無縫線路

無縫線路

無縫線路(seamless rail)用焊接長軌條連續鋪設的軌道,因為長軌條沒有軌縫而得名。

  • 中文名稱
    無縫線路
  • 外文名稱
    seamless rail
  • 別名
    焊接長鋼軌線路
  • 含義
    用焊接長軌條連續鋪設的軌道

基本介紹

無縫線路(continuous welded rail)是把標準長度的鋼軌焊連而成的長鋼軌線路,又稱焊接長鋼軌線路。因為長軌條沒有軌縫而得名,一般是指連續焊接超過兩百米的線路。

梯形道床梯形道床

無縫線路類型 無縫線路溫度應力式及放散溫度應力式兩種。目前世界各國絕大多數均採用溫度應力式無縫線路

特點

將每根12.5m或25m長的鋼軌聯結成軌道,很顯然每隔12.5m或25m就會有一個接頭。接頭之間還有一道軌縫,大約為6mm。留軌縫的道理很簡單,是為了防止鋼軌在熱脹冷縮時產生的溫度力。不要小看這個溫度力,當鋼軌溫度每改變1℃,每根鋼軌就會承受1.645噸的壓力或拉力。軌溫變化幅度為50℃時,一根鋼軌則要承受高達82.25噸的壓力或拉力。

如此巨大的力足以將鋼軌頂得歪七八扭,造成軌道不平順,影響列車快速安全運行。

軌縫使熱脹的問題解決了,但是另一個問題又出現了:這道不起眼的軌縫不但使列車在運行時產生令人討厭的"咔噠咔噠"聲,更重要的是造成車輪與鋼軌的撞擊,對二者尤其是車輪的損害相當大,縮短了車輪的使用壽命。為了解決這個問題,業內業外很多人都在動腦筋。特別是那些熱心的普通乘客,紛紛獻計獻策。鐵路相關部門,比如《鐵道知識》雜志收到讀者大量的改進軌道接頭的建議和設計。但是這些建議和設計盡管千變萬化,接頭依然存在,最好的辦法是幹脆消滅接頭,這就是我們要說的"無縫線路"。

觸焊辦法

所謂"無縫線路",就是把不鑽孔、不淬火的25m長的鋼軌,在基地工廠用氣壓焊或接觸焊的辦法,焊成200m到500m的長軌,然後運到鋪軌地點,再焊接成1000m到2000m的長度,鋪到線路上就成為一段無縫線路。如果沒有加工、運輸、施工上的困難,從理論上講,"無縫線路"可以無限長。這種徹底消滅軌縫的辦法,我國鐵路正在一些主要幹道上採用。假如你是個細心人,當你乘火車進京就會註意到,昔日的"咔噠咔噠"聲已經大為較少。看到這裏,你肯定要問,難道"無縫線路"就不存在熱脹的問題嗎?

物質不滅定律告訴我們,任何一種物質都不會消失,隻不過從一種形式轉化為另一種形式。鋼軌的溫度力也同樣如此,它不可能消失,是人們在鐵路線上採用強大的線路阻力來鎖定軌道,限製了鋼軌的自由伸縮。在我國是採用高強螺栓、扣板式扣件或彈條扣件等對鋼軌進行約束。實驗表明,直徑24mm的高強螺栓,六孔夾板接頭可提供40至60噸的縱向阻力。彈條扣件每根軌枕可提供1.6噸的縱向阻力。

由于無縫線路鋼軌所承受的溫度力的大小和軌溫的變化有直接關系,所以我們鎖定鋼軌時必須正確、合理地選定鎖定軌溫,以保證無縫線路鋼軌冬天不被拉斷,夏天不致脹軌跑道,危及行車安全。就北京地區來說,最高軌溫為攝氏62.2℃,最低軌溫為零下22℃度,中間軌溫為19.9℃。根據無縫線路強度和穩定性計算得出的結果,北京地區最佳鎖定軌溫為24℃,實際允許鎖定軌溫為19℃~29℃。

無縫線路是鐵路軌道現代化的重要內容,經濟效益顯著。據有關部門方面統計,與普通線路相比,無縫線路至少能節省15%的經常維修費用,延長25%的鋼軌使用壽命。此外,無縫線路還具有減少行車阻力、降低行車振動及噪聲等優點。

基本結構

無縫線路的類型分為溫度應力式和放散溫度應力式兩類,溫度應力式為無縫線路的基本結構型式。

(一)溫度應力式無縫線路包括伸縮區、固定區和緩沖區三部分。

伸縮區長度根據計算確定,一般為50~100m。固定區長度根據線路及施工條件確定,最短不得短于50m。

緩沖區一般由2~4對標準軌或廠製縮短軌組成,有絕緣接頭時為4對,採用膠結絕緣接頭時為3對或5對。

(二)放散溫度應力式無縫線路分自動放散式和定期放散式兩種。

定期放散式無縫線路每年春秋季節適當溫度下,更換不同長度的緩沖區鋼軌,調節鋼軌溫度應力。其結構型式與溫度應力式相同。

在溫差較大的地區和特大橋梁上,為了消除和減少鋼軌溫度力對鋼梁伸縮的影響,採用自動放散溫度應力式無縫線路。自動放散溫度應力式無縫線路是在焊接長鋼軌間,設定橋用鋼軌伸縮調節器,用以釋放溫度力。

鋪設焊接長鋼軌的鐵路軌道。將軌端不鑽孔、不淬火的標準鋼軌在焊軌廠焊接成一定的長度,一般為250米;然後運往鋪軌工地,用鋁熱焊焊接成規定的設計長度,一般為1000~2000米;最後鋪入線路。無縫線路分溫度應力式及放散應力式兩種;前者由焊接長鋼軌及其兩端若幹根標準鋼軌組成,用夾板及螺栓連結;其構造簡單,鋪設維修方便,但鋼軌要承受很高的溫度力,一般適用于常年軌溫變化不大于90C的地區,也可鋪設在大于這一軌溫變化的地區,但要在一定軌溫條件下,定期放散鋼軌內部過高的溫度力。後者在焊接長鋼軌兩端設溫度伸縮調節器,隨時釋放溫度力。

無縫線路無縫線路

穩定性

無縫線路由于消滅了大量鋼軌接頭,因而具有行車平衡,機車車輛及軌道維修費用低,使用壽命長等優點,是鐵路軌道現代化的主要內容之一。但要充分發揮它的優越性,必須同時滿足強度和穩定性方面的設計要求。

溫度應力及溫度力

鋼軌熱脹冷縮,在無縫線路上,焊接長鋼軌每單位長度的自由伸縮量等于線膨脹系數及軌溫變化幅度的乘積。焊接長鋼軌一經"鎖定",自由伸縮就受到兩端接頭阻力及沿線道床阻力的抵抗而不能實現或不能全部實現。此時,未能實現的自由伸縮將轉化為數值相等但方向相反的溫度應變=,從而在鋼軌內部產生溫度應力=和溫度力=(為鋼的彈性模量;為鋼軌截面積)。夏季軌溫升高,鋼軌勢必伸長,但因不能實現而轉化為壓應變,在鋼軌內部產生壓應力。冬季軌溫降低,鋼軌勢必縮短,但因不能實現而轉化為拉應變,在鋼軌內部產生拉應力。這種因軌溫變化而引起的應力稱溫度應力,而作用于鋼軌截面上的力稱溫度力。

無縫線路無縫線路

鋪軌軌溫及鎖定軌溫

最適宜于鋪設焊接長鋼軌的軌溫稱鋪軌軌溫。因為在鋪軌過程中,軌溫可能有波動,所以確定鋪軌軌溫時,容許有一個上下波動範圍。鎖定軌溫,也稱無應力軌溫,是在焊接長鋼軌鋪設完畢,上緊扣件,裝好防爬設備及接頭夾板時的軌溫。它必須在鋪軌軌溫的容許波動範圍內。鎖定軌溫一般應略高于當地最高軌溫與最低軌溫的平均值,防止酷暑季節鋼軌溫度壓力過大,從而減少無縫線路脹軌跑道的潛在危險。當地最高軌溫一般要高出最高氣溫20C,而最低軌溫則大致與最低氣溫相等。鎖定軌溫是計算軌溫變化幅度的依據,必須詳實記錄,妥善儲存,如因線路作業引起變化,應及時更正。

無縫線路無縫線路

伸縮區、固定區和緩沖區

焊接長鋼軌兩端的接頭阻力是一個集中力,而沿線道床阻力則是一個分布力,如道床縱向阻力以每米鋼軌的阻力(千牛/米)表示,則在離軌端處,兩者之和為+。此值隨的增大而增大,如焊接長鋼軌的長度為,其最大值可達+/2。但是,當地的最高軌溫總是有限的,因而最大軌溫變化幅度[max1]也將是有限的。所以,要平衡由此而產生的最大溫度力[max1]=[max1],並不需要動用焊接長鋼軌上的全部道床阻力,而隻要動用靠近軌端長度為的一部分就可以了。此時,溫度力和阻力的平衡式為[max1]=+,由此求取的值。在範圍內一部分自由伸縮由于接頭阻力及道床阻力的限製而不能實現,從而出現不同程度的限製伸縮。這一區域稱為伸縮區。兩端伸縮區以外的中間部分,全部自由伸縮被限製,因而處于完全固定的狀態,這一區域稱為固定區。由此可見,無縫線路上最大溫度力出現在固定區,它僅與鋼軌的最大軌溫變化幅度有關。從理論上說,焊接長鋼軌的長度可以不受任何限製,但實際鋪設時還應當考慮其他方面的因素。例如,在兩個自動閉塞區分界處,長鋼軌要斷開,以便安裝絕緣接頭;而在接近車站兩端道岔群時,也要把長鋼軌中斷,以利道岔的養護和維修。在焊接長鋼軌中斷處,應設緩沖區。緩沖區由2~4或更多根標準鋼軌組成。目的是便于調整軌縫,放散應力和修理及更換絕緣接頭和道岔。

強度及穩定性

為防止鋼軌斷裂,無縫線路應具有足夠的強度。無縫線路強度計算的要求是:在列車動力作用下,焊接長鋼軌所受的彎曲應力、溫度應力及製動力的總和,不超過鋼軌鋼料的容許應力。

無縫線路除滿足強度要求外,還必須滿足穩定性要求。實踐和理論表明,無縫線路在垂直面上臌曲的可能性是很小的,脹軌跑道總是在水準面上發生,首先在軌道的原始彎曲處開始。當軌溫不高,溫度壓力不大時,軌道的臌曲變形極小;隨著軌溫及溫度壓力的繼續增大,軌道變形將隨之逐漸增加,但不會引起突然破壞;一旦溫度壓力升高到某一臨界值後,如壓力稍有增大或受外力幹擾時,軌道變形就會突然急劇增加,終于導致穩定性的完全喪失。軌道臌曲的漸變階段稱為脹軌。突變階段稱為跑道。

無縫線路無縫線路

無縫線路的穩定問題是一個力學平衡問題。平衡因素以溫度壓力和軌道原始彎曲為一方,軌道架構剛度和道床橫向阻力為另一方。前者為破壞穩定的因素,後者為保持穩定的因素,無縫線路的穩定與否,就是雙方消長變化的結果。保證無縫線路穩定的基本要求在于盡可能地增加其保持穩定的因素,減少其破壞穩定的因素。主要措施有:提高無縫線路的軌道架構剛度,即採用重型鋼軌、混凝土軌枕及強力扣件;提高道床橫向阻力;保持線路方向良好;消滅鋼軌硬彎,力求焊縫平直;保證路基無翻漿下沉等病害。

用長軌鋪設的鐵路線路。通常使用的標準鋼軌長度為12.5米和25米兩種。把10根或20根標準鋼軌先在工廠焊接成125-250米的鋼軌,再用特別編組的運軌車運到鋪設工地,焊接成1000-2000米的長軌鋪設在線路上,然後把1000-2000米的長軌條下面支上滾筒,用接觸焊機焊把整個區間長軌條焊接成無縫線路,一邊焊接一邊放散。根據鎖定溫度,進行放散,放散時軌溫低于鎖定軌溫時要用液壓拉伸機配合根據計算出的結果進行拉伸。

橋上無縫

橋上無縫線路(CWR track on bridge) 鋪設在橋梁上的無縫線路。中國從1963年開始,先後在一些中小跨度的多種類型橋梁(簡支梁、連續梁、桁梁、有碴無碴橋)上鋪設無縫線路,並對橋上無縫線路梁軌相互作用的原理進行大量的試驗研究,涉及了多種類型橋梁上無縫線路縱向力作用規律,以及橋梁墩頂位移(高墩)等多種因素的影響,並建立了橋上無縫線路伸縮附加力、撓曲附加力的計算原理和計算方法,為中國在橋上鋪設無縫線路奠定了基礎。

橋上無縫線路除受到列車動載、溫度力、製動力等的,用外,還受到由于橋梁的伸縮或撓曲變形產生的梁軌相互作用力--縱向附加力。附加縱向力增加了鋼軌應力,並反作用于橋梁,並通過橋梁作用于墩台。此外,橋上無縫線路鋼軌一旦斷裂,不僅危及行車安全,還將產生斷軌附加力,並通過橋跨結構而作用于墩台上。因此,設計橋上無縫線路時,為保證安全,必須考慮在上述各種力的聯合作用下,保證鋼軌、橋跨結構及墩台滿足各自的強度條件、穩定條件以及鋼軌段縫條件。

在計算模型上,通常採用帶剛臂的梁單元模擬橋梁,用非線性彈簧模擬線路縱向阻力,該模型已通過試驗驗證。以該模型為基礎,我國學者對高速鐵路簡支梁、連續梁、剛構橋、拱橋、斜拉橋等橋梁上的無縫線路進行了計算和分析。

控製優點

青藏鐵路開工建設以來首條無縫線路焊接生產線近日在南山口建成投入使用,標志著"青藏線無縫線路關鍵技術"取得突破性進展,青藏鐵路格拉段配套工程將全面展開。焊軌廠以每天1.5公裏的焊軌速度開展工作,並且在納赤台玉珠峰23.85公裏實驗地段投入使用無縫鋼軌,為明後兩年內青藏鐵路格拉段大區段鋪設無縫線路奠定良好基礎。

無縫線路的優點是接頭比普通線路大大減少,不僅節省了大量的接頭零件和線路維修工作量,而且減少列車的接縫震動,運行平穩,降低噪聲。另一方面,由于減少了在接頭處的振動,又能延長線路設備和機車車輛的使用年限。因此,是現代鐵道發展的方向。

無縫線路能否正常使用的中心問題是如何控製因氣溫變化所產生的熱脹冷縮現象。為了不使鋼軌氣溫變化自由伸縮,一般採用鋼軌聯接零件和防爬設備把它們強製性"鎖定"在軌枕上。這樣就產生了鋼軌內的伸長力或縮短力,統稱溫度力。為了減少溫度力,通常採用鐵路所在地區的最高氣溫與最低氣溫平均值的季節來進行鎖定,使鋼軌的溫度力減少到最低限度。

無縫線路無縫線路

無縫線路是20世紀30年代開始出現的,但在50年代初期才真正得到發展。現在世界各國無縫線路已超過20萬公裏,約佔世界鐵路總長的20%。中國無縫線路是1958年開始鋪設的,到1980年底鋪裏程已達8000多公裏,約佔正式營業裏程的16%。可以預見無縫線路這一新型軌道結構必將得到不斷發展。

分段焊連

超長無縫線路的鋪設是以單元軌條為一段依次分段焊連施工的。焊連時保證鎖定軌溫不超限(在設計中和軌溫範圍)是關鍵。所以根據施工作業軌溫和施工條件一般有兩種施工方法,一種叫"連入法",一種叫"插入法"。

連入法

採用連入法施工時,是在一個天窗時間內把要鋪設的單元軌條始端用焊接法與前一天鋪設的單元軌條終端焊連,鋪設時同時焊接同時放散,做到一步到位。也就是說,在認為鎖定軌溫相符的條件下,新軌引進換軌車龍門之後,換軌車邊前進邊進行長軌條的始端焊接。這種施工組織難度較大,一般適用于封閉線路鋪設和軌溫變化不大,與鎖定軌溫相同的條件。

插入法

是在一個天窗內,與鋪設普通無縫線路一樣,在兩單元軌條之間設一根緩沖軌(長度不短于6m)。而在另一個天窗時間取出緩沖軌,插入經計算確定的軌長放散應力,然後進行最終焊接。第二次焊接作業,可以選在正在鋪設新軌區間或相鄰區間鋪設新單元軌條時的同一個天窗內來進行。作業地點間隔以相互施工不發生影響,最好不小于三個單元軌條長。這種施工方法原則上可以任意軌溫下鋪設,施工難度較小,容易做到溫度力均勻,符合設計中和軌溫要求。

超長無縫線路的基本原理與普通無縫線路相同,因此,普通無縫線路的一切養護維修辦法,都適用于超長無縫線路。但超長無縫線路因其軌條特長,也有一些不同于普通無縫線路的特點。

超長無縫線路一經鎖定,其鎖定狀況,因其超長而不易改變。例如,鎖定軌溫不準、軸向力分布不均時,隻能進行局部調整,幾乎無法進行整體放散。因此,"鎖定軌溫要準"對超長無縫線路來說格外重要。為此,必須做好:

跟蹤監控:大修換軌時,工務段要派遣分管無縫線路的技術人員,對施工中鎖定軌溫的設定實行跟蹤監控。施工單位確定的鎖定軌溫之依據是否可靠;新軌的入槽軌溫和落槽軌溫的測定是否準確適時;低溫拉伸時,其拉伸溫差和拉伸量的核定是否無誤,拉伸是否均勻等等,都要認真監視、檢查和記錄。嚴格驗收。工程驗交時,有關記錄鎖定軌溫的資料,必須齊全,同時要一一查對核實,如有疑問必須核查清楚。

最終復核:工程驗交以後,工務段要對驗交區段的軌長表項進行一次取標測量,去掉可疑點,算出各分段的鎖定軌溫值。而後將跟蹤監控、交驗資料、取標測算三方面的情況進行一次最終核查,將查定的鎖定軌溫作為日後管理的依據。

日常監測。在日常管理中,要對爬行觀測樁和軌長標定的設標點進行定期觀測,並互相核對。如發現兩觀測樁之間有位移,則進一步對兩觀測樁之間的設標點進行取標測量,詳查發生位移的實際段落所在。核定後進行局部應力調正,使之均勻。

鋪設養護

鋼軌的焊接工作在焊軌廠的接觸焊接機上進行。整個焊接工作包括配軌、調直、軌端處理、焊接、清除焊瘤、正火、研磨、矯直及探傷等一系列工藝過程。焊接好的長鋼軌由存軌站台裝上專用運軌列車後直接駛往鋪軌地點。到達工地後,長鋼軌從運軌列車最後一輛卸軌車的左右導向滑槽中引出,分別卸在線路軌道的兩側。然後把長鋼軌按設計要求在現場用鋁熱焊焊接成規定的設計長度。

無縫線路最後在規定的鋪軌軌溫範圍內,把舊的標準鋼軌換成新的焊接長鋼軌。換軌工作用軌道車牽引的兩台換軌小車進行。第一台小車抬新軌、走舊軌,將新軌換入舊軌已被拆除的混凝土軌枕承軌台上。第二台小車抬舊軌、走新軌,將已拆除的舊軌送入軌道的道心。兩台小車相距約20米,這樣,被抬起的新舊鋼軌呈橫8字圖形隨小車向前移動而連續更換。無縫線路在養護維修方面,有其一定的特殊要求。首先,無縫線路必須按軌溫進行線路作業。軌溫超過或低于鎖定軌溫20嚴禁進行一切維修作業。作業過程中要做到不破壞或少破壞道床阻力。同時要根據無縫線路的特點,合理安排作業計畫和順序,確保線路穩定。無縫線路的斷軌和脹軌跑道,對行車安全威脅極大,必須事前採取各種有效的預防措施,並在事故發生後,按規章進行及時的處理

橋上無縫線路是無縫線路的一種特殊形式。鋪設無縫線路的橋梁,以中跨上承式簡支梁橋居多。橋上無縫線路的特點是梁因溫度變化而伸縮,並受列車荷載作用而撓曲,致使焊接長鋼軌除承受因軌溫變化而產生的溫度力外,還承受由梁傳來的伸縮附加力和撓曲附加力。同時,這兩種附加力也反作用于梁並傳遞到支座和墩台上。在一般情況下,橋梁均位于無縫線路的固定區,且相鄰橋梁的固定支座及活動支座位于同一橋墩上。為減小橋梁和焊接長鋼軌之間的相互作用力,在無碴橋上通常可採用不同松緊的扣件布置系列,以降低橋上的扣件阻力。計算焊接長鋼軌的伸縮附加力時,以一年內一日間可能出現的最大梁溫度差作計算依據。因為伸縮附加力和撓曲附加力可以互相放散,計算時不需要進行疊加,隻要選取其中最不利者作為焊接長鋼軌的附加力,進行強度檢算即可。

危險源

1 基地焊軌使用以電為動力的設備絕緣性能不好,發生觸電。

2 落錘試驗機未設防護網、卷揚機鋼絲繩磨損、銹蝕嚴重,落錘試驗過程中人員未站在安全地帶。

3 高溫焊頭、推瘤下來的焊渣等灼燙。

4 長鋼軌存放支點間距不合理、存放層數過高發生傾倒。

5 長鋼軌運輸前固定裝置未鎖死,散裝料未加固

6 長鋼軌運輸車防溜措施不到位。

7 長鋼軌運輸車運行速度超限,對位時速度超限,前方未安放鐵鞋和止輪器。

8 牽引長鋼軌牽引卡未卡牢。

9 氧氣瓶、乙炔(或液化石油氣)瓶同車運輸,使用時安全距離不足。

10 移動焊軌作業車未設定止輪器。

11 鋁熱焊坩堝破裂,鋼水飛濺或泄漏灼燙。

12 無縫線路應力放散鎖定撞軌時撞塊飛出。

13 高于實際鎖定軌溫20℃以上時進行無縫線路軌道整理,發生脹軌跑道。

相關詞條

其它詞條