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1、第 四 章,无 缝 线 路,第 一 节,概 述,3,一、铺设无缝线路的意义 定义：无缝线路是将标准轨焊接而成的长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路； 特点：消除了大量接头，从而具有行车平稳、旅客舒适；同时机车车辆和轨道的维修费用减少、使用寿命延长等特点。 全世界130万 km 铁路，1/3为无缝线路。 德96%，法59%，美40%，苏联39%，中30%,二、形式的比较,1、普通线路的结构,2、无缝线路的结构,长轨条,长度：几百米至几千米,普通线路接头的缺点,由于钢轨接头是线路的薄弱环节，列车通过时，车轮对接缝处轨端发生巨大的冲击振动，不仅影响行车平稳和乘客的舒适，还加剧轨道设备的破损，如碎石道床发生
2、局部下沉，导致空吊板，整体道床发生裂缝，车轮、钢轨接头及联结零件发生磨耗和伤损等，接头病害一直被人们认为是轨道的重要病害之一。,钢轨接头,无缝线路的发展经历了两大阶段，第一阶段由普通线路过渡到一般无缝线路，约1-2公里长度，每段无缝线路作为一个行车信号的闭塞区段，两端设置缓冲区，并装有信号设备。随着无缝线路技术的发展，人们又将一般无缝线路进一步焊接相连成几十公里甚至一、二百公里的长度，这样，超长型无缝线路便应运而生。城轨线路，除了基地站场线以外，正线均采用了超长型无缝线路的形式，所有运营线基本上都是一轨贯通。,7,20世纪60年代，我国曾在广深线试铺长8km的无缝线路。 80年代，北京局又在京
3、山铁路上试铺了两段分别为7.68km和7.64km的无缝线路。 1998年在沪宁下行线正仪常州间铺设了跨17个区间、33个车站、长104.6km全路第一的跨区间无缝线路，创中国企业新纪录。 2000年又延伸到栖霞山，长为232.2km，再次刷新全国新纪录； 2002年沪宁下行南京至南翔288.85km，已铺设成功跨区间无缝线路，消灭普通接头5277个。 2004年11月实现南京至上海333km，可以说一根钢轨到南京。,三、无缝线路的结构,无缝线路的平面结构分为固定区、伸缩区、缓冲区等组成部分。,1.固定区,无缝线路长轨条的中间部分在一般情况下基本上处于稳定状态而不能伸缩，这一范围称为固定区。,
4、2.伸缩区,在长轨条的两端，钢轨受温度的影响，在一定距离范围内，要发生一定的伸缩变化，这一范围，称为伸缩区。伸缩区长度根据年轨温差幅值、道床纵向阻力、钢轨接头阻力等参数计算确定，一般为50100米。,3.缓冲区,为满足伸缩区钢轨长度的变化，必须在伸缩区以外，设置几根短轨，并于短轨之间设置轨缝来调节长轨条伸缩变化的影响。这一短轨区范围就称之缓冲区。 通常，缓冲区由24节标准轨(含厂制缩短轨)组成，普通绝缘接头为4节，采用胶接绝缘接头时，可将胶接绝缘钢轨插在2节或4节标准轨中间。 缓冲区钢轨接头必须使用109级螺栓，扭矩应保持在700900Nm。绝缘接头轨缝不得小于6mm。,无缝线路与道岔的衔接,
5、岔前无缝线路平面示意图（单股钢轨）,无缝线路也可以与道岔进行焊接，以消灭缓冲区的接头,早期的无缝线路受各种条件的限制，最短的只有几百米，一般设计为1-2公里长度。缓冲区的短轨区，选择一个轨缝作为绝缘接头，安装绝缘设备，使前后的轨道电路隔断，从而形成一个闭塞区段。,四、无缝线路的类型,无缝线路分为锁定应力式和放散应力式两大类，其中，放散应力式又可以分为：定期放散应力式和自动放散应力式。,1、锁定式无缝线路,锁定式无缝线路，用线路配件将钢轨锁定，无论轨温上升还是下降，通过多种阻力与温度力相抗衡，使钢轨内应力得到锁定，不让其释放。如地面碎石道床线路及遂道内的整体道床线路均采用锁定应力式无缝线路。,2
6、、自动放散应力式,放散应力式无缝线路是对钢轨不完全锁定，使长钢轨在温度力作用下进行一定量的伸缩，具体方法就是在长轨条两端设置钢轨伸缩调节器，当轨温发生变化时，钢轨内应力随着钢轨的伸缩而得到一定量的释放。如特大桥梁或城市高架桥面上铺设轨道均采用放散应力式无缝线路，以减少钢轨内应力对桥梁所发生的影响。（南京大桥、上海三号线）,温度调节器也称为尖轨接头,3、定期放散应力式,在定期放散应力式无缝线路上，每年对无缝线路的温度调整或放散12次，以减小长轨条中的温度力。在放散温度力时，将长轨条的所有扣件松开，使它能自由伸缩，放散其内部的温度应力，并在一定的温度条件下重新将全部钢轨扣件扣紧。这种方法主要用于年
7、温差变化幅度较大的寒冷地区(年温差大于100地区)。由于此种方法需要化费较多的人力和物力，工序繁杂，故很少采用。,第 二 节,无缝线路的基本原理,一、温度力及温度应力,1、温度力 无缝线路，当轨温变化时，由于钢轨被锁定，无法伸缩，于是在钢轨内部产生内力，这种由于轨温变化而产生的内力，称为“温度力”。温度力的单位为 N、kN。,一根可自由伸缩的钢轨，当轨温变化时，其伸缩量为 L = L t 式中：L 伸缩量（mm）钢轨的线膨胀系数，取11.810-6 即每米钢轨当轨温变化一度时钢轨伸缩0.0000118米L 钢轨长度（米）；t 轨温变化幅度（）；,2、温度应力 （温度力强度）,单位断面上的温度力
8、，称为“温度应力”。温度应力的单位为 N / cm2 如果钢轨完全被固定，不能随轨温变化而自由伸缩，则将在钢轨内部产生温度力，温度力与温度应力的关系是，温度力为钢轨全断面所受到的力（拉力或压力）而温度应力为单位断面上所受到的力，温度应力是温度力强度的表示。,根据虎克定律，温度应力为： t = E = E L / L = E L t / L = E t 式中：t 温度应力；E 钢的弹性模量 E=20.58104 Mpa；钢的温度应变；,因此，不难看出，温度应力仅与轨温变化幅度有关，而与钢轨本身的长度无关，从理论上讲，钢轨可任意增长而不影响其内部的温度应力值，这就是无缝线路发展为现代超长轨节无缝线
9、路的主要理论根据。降低钢轨内应力的关键在于如何控制轨温变化幅度。 一根钢轨全断面所受的温度力为： P = t F = 242.8 t F 式中：F 钢轨断面积(cm),可以查阅钢轨断面表,通过计算, 一根钢轨在轨温变化1时内部温度应力值如下:,二、锁定轨温,在无缝线路长轨条始端至终端全部落槽的条件下，将两端钢轨接头联结零件和所有扣件全部紧固的过程称为锁定。 无缝线路长轨条在锁定的过程中所测得的轨温，称为锁定轨温。,锁定轨温的确定,由于长轨条全部锁定的操作，有一个时间过程，所以，铺设无缝线路时，把扣件开始紧固至紧固结束，分三次测量轨温，取平均值作为锁定轨温。,各地钢轨温度（） 由于大自然气候变化
10、的影响，本表资料只能作为参考。,30,无缝线路阻力分析,轨道阻力,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,三、阻 力,三、阻 力,无缝线路锁定后，长轨条两端由于温度变化而引起的伸缩量受到限制，这种阻止钢轨伸缩位移的力就是纵向阻力，它包括接头阻力、道床纵向阻力及扣件阻力三种。,1、接头阻力,接头阻力由钢轨与夹板之间的摩阻力和螺栓的抗弯、抗剪力提供。为考虑安全度，接头阻力只计摩阻力。螺栓的拧紧程度是保持接头阻力的关键。接头阻力必须达到下表的规定： 一级螺栓的扭力矩应不低于980N.m，二级螺栓的扭力矩应不低于6
11、80Nm，三级螺栓不应低于440 Nm。 列车通过钢轨接头时产生的振动，会使扭力矩下降，接头阻力也相应降低。所以，要定期检查扭力矩，重新拧紧螺栓，以保持接头阻力值。,目前，一种新型的“施必牢”螺栓，改善了螺纹丝口的设计，能大大减低扭力矩衰减的程度，已得到广泛的应用。,钢轨与夹板间对应1枚螺栓的摩阻力；接头一端的螺栓数。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 。图为夹板的受力情 况。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 为水平分力； 为法向分力， 它垂直于夹板的接触面； 为 与 的合力，它与 的夹角等于摩擦角 。由图可知： ，则有：,
12、35,式中 一枚螺栓拧紧后的拉力(kN)；夹板接触面的倾角，tan ；轨底顶面接触面斜率，50、75kg/m钢轨： l/4；43、60kg/m钢轨： l/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 ， 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 为：=P,36,对应于一枚螺栓所提供的摩阻力可作如下分析。钢的摩擦 系数一般为0.25，而 ，则有 arctan0.25；又 有 arctan 。将以上相应值代入求式(81)，可得到： 70、50kg/m钢轨： 1.03P；60、43kg/m钢轨 0.90P。上式表明，一枚螺栓的拉力接近它所产生的接头阻力。在 此
13、情况下，接头阻力 的表达式，可写成：式中 接头阻力(kN)；一枚螺栓的拉力(kN)；接头一端螺栓枚数，我国铁路 3。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与螺栓拉力的关系可用经验公式表示：,37,式中 拧紧螺帽时的扭力矩(Nm)；K扭矩系数，K0.180.24；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4050。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
14、。表 计算时采用的接头阻力值。,2、扣件阻力,各种中间扣件和防爬设备抵抗钢轨纵向位移的阻力，称为扣件阻力。扣件阻力必须大于道床纵向阻力，否则，钢轨将沿轨枕移动。对混凝土轨枕来说，要求其中间扣件的扭力矩保持在80-120Nm。扣件阻力也随着列车的反复碾压而逐渐下降，因此，要进行周期性的检查与回紧。,扣件阻力对比表,3、道床纵向阻力,道床抵抗轨枕纵向移动的阻力，称为道床纵向阻力。道床纵向阻力受道碴材质、颗粒大小、道床端面、密实程度、脏污程度、轨道框架结构等因素的影响。道床阻力表示方式为每根轨枕为单位或每延长厘米轨道为单位。阻力值见下表。道床的纵向阻力与道床的丰满程度和道床的密实程度有关，我们既要保
15、证道床的几何尺寸符合设计规定，又要加强道床的密实，才能确保其阻力达到要求。,道床阻力对比表,阻力的被动特征,轨道的三种阻力，无论是接头阻力、道床阻力还是扣件阻力，它们都不是主动力而是被动力.根据作用力与反作用力的原理，这些阻力随着温度力的变化而变化，它们的总和与温度力大小相等，而方向相反。当轨温与锁定轨温相等时，各种阻力也随之消失。线路构件在某一状态下的阻力大小与它能提供多大的阻力是两个概念。当温度力突破构件所能提供的最大阻力时，轨道的结构便发生位移或变形。,四、无缝线路的应力分布,、长轨条的约束条件,温度力与接头阻力相等是钢轨与夹板发生相对移动的临界状态，只有当温度力大于接头阻力时，两者才发
16、生相对移动。,长轨条的约束分接头阻力和道床阻力约束条件。假定钢轨接头阻力 Rj 为一常量。当长轨条中的温度力 Pt 小于接头阻力 Rj 时，钢轨与夹板之间不发生任何相对位移。,综合阻力,当轨温反向变化时，长轨条中的温度力减小，当温度力变化幅度小于接头阻力时，接头阻力不反向；当温度力变化幅度大于接头阻力时，接头阻力开始反向，但钢轨与夹板不发生相对反向移动；当长轨条中的温度力反向变化幅度大于2倍接头阻力时，钢轨与夹板才发生相对反向移动。,接头阻力被克服后，如温度力继续上升，则钢轨产生位移，道床阻力开始阻止钢轨的伸缩。但道床纵向阻力的产生是体现在道床对轨枕的相对位移阻力，随着轨枕位移根数的增加，道床阻力也相应增大。 为了计算方便，将单根轨枕的阻力换算成钢轨单位长度的阻力r，并取常量，所以道床纵向阻力是以阻力梯度的形式分布，在钢轨的各个截面，温度力是不相等的。,
