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1、第五节 重载有缝线路的特点与问题 一、概 述 第五节 重载有缝线路的特点与问题 一、概 述 由于地域与气候条件的限制，一些干线甚至是重载铁路的轨道结构可能是有缝线路。例如我国第一条重载铁路大秦线开始就铺设了有缝线路，目前仍有近一半的线路为有缝线路。为了更科学地铺设、维修重载铁路的有缝线路，需要深入分析、理解有缝线路的特点与问题。 有缝线路的特点是线路钢轨之间存在“轨缝”。由于钢轨之间有轨缝，在轨温变化时钢轨可在一定范围进行伸缩、钢轨不会承受较大温度力，线路铺设与维修养护都较简便。因而在一些自然条件比较恶劣、速度不高的干线或重载铁路上仍可铺设有缝线路，例如举世瞩目的青藏铁路，大部分线路就采用了有
2、缝线路的轨道结构。 有缝线路的问题也出在“轨缝”上。由于轨缝的存在，列车车轮经过轨缝时要产生剧烈的冲击与振动，尤其是重载列车通过时，对轨道的破坏更加严重，不但影响了列车运行的平稳性，而且这些冲击与振动对轮、轨造成严重破坏，减少了它们的使用寿命，增加了维修费用。因此，凡是有可能换铺成无缝线路的重载铁路都应逐步减少有缝线路的比重。 “轨缝”对行车不利，加重了对机车车辆和轨道结构的破坏，因此，在不得已必须铺设有缝线路时，也应尽量减少轨缝的数量、控制轨缝的宽度和消除“瞎缝”的出现。 为减少轨缝的数量，则必须增加标准短轨的定长、钢轨长度越长、轨缝数量越少，因此，我国在12.5 m标准定长钢轨的基础上，又
3、增加了25 m定长短轨，也可能生产50 m或更长的钢轨。钢轨定长的增加虽然能减少有缝线路接头的数量，但却使控制轨缝宽度和消除“瞎缝”的工作愈益困难，增加了轨缝设置和保持的难度。这也是我国25 m长钢轨有缝线路连续瞎缝和大轨缝的病害远远严重于12.5 m长钢轨有缝线路的原因。 对轴重大、运量多的重载铁路来说，使轨缝控制在合理的数值范围内，不但会显著减小轮轨之间的冲击和振动，而且消除瞎缝以后，还能保持线路的稳定性，利于行车安全。有缝线路连续瞎缝以后造成线路胀轨跑道的严重教训应当记取。 减少轨缝数量和控制轨缝宽度的要求是相互矛盾的。随着钢轨定长的增加，其矛盾会愈加严重，钢轨定长的增加受控于轨缝的设置
4、。为解决上述矛盾，须在深入分析、理解轨缝设置基本原理的基础上，改进和加强轨道结构，完善有缝线路铺轨工艺和轨缝调正程序。 值得提醒的是，由于无缝线路的推广应用，工程技术人员对有缝线路的研究日渐忽视，以致一些常见病害始终未得到根治。但我国毕竟尚有50%左右的线路为有缝线路，而且在一些地段目前还只能铺设有缝线路。 二、有缝线路的基本原理 二、有缝线路的基本原理 (一)轨缝预留值的计算与分析 无论是新线铺轨还是既有线调整轨缝，都需计算施工时的预留轨缝值(轨缝设置值)，我国新线铺轨的预留轨缝a0值按下式计算： caLtTa=)(0max0(458) 既有线调整轨缝时a0值按下式设置： 2)(00atTa
5、gzaL+= (459) 式中 a钢轨的线膨胀系数，a=11.8106/； L短轨的长度； t0铺轨或调整轨缝时的轨温； Tz平均轨温，2minmaxTTTz+=； Tmax、Tmin当地最高轨温和最低轨温； ag允许最大轨缝，通常ag=18 mm； c钢轨接头阻力与道床纵向阻力限制钢轨自由伸缩的数值。 应当说，用式(458)或式(459)设置轨缝都是可以的。式(458)明确了c值的影响，但未体现最大轨缝ag的限制作用。式(459)反映了ag的影响，但对c值的要求未直接反映在公式中，只在钢轨接头螺栓扭矩的要求上体现了c值的影响。因此上述两式都不太完备。 从冬季不出现口暑值的大轨缝和夏季不出现瞎
6、缝这样两条基本条件出发，a0值应满足下列不等式： caLcaL TtaatTag+)()(min000max0从而可求得： 2)(minmaxaTTgaL c (460) 也可由caLtTa=)(0max0和caLTtaag+=)(min00相加求得式(459)。 这就意味着，新线铺轨或既有线调整轨缝时，在用式(458)、式(459)计算a0值前，首先应使线路的c值满足式(460)的条件，否则，无论用何公式设置轨缝，将来都会出现轨缝病害。例如在轨温差(Tmax-Tmin)为100的区域铺轨，若ag为18 mm，则铺设25 m轨则要求c值5.75 mm6 mm，而铺设12.5 m轨时，c值-1.
7、625 mm，即对c值没什么要求。这也是为什么25 m轨缝病害远比12.5 m轨严重的主要原因之一。 由式(460)不难看出，有缝线路铺轨时所要求的最小c值不但与线路所在地的最大轨温差(Tmax-Tmin)有关，而且与短轨的定尺长度L有关。表410为不同轨温差、各种定长钢轨有缝线路所要求的最小c值。 表4-10 要求的最小c值(mm) 表4-10 要求的最小c值(mm) Tmax-Tmin() L (m) 85909510012.5 25 O4O4O5O650 100 1641184419472150注：1.表中c值按mm取整，c为负值时，按零取值； 2.表中50 m、100 m定长轨为理论假
8、设值，不是我国实际采用的定长轨。 如前所述，c为钢轨接头阻力与道床纵向阻力限制钢轨自由伸缩的数值。参看图428短轨温度力图，轨缝的变化是由接头两端钢轨的伸缩位移形成的。 因此c值也包括两端钢轨接头阻力和道床纵向阻力所限制的钢轨无法伸缩的数值，即整根短轨无法伸缩的位移。由温度力图与钢轨伸缩位移的相互关系可知，c值可由下式算得： EFc= 式中，为短轨温度力图所围的面积，则 EFEFL cPLRj 42 += (461) 式中 Rj接头阻力， p单位道床纵向阻力， E钢轨弹性模量，E=20.58104MPa； F钢轨断面积。 以 60 kg/m 钢轨为例，不同接头阻力和单位道床纵向阻力时，定长为
9、12.5 m、25 m、50 m 和 100 m的 c 值如表 411 所示。由于接头阻力与接头螺栓扭矩有关，在表 411 中也列出了相应的螺栓扭矩 T。 表 4ll c 值表 表 4ll c 值表 4005006007009001 000 T(Nm)C(mm) Rj (kN) P(N/cm) L(m) 180230280340460570 91 12.5 25 50 100 249262511292512323614364818435 10 21 50 87 12.5 25 50 100 249252511282512313614354818425 10 21 49 64 12.5 25 5
10、0 100 238212410242511283613314817395 10 20 46 62 12.5 25 50 100 238212410242511273613314817395 10 20 46 如表 411 所示，接头阻力与道床纵向阻力都对 c 值有影响，但接头阻力的影响是主要的，道床纵向阻力是次要的，并随着钢轨定长的减小其影响越来越小。为安全计，定长 25 m 及其以下的钢轨的 c 值可不考虑道床纵向阻力的影响，这样，式(461)可简化为 EFLcRj= 进而可求得满足最小c值要求的钢轨接头阻力值： LEFaEFLcEFaTTRgj22)(minmax= (462) 把表410
11、和表411对照后可知，对12.5 m长短轨来说，铺轨时不必拧紧接头螺栓，就能满足其最小c值要求，按式(458)或式(459)计算和设置轨缝都不会产生轨缝病害。而对25 m长短轨有缝线路来说，要在轨温差较大地区铺轨，必须拧紧钢轨接头螺栓，使接头阻力满足要求，才不会出现夏天瞎缝和冬天连续大轨缝的病害。对50 m长短轨有缝线路来讲，只有铺设混凝土轨枕(单位道床纵向阻力为91和87 N/cm)，且接头螺栓扭矩达到900 Nm以上，才能在轨温差90以上地区铺设有缝线路。100 m定长短轨有缝线路其接头螺栓扭矩必须达到1 000 Nm才能满足要求。同时50 m和100 m定长钢轨必须采用高强度接头螺栓。
12、综上所述，随着短轨定长的增加，对线路钢轨接头阻力和道床纵向阻力的要求会越来越高，施工与养护工作的技术含量越来越大，限制也越来越多。用铺设12.5 m短轨的方法、工具和技术来铺设25 m长短轨，必然会使线路夏天出现连续瞎缝和冬天出现连续大轨缝的病害。若把可能用于焊接长轨条的50 m或100 m定长钢轨用于有缝线路上，还必须加强接头部件，并在铺设方法与施工技术上作出一系列的规定。 (二)有缝线路铺轨轨温的确定 设铺轨轨温为t0，如前所述，要满足最高轨温Tmax时不出现瞎缝和最低轨温Tmin时不大于允许大轨缝ag的要求，轨缝设置值a0必须符合下列两式条件： caLcaL TtaatTag+)()(m
13、in000max0由此可推出有缝线路的铺轨范围： aLcaLcaaTtaTtg0min00 max0+ +(463) 考虑到a0只能在Oag范围内变化，可取两个极端值来分析铺轨轨温范围。 当a0=0时，铺轨范围为 aLcaLcaTtTg+ +min0max当a0=ag时，铺轨范围为 aLc aLcTtaTg+ min0max综合考虑后，则有缝线路的铺轨轨温范围为 aLcaLcaTtaTgg+ + min0max(464) 例如，若在最高轨温Tmax=60，最低轨温Tmin=-40的地区铺设25 m长短轨有缝线路，其允许铺轨轨温范围可按下列方法确定。 首先可由公式(460)或查表410求得铺轨所
14、需的最小c值为6 mm，然后按式(464)算得其允许铺轨范围： aLcaLcaTtaTgg+ + min0max295. 061840295. 0618600+t-21.4t041.4 也就是说25 m短轨的允许铺轨轨温范围为-21.441.4。 若换成12.5 m短轨，c=0，其他条件不变，则可算得其允许铺轨轨温范围为 1475. 0018401475. 0618600+t-62.0t082.0 证明在我国任何地区、任何气候条件下都可铺设12.5 m短轨有缝线路，而且不必拧紧接头螺栓都不会出现轨缝不合格现象。但若换成25 m短轨，这些“经验”全都失效。对25 m短轨有缝线路来说，不但铺轨时要
15、及时拧紧接头螺栓以满足最小c值的要求，而且还必须在轨温为-21.441.4范围内铺轨或调正轨缝。否则将出现连续瞎缝和大轨缝的病害。需要铺轨施工部门和线路维修养护部门给予足够的重视。 此外，上述铺轨允许鞔温范围是指在这一范围内可铺勒。具体铺轨时轨缝应设置多少，还应根据具体的铺轨轨温t0由式(458)或式(459)计算确定，而不能一个轨缝值(例如8 mm)从早铺到晚而不改变。特别是对25 m及更长短轨更不能这样施工。应该认识到，随着轨长的增加，其技术含量也相应加大，施工时更应按其科学规律制定施工工艺和铺轨方法。 当然，为提高工作效率，也不可能随轨温的增减不断地改变铺设轨缝。相对一个具体轨缝值a0也应有一个对应的轨温范围。在这一轨温范围内都可铺设同一轨缝。这个轨温范围也可由式(463)确定。 仍以25 m短轨为例，当轨缝a0=8 mm时，其对应的轨温范围t0为 295. 0861840295. 0686000min0max+ + taaTtaTaLcaLcgg12.5t014.2 即只能在12.514.2范围内铺设8 mm轨缝，超过这一范围就应另外设置a0值了。 由式(463)不难看出，要想方便施工只有加大c值。若上例中c变成8 mm，其对应8 mm轨缝的轨温范围就扩大为5.821，会显著加快铺轨进度又能保证施工质量。 (三)有缝线路铺轨与轨缝调整施工步骤 自从采用25
