[科普中国]-无缝线路

基本介绍

无缝线路（continuous welded rail）是把标准长度的钢轨焊连而成的长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路。因为长轨条没有轨缝而得名。

无缝线路类型 无缝线路分温度应力式及放散温度应力式两种。目前世界各国绝大多数均采用温度应力式无缝线路。

特点将每根12.5m或25m长的钢轨联结成轨道，很显然每隔12.5m或25m就会有一个接头。接头之间还有一道轨缝，大约为6mm。留轨缝的道理很简单，是为了防止钢轨在热胀冷缩时产生的温度力。不要小看这个温度力，当钢轨温度每改变1℃，每根钢轨就会承受1.645吨的压力或拉力。轨温变化幅度为50℃时，一根钢轨则要承受高达82.25吨的压力或拉力。

如此巨大的力足以将钢轨顶得歪七八扭，造成轨道不平顺，影响列车快速安全运行。

轨缝使热胀的问题解决了，但是另一个问题又出现了：这道不起眼的轨缝不但使列车在运行时产生令人讨厌的“咔哒咔哒”声，更重要的是造成车轮与钢轨的撞击，对二者尤其是车轮的损害相当大，缩短了车轮的使用寿命。为了解决这个问题，业内业外很多人都在动脑筋。特别是那些热心的普通乘客，纷纷献计献策。铁路相关部门，比如《铁道知识》杂志收到读者大量的改进轨道接头的建议和设计。但是这些建议和设计尽管千变万化，接头依然存在，最好的办法是干脆消灭接头，这就是我们要说的“无缝线路”。

触焊办法所谓“无缝线路”，就是把不钻孔、不淬火的25m长的钢轨，在基地工厂用气压焊或接触焊的办法，焊成200m到500m的长轨，然后运到铺轨地点，再焊接成1000m到2000m的长度，铺到线路上就成为一段无缝线路。如果没有加工、运输、施工上的困难，从理论上讲，“无缝线路”可以无限长。这种彻底消灭轨缝的办法，我国铁路正在一些主要干道上采用。假如你是个细心人，当你乘火车进京就会注意到，昔日的“咔哒咔哒”声已经大为较少。看到这里，你肯定要问，难道“无缝线路”就不存在热胀的问题吗？

物质不灭定律告诉我们，任何一种物质都不会消失，只不过从一种形式转化为另一种形式。钢轨的温度力也同样如此，它不可能消失，是人们在铁路线上采用强大的线路阻力来锁定轨道，限制了钢轨的自由伸缩。在我国是采用高强螺栓、扣板式扣件或弹条扣件等对钢轨进行约束。实验表明，直径24mm的高强螺栓，六孔夹板接头可提供40至60吨的纵向阻力。弹条扣件每根轨枕可提供1.6吨的纵向阻力。

由于无缝线路中钢轨所承受的温度力的大小和轨温的变化有直接关系，所以我们锁定钢轨时必须正确、合理地选定锁定轨温，以保证无缝线路钢轨冬天不被拉断，夏天不致胀轨跑道，危及行车安全。就北京地区来说，最高轨温为摄氏62.2℃，最低轨温为零下22℃度，中间轨温为19.9℃。根据无缝线路强度和稳定性计算得出的结果，北京地区最佳锁定轨温为24℃，实际允许锁定轨温为19℃~29℃。

无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著。据有关部门方面统计，与普通线路相比，无缝线路至少能节省15%的经常维修费用，延长25%的钢轨使用寿命。此外，无缝线路还具有减少行车阻力、降低行车振动及噪声等优点。

基本结构无缝线路的类型分为温度应力式和放散温度应力式两类，温度应力式为无缝线路的基本结构型式。

(一)温度应力式无缝线路包括伸缩区、固定区和缓冲区三部分。

伸缩区长度根据计算确定，一般为50～100m。固定区长度根据线路及施工条件确定，最短不得短于50m。

缓冲区一般由2～4对标准轨或厂制缩短轨组成，有绝缘接头时为4对，采用胶结绝缘接头时为3对或5对。

(二)放散温度应力式无缝线路分自动放散式和定期放散式两种。

定期放散式无缝线路每年春秋季节适当温度下，更换不同长度的缓冲区钢轨，调节钢轨温度应力。其结构型式与温度应力式相同。

在温差较大的地区和特大桥梁上，为了消除和减少钢轨温度力对钢梁伸缩的影响，采用自动放散温度应力式无缝线路。自动放散温度应力式无缝线路是在焊接长钢轨间，设置桥用钢轨伸缩调节器，用以释放温度力。

铺设焊接长钢轨的铁路轨道。将轨端不钻孔、不淬火的标准钢轨在焊轨厂焊接成一定的长度，一般为250米；然后运往铺轨工地,用铝热焊焊接成规定的设计长度，一般为1000～2000米；最后铺入线路。无缝线路分温度应力式及放散应力式两种；前者由焊接长钢轨及其两端若干根标准钢轨组成,用夹板及螺栓连结；其构造简单，铺设维修方便，但钢轨要承受很高的温度力，一般适用于常年轨温变化不大于90C的地区，也可铺设在大于这一轨温变化的地区，但要在一定轨温条件下，定期放散钢轨内部过高的温度力。后者在焊接长钢轨两端设温度伸缩调节器，随时释放温度力。

稳定性无缝线路由于消灭了大量钢轨接头，因而具有行车平衡，机车车辆及轨道维修费用低，使用寿命长等优点，是铁路轨道现代化的主要内容之一。但要充分发挥它的优越性，必须同时满足强度和稳定性方面的设计要求。

温度应力及温度力钢轨热胀冷缩，在无缝线路上，焊接长钢轨每单位长度的自由伸缩量等于线膨胀系数及轨温变化幅度的乘积。焊接长钢轨一经“锁定”，自由伸缩就受到两端接头阻力及沿线道床阻力的抵抗而不能实现或不能全部实现。此时，未能实现的自由伸缩将转化为数值相等但方向相反的温度应变=，从而在钢轨内部产生温度应力=和温度力=（为钢的弹性模量；为钢轨截面积）。夏季轨温升高，钢轨势必伸长，但因不能实现而转化为压应变，在钢轨内部产生压应力。冬季轨温降低，钢轨势必缩短，但因不能实现而转化为拉应变，在钢轨内部产生拉应力。这种因轨温变化而引起的应力称温度应力，而作用于钢轨截面上的力称温度力。

铺轨轨温及锁定轨温最适宜于铺设焊接长钢轨的轨温称铺轨轨温。因为在铺轨过程中，轨温可能有波动，所以确定铺轨轨温时，容许有一个上下波动范围。锁定轨温,也称无应力轨温,是在焊接长钢轨铺设完毕，上紧扣件，装好防爬设备及接头夹板时的轨温。它必须在铺轨轨温的容许波动范围内。锁定轨温一般应略高于当地最高轨温与最低轨温的平均值，防止酷暑季节钢轨温度压力过大，从而减少无缝线路胀轨跑道的潜在危险。当地最高轨温一般要高出最高气温20C，而最低轨温则大致与最低气温相等。锁定轨温是计算轨温变化幅度的依据，必须详实记录，妥善保存，如因线路作业引起变化，应及时更正。

伸缩区、固定区和缓冲区焊接长钢轨两端的接头阻力是一个集中力，而沿线道床阻力则是一个分布力，如道床纵向阻力以每米钢轨的阻力（千牛/米）表示，则在离轨端处，两者之和为+。此值随的增大而增大,如焊接长钢轨的长度为，其最大值可达+/2。但是，当地的最高轨温总是有限的，因而最大轨温变化幅度[max1]也将是有限的。所以,要平衡由此而产生的最大温度力[max1]=[max1],并不需要动用焊接长钢轨上的全部道床阻力,而只要动用靠近轨端长度为的一部分就可以了。此时，温度力和阻力的平衡式为[max1]=+，由此求取的值。在范围内一部分自由伸缩由于接头阻力及道床阻力的限制而不能实现，从而出现不同程度的限制伸缩。这一区域称为伸缩区。两端伸缩区以外的中间部分，全部自由伸缩被限制，因而处于完全固定的状态，这一区域称为固定区。由此可见，无缝线路上最大温度力出现在固定区，它仅与钢轨的最大轨温变化幅度有关。从理论上说，焊接长钢轨的长度可以不受任何限制，但实际铺设时还应当考虑其他方面的因素。例如，在两个自动闭塞区分界处，长钢轨要断开，以便安装绝缘接头；而在接近车站两端道岔群时，也要把长钢轨中断，以利道岔的养护和维修。在焊接长钢轨中断处，应设缓冲区。缓冲区由2～4或更多根标准钢轨组成。目的是便于调整轨缝，放散应力和修理及更换绝缘接头和道岔。

强度及稳定性为防止钢轨断裂，无缝线路应具有足够的强度。无缝线路强度计算的要求是：在列车动力作用下，焊接长钢轨所受的弯曲应力、温度应力及制动力的总和，不超过钢轨钢料的容许应力。

无缝线路除满足强度要求外，还必须满足稳定性要求。实践和理论表明，无缝线路在垂直面上臌曲的可能性是很小的，胀轨跑道总是在水平面上发生，首先在轨道的原始弯曲处开始。当轨温不高,温度压力不大时,轨道的臌曲变形极小;随着轨温及温度压力的继续增大,轨道变形将随之逐渐增加，但不会引起突然破坏；一旦温度压力升高到某一临界值后,如压力稍有增大或受外力干扰时，轨道变形就会突然急剧增加，终于导致稳定性的完全丧失。轨道臌曲的渐变阶段称为胀轨。突变阶段称为跑道。

无缝线路的稳定问题是一个力学平衡问题。平衡因素以温度压力和轨道原始弯曲为一方，轨道框架刚度和道床横向阻力为另一方。前者为破坏稳定的因素，后者为保持稳定的因素,无缝线路的稳定与否,就是双方消长变化的结果。保证无缝线路稳定的基本要求在于尽可能地增加其保持稳定的因素，减少其破坏稳定的因素。主要措施有：提高无缝线路的轨道框架刚度，即采用重型钢轨、混凝土轨枕及强力扣件；提高道床横向阻力；保持线路方向良好；消灭钢轨硬弯，力求焊缝平直；保证路基无翻浆下沉等病害。

用长轨铺设的铁路线路。通常使用的标准钢轨长度为12.5米和25米两种。把10根或20根标准钢轨先在工厂焊接成125－250米的钢轨，再用特别编组的运轨车运到铺设工地，焊接成1000－2000米的长轨铺设在线路上，然后把1000-2000米的长轨条下面支上滚筒，用接触焊机焊把整个区间长轨条焊接成无缝线路，一边焊接一边放散。根据锁定温度，进行放散，放散时轨温低于锁定轨温时要用液压拉伸机配合根据计算出的结果进行拉伸。

桥上无缝桥上无缝线路(CWR track on bridge) 铺设在桥梁上的无缝线路。中国从1963年开始，先后在一些中小跨度的多种类型桥梁（简支梁、连续梁、桁梁、有碴无碴桥）上铺设无缝线路，并对桥上无缝线路梁轨相互作用的原理进行大量的试验研究，涉及了多种类型桥梁上无缝线路纵向力作用规律，以及桥梁墩顶位移（高墩）等多种因素的影响，并建立了桥上无缝线路伸缩附加力、挠曲附加力的计算原理和计算方法，为中国在桥上铺设无缝线路奠定了基础。

桥上无缝线路除受到列车动载、温度力、制动力等的,用外，还受到由于桥梁的伸缩或挠曲变形产生的梁轨相互作用力——纵向附加力。附加纵向力增加了钢轨应力，并反作用于桥梁，并通过桥梁作用于墩台。此外，桥上无缝线路钢轨一旦断裂，不仅危及行车安全，还将产生断轨附加力，并通过桥跨结构而作用于墩台上。因此，设计桥上无缝线路时，为保证安全，必须考虑在上述各种力的联合作用下，保证钢轨、桥跨结构及墩台满足各自的强度条件、稳定条件以及钢轨段缝条件。

在计算模型上，通常采用带刚臂的梁单元模拟桥梁，用非线性弹簧模拟线路纵向阻力，该模型已通过试验验证1。以该模型为基础，我国学者对高速铁路简支梁、连续梁、刚构桥、拱桥、斜拉桥等桥梁上的无缝线路进行了计算和分析。

控制优点青藏铁路开工建设以来首条无缝线路焊接生产线近日在南山口建成投入使用，标志着“青藏线无缝线路关键技术”取得突破性进展，青藏铁路格拉段配套工程将全面展开。焊轨厂以每天1.5公里的焊轨速度开展工作，并且在纳赤台至玉珠峰23.85公里实验地段投入使用无缝钢轨，为明后两年内青藏铁路格拉段大区段铺设无缝线路奠定良好基础。

无缝线路的优点是接头比普通线路大大减少，不仅节省了大量的接头零件和线路维修工作量，而且减少列车的接缝震动，运行平稳，降低噪声。另一方面，由于减少了在接头处的振动，又能延长线路设备和机车车辆的使用年限。因此，是现代铁道发展的方向。

无缝线路能否正常使用的中心问题是如何控制因气温变化所产生的热胀冷缩现象。为了不使钢轨因气温变化自由伸缩，一般采用钢轨联接零件和防爬设备把它们强制性"锁定"在轨枕上。这样就产生了钢轨内的伸长力或缩短力，统称温度力。为了减少温度力，通常采用铁路所在地区的最高气温与最低气温平均值的季节来进行锁定，使钢轨的温度力减少到最低限度。

无缝线路是20世纪30年代开始出现的，但在50年代初期才真正得到发展。现在世界各国无缝线路已超过20万公里，约占世界铁路总长的20%。中国无缝线路是1958年开始铺设的，到1980年底铺里程已达8000多公里，约占正式营业里程的16%。可以预见无缝线路这一新型轨道结构必将得到不断发展。

分段焊连超长无缝线路的铺设是以单元轨条为一段依次分段焊连施工的。焊连时保证锁定轨温不超限（在设计中和轨温范围）是关键。所以根据施工作业轨温和施工条件一般有两种施工方法，一种叫“连入法”，一种叫“插入法”。

连入法采用连入法施工时，是在一个天窗时间内把要铺设的单元轨条始端用焊接法与前一天铺设的单元轨条终端焊连，铺设时同时焊接同时放散，做到一步到位。也就是说，在认为锁定轨温相符的条件下，新轨引进换轨车龙门之后，换轨车边前进边进行长轨条的始端焊接。这种施工组织难度较大，一般适用于封闭线路铺设和轨温变化不大，与锁定轨温相同的条件。

插入法是在一个天窗内，与铺设普通无缝线路一样，在两单元轨条之间设一根缓冲轨（长度不短于6m）。而在另一个天窗时间取出缓冲轨，插入经计算确定的轨长放散应力，然后进行最终焊接。第二次焊接作业，可以选在正在铺设新轨区间或相邻区间铺设新单元轨条时的同一个天窗内来进行。作业地点间隔以相互施工不发生影响，最好不小于三个单元轨条长。这种施工方法原则上可以任意轨温下铺设，施工难度较小，容易做到温度力均匀，符合设计中和轨温要求。

超长无缝线路的基本原理与普通无缝线路相同，因此，普通无缝线路的一切养护维修办法，都适用于超长无缝线路。但超长无缝线路因其轨条特长，也有一些不同于普通无缝线路的特点。

超长无缝线路一经锁定，其锁定状况，因其超长而不易改变。例如，锁定轨温不准、轴向力分布不均时，只能进行局部调整，几乎无法进行整体放散。因此，“锁定轨温要准”对超长无缝线路来说格外重要。为此，必须做好：

跟踪监控：大修换轨时，工务段要派遣分管无缝线路的技术人员，对施工中锁定轨温的设置实行跟踪监控。施工单位确定的锁定轨温之依据是否可靠；新轨的入槽轨温和落槽轨温的测定是否准确适时；低温拉伸时，其拉伸温差和拉伸量的核定是否无误，拉伸是否均匀等等，都要认真监视、检查和记录。严格验收。工程验交时，有关记录锁定轨温的资料，必须齐全，同时要一一查对核实，如有疑问必须核查清楚。

最终复核：工程验交以后，工务段要对验交区段的轨长表项进行一次取标测量，去掉可疑点，算出各分段的锁定轨温值。而后将跟踪监控、交验资料、取标测算三方面的情况进行一次最终核查，将查定的锁定轨温作为日后管理的依据。

日常监测。在日常管理中，要对爬行观测桩和轨长标定的设标点进行定期观测，并互相核对。如发现两观测桩之间有位移，则进一步对两观测桩之间的设标点进行取标测量，详查发生位移的实际段落所在。核定后进行局部应力调正，使之均匀。

铺设养护长钢轨的焊接工作在焊轨厂的接触焊接机上进行。整个焊接工作包括配轨、调直、轨端处理、焊接、清除焊瘤、正火、研磨、矫直及探伤等一系列工艺过程。焊接好的长钢轨由存轨站台装上专用运轨列车后直接驶往铺轨地点。到达工地后，长钢轨从运轨列车最后一辆卸轨车的左右导向滑槽中引出，分别卸在线路轨道的两侧。然后把长钢轨按设计要求在现场用铝热焊焊接成规定的设计长度。

无缝线路最后在规定的铺轨轨温范围内，把旧的标准钢轨换成新的焊接长钢轨。换轨工作用轨道车牵引的两台换轨小车进行。第一台小车抬新轨、走旧轨，将新轨换入旧轨已被拆除的混凝土轨枕承轨台上。第二台小车抬旧轨、走新轨，将已拆除的旧轨送入轨道的道心。两台小车相距约20米，这样，被抬起的新旧钢轨呈横8字图形随小车向前移动而连续更换。无缝线路在养护维修方面，有其一定的特殊要求。首先，无缝线路必须按轨温进行线路作业。轨温超过或低于锁定轨温20严禁进行一切维修作业。作业过程中要做到不破坏或少破坏道床阻力。同时要根据无缝线路的特点，合理安排作业计划和顺序，确保线路稳定。无缝线路的断轨和胀轨跑道，对行车安全威胁极大，必须事前采取各种有效的预防措施，并在事故发生后，按规章进行及时的处理。

桥上无缝线路是无缝线路的一种特殊形式。铺设无缝线路的桥梁，以中跨上承式简支梁桥居多。桥上无缝线路的特点是梁因温度变化而伸缩，并受列车荷载作用而挠曲，致使焊接长钢轨除承受因轨温变化而产生的温度力外，还承受由梁传来的伸缩附加力和挠曲附加力。同时，这两种附加力也反作用于梁并传递到支座和墩台上。在一般情况下，桥梁均位于无缝线路的固定区，且相邻桥梁的固定支座及活动支座位于同一桥墩上。为减小桥梁和焊接长钢轨之间的相互作用力，在无碴桥上通常可采用不同松紧的扣件布置系列，以降低桥上的扣件阻力。计算焊接长钢轨的伸缩附加力时，以一年内一日间可能出现的最大梁温度差作计算依据。因为伸缩附加力和挠曲附加力可以互相放散，计算时不需要进行叠加，只要选取其中最不利者作为焊接长钢轨的附加力，进行强度检算即可。

危险源1 基地焊轨使用以电为动力的设备绝缘性能不好，发生触电。

2 落锤试验机未设防护网、卷扬机钢丝绳磨损、锈蚀严重，落锤试验过程中人员未站在安全地带。

3 高温焊头、推瘤下来的焊渣等灼烫。

4 长钢轨存放支点间距不合理、存放层数过高发生倾倒。

5 长钢轨运输前固定装置未锁死，散装料未加固

6 长钢轨运输车防溜措施不到位。

7 长钢轨运输车运行速度超限，对位时速度超限，前方未安放铁鞋和止轮器。

8 牵引长钢轨牵引卡未卡牢。

9 氧气瓶、乙炔（或液化石油气）瓶同车运输，使用时安全距离不足。

10 移动焊轨作业车未设置止轮器。

11 铝热焊坩埚破裂，钢水飞溅或泄漏灼烫。

12 无缝线路应力放散锁定撞轨时撞块飞出。

13 高于实际锁定轨温20℃以上时进行无缝线路轨道整理，发生胀轨跑道。1