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第八章无缝线路 本章重点1 无缝线路概述2 无缝线路纵向受力分析 1 基本概念无缝线路也叫长钢轨线路 就是把若干根标准长度的钢轨经焊接成为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 第一节概述 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余公里 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 目前主要干线均已铺设无缝线路 90年代开始又开始了对跨区间无缝线路的研究和试铺工作 至今无缝线路已铺设约35336 1km 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1 无缝线路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两种类型 温度应力式无缝线路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 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 无缝线路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 第二节无缝线路纵向受力分析 线路阻力 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 一 无缝线路纵向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 1 接头阻力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 夹板受力图 接头阻力 PH n S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 其中T P 2 则有 式中P 一枚螺栓拧紧后的拉力 kN 夹板接触面的倾角 tan 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 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PH为 钢的摩擦系数一般为0 25 而f tan 则有 arctan0 25 又有 arctani 相应值代入得到 70 50kg m钢轨 S 1 03P 60 43kg m钢轨 S 0 90P 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 PH 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 1 2 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 1 2 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 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 扣件摩阻力F的表达式为 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 道床纵向阻力 轨枕与道床之间的摩阻力 枕木盒内道碴抗推力 3 道床纵向阻力道床纵向阻力系指道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力 一般以每根轨枕的阻力值 或每延毫米分布阻力表示 它是抵抗钢轨伸缩 防止线路爬行的重要参数 道床纵向阻力受道碴材质 颗粒大小及级配 道床断面 捣固质量 脏污程度 轨道框架重量等因素的影响 注意 只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床抵抗轨枕纵向移动的阻力 则无缝线路长钢轨的温度应力和温度应变的纵向分布规律将完全由接头阻力和道床纵向阻力确定 可以看出 道床纵向阻力值随位移的增大而增加 当位移达到一定值之后 轨枕盒内的道碴颗粒之间的结合被破坏 在此情况下 即使位移再增加 阻 道床纵向阻力与位移之间的关系 力也不再增大 在正常轨道条件下 钢筋混凝土轨枕位移小于2mm 木枕位移小于1mm 道床纵向阻力呈斜线增长 钢筋混凝土枕轨道道床纵向阻力大于木枕轨道 在无缝线路设计中 采用轨枕位移为2mm时相应的道床纵向阻力值 见表8 3 二 钢轨温度力与锁定轨温无缝线路的特点是轨条长 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 为保证无缝线路的强度和稳定 需要了解长轨条内温度力及其变化规律 为此首先要分析温度力 伸缩位移与轨温变化及阻力之间的关系 一根长度为可自由伸缩的钢轨 当轨温变化 t 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 t为 式中E 钢的弹性模量 E 2 1 l05MPa 将E 之值代入上式 则温度应力为 MPa 一根钢轨所受的温度力Pt为 N 以上为无缝线路温度应力和温度力计算的基本公式 由此可得知 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 轨长有关 与钢轨断面积无关 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 锁定时 即铺设或维修时 的钢轨温度称为锁定轨温 为降低长轨条内的温度力 需选择一个适宜的锁定轨温 又称零应力状态的轨温 在铺无缝线路中 将长轨条始终端落槽就位时的平均轨温称为施工锁定轨温 施工锁定轨温应在设计锁定轨温允许变化范围之内 锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准 因此根据强度 稳定条件确定锁定轨温是无缝线路设计的主要内容 7 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 t 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 L 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 t x 对于长度为dx的钢轨 其受约束的伸缩量应为 t 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 2 标准温度力图面积与全约束伸缩量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 此时 该L段钢轨被约束的总伸缩量为 Lt 即 全约束伸缩量 Lt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 t时的伸缩量 它仅是 t的函数 温度力为 相应的应变为 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 三 温度力图温度力沿长钢轨的纵向分布 常用温度力图来表示 温度力图实质是钢轨内力图 温度力图的横坐标轴表示钢轨长度 纵坐标轴表示钢轨的温度力 拉力为正 压力为负 钢轨内部温度力和钢轨外部阻力随时保持平衡是温度力纵向分布的基本条件 一根焊接长钢轨沿其纵向的温度力分布并不是均匀的 它不仅与阻力和轨温变化幅度等因素有关 而且还与轨温变化的过程有关 一 约束条件1 接头阻力的约束为简化计算 通常假定接头阻力PH为常量 无缝线路长轨条锁定后 当轨温发生变化 由于有接头的约束 长轨条不产生伸缩 只在钢轨全长范围内产生温度力 这时有多大温度力作用于接头上 接头就提供相等的阻力与之平衡 当温度力大于接头阻力时 钢轨才能开始伸缩 因此在克服接头阻力阶段 温度力的大小等于接头阻力 即 Pt 2 5 tH F PH N Pt 2 5 tH F PH N 则 式中 tH 接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅度 PH 接头阻力 N F 钢轨断面面积 mm2 例如 60kg m钢轨 F 77 45cm2 PH 490kN 接头扭矩T 800N m 则 2 道床纵向阻力的约束接头阻力被克服后 当轨温继续变化时 道床纵向阻力开始阻止钢轨伸缩 但道床纵向阻力的产生是体现在道床对轨枕的位移阻力 随着轨枕位移的根数的增加 相应的阻力也增加 为计算方便 常将单根轨枕的阻力R换算为钢轨单位长度上的阻力r 并取为常量 由上述特征可见 道床纵向阻力是以阻力梯度的形式分布 故在克服道床纵向阻力阶段 钢轨有少量伸缩 钢轨内部分温度力以位移的形式得到部 分放散 因而发生位移的钢轨各截面的温度力并不相等 以斜率分布 二 基本温度力图无缝线路锁定以后 轨温单向变化时 温度力沿钢轨纵向分布的规律 称为基本温度力图 现以降温为例说明 当轨温t等于锁定轨温t0时 钢轨内部无温度力 即Pt 0 如下图中A A 线 A A l Pt 1 当 t t0 t tH时 轨端无位移 温度拉力在整个长轨条内均匀分布 Pt 2 5F t A A l Pt 1 当 t t0 t tH时 轨端无位移 温度拉力在整个长轨条内均匀分布 Pt 2 5F t Pt 2 5F t 2 当 t tH时 轨端无位移 温度拉力在整个长轨条内均匀分布 Pt PH 图中B B 线 A A l Pt 1 当 t t0 t tH时 轨端无位移 温度拉力在整个长轨条内均匀分布 Pt 2 5F t 2 当 t tH时 轨端无位移 温度拉力在整个长轨条内均匀分布 Pt PH 图中B B 线 B B PH A A l Pt 3 当 t tH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 范围内任意截面的温度力为 Pt PH r x N B B PH rx x C C 式中 x为轨端至发生纵向位移的钢轨任一断面之间的距离 mm Pt 2 5F t A A l Pt 4 当t降到最低轨温Tmin时 钢轨内产生最大温度拉力Pt拉max 如图中线 这时发生纵向位移的钢轨长度达到最大值ls ls称为伸缩区长度 B B ls C C D D Pt拉max 伸缩区 伸缩区 固定区 A A l Pt B B ls D D Pt拉max 伸缩区 伸缩区 固定区 此时Pt拉max和ls可按下式计算 Pt拉max 2 5F t降max 2 5F t0 Tmin N mm 上面分析了轨温从下降到Tmin时 温度力纵向变化的情况 同理 当轨温从锁定轨温变化到最高轨温时 长轨内温度力的分布与图8 4相仿 不同的是轨温升高时 钢轨内将产生温度压力 其最大值为 Pt压max 2 5F t升max 2 5F Tmax t0 N 伸缩区长度ls按式 8 9 计算 伸缩区长度一般取50 100m 宜取为标准轨长度的整倍数 算例 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7745mm2 当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 解 1 2 Pt拉max 2 5F t降max 2 5F t0 Tmin 2 5 7745 27 3 20 6 927464N 927 464kNPt压max 2 5F t升max 2 5F Tmax t0 2 5 7745 65 2 27 3 733839N 733 839kN 3 48073mm即ls1 48 073m 26795mm即ls2 26 795m即ls 50m 8 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8 6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 轨端伸缩量长与阴影线部分面积的关系为 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 9 无缝线路稳定 1 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