无缝钢轨实现的原理

1、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

2、钻孔、不淬火的 10根或20根标准钢轨先在工厂焊接成200500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10002000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 (CWRcontinuously welded rails )。所谓“无 缝线路”，就是把不钻孔、不淬火的25m长的钢轨

3、，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至U 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%勺钢轨使用寿命，并能适应高 速行车的要求，是轨道现代化的发展方向。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

4、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，甲3/503-O层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 30375%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

5、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钢筋混凝土轨枕之上，称为锁定线路（图2）。锁定时（即铺设或维修时）的钢轨温度称

6、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- At - s （s为钢轨断面 积），所以温度力产生的压强只和轨温变化A 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,图2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C,最低轨温为？C,中间轨温为C,而设计时的锁定轨温一般采用24Co另一种解决

7、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。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:?l = al?t （1）式中：a 钢的线膨胀系数，等于，即每米长钢轨，当轨温变化1C时，钢轨伸缩，l 一钢轨长度 （米）；？t一轨温变化度数（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

8、生应力，根据虎克定律，钢轨内的应力为：?产 E? = E? ?l = a4?ta4?t一 ,2、，一（r= E?济=?t （公斤/厘米）（2）式中：E一钢的弹性模量,等于X106公斤/厘米3；其他符号意义同前。把a、E值代人上式，则： 声 2.1 X106 X 0.0000118 乂 r?X 25?公斤/厘米2） （3）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2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：P= E?aNt?S= 25?t?S （公

9、斤）（4）S为钢轨的断面积，各定型钢轨的断面积值见表1。钢轨类型2断卸积（厘米）P50P43P38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：P = 65.8 X25 X?t= 1645? t （公斤）即：轨温变化1C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。由于铁路线路固定区内的钢轨紧固件约束并限制其热胀冷缩，所以在此区间的钢轨内部必然存在相应的纵向温度应力。钢轨无法向两侧伸长，只好把这种内应力（温度应力）均匀地

10、作用在钢轨内部的全长上。为减小钢轨的这种温度应力，铺设时要在钢轨处于合适的温度时锁定 线路，一般采用当地最高轨温与最低轨温平均稍高点时的轨温来锁定。若控制不当，夏天温度高时，钢轨内部产生巨大的压应力，就会胀轨跑道；冬天气温低时，钢轨内部产生的巨大拉应力，就会细轨断裂。由于这种导致钢轨的变形的热应力，威胁到列车的运行安全，所以准确、及时地掌握钢轨内部温度应力具有重要意义。国内外的实践证明：无缝钢轨的钢轨拉断后，车辆几乎不发生脱轨，而胀轨跑道的路段，只要车辆上去，必然脱轨，乃至颠覆。在此情况下，国内外的做法一致，掌握不了钢轨的温度应力就不惜付出巨大的经济代价，从产生胀轨跑道的各种可能因素入手来解决

11、胀轨问题。长轨的广泛应用，使得掌握由温度改变和外加载荷而引起的长轨纵向应力成为必要的任务。但上述方法都提高了铁路建设的成本，并且有的方法对铁路整体具有破坏性。特别是，即便采用上述方法人们仍无法知道什么时间，什么位置的钢轨中存在温度应力超标的危险。长轨温度应力检测方法长轨中的温度应力估计，因为许多因素可能造成干扰，比如地基温度应力和长轨中不平均的温度分布，仅凭外界或钢轨的温度及人工经验是很难准确评估的。因此又有许多建立在钢轨本身不同物理现象上的应力测量方法也被实验性的采用。综合起来无缝轨道上的钢轨实际温度应力的测定可分为两大类，即应力法和应变法。应力法排除不了钢轨微结构的影响和非温度应力的干扰；

12、而应变法又超越不了传统的长度精度概念上的不足。测量钢轨应力从采用的方法与设备上可主要分为两类。一类是破坏性测量方法，它包括锯切法、钻孔法、开槽法；另一类是非破坏性方法，包括X射线法、超声波法、磁弹性法、中子衍射法等。最简单的长轨纵向温度应力检测方法是破坏性的，它是基于应变原理。采用机械方法把含有应力的工件一部分分离掉，使内应力由于释放而引起变形，若把这种变形测量出来，再利用弹性理论进行处理，即可推算出释放前的应力值。用这种方法能够大致估算出某段钢轨中在切割前的应力值。在钢轨上的具体做法是，人工切割一截钢轨，从而测量切断处钢轨的变形位移。一般常用应变片采集分离前后的应变变化。在很长一段时间中，各

13、国的铁路部门根据实践经验，在钢轨容易出现应力问题的地方采取锯切法，将钢轨的温度应力释放掉。但这种凭经验进行的养护工作，显然效率低下，既不准确又造成浪费。它被许多国家和地区采用。这种方法需要日积月累，将轨道方向数个标记点的变形监控起来。在轨道沿线，路基上和对应的钢轨上相隔 200m做一个标记，并作记录。如果两个标记问 的距离发生改变，就意味着钢轨中有应力变化，标记间距离缩短表明存在压应力，反之为拉应力。我国的铁路轨温监测主要是采用这种靠人工定点定时测量的方法。该方法获得的监测数据密度小，占用劳动力多、测量误差大、实时性差，因此难以为铁路养护作业提供及时、准确、科学的决策依据。非破坏性检测方法随着

14、科技的进步，非破坏性检测方法成为可能。无损检测方法是建立在物理或晶体特性和应力之间关系的基础上的。因为应力的存在，将影响到材料的物理性质，测量这些物理性质的变化能反馈出应力的分布和大小。这些物理参数包括晶面间距、比容、磁性等。随着无损检测的发展，目前国外的科研机构和铁路公司都在开发采用无损检测无缝钢轨纵向温度应力的方法，测量金属残余应力的工具也被用于长轨纵向应力检测中。例如：各种磁技术和巴森豪克噪音技术、X射线法、中子衍射法等等。磁弹性法（又称为巴克豪森法）在八十年代到九十年代研究较多。其原理基本是：铁磁材料内部存在许多微小的、不同取向的小磁畴。在无外界因素作用下，每个磁畴沿其极化的结晶方向取

15、向，其总体磁化效果为零。当有外加交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生90o或1800反转或使磁畴壁移动，导致磁畴发生一定规则的取向，这种磁畴变化过程使材料内部产生一系列突变、阶越式的跳跃脉冲信号，即巴克豪森信号。这种磁化过程的跳跃现象称为巴克豪森效应，每一巴克豪森跳跃在铁磁材料表面的检测线圈内会形成感应电脉冲信号，称为巴克豪森噪声（ BN。BN的大小除与接收线圈长度和磁化强度有关，还与跳跃产生的平均电流有关，而平均电流的大小与被测区域内的内应力有关，因此巴克豪森效应是检测材料内应力的一种无损方法。钢轨温度与锁定轨温由公式 （2） 、 （4） 可知

16、 , 无缝线路中钢轨的温度应力与温度力的大小与轨温变化有直接关系。所以 , 钢轨温度就成为设计、铺设和维修无缝线路的重要技术资料。影响轨温的因素比较复杂, 它不但受天气变化、风力大小、日照程度影响, 而且还受地形、线路方向与测量条件影响。根据多年的观测资料, 一般认为最高轨温比当地最高气温高20 ,最低轨温与当地最低气温相同。现场一般用半导体点温计侧量轨温。当用普通温度计测量轨温时, 应把温度计置于轨顶上,使水银球与轨顶面接触, 并用砂子埋盖, 过 10 分钟后再量取轨温读数（ 但用此法时, 因轨温与砂的质量关系很大, 量得的轨温读数往往不太准确） 。 当然也可用短轨和普通水银温度计做成专门测

17、量轨温的温度计。如前所述 , 无缝线路钢轨的温度力和温度应力大小与轨温变化度数有关。所谓 “ 轨温变化度数” 是指计算温度力时的轨温与无缝线路两端固定（ 也叫无缝线路锁定） 时的轨温差数。无缝线路的锁定是通过拧紧无缝线路两端扣件和拧紧按设计安置的防爬设备实现的，在锁定时的 轨温，叫“锁定轨温”。选择无缝线路的锁定轨温是一件十分重要的工彳设计无缝线路时采用的设计锁定轨温，通常是在保证无缝线路的强度与稳定的条件下由计算确定的，即这样的锁定轨温要保证无缝线路在冬天钢轨不被拉断，在夏天不发生胀轨跑道事故。考虑到施工的困难，在保证无缝线路 强度与稳定的条件下，允许实际锁定轨温在设计锁定轨温土5c范围内变

18、化。一般算得的设计锁定轨温比最高、最低轨温的平均值（中间轨温）要高一些。例如：北京地区，最高轨温C ,最低轨温一C，其中间轨温t为：?+ ?2? 62.6 - 22.8?0?= =2=19.9 （C）根据强度与稳定性检算,北京地区设计锁定轨温采用24c，实际锁定轨温为19C-29 Co 为减少无缝线路胀轨跑道的危险性，在不影响线路强度的条下，可适当提高锁定轨温。如最 近北京铁路局要求木枕线路锁定轨温应为23 C-29 C ,钢筋混凝土轨枕线路应为21c -31 C。在无缝线路的维修养护工作中，要注意不要随意改动原来合理的锁定轨温，以免冬、夏季时钢轨 承受过大的温度力。由式（2）、（4）可以看出

19、，钢轨内的温度应力和温度力的大小与钢轨长度无关，这是无缝线路可以铺设的理论根据石也就是说）二从理论上讲，无缝线路的钢轨可以无限长，但考虑到 施工方便及在道岔、大型桥隧设备和自动闭塞区段必须断开钢轨的要求，我国铺设的无缝线路一般长100,0米-200,0米（也有800米-1,000米的）。通常在焊轨工厂用气压焊或电阻焊的方 法将钢轨焊接成125250米的轨条，运到现场后，再用铝热焊焊接成需要的长度，然后铺在线 上。无缝钢轨胀轨原因分析在进行线路大修的破底清筛操作时，轨道应力增加，进而导致轨温上升，当轨温大于锁定轨温10c时，线路的稳定性遭到破坏，无缝线路将发生胀轨。具体表现：一是清筛后补充石 磴

20、不足，胀轨鼓出处枕木头外磴肩宽度少于，使道床横向阻力减小。二是接头扭力矩不足，少 于900NJ- mi使接头阻力减少。三是弹条扣件扭力矩普遍低于100N- mi使轨道框架刚度的节点扭矩减小。道床进行大修时维持道床稳定的各种因素都将遭到破坏，在对道床进行清筛作业时，道床的横向阻力值只有施工前的30%,即使在施工一周之后也只有稳定状态的 50%这必然导致道 床的稳定性下降。在进行抬道作业时必然导致轨道的形变，加之人工施工造成的石磴不均匀情 况，当有重型列车通过时轨道将产生波浪形的形变。以上两种施工无论怎样操作都将使导轨的稳定性大大降低，抵御各种风险的能力也将大大降低。在线路中如果中间轨温低于锁定轨

21、温，在温度较高的季节里，轨道中温度压力的峰值将出现在伸缩区域和固定区域的交界区域附近，这个压力的峰值也将对轨道的稳定性造成较大的影响。锁定轨温的变化具有普遍性和单项性的特点。在对道床进行施工之后，实际锁定温度低于一定值时，将极有可能造成胀轨及跑道等问题，如不进行必须的防护措施，将使得列车无法正常运行。胀轨和跑道大多发生季节交换的时候，这与锁定轨温的降低也是有密切关系的。造成锁定轨温降低主要有铺设的原因、维修的原因和钢轨塑性碾长等原因。如果各种对线路稳定性造成影响的因素出现在同一区段内，则这些不利因素将相互作用，此时线路将极有可能产生胀轨及跑道等问题。克服钢轨温度应力的方法为了避免线路胀轨变形，

22、从加强轨道的稳定性入手，加重、 加密轨枕，加宽、 加高道床 （包括加宽路基），加强扣件的扣压力，设计时有意识地减小钢轨地压应力（即放大放宽钢轨的拉应力） ，天热时不作业，天热时加班巡道等等。同时，一部分铁路公司要求在夏季降低列车的行驶速度，以便减小行驶中带给钢轨的动载荷。另外一种减小胀轨变形危险的方法是割掉一小段钢轨，释放应力后再焊接起来。更有甚者，对不放心的路段进行盲目的、无休止的使钢轨往长的方向“放散”，即往增加钢轨拉应力的方向“放散”，却往往不考虑钢轨长期超应力造成的过早疲劳和拉断等问题，唯一考虑的是全力以赴，确保不胀轨。尽管如此，无缝钢轨的胀轨和列车的脱轨颠覆，国内外仍然时有发生。无缝

23、钢轨的焊接方法经由标准长度工具轨的发展、长轨条的换铺以及无缝钢轨的焊接，从而形成了跨区间换铺无缝线这门技术。钢厂轧制好的100m标准轨在焊轨厂焊接成500m的长轨条，然后用长轨专用运轨车运输至铺设区段，在现场用接触焊将各段长轨条焊接成设计单元轨节；原路基先铺设工具轨，铺设长轨条时将工具轨拆下换上新轨，在设计锁定轨温范围内进行锁定焊联，成为跨区间无缝线路。无缝钢轨的焊接方法主要有闪光焊、气压焊、电弧焊三种，它们是实现无缝钢轨单元轨之间无缝连接、消除轨缝的重要焊接方法。闪光焊焊接原理是：先利用电流通过某一电阻时所产生的热量为热源，将待焊钢轨的端头熔化，然后施加顶锻力迫使焊面进行挤压，从而达到将两根

24、钢轨焊接在一起的目的。这一过程所产生的热量可以根据下式进行计算：Q = K?2?式中Q-进行焊接时两根待焊钢轨接触面上产生的热量，单位： J;K一为一个换算系数，通常取 ；I 通过两根待焊钢轨接触面的电流，单位：A；R一两根待焊钢轨接触面的接触电阻，单位：Q;t 两根待焊钢轨接触面的接触时间，单位：S。当两根待焊钢轨进行通电接触时，会产生热量。当产生的热量较小时属于电阻接触焊；当产生的热量较大时属于闪光接触焊。从微观上观察两待焊钢轨的接触面是凸凹不平的，存在着很多凸点。因此，当钢轨端部由于电流流经电阻产生热量时，钢轨端部迅速被加热，并且那些凸点优先被加热烧化，形成金属“过梁”。进一步加热， “

25、过梁”加速， “爆炸”形成金属火花从钢轨间隙中射出，这就是闪光。随着钢轨端部温度的提高，闪光就会愈来愈激烈，在闪光加热过程中，钢轨端部逐渐达到熔化温度。在高温下，同时迅速施加足够大的顶锻力，在该顶锻力的作用下，钢轨相接触的端面间，就会产生塑性变形再结晶过程，使两根钢轨连接成为一个整体，形成焊接接头。钢轨气压焊焊接原理：钢轨气压焊实质上属于锻焊，使用压接机将两根待焊钢轨进行固定夹紧， 然后利用氧气和乙炔燃烧产生的火焰对两根钢轨紧密贴合的清洁端面进行加热，加热至塑性状态，当金属原子具有足够的“活化能”，能够穿过贴合面互相急剧地扩散时，立即对贴合面施加顶锻压力。高温高压下施加足够大的挤压顶锻力，将两

26、根待焊钢轨间的距离缩短到原子之间的相互作用半径，达到分子间的金属键连接，完成重结晶，从而可以使两根待焊钢轨牢固地焊接在一起，得到锻态金属组织的钢轨接头焊缝。焊条电弧焊的焊接回路由弧焊电源、电缆、焊钳、焊条、电弧和焊件组成。焊条电弧焊主要设备是弧焊电源，它的作用是为焊接电弧稳定燃烧提供所需要的、合适的电流和电压。焊接电弧是负载，焊接电缆连接电源与焊钳和焊件。电弧焊的焊接原理是：分别以电焊条或电焊丝与待焊钢轨作为两个电极连接，然后再将电焊条或电焊丝与待焊钢轨的端面接触时所产生的瞬间电弧电热将钢轨的端面金属熔化，在液态金属冷却后形成对焊接头，将两根待焊钢轨焊接在一起。该种焊接方法属于熔化焊方法的一种

27、。无缝线路的养护(1) 具体线路的维护和养护工作分别进行作业。大修段进行大型的维修作业比如起道、拨道、整形等等；平常的小问题以及维修作业等主要由工务段进行负责。依有关部门的规定，在制定工务段编制下达全年生产计划。(2) 各个工区之间的计划维修计划和养护计划一定要根据线路状态和轨道温度等的特性进行安排计划和维修任务，尤其注意单元节的焊接问题。(3) 依据相关规定，在平时的养护和小型的维修作业的过程中可根据具体情况，考虑进行起道作业时的作业量等情况运用捣垫结合法。并且严格执行相关条款的规定。(4) 在进行拨道时作业，考虑轨道的情况，并且严格掌握其作业条件。根据现场实践来讲在l0 - 15范围之间就

28、可以作业，进行拨道时应该坚决禁止以此将各个枕头道床扒开。结束拔道后进行土石的夯实工作。(5) 春秋季节适合进行混凝土轨枕以及件涂油作业，应充分考虑其特点运用“隔二松一法 , 力图在“全、正、靠、润、紧”等几个字上下功夫 , 同时兼顾小方向和不良轨距的问题，做到今日事今日毕，坚决不拖沓，紧密而有序的进行工作。(7) 夏季和秋季适合成段清筛道床的作业，并且锁定的轨道温度的范围为+15、一20，在进行完逐孔倒筛工作后, 紧密安排做好回填夯实工作。对于相邻的地段不能同时进行成段清筛道床及成段扣件涂油作业，二者应有一定的时间间隔。(8) 每年春夏交接和夏秋交接的时间可以进行轨道缝隙和接头螺栓的加紧工作。

29、同时全面检查轨道中各个部件的工作情况必要时进行更换。(9) 对于轨道的接头处进行定期检查，并且时间间隔安排紧密；对于在例行检查中出现的种种严重情况以及比较特殊的情况，应该按照相关规定进行排除以及维修。重点监控各种接头处，切实做好这些地方的养护、维修以及检查工作，保持接头处的各种部件良好长期运行；钢轨连接处的焊接点等等都是检查的重点，一旦出现危害情况，应及时打磨以及其他的必要的工作等。(10) 对于在应用专业设备进行探伤是发现的钢轨的严重设备时，应及时发现检查发现钢轨或焊缝重伤时，应及时进行切除和更换但其长度应保持在50 60mm的范围，可采用重焊技术进行修复， 即首先用钢轨拉伸器拉开钢铁轨道进行重新焊接，焊缝断裂在一定的小范围之内也可采用此法进行修复。四、讨论与结论通过资料的查阅和阅读，我对无缝钢轨的实现原理有了深入的了解。无缝钢轨，就是把传统的25m长的钢轨，通过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1000miU 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，每隔很长一段距离才会有一个轨缝，而且每个轨