7 无缝线路技术 - 基本原理课件讲解

二、无缝线路基本原理Page

1（一）伸缩位移、温度力与轨温变化关系一根长度为l可自由伸缩的钢轨，当轨温变化⊿t℃时，其伸缩量为式中：α—钢轨的线膨胀系数，取0.0118mm/m•℃=11.8×10-6/℃；

l—钢轨长度，mm；

⊿t—轨温变化幅度，℃。二、无缝线路基本原理当轨温变化时，钢轨要发生伸缩，但由于道床和扣件的约束，不能自由伸缩，在钢轨内部便产生很大轴向温度力。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。(7-1)

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σt为：(7-2)Page

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式中：E—钢轨的弹性模量，E＝2.1×105MPa；

εt—钢轨的温度应变。

将E、α值代入式（7-2），则温度应力σt为：F—钢轨断面积，mm2。

一根钢轨所受的温度力Pt为：上述公式可知：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。因此理论上钢轨可焊接任意长，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变化幅度⊿t

。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。无缝线路钢轨伸长量与轨温变化幅度⊿t

、轨长l有关，与钢轨断面积无关。(7-3)(7-4)二、无缝线路基本原理Page

3轨温不等同于气温。影响轨温的因素比较复杂，它与气候变化、风力大小、日照强度、线路走向和所取部位等均有密切关系。

根据多年观测，最高轨温Tmax要比当地最高气温高18～25℃，最低轨温Tmin比当地最低气温低2～3℃。计算时通常取最高轨温等于当地最高气温加20℃，最低轨温等于最低气温。二、无缝线路基本原理轨温Page

4锁定轨温

所谓“锁定”，就是用中间扣件（包括防爬设备）把无缝线路钢轨紧扣在轨枕上，用接头扣件把轨端充分夹紧，使之不能自由伸缩。无缝线路锁定时的轨温叫锁定轨温。锁定轨温通常是指无缝线路全部扣件螺栓包括接头螺栓拧紧时的轨温，如果此间轨温有波动，则在“长轨始端落槽时应测定一次轨温，到长轨末端合拢，拧紧全部扣件螺栓，再测一次轨温，以两次平均值，作为该段无缝线路的锁定轨温”。二、无缝线路基本原理Page

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设计时通过计算确定的锁定轨温称为设计锁定轨温；铺设无缝线路中，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；无缝线路运行过程中处于温度力为零状态的轨温称为实际锁定轨温。施工锁定轨温应在设计锁定轨温允许变化范围之内，常说的锁定轨温发生变化是指施工锁定轨温发生变化。一旦设计和施工完成记入技术档案，作为日后线路养护维修的依据，设计和施工锁定轨温不允许随意改变。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。二、无缝线路基本原理锁定轨温的类型Page

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①锁定轨温理论上讲是“零应力轨温”。在中间扣件和接头扣件拧紧之前，钢轨处于自由伸缩状态，随着轨温的变化，伸缩变形已经完成。因而在扣件全部拧紧时，钢轨断面所受温度力为0。此时，无缝线路具备最安全的轨温条件。锁定之后，只要轨温等于锁定轨温，钢轨断面上承受的温度力均为0。锁定轨温的性质二、无缝线路基本原理Page

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②计算钢轨温度力和伸缩量时，应将锁定轨温作为计算轨温变化度数的依据。所谓“轨温变化度数”，就是实际轨温与锁定轨温的差值。如某无缝线路的锁定轨温是27℃，某时实测轨温是57℃，则轨温变化度数为57-27=+30℃；某时实测轨温是-8℃，则轨温变化度数为-8-27=-35℃。其中“+”、“-”分别表示轨温上升和下降。锁定轨温的性质二、无缝线路基本原理Page

8锁定轨温的性质二、无缝线路基本原理

③锁定轨温和钢轨长度是相关统一的。设计无缝线路时，只要锁定轨温确定，钢轨长度也随之确定。无缝线路钢轨铺好锁定之后，要想保持锁定轨温不变，就必须保持钢轨长度不变。如果钢轨伸长了，就意味着锁定轨温升高了；钢轨缩短了，则意味着锁定轨温降低了。因此，为了确保无缝线路良好受力状况，锁定轨温需要选定在设计范围内。Page

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锁定轨温的高低，直接决定钢轨承受温度力的大小，因而直接决定无缝线路的稳定性。一个地区只有一个最高轨温和一个最低轨温。如果锁定轨温定得过高，夏天无缝线路承受的温度压力倒是不大，但是到了冬天最低轨温时，无缝线路将承受较大的温度拉力而影响其稳定性。如果锁定轨温定得过低，冬天最低轨温时无缝线路承受的温度拉力倒是不大，但是到了夏天最高轨温时，无缝线路将承受较大的温度压力，同样影响其稳定性。锁定轨温的确定二、无缝线路基本原理Page

10锁定轨温与温度变化关系二、无缝线路基本原理Page

11解：

最大温升幅度：max△T1=63.0－20.0=43.0℃

最大温降幅度：max△T2=30.0－(－17.9)=47.9℃最大温度压力：maxPt1=2.48max△T1F=2.48×43.0×7745＝825.9kN

最大温度拉力：maxPt2=2.48max△T2F=2.48×47.9×7745＝920.0kN算例

郑州地区Tmax=63℃，Tmin=－17.9℃，锁定轨温设计值Ts=25℃，施工锁定轨温取25℃±5℃，即20~30℃，计算60kg/m钢轨最大温度压力和拉力。二、无缝线路基本原理Page

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轨温变化时，影响钢轨两端自由伸缩的原因是来自线路纵向阻力的抵抗，它包括接头阻力、扣件阻力及道床纵向阻力。（二）线路纵向阻力

钢轨两端接头夹板通过螺栓拧紧后，产生阻止钢轨纵向位移的阻力，称为接头阻力，它由钢轨夹板间的摩阻力和螺栓的抗剪力提供。为安全起见，我国接头阻力PH仅考虑钢轨与夹板间的摩阻力s，其大小取决于螺栓拧紧后的张拉力P和钢轨与夹板间的摩擦系数f。式中，n—钢轨一端接头的螺栓数，六孔夹板n=3；s—对应1枚螺栓（4个接触面）钢轨与夹板间的摩阻力。1、接头阻力

二、无缝线路基本原理(7-5)Page

1314夹板受力图式中P

—一枚螺栓拧紧后的拉力（kN）；

—一夹板接触面的倾角，tan

＝i；i—一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。由图可知：T＝P/2，则有：二、无缝线路基本原理(7-6)Page

1415一枚螺栓对应有四个接触面，其上所产生的摩阻力之和为s，则有当钢轨发生位移时，夹板与钢轨接触面之间将产生摩阻力F二、无缝线路基本原理(7-7)(7-8)Page

15接头阻力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。根据对夹板受力状态的分析表明，一根螺栓的拉力接近它所产生的接头阻力，则接头阻力的表达式可写为PH＝n·P。接头阻力取决于接头螺栓扭矩的大小。列车通过钢轨接头时产生振动会使扭力矩下降，接头阻力值降低。所以定期检查扭力矩，重新拧紧螺帽。《轨道设计规范》规定，无缝线路接头螺栓扭矩不应低于900N·m，接头阻力采用490kN。二、无缝线路基本原理接头阻力的影响因素接头阻力与螺栓材质、直径、夹板孔数有关。《轨道设计规范》规定,正线轨道钢轨接头螺栓应采用10.9级及以上高强接头螺栓；站线轨道钢轨接头螺栓应采用8.8级及以上高强接头螺栓。Page

16接头阻力的特点：

（1）其本质是摩擦力，只有存在相对运动或相对运动趋势时才产生；（2）钢轨首先要克服接头阻力，然后才能伸长或缩短；（3）钢轨从伸长转入缩短或从缩短转入伸长状态要克服两倍接头阻力。二、无缝线路基本原理Page

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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。

P—扣件一侧扣压件对钢轨的扣压力；μ1—钢轨与垫板之间的摩擦系数；μ2—钢轨与扣压件之间的摩擦系数。2、扣件阻力

二、无缝线路基本原理一组扣件的阻力F为：(7-7)Page

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扣压力P与螺栓所受拉力P拉的大小有关。以扣板式扣件为例，按右图可得P的算式如下：(7-8)二、无缝线路基本原理Page

19扣件阻力与摩擦系数相关。根据铁科院试验结果，若采用橡胶垫板，扣板式和弹条式扣件的摩擦系数为μ1+μ2=0.8。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，阻力不变。垫板压缩和扣件局部磨损将导致扣件阻力下降。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。

二、无缝线路基本原理

为此，《铁路线路维修规则》规定：扣板式扣件扭矩应保持在80～120N·m；弹条式扣件应保持在100～150N·m。扣件阻力影响因素Page

203、道床纵向阻力

钢轨移动方向道床纵向阻力道床在清筛松动后纵向阻力明显下降，随着运营时间的推移，可逐渐恢复正常值。只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床纵向阻力，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。二、无缝线路基本原理

道床纵向阻力是指道床抵抗轨道框架（也称轨排）纵向位移的阻力。一般以每根轨枕的阻力R，或每延厘米分布阻力r表示。它是抵抗钢轨伸缩、防止线路爬行的重要参数。Page

21表7.4道床纵向阻力二、无缝线路基本原理道床纵向阻力与道床密实度、道砟粒径、材质、道床断面、捣固质量及脏污程度有关。道床纵向阻力与轨枕与道床之间的摩阻力和轨枕盒内道砟抗推力相关。单根轨枕的道床纵向阻力随着位移的增大而增加，当位移达到一定值后，轨枕盒内的道砟颗粒之间的啮合被破坏，即使位移继续增加，阻力也不再增大。混凝土轨枕位移小于2mm，木枕小于1mm，道床纵向阻力随轨枕位移呈线性增长。无缝线路设计中，道床纵向阻力取值见下表。轨道特征单枕的道床纵向阻力/kN一股钢轨下单位道床纵向阻力（N/cm）1840根/km1760根/km1667根/km混凝土轨枕线路Ⅰ型10.09288—Ⅱ型12.5115110—Ⅲ型18.3—161153木枕线路7.06462—道床纵向阻力影响因素

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22温度力沿长钢轨的纵向分布，常用温度力图来表示，故温度力图实质是钢轨内力图。温度力图的横坐标表示钢轨长度，纵坐标表示钢轨的温度力（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。（三）温度力图⊿tH—接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅度。二、无缝线路基本原理Page

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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，受接头的约束，长轨条无伸缩，在钢轨内有温度力Pt，这时多大的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Pt大于接头阻力PH时，钢轨才能伸缩。⊿tH—接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅度。1、约束条件

（1）接头阻力的约束二、无缝线路基本原理式中，⊿tH—接头阻力能阻止钢轨伸缩的轨温变化幅度。(7-14)Page

24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换算为钢轨单位长度上的阻力r，并取为常量。道床纵向阻力是以阻力梯度r的形式分布。故在克服道床纵向阻力阶段，钢轨有少量伸缩，钢轨内部分温度力放散，因而各截面的温度力并不相等，以斜率r分布。（2）道床纵向阻力的约束二、无缝线路基本原理1、约束条件

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25AA′lPt2、轨温正向变化时的温度力图——基本温度力图

无缝线路锁定后，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。二、无缝线路基本原理（1）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。Page

26AA′lPt（2）当Δt=t0-t＜ΔtH

时，轨端无位移，温度拉力在整个长轨条内均匀分布，Pt

=2.48FΔt。Pt=2.48FΔt二、无缝线路基本原理Page

27AA′lPt（3）当Δt=t0-t=ΔtH

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。BB′PH二、无缝线路基本原理Page

28AA′lPt

（4）当Δt=t0-t＞ΔtH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C—C’范围内任意截面的温度力为：BB′PHrxxCC′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=2.48FΔt二、无缝线路基本原理Page

29AA′lPt（5）当t降到最低轨温Tmin时，钢轨内产生最大温度拉力max

Pt拉，如图中DD’

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。BB′ls

CC′DD′maxPt拉伸缩区伸缩区固定区二、无缝线路基本原理Page

30AA′lPtBB′ls

DD′maxPt拉伸缩区伸缩区固定区此时max

Pt拉

和ls

可按下式计算：

maxPt拉=2.48FΔt拉max=2.48F(t0-Tmin)

(N)(mm)二、无缝线路基本原理(7-15)(7-16)Page

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上面分析了轨温从t0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降温时相仿，不同的是轨温升高时，钢轨内将产生温度压力，其最大值为：maxPt压=2.48FΔt压max=2.48F(Tmax-t0)(N)

二、无缝线路基本原理(mm)伸缩区长度ls按下式计算。伸缩区长度一般取50～100m,宜取为标准轨长度的整倍数。Page

323、轨温反向变化时的温度力图

当轨温随着气温循环往复变化时，温度力的变化会与前述单向变化有所不同，根据锁定轨温t0

的不同，其可能大于、等于或小于当地中间轨温t中，因而温度力分布图也相应有三种不同形式。二、无缝线路基本原理（7-17）Page

333、轨温反向变化时的温度力图

（1）当t－Tmin≤

tH时，轨温回升，钢轨有伸长趋势，首先仍然遇到接头阻力的抵抗，钢轨全长范围内温度拉力减小，温度力图平行下移PH值，接头处温度拉力变为零。温度力分布如图中AEE

。二、无缝线路基本原理以常见的t0＞t中的情况进行分析。轨温由t0下降到Tmin时，温度力图为ABDD’（由于温度力图左右对称，图中仅画出了左侧部分）。当轨温开始回升时，温度力的变化情况如下：ABrDEmaxPt拉DErAPage

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（2）当

tH＜t－

Tmin≤2

tH时，这时接头阻力反向起作用，温度力图继续平行下移PH值，此时接头处承受温度压力，固定区仍为温度拉力，如图中FGG

所示。二、无缝线路基本原理

（3）当t－Tmin＞2

tH时，正、反向接头阻力已被完全克服完，钢轨要开始伸长，这时道床纵向阻力起作用，部分长度上温度力梯度反向，在伸缩区温度压力以斜率r而增加，如图中FT所示。3、轨温反向变化时的温度力图

ABrDFGEmaxPt拉TDEGArrrPage

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（4）当t＝Tmax时，固定区温度压力达到maxPt后，由于

t拉max＞

t压max，固定区温度力平行下移到HH

，则HN与FT的交点，出现了温度压力峰P峰，其值大于固定区的温度压力。温度压力峰等于固定区最大温度拉力与最大温度压力的平均值，即：

二、无缝线路基本原理（7-19）（7-18）3、轨温反向变化时的温度力图

ABrDFGEmaxPt拉maxPt压HNTDEGAHP峰l峰rrPage

36t0与t中的差异会形成温度力峰值P峰=0.5(maxPt拉+minPt压)。当t0>t中时，在伸缩区出现温度压力峰值；当t0<t中时，在伸缩区出现温度拉力峰值；当t0=t中时，在伸缩区不会出现温度力峰值。温度压力峰值是引起无缝线路失稳的重要隐患，特别是在春夏之交，发生的概率最大，所以在线路养护维修作业时，应特别注意伸缩区无缝线路的稳定性。二、无缝线路基本原理3、轨温反向变化时的温度力图

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374、轨端伸缩量计算

从温度力图知，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.

由前述温度力图可见，其中阴影线部分为克服道床纵向阻力阶段释放的温度力，从而实现钢轨伸缩。由材料力学可知，轨端伸缩量与阴影线部分面积的关系为：（1）长轨一端的伸缩量（7-20）二、无缝线路基本原理lsPtAClBPage

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标准轨轨端伸缩量计算方法