨温变化而产生的内力，称为“温度力”。温度力的单位为 N 、 kN 。 一根可自由伸缩的钢轨，当轨温变化时，其伸缩量为 ΔL = α • L •Δt 式中： ΔL 伸缩量（ mm ） α 钢轨的线膨胀系数，取 11.8•10 -6 ℃ 即每米钢轨当轨温变化一度时钢轨伸缩 0.0000118 米 L 钢轨长度（米）； Δt 轨温变化幅度（℃）； 2 、温度应力 （温度力强度） 单位断面上的温度力，称为“温度应力”。温度应力的单位为 N / cm 2 如果钢轨完全被固定，不能随轨温变化而自由伸缩，则将在钢轨内部产生温度力，温度力与温度应力的关系是，温度力为钢轨全断面所受到的力（拉力或压力）而温度应力为单位断面上所受到的力，温度应力是温度力强度的表示。 根据虎克定律，温度应力为： σ t = E • ε = E • ΔL / L = E • α • L • Δt / L = E • α • Δt 式中： σ t 温度应力； E 钢的弹性模量 E=20.58×10 4 Mpa ； ε 钢的 温度应变； 因此，不难看出，温度应力仅与轨温变化幅度有关，而与钢轨本身的长度无关，从理论上讲，钢轨可任意增长而不影响其内部的温度应力值，这就是无缝线路发展为现代超长轨节无缝线路的主要理论根据。降低钢轨内应力的关键在于如何控制轨温变化幅度。 一根钢轨全断面所受的温度力为： P = σ t • F = 242.8 △t • F 式中： F 钢轨断面积 ( cm ² ), 可以查阅钢轨断面表 通过计算 , 一根钢轨在轨温变化 1℃ 时内部温度应力值如下 : 钢轨类型 (kg/m ² ) 断面积 (cm ² ) 每变化 1 ℃ 时的内部应力 (kN) 43 57.00 13.84 45 57.61 13.99 50 65.80 15.98 60 77.45 18.80 75 95.06 23.08 二、锁定轨温 在无缝线路长轨条始端至终端全部落槽的条件下，将两端钢轨接头联结零件和所有扣件全部紧固的过程称为锁定。 无缝线路长轨条在锁定的过程中所测得的轨温，称为锁定轨温。 锁定轨温的确定 由于长轨条全部锁定的操作，有一个时间过程，所以，铺设无缝线路时，把扣件开始紧固至紧固结束，分三次测量轨温，取平均值作为锁定轨温。 地名 最高轨温 最低轨温 地名 最高轨温 最低轨温 北京 62 ． 6 -22 。 8 上海 60 ． 3 -12 。 1 天津 65 ． 0 -22 。 9 杭州 62 ． 1 -10 。 5 石家庄 62 ． 7 5-26 。 5 福州 59 ． 8 -2 。 5 太原 61 ． 4 -29 。 5 南京 63 ． 0 -14 。 0 呼和浩特 58 ． 0 -36 。 2 合肥 61 ． 0 -20 。 6 郑州 63 ． 0 -17 。 9 济南 62 ． 5 -19 。 7 武汉 61 ． 0 -17 。 5 西安 65 ． 2 -20 。 6 长沙 63 ． 0 -9 。 5 兰州 59 ． 1 -23 。 3 广州 58 ． 7 -0 。 3 西宁 52 ． 4 -26 。 6 昆明 52 ． 3 -5 。 4 银川 59 ． 5 -30 。 6 贵阳 59 ． 5 -9 。 5 乌鲁木齐 60 ． 7 -41 。 5 南宁 60 ． 4 -2 。 1 沈阳 59 ． 3 -33 。 1 成都 60 ． 1 -4 。 6 大连 56 ． 1 -19 。 9 南昌 60 ． 6 -7 。 7 长春 59 ． 5 -36 。 5 衡阳 61 ． 3 -7 。 0 哈尔滨 59 ． 1 -41 。 4 牡丹江 57 ． 5 -45 。 2 齐齐哈尔 57 ． 5 -39 。 5 嫩江 58 ． 1 -47 。 3 青岛 56 ． 6 -20 。 0 各地钢轨温度（℃） 由于大自然气候变化的影响，本表资料只能作为参考。 30 无缝线路阻力分析 轨道阻力 纵向阻力 横向阻力 竖向阻力 接头阻力 扣件阻力 道床纵向阻力 道床横向阻力 轨道框架水平刚度 道床竖向阻力 轨道框架垂直刚度 三、阻 力 三、阻 力 无缝线路锁定后，长轨条两端由于温度变化而引起的伸缩量受到限制，这种阻止钢轨伸缩位移的力就是 纵向 阻力，它包括接头阻力、道床纵向阻力及扣件阻力三种。 1 、接头阻力 接头阻力由钢轨与夹板之间的摩阻力和螺栓的抗弯、抗剪力提供。为考虑安全度，接头阻力只计摩阻力。螺栓的拧紧程度是保持接头阻力的关键。接头阻力必须达到下表的规定： 一级螺栓的扭力矩应不低于 980N.m ，二级螺栓的扭力矩应不低于 680Nm ，三级螺栓不应低于 440 Nm 。 列车通过钢轨接头时产生的振动，会使扭力矩下降，接头阻力也相应降低。所以，要定期检查扭力矩，重新拧紧螺栓，以保持接头阻力值。 螺栓级别及强度 螺杆所受拉力（ kN ） 六孔夹板 接头阻 力 R （ kN ） 级别 屈服强度（ Mpa ） 24 mn Φ 22 mn φ 24 mn Φ 22 mn 一 686 216 186 588 — 二 490 157 137 392 — 三 274 88 78 264 234 目前，一种新型的“施必牢”螺栓，改善了螺纹丝口的设计，能大大减低扭力矩衰减的程度，已得到广泛的应用。 —— 钢轨与夹板间对应 1 枚螺栓的摩阻力； —— 接头一端的螺栓数。 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 。图为夹板的受力情 况。 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 为水平分力； 为法向分力， 它垂直于夹板的接触面； 为 与 的合力，它与 的夹角等于摩擦角 。 由图可知： ，则有： 35 式中 —— 一枚螺栓拧紧后的拉力 (kN) ； —— 夹板接触面的倾角， tan ＝ ； —— 轨底顶面接触面斜率， 50 、 75kg/m 钢轨：＝ l/4 ； 43 、 60kg/m 钢轨： ＝ l/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 ， 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： =P 36 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 ，则有 ＝ arctan0.25 ；又 有 ＝ arctan 。将以上相应值代入求式 (8—1) ，可得到： 70 、 50kg/m 钢轨： ＝ 1.03P ； 60 、 43kg/m 钢轨 ＝ 0.90 P 。 上式表明， 一枚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 的表达式，可写成： 式中 —— 接头阻力 (kN) ； —— 一枚螺栓的拉力 (kN) ； —— 接头一端螺栓枚数，我国铁路 ＝ 3 。 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： 37 式中 —— 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。 表 计算时采用的接头阻力值。 2 、扣件阻力 各种中间扣件和防爬设备抵抗钢轨纵向位移的阻力，称为扣件阻力。 扣件阻力必须大于道床纵向阻力，否则，钢轨将沿轨枕移动。对混凝土轨枕来说，要求其中间扣件的扭力矩保持在 80-120Nm 。扣件阻力也随着列车的反复碾压而逐渐下降，因此，要进行周期性的检查与回紧。 扣件阻力对比表 名 称 单 位 阻 力（ kN ） 混凝土轨枕扣件 每根轨枕 5.9 分开式扣件 每根轨枕 14.7 普通道钉 每根轨枕 0.04 3 、道床纵向阻力 道床抵抗轨枕纵向移动的阻力，称为道床纵向阻力。道床纵向阻力受道碴材质、颗粒大小、道床端面、密实程度、脏污程度、轨道框架结构等因素的影响。道床阻力表示方式为每根轨枕为单位或每延长厘米轨道为单位。阻力值见下表。 道床的纵向阻力与道床的丰满程度和道床的密实程度有关，我们既要保证道床的几何尺寸符合设计规定，又要加强道床的密实，才能确保其阻力达到要求。 道床阻力对比表 线路特征 每根轨枕 道床纵向阻力 R （ N ） 一股钢轨下道床纵向阻力 P （ N/cm ） 1840 根 /km 1 根 1760 /km 木枕 6865 63 60 混凝土枕 9806 90 85 阻力的被动特征 轨道的三种阻力，无论是接头阻力、道床阻力还是扣件阻力，它们都不是主动力而是被动力 . 根据作用力与反作用力的原理，这些阻力随着温度力的变化而变化，它们的总和与温度力大小相等，而方向相反。 当轨温与锁定轨温相等时，各种阻力也随之消失。 线路构件在某一状态下的阻力大小与它能提供多大的阻力是两个概念。当温度力突破构件所能提供的最大阻力时，轨道的结构便发生位移或变形。 四、无缝线路的应力分布 １、长轨条的约束条件 　　温度力与接头阻力相等是钢轨与夹板发生相对移动的临界状态，只有当温度力大于接头阻力时，两者才发生相对移动。 　　长轨条的约束分接头阻力和道床阻力约束条件。 　　假定钢轨接头阻力 R j 为一常量。当长轨条中的温度力 P t 小于接头阻力 R j 时，钢轨与夹板之间不发生任何相对位移。 综合阻力 　　当轨温反向变化时，长轨条中的温度力减小，当温度力变化幅度小于接头阻力时，接头阻力不反向；当温度力变化幅度大于接头阻力时，接头阻力开始反向，但钢轨与夹板不发生相对反向移动；当长轨条中的温度力反向变化幅度大于 2 倍接头阻力时，钢轨与夹板才发生相对反向移动。 接头阻力被克服后，如温度力继续上升，则钢轨产生位移，道床阻力开始阻止钢轨的伸缩。但道床纵向阻力的产生是体现在道床对轨枕的相对位移阻力，随着轨枕位移根数的增加，道床阻力也相应增大。 为了计算方便，将单根轨枕的阻力换算成钢轨单位长度的阻力 r ，并取常量，所以道床纵向阻力是以阻力梯度的形式分布，在钢轨的各个截面，温度力是不相等的。 2 、钢轨纵向位移变化情况 （以降温为例） 第一阶段，轨温开始降低，钢轨内部为拉力（正），温度力小于接头与扣件的综合阻力，钢轨不发生纵向位移，但钢轨内部应力存在，并随着温度力的变大而变大。 第二阶段，温度力等于综合阻力，钢轨不发生纵向位移，处于临界状态。 第三阶段，温度力大于综合阻力，钢轨克服阻力发生纵向位移。 凡是发生位移的部分，钢轨内应力得到一定量的释放。 钢轨各纵向点位的内应力与其位移量有着密切的关系。 3 、温度力分布图 温度力沿长轨条的纵向分布，可以用温度力分布图来表示。其中横座标表示钢轨长度，纵座标表示温度力的大小（拉力为正，压力为负）。 缓冲区 R 固定区 伸缩区 伸缩区 缓冲区 Max Pt 无缝线路应力分布图（拉力） 由图示可以看出，固定区温度力最大，由伸缩区至缓冲区，由于轨缝的变化，温度力得到一定量的释放。这样，无缝线路的温度力图呈现为梯形的特征。 缓冲区 R 固定区 伸缩区 伸缩区 缓冲区 Max Pt 49 轨温反向变化时的温度力图 实际上，锁定轨温 t 0 可能有大于、等于或小于当地中间轨温 t 中 的三种情况，则温度分布力图也会有所不同。以常见的 t 0 大于中间轨温的情况进行分析。 t 中 = （ T max +T min ） /2 图轨温反向变化时的温度力图（ t 0 ﹥t 中 ） 各阶段的应力变化规律 （ 1 ） 当轨温等于锁定轨温时，在长轨条中没有温度力， 即 P t = 0 ，如图中的 A - A ’ 线。 当轨温下降时，轨端无位移，温度力在整个长轨条中仍均匀分布，如图中的 B - B ’ 线。 图 7-4 长轨条中的基本温度力图 A-A , B-B , 51 当轨温 等于锁定轨温 时 ，钢轨内部无温度力， 即 =0 ，如图中 A—A′ 线。 1 ． 当 ＝ － ＜ 时 ，轨端无位移，温度力在 整个长轨条内均匀分布， ＝ 2.5 。 2 ． 当 ＝ 时 ，轨端无位移，温度力在整个长轨 条内均匀分布， ＝ ，图中 B—B′ 线。 3 ． 当 ＞ 时 ，道床纵向阻力开始发挥作用， 轨 端开始产生收缩位移 ，在钢轨发生纵向位移的长度范围 内放散部分温度力，图中 BC ， B′C′ 范围内任意截面的 温度力 ＝ + 当轨温进一步下降时，道床阻力开始发挥作用，轨端出现收缩位移，在 x 长度范围内放散部分温度力，温度力线为 B - C - C ’- B ’ 。 各阶段应力变化规律 （ 2 ） C 为动点 当轨温降至最低轨温时，钢轨中产生最大温度拉力，此时 x 达到最大值，即为无缝线路伸缩区长度。温度力线为 B - C - D - D ’- C ’- B ’ 。 各阶段应力变化规律 （ 3 ） C 为动点 54 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 Δ t 。现在任取一段钢轨的温度力图进行分析，如图所示。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 — 般的情况。 由于受有纵向力，则该段钢轨 L 必存在约束，或说未能实现的伸缩量 Δ L r 。 55 而对于单位长度的钢轨来说，必然存在受到约束而未能实现的应变 ε r ( x ) 。对于长度为 dx 的钢轨，其受约束的伸缩量应为 ε r ( 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 。 56 2 ）标准温度力图面积与全约束伸缩量 如一段钢轨自其被锁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： 57 此时，该 L 段钢轨被约束的总伸缩量为 Δ L t ，即： 全约束伸缩量 Δ L 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 Δ t 时的伸缩量，它仅是 Δ t 的函数。 58 3 ）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 59 轨端伸缩量计算 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 由温度力图可见，其中阴影线部分为克服道床 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，轨端伸缩长与阴影线部分面积的关系 为： (8—12) 60 61 2 ．标准轨一端的伸缩量 标准轨轨端伸缩量 计算方法与 基本相同。标 准轨的温度力图如图 8—7 所示。由于标准轨长度短，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 ( 为标准轨长度 ) 。标淮轨 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 计算公式： 式中 为从锁定轨温到最低或最高轨温时所产生 的温度力。 62 某地区铺设无缝线路，已知该地区年最高轨温为 65.2℃ ，最低轨温为 -20.6℃ ，道床阻力梯度为 9.1N/mm ，接头阻力为 490KN ， 60kg/m 钢轨断面面积为 7745mm 2 ，锁定轨温为当地中间轨温加 5℃ 时，试计算 (1) 克服接头阻力所需升降的轨温； (2) 固定区最大拉、压温度力； (3) 伸缩区长度； (4) 绘制轨温从锁定轨温单向变化到最高、最低温度时的温度力图，并标注有关数据。 作业题： 63 第 三 节 无缝线路的稳定性 65 一、稳定性概念 无缝线路作为一种新型轨道结构，其最大特点是在 夏季高温季节在钢轨内部存在巨大的温度压力 ， 容易引 起轨道横向变形 。在列车动力或人工作业等干扰下，轨 道弯曲变形有时会突然增大，这一 现象常称为胀轨跑道 ， 在 理论上称为丧失稳定 。这将严重危及行车安全。 无缝线路稳定性计算的主要目的是研究轨道胀轨跑 道的发生规律，分析其产生的力学条件及主要影响因素 的作用，计算出保证线路稳定的允许温度压力。因此， 稳定性分析对无缝线路的设计，铺设及养护维修具有重 要的理论和实践意义。 66 67 68 69 无缝线路稳定性计算的主要工作 : 研究轨道胀轨跑道的发生规律 ; 分析其产生的力学条件及主要影响因素的作用 ; 计算出保证线路稳定的允许温度压力 ; 71 72 轨道胀轨跑道的发展过程基本上可分为三个阶段，即 持稳阶段 、 胀轨阶段 和 跑道阶段 ，如图所示。图中 纵坐标为钢轨温度压力 ， 横坐标为 轨道弯曲变形矢度 + ， 为初始弯曲矢度。 胀轨跑道总是从轨道的 薄弱地段 ( 即具有原始弯曲的不平顺 ) 开始。 73 在 持稳阶段 (AB) ，轨温升高，温度压力增大，但轨道不变形。 胀轨阶段 (BK) ，随着轨温的增加，温度压力也随之增加，此时轨道开始出现微小变形，此后，温度压力的增加与横向变形之间呈非线性关系。 当温度压力达到临界值 时，这时轨温稍有升高或稍有外部干扰时，轨道将会突然发生膨曲，道碴抛出，轨枕裂损，钢轨发生较大横向变形，轨道受到严重破坏，此为 跑道阶段 (KC) ，至此稳定性完全丧失。 74 我国 在 1977 年提出了“统一无缝线路稳定性计算公式” ( 简称 统一公式 ) ，并得到推广应用。统一公式是假定变形曲线波长与初始波长相等，并 取变形为 2mm 时对应的温度压力 除以安全系数 ， 为保证无缝线路稳定的允许温度压力 [P] ，如图所示。 75 二、影响无缝线路稳定性的因素 对无缝线路大量调查后表明，很多次的胀轨跑道事故 并非温度压力过大所致，而是由于对无缝线路起稳定作用 的因素认识不足，在养护维修中破坏了这些因素而发生的。 因此，我们必须研究 丧失稳定 与 保持稳定 两方面的因素， 注意发展有利因素，克服、限制不利因素，防止胀轨跑道 事故的发生。 76 ( 一 ) 保持稳定的因素 1 ． 道床横向阻力 道床抵抗轨道框架横向位移的阻力称道床横向阻力，它 是防止无缝线路胀轨跑道，保证线路稳定的主要因素。 道床横向阻力是由 轨枕两侧及底部与道碴接触面之间的 摩阻力，和枕端的碴肩阻止横移的抗力 组成。 图为实测得到的道床横向阻力与轨枕位移的关系曲 线。由图可见：随着轨枕重量的增加，横向阻力增大；横向 阻力与轨枕横向位移成非线性关系，阻力随位移的增加而增 加，当位移达到一定值时，阻力接近常量，位移继续增大， 道床即破坏。 77 影响道床横向阻力的因素很多，主要从 道床的材料 ， 肩宽 以及 维修作业 等方面进行分析。 78 2 ．轨道框架刚度 轨道框架刚度是反映其自身抵抗弯曲能力的参数 。轨道 框架刚度愈大，其抵抗弯曲变形的能力愈大，所以是保持轨道 稳定的重要因素。轨道框架刚度，在水平面内，等于两股钢轨 的水平刚度及钢轨与轨枕节点间的阻矩之和。 (1) 两股钢轨的水平刚度 ( 即横向刚度 )( 为一根钢轨对竖直轴的惯性矩 ) 。 (2) 扣件阻矩与轨枕类型、扣件类型、扣压力及钢轨相对 于轨枕的转角有关。 79 ( 二 ) 丧失稳定的因素 丧失稳定的主要因素是 温度压力 与 轨道初始弯曲 。 由于温升引起的钢轨轴向温度压力是构成无缝线路稳定 问题的根本原因，而初始弯曲是影响稳定的直接因素， 胀轨跑道多发生在轨道的初始弯曲处。因而控制初始弯 曲的大小，对保证轨道稳定有重要作用。 初始弯曲一般可发分为 弹性初始弯曲 和 塑性初始弯 曲 。现场调查表明，大量塑性初始弯曲矢度为 3 ～ 4mm ， 波长为 4 ～ 7m 。塑性初弯矢度约占总初弯矢度的 58.33 ％。 地铁规定： 铺设无缝线路能增强轨道结构的稳定性，减少养护维修工作量，改善行车条件，减少振动和噪声，所以 在条件允许下尽量铺设无缝线路 。 地面线 碎石道床 地段， 宜在正式运营前铺设无缝线路 ，可减少运营后再铺设的诸多麻烦。 整体道床 轨道稳定，横向阻力可达 300N/cm 以上，故 直线和半径大于及等于 200m 的曲线的整体道床地段铺设无缝线路的稳定性是没有问题的 。考虑小半径曲线地段钢轨磨耗，可在曲线两端设置缓冲区，便于更换钢轨。 80 81 根据国家铁路地面线大量铺设无缝线路的经验，规定 地面线半径大于及等于 400m 的曲线混凝土枕碎石道床地段应铺设无缝线路 。 高架桥上采用无缝线路，应做特殊设计，尽量减小梁轨间的作用力，采用小阻力扣件和在适当位置铺设钢轨伸缩调节器 ，既能保证轨道的稳定性，又能保证最低轨温下断轨的断缝不超过允许值。 无缝线路稳定的现场措施 1 、加强钢轨爬行观测； 2 、夏季到来之前，做好道床的丰满密实工作，提高道床阻力； 3 、做好扣件及联结零件的扭力检测、回紧，确保扣件阻力； 4 、日常养护维修坚持按章操作。 第 四 节 无缝线路铺设 主要方案 1 、采用工具轨的方法，组装轨排，铺设普通线路，然后换铺无缝线路。 2 、采用机械法或人工散铺法铺设普通线路，然后现场焊接成无缝线路。 换铺法作业流程 轨排组装 基地焊接 轨排架设 扎 筋 立 模 道床浇注 轨条运输 换 铺 现场焊接 应力调整 线路锁定 轨道调整 无缝线路换铺主要程序 现场焊接法 现场焊接法作业流程 轨排组装 轨排架设 扎 筋 立 模 轨道调整 道床浇注 现场焊接 应力调整 线路锁定 钢轨焊接的主要方法 : 铝热焊、闪光焊、气压焊、电弧焊 87 88 1 、钢轨焊接的方法有： （ 1 ）在工厂将标准轨焊接成 125M~500M 长度的长钢轨。 （ 2 ）将长钢轨用专用的车辆运输到工地用铝热焊或小型移动式气压焊进行焊接长钢轨，一般其长度在 1km 左右。 （ 3 ）焊轨列车现场直接对钢轨进行焊接。 89 小型移动式气压焊和铝热焊 90 脉冲闪光焊轨机 K922 现场焊接 气压焊有以下特点： 1 ）接头是锻造组织且没有脱碳层 2 ）理论上其强度不低于闪光焊 3 ）一次性投资小 4 ）无需大功率电源 5 ）焊接时间短 施工机具及材料： 压接机，加热器，气体流量控制箱，油泵，冷却装置，辅助机具及仪表。   91 施工方法： 1 ） 施工准备 2 ） 对轨和夹轨 ①串轨 ②对轨 a ．调直和调平 b ．调整轨缝 c ．夹轨 3 ） 安放加热器 4 ） 安放推凸位置 5 ） 点火焊接 6 ） 加热及顶锻 7 ） 焊熘的推除 8 ） 焊后处理 ①正火②打磨③探伤 9 ） 现场清理：每处焊接完毕后，回收机具、工具，移往下一焊接地点继续施工，并将施工现场打扫干净 92 93 焊轨列车现场焊接 94 现场拉伸机 降低钢轨内应力的关键在于控制轨温变化幅度，所以，不能在任意条件下锁定无缝线路。如轨温锁定过高，严冬季节最低轨温时，拉应力过大，容易发生断轨；反过来，轨温锁定过低，炎夏最高轨温时，压应力过大，容易发生胀轨跑道。 理论上，铺设无缝线路时的锁定轨温应该取本地区的中间轨温。但由于断轨与胀轨二者比较，胀轨跑道具有更大的威胁，所以一般情况下，铺设无缝线路时的锁定轨温通常略高于本地区的中间轨温。 无缝线路必须锁定在中间轨温（略高），一般说来，地面线路宜为 30±2℃ ，地下线路宜为 28±2℃ ，高架线路，由于散热条件较好，锁定轨温宜为 26±2℃ 。但实际铺设无缝线路时的实测轨温与设计锁定轨温通常不相符合，可以采取以下的方法。 1 ）当铺设轨温低于计划锁定轨温时 以一公里左右长度作为一个长轨节，将轨节始端扣件拧紧加固 50-75 米长度，其余扣件全部拆除，使该段长轨节处于完全自由的状态。安装拉伸机，通过拉伸法，强制钢轨伸长至计划锁定轨温时的计划长度，然后全面紧固，将线路锁定。这就是说，先通过计算，获得长轨条在计划锁定轨温时应具有的长度，在铺设时的实际轨温未达到锁定轨温时，通过人工的模拟法，强制其到达计划长度，即认为其到达锁定轨温。此时，长轨条内部处于拉应力，但当铺设后的某一时刻，实际轨温一旦到达锁定轨温时，该段长轨条内部应处于零应力。 这种在不具备轨温条件下所进行的方法，称为拉伸法，或称模拟轨温法、零应力法。 2 ）当铺设轨温高于计划锁定轨温时 可以先行铺设，然后选择气温较低的季节，确定轨节，分段处理，在处理过程中，松拆扣件，使钢轨随气温自由回缩至零应力状态，然后再拉伸。 以上所进行的作业称为应力调整或应力放散。 第 五 节 无缝线路应力放散 一、应力放散概述 在允许设计锁定轨温范围内，将无缝线路全长的扣件、防爬器全部松开，采取一定措施使钢轨伸缩，当达到预计伸缩量时，将线路重新锁定，这就是无缝线路应力放散。 应力放散的条件 1) 实际锁定轨温不在设计锁定轨温范围以内，或左右股长轨条的实际锁定轨温相差超过 5℃ ； 2) 锁定轨温不清楚或不准确； 3) 跨区间和全区间无缝线路的两相邻单元轨条的锁定轨温差超过 5℃ ，同一区间内单元轨条的最低、最高锁定轨温相差超过 10℃ ； 4) 当无缝线路铺设时的条件不成熟，必须在铺设后组织应力放散； 应力放散的条件 5) 铺设或维修作业方法不当，使长轨条产生不正常的伸缩； 6) 固定区和无缝道岔出现严重的不均匀位移； 7) 夏季线路轨向严重不良，碎弯多； 8) 由于养护不当，接头阻力、道床阻力、扣件阻力等线路的三大阻力不能与轨道的温度力相抗衡，线路发生纵向爬行； 应力放散的条件 9) 线路附近，有其它土建施工，使线路的路基发生扰动； 10 ) 在不同的气候条件下，多次焊接处理零星伤轨，而客观条件未能及时调整； 11) 通过测试，发现温度力分布严重不匀； 12) 因处理线路故障或施工改变了原锁定轨温； 应力放散的条件 13) 低温铺设长轨条时，拉伸不到位或拉伸不均匀。 14) 钢轨长期运行疲劳而发生微量塑性变形，通常称应力损失。 归 纳 1 、铺设条件不成熟 2 、轨温不明或轨温变化 3 、线路状态不良 4 、环境影响 5 、特殊需求 应力放散的方法 应力放散的方式很多，有滚筒法、列车碾压法、撞轨法、拉伸法等，而其中应用最多的是拉伸法，其它如滚筒法、撞轨法等，都作为拉伸法作业中的配套措施。 应力调整，实际上是局部性的应力放散，当长轨节两端未发生爬行，而中间出现应力不均时，可以将两端固定，将应力不均部位的扣件松拆，采用滚筒法和撞轨法相结合，使钢轨得到振动后，使钢轨内应力在有限的范围内，进行有限制的调整。 应力放散计算 1 ）放散量计算 ⊿ L=α· （ T 锁 ―T 原 ） ·L （ mm ） 缓冲区预留轨缝计算： δ=0.0118 （ T max –T ） L–C （ mn ） 计算结果必须满足 3.3∠δ∠8.1(mn) 2) 锯轨量计算 K=⊿L+Σa–Σb 式中： K 锯轨量 ⊿ L 放散量 Σa 缓冲区计划预留轨缝总和 Σb 放散前原有轨缝总和 以上计算可以提前通过内业完成，但当原轨温不明时，只能在现场计算，首先让钢轨自由回缩，必要时使用撞轨器回撞，当轨条回缩稳定后，实测轨温作为原始轨温，然后进行该系列的计算。 无缝线路有关规定 温度应力式无缝线路，固定区长度不得短于 50m 。伸缩区长度根据年轨温差幅值、道床纵向阻力、钢轨接头阻力等参数计算确定，一般为 50 ～ 100m 。 缓冲区一般由 2 ～ 4 节标准轨 ( 含厂制缩短轨 ) 组成，普通绝缘接头为 4 节，采用胶接绝缘接头时，可将胶接绝缘钢轨插在 2 节或 4 节标准轨中间。缓冲区钢轨接头必须使用 10 ． 9 级螺栓，扭矩应保持在 700 ～ 900N·m 。绝缘接头轨缝不得小于 6mm 。 变更无缝线路原设计结构或部分拆除时，必须有经上级有关部门批准的技术文件。 无缝线路应设置位移观测桩，两端伸缩区各三对，从长轨条头部开始每 100 米一对，长轨条中部一对。固定区较长时，可适当增加对数。 跨区间和全区间无缝线路，单元轨条长度大于 1200 m 时，设置七对位移观测桩 ( 单元轨条起、迄点，距单元轨条起、迄点 100 m 及 400 m 和单元轨条中点各设置一对 ) ；单元轨条长度不大于 1200 m 时，设置六对位移观测桩 ( 单元轨条起、迄点，距单元轨条起、迄点 100 m 及 400 m 各设置一对 ) 。 位移观测桩必须预先埋设牢固，在长轨条就位后，或应力放散拉伸到位后，立即做好标记，标志应清晰、明显、可靠。 跨区间及全区间无缝线路的维修管理，以一次铺设锁定的轨条长度为管理单元，无缝道岔以单组或相邻多组一次锁定的道岔及其间线路为管理单元。 应积极采用钢轨测标测量无缝线路锁定轨温技术，钢轨测标每 50m 或 100m 设一处。 长轨条及道岔内的焊缝部位要保持平直，出现凸凹应打磨、焊补。用 1m 直尺测量，工作边矢度不得大于 0.5mm 。 联合接头不得设置在道口、桥台、桥墩上及不作单独设计的桥上，距桥台边墙不小于 2m 。位于中跨度桥上的联合接头应布置在 1 ／ 4 ～ 1 ／ 2 桥跨处，并避开边跨；在大跨度桥上，应远离纵梁断开处。铝热焊缝距轨枕边不得小于 40mm 。 跨区间无缝线路内铺设的道岔必须设在固定区。跨区间和全区间无缝线路和无缝道岔上的绝缘接头必须采用胶接绝缘钢轨。 第 六 节 无缝线路伸縮调节器 一、概述 城轨高架线路，铺设在特大型钢筋混凝土桥的桥面上，无缝线路巨大的温度应力会通过线路扣件传递给桥梁，从而对桥梁结构的稳定带来一定的影响。尤其是在高温季节，钢轨受热膨胀而不能伸缩，内部产生巨大的压应力，传递给桥梁的是反作用力 ― 拉应力。对于钢筋混凝土结构而言，威胁性最大的就是拉应力。为避免无缝线路温度力给桥梁带来毁坏性的影响，通常，特大高架桥面上铺设超长轨节无缝线路时，应在适当的部位设置伸缩调节器。 二、伸缩调节器的基本原理 伸缩调节器由一对基本轨和一对尖轨所组成，通过扣件固定，但在线路纵向的方向上，基本轨与尖轨二者之间，能够进行相对位移，当轨温发生变化时，无缝线路的伸缩区即推（或拉）动调节器伸缩，这样，钢轨位移的发生，使无缝线路的温度力得到一定量的释放，大大降低了对桥梁的影响。 1 、当轨温升高时 基本轨 基本轨 尖轨 尖轨 2 、当轨温降低时 基本轨 基本轨 尖轨 尖轨 三、伸缩调节器的种类 伸缩调节器有单向伸缩与双向伸缩两种。 1 、单向伸縮 2 、双向伸縮 四、伸縮调节器设计图 序号 名称 数量 材料 单件重量 kg 1 基本轨 左右各一 PD 3 727.7 2 尖轨 左右各一 U71Mn 886.4 3 钢垫板 28 块 A3FB3F 24.7 4 尖轨轨撑（ 1 ） 2 块 KTH 350-10 5.3 5 尖轨轨撑（ 2 ） 26 块 KTH 350-10 5.3 6 基本轨轨撑 28 块 KTH 350-10 12.2 7 轨撑螺栓 M 22 × 120 56 低碳马氏体钢 0.55 8 轨撑螺栓 M 22 × 100 56 低碳马氏体钢 0.55 9 螺母 M 22 112 低碳马氏体钢 0.11 10 调整片 50 尼龙 6 0.0711 11 调整片 50 尼龙 6 0.204 12 弹簧垫圈（双圈） 112 55 Si 2 Mn 或（ yB ） 8-59 0.097 13 锚固螺栓 56 Q 235- A 1.109 序号 名称 数量 材料 单件重量 kg 14 绝缘套管 56 玻纤增强聚酰胺 0.24 15 弹簧垫圈 30 56 60 Si 2 Mn 0.045 16 方垫圈 56 45 、 35 钢 0.164 17 垫圈 22 224 45 、 35 钢 0.039 18 绝缘缓冲垫板 28 橡胶 0.723 19 橡胶垫板 28 橡胶 1.534 20 调高垫板 橡胶 21 WJ – 2 型扣件 16 组 22 尖轨垫板 8 铁黑心可锻铸 kTH 350-10 23 1 WJ – 2 型接头弹条 8 60 SiMn 热轧弹簧钢 0.59 探 讨 基本轨位移标志 基本轨位移标志 尖轨标志 尖轨标志