7 無縫線路技術(shù) - 基本原理課件講解

二、無縫線路基本原理Page

1（一）伸縮位移、溫度力與軌溫變化關(guān)系一根長度為l可自由伸縮的鋼軌，當軌溫變化⊿t℃時，其伸縮量為式中：α—鋼軌的線膨脹系數(shù)，取0.0118mm/m?℃=11.8×10-6/℃；

l—鋼軌長度，mm；

⊿t—軌溫變化幅度，℃。二、無縫線路基本原理當軌溫變化時，鋼軌要發(fā)生伸縮，但由于道床和扣件的約束，不能自由伸縮，在鋼軌內(nèi)部便產(chǎn)生很大軸向溫度力。為保證無縫線路的強度和穩(wěn)定，需要了解長軌條內(nèi)溫度力及其變化規(guī)律。(7-1)

如果鋼軌兩端完全被固定，不能隨軌溫變化而自由伸縮，則將在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。根據(jù)虎克定律，溫度應(yīng)力σt為：(7-2)Page

2

式中：E—鋼軌的彈性模量，E＝2.1×105MPa；

εt—鋼軌的溫度應(yīng)變。

將E、α值代入式（7-2），則溫度應(yīng)力σt為：F—鋼軌斷面積，mm2。

一根鋼軌所受的溫度力Pt為：上述公式可知：在兩端固定的鋼軌中所產(chǎn)生的溫度力僅與軌溫變化幅度有關(guān)，而與鋼軌本身長度無關(guān)。因此理論上鋼軌可焊接任意長，且對軌內(nèi)溫度力沒有影響?？刂茰囟攘Υ笮〉年P(guān)鍵是如何控制軌溫變化幅度⊿t

。對于不同類型的鋼軌，同一軌溫變化幅度產(chǎn)生的溫度力大小不同。無縫線路鋼軌伸長量與軌溫變化幅度⊿t

、軌長l有關(guān)，與鋼軌斷面積無關(guān)。(7-3)(7-4)二、無縫線路基本原理Page

3軌溫不等同于氣溫。影響軌溫的因素比較復(fù)雜，它與氣候變化、風力大小、日照強度、線路走向和所取部位等均有密切關(guān)系。

根據(jù)多年觀測，最高軌溫Tmax要比當?shù)刈罡邭鉁馗?8～25℃，最低軌溫Tmin比當?shù)刈畹蜌鉁氐?～3℃。計算時通常取最高軌溫等于當?shù)刈罡邭鉁丶?0℃，最低軌溫等于最低氣溫。二、無縫線路基本原理軌溫Page

4鎖定軌溫

所謂“鎖定”，就是用中間扣件（包括防爬設(shè)備）把無縫線路鋼軌緊扣在軌枕上，用接頭扣件把軌端充分夾緊，使之不能自由伸縮。無縫線路鎖定時的軌溫叫鎖定軌溫。鎖定軌溫通常是指無縫線路全部扣件螺栓包括接頭螺栓擰緊時的軌溫，如果此間軌溫有波動，則在“長軌始端落槽時應(yīng)測定一次軌溫，到長軌末端合攏，擰緊全部扣件螺栓，再測一次軌溫，以兩次平均值，作為該段無縫線路的鎖定軌溫”。二、無縫線路基本原理Page

5

設(shè)計時通過計算確定的鎖定軌溫稱為設(shè)計鎖定軌溫；鋪設(shè)無縫線路中，將長軌條始終端落槽就位時的平均軌溫稱為施工鎖定軌溫；無縫線路運行過程中處于溫度力為零狀態(tài)的軌溫稱為實際鎖定軌溫。施工鎖定軌溫應(yīng)在設(shè)計鎖定軌溫允許變化范圍之內(nèi)，常說的鎖定軌溫發(fā)生變化是指施工鎖定軌溫發(fā)生變化。一旦設(shè)計和施工完成記入技術(shù)檔案，作為日后線路養(yǎng)護維修的依據(jù)，設(shè)計和施工鎖定軌溫不允許隨意改變。鎖定軌溫是決定鋼軌溫度力水平的基準。因此，根據(jù)強度、穩(wěn)定條件確定鎖定軌溫是無縫線路設(shè)計的主要內(nèi)容。二、無縫線路基本原理鎖定軌溫的類型Page

6

①鎖定軌溫理論上講是“零應(yīng)力軌溫”。在中間扣件和接頭扣件擰緊之前，鋼軌處于自由伸縮狀態(tài)，隨著軌溫的變化，伸縮變形已經(jīng)完成。因而在扣件全部擰緊時，鋼軌斷面所受溫度力為0。此時，無縫線路具備最安全的軌溫條件。鎖定之后，只要軌溫等于鎖定軌溫，鋼軌斷面上承受的溫度力均為0。鎖定軌溫的性質(zhì)二、無縫線路基本原理Page

7

②計算鋼軌溫度力和伸縮量時，應(yīng)將鎖定軌溫作為計算軌溫變化度數(shù)的依據(jù)。所謂“軌溫變化度數(shù)”，就是實際軌溫與鎖定軌溫的差值。如某無縫線路的鎖定軌溫是27℃，某時實測軌溫是57℃，則軌溫變化度數(shù)為57-27=+30℃；某時實測軌溫是-8℃，則軌溫變化度數(shù)為-8-27=-35℃。其中“+”、“-”分別表示軌溫上升和下降。鎖定軌溫的性質(zhì)二、無縫線路基本原理Page

8鎖定軌溫的性質(zhì)二、無縫線路基本原理

③鎖定軌溫和鋼軌長度是相關(guān)統(tǒng)一的。設(shè)計無縫線路時，只要鎖定軌溫確定，鋼軌長度也隨之確定。無縫線路鋼軌鋪好鎖定之后，要想保持鎖定軌溫不變，就必須保持鋼軌長度不變。如果鋼軌伸長了，就意味著鎖定軌溫升高了；鋼軌縮短了，則意味著鎖定軌溫降低了。因此，為了確保無縫線路良好受力狀況，鎖定軌溫需要選定在設(shè)計范圍內(nèi)。Page

9

鎖定軌溫的高低，直接決定鋼軌承受溫度力的大小，因而直接決定無縫線路的穩(wěn)定性。一個地區(qū)只有一個最高軌溫和一個最低軌溫。如果鎖定軌溫定得過高，夏天無縫線路承受的溫度壓力倒是不大，但是到了冬天最低軌溫時，無縫線路將承受較大的溫度拉力而影響其穩(wěn)定性。如果鎖定軌溫定得過低，冬天最低軌溫時無縫線路承受的溫度拉力倒是不大，但是到了夏天最高軌溫時，無縫線路將承受較大的溫度壓力，同樣影響其穩(wěn)定性。鎖定軌溫的確定二、無縫線路基本原理Page

10鎖定軌溫與溫度變化關(guān)系二、無縫線路基本原理Page

11解：

最大溫升幅度：max△T1=63.0－20.0=43.0℃

最大溫降幅度：max△T2=30.0－(－17.9)=47.9℃最大溫度壓力：maxPt1=2.48max△T1F=2.48×43.0×7745＝825.9kN

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

鄭州地區(qū)Tmax=63℃，Tmin=－17.9℃，鎖定軌溫設(shè)計值Ts=25℃，施工鎖定軌溫取25℃±5℃，即20~30℃，計算60kg/m鋼軌最大溫度壓力和拉力。二、無縫線路基本原理Page

12

軌溫變化時，影響鋼軌兩端自由伸縮的原因是來自線路縱向阻力的抵抗，它包括接頭阻力、扣件阻力及道床縱向阻力。（二）線路縱向阻力

鋼軌兩端接頭夾板通過螺栓擰緊后，產(chǎn)生阻止鋼軌縱向位移的阻力，稱為接頭阻力，它由鋼軌夾板間的摩阻力和螺栓的抗剪力提供。為安全起見，我國接頭阻力PH僅考慮鋼軌與夾板間的摩阻力s，其大小取決于螺栓擰緊后的張拉力P和鋼軌與夾板間的摩擦系數(shù)f。式中，n—鋼軌一端接頭的螺栓數(shù)，六孔夾板n=3；s—對應(yīng)1枚螺栓（4個接觸面）鋼軌與夾板間的摩阻力。1、接頭阻力

二、無縫線路基本原理(7-5)Page

1314夾板受力圖式中P

—一枚螺栓擰緊后的拉力（kN）；

—一夾板接觸面的傾角，tan

＝i；i—一軌底頂面接觸面斜率，50、75kg/m鋼軌：i＝1／4；43、60kg/m鋼軌：i＝1／3。由圖可知：T＝P/2，則有：二、無縫線路基本原理(7-6)Page

1415一枚螺栓對應(yīng)有四個接觸面，其上所產(chǎn)生的摩阻力之和為s，則有當鋼軌發(fā)生位移時，夾板與鋼軌接觸面之間將產(chǎn)生摩阻力F二、無縫線路基本原理(7-7)(7-8)Page

15接頭阻力取決于螺栓擰緊后的張拉力和鋼軌與夾板之間的摩擦系數(shù)。根據(jù)對夾板受力狀態(tài)的分析表明，一根螺栓的拉力接近它所產(chǎn)生的接頭阻力，則接頭阻力的表達式可寫為PH＝n·P。接頭阻力取決于接頭螺栓扭矩的大小。列車通過鋼軌接頭時產(chǎn)生振動會使扭力矩下降，接頭阻力值降低。所以定期檢查扭力矩，重新擰緊螺帽?！盾壍涝O(shè)計規(guī)范》規(guī)定，無縫線路接頭螺栓扭矩不應(yīng)低于900N·m，接頭阻力采用490kN。二、無縫線路基本原理接頭阻力的影響因素接頭阻力與螺栓材質(zhì)、直徑、夾板孔數(shù)有關(guān)?！盾壍涝O(shè)計規(guī)范》規(guī)定,正線軌道鋼軌接頭螺栓應(yīng)采用10.9級及以上高強接頭螺栓；站線軌道鋼軌接頭螺栓應(yīng)采用8.8級及以上高強接頭螺栓。Page

16接頭阻力的特點：

（1）其本質(zhì)是摩擦力，只有存在相對運動或相對運動趨勢時才產(chǎn)生；（2）鋼軌首先要克服接頭阻力，然后才能伸長或縮短；（3）鋼軌從伸長轉(zhuǎn)入縮短或從縮短轉(zhuǎn)入伸長狀態(tài)要克服兩倍接頭阻力。二、無縫線路基本原理Page

17

中間扣件和防爬設(shè)備抵抗鋼軌沿軌枕面縱向位移的阻力，稱扣件阻力。為了防止鋼軌爬行，要求扣件阻力必須大于道床縱向阻力?？奂枇κ怯射撥壟c軌枕墊板面之間的摩阻力和扣壓件與軌底扣著面之間的摩阻力所組成。摩阻力的大小取決于扣件扣壓力和摩擦系數(shù)的大小。

P—扣件一側(cè)扣壓件對鋼軌的扣壓力；μ1—鋼軌與墊板之間的摩擦系數(shù)；μ2—鋼軌與扣壓件之間的摩擦系數(shù)。2、扣件阻力

二、無縫線路基本原理一組扣件的阻力F為：(7-7)Page

18

扣壓力P與螺栓所受拉力P拉的大小有關(guān)。以扣板式扣件為例，按右圖可得P的算式如下：(7-8)二、無縫線路基本原理Page

19扣件阻力與摩擦系數(shù)相關(guān)。根據(jù)鐵科院試驗結(jié)果，若采用橡膠墊板，扣板式和彈條式扣件的摩擦系數(shù)為μ1+μ2=0.8。在一定的扭矩下，扣件阻力隨鋼軌位移的增加而增大。當鋼軌位移達到某一定值之后，鋼軌產(chǎn)生滑移，阻力不變。墊板壓縮和扣件局部磨損將導(dǎo)致扣件阻力下降。列車通過時的振動會使螺帽松動、扭矩下降，導(dǎo)致扣件阻力下降。

二、無縫線路基本原理

為此，《鐵路線路維修規(guī)則》規(guī)定：扣板式扣件扭矩應(yīng)保持在80～120N·m；彈條式扣件應(yīng)保持在100～150N·m?？奂枇τ绊懸蛩豍age

203、道床縱向阻力

鋼軌移動方向道床縱向阻力道床在清篩松動后縱向阻力明顯下降，隨著運營時間的推移，可逐漸恢復(fù)正常值。只要鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于道床縱向阻力，則無縫線路長鋼軌的溫度應(yīng)力和溫度應(yīng)變的縱向分布規(guī)律將完全由接頭阻力和道床縱向阻力確定。二、無縫線路基本原理

道床縱向阻力是指道床抵抗軌道框架（也稱軌排）縱向位移的阻力。一般以每根軌枕的阻力R，或每延厘米分布阻力r表示。它是抵抗鋼軌伸縮、防止線路爬行的重要參數(shù)。Page

21表7.4道床縱向阻力二、無縫線路基本原理道床縱向阻力與道床密實度、道砟粒徑、材質(zhì)、道床斷面、搗固質(zhì)量及臟污程度有關(guān)。道床縱向阻力與軌枕與道床之間的摩阻力和軌枕盒內(nèi)道砟抗推力相關(guān)。單根軌枕的道床縱向阻力隨著位移的增大而增加，當位移達到一定值后，軌枕盒內(nèi)的道砟顆粒之間的嚙合被破壞，即使位移繼續(xù)增加，阻力也不再增大。混凝土軌枕位移小于2mm，木枕小于1mm，道床縱向阻力隨軌枕位移呈線性增長。無縫線路設(shè)計中，道床縱向阻力取值見下表。軌道特征單枕的道床縱向阻力/kN一股鋼軌下單位道床縱向阻力（N/cm）1840根/km1760根/km1667根/km混凝土軌枕線路Ⅰ型10.09288—Ⅱ型12.5115110—Ⅲ型18.3—161153木枕線路7.06462—道床縱向阻力影響因素

Page

22溫度力沿長鋼軌的縱向分布，常用溫度力圖來表示，故溫度力圖實質(zhì)是鋼軌內(nèi)力圖。溫度力圖的橫坐標表示鋼軌長度，縱坐標表示鋼軌的溫度力（拉力為正，壓力為負）。鋼軌內(nèi)部溫度力和鋼軌外部阻力隨時保持平衡是溫度力縱向分布的基本條件。一根焊接長鋼軌沿其縱向的溫度力分布并不是均勻的。它不僅與阻力和軌溫變化幅度等因素有關(guān)，而且還與軌溫變化的過程有關(guān)。（三）溫度力圖⊿tH—接頭阻力能阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度。二、無縫線路基本原理Page

23

為簡化計算，通常假定接頭阻力PH為常量。無縫線路長軌條鎖定后，當軌溫發(fā)生變化，受接頭的約束，長軌條無伸縮，在鋼軌內(nèi)有溫度力Pt，這時多大的溫度力作用于接頭上，接頭就提供相等的阻力與之平衡。當溫度力Pt大于接頭阻力PH時，鋼軌才能伸縮。⊿tH—接頭阻力能阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度。1、約束條件

（1）接頭阻力的約束二、無縫線路基本原理式中，⊿tH—接頭阻力能阻止鋼軌伸縮的軌溫變化幅度。(7-14)Page

24接頭阻力被克服后，當軌溫繼續(xù)變化時，道床縱向阻力開始阻止鋼軌伸縮。但道床縱向阻力的產(chǎn)生是體現(xiàn)在道床對軌枕的位移阻力，隨著軌枕位移的根數(shù)的增加，相應(yīng)的阻力也增加。為計算方便，常將單根軌枕的阻力換算為鋼軌單位長度上的阻力r，并取為常量。道床縱向阻力是以阻力梯度r的形式分布。故在克服道床縱向阻力階段，鋼軌有少量伸縮，鋼軌內(nèi)部分溫度力放散，因而各截面的溫度力并不相等，以斜率r分布。（2）道床縱向阻力的約束二、無縫線路基本原理1、約束條件

Page

25AA′lPt2、軌溫正向變化時的溫度力圖——基本溫度力圖

無縫線路鎖定后，軌溫單向變化時，溫度力沿鋼軌縱向分布的規(guī)律，稱為基本溫度力圖。二、無縫線路基本原理（1）當軌溫t等于鎖定軌溫t0

時，鋼軌內(nèi)部無溫度力，即Pt=0，如下圖中A－A′線。Page

26AA′lPt（2）當Δt=t0-t＜ΔtH

時，軌端無位移，溫度拉力在整個長軌條內(nèi)均勻分布，Pt

=2.48FΔt。Pt=2.48FΔt二、無縫線路基本原理Page

27AA′lPt（3）當Δt=t0-t=ΔtH

時，軌端無位移，溫度拉力在整個長軌條內(nèi)均勻分布，

Pt

=PH

，圖中B－B′線。BB′PH二、無縫線路基本原理Page

28AA′lPt

（4）當Δt=t0-t＞ΔtH時，道床縱向阻力開始發(fā)揮作用，軌端開始產(chǎn)生收縮位移，在鋼軌發(fā)生縱向位移的長度范圍內(nèi)放散部分溫度力，圖中C—C’范圍內(nèi)任意截面的溫度力為：BB′PHrxxCC′式中：x為軌端至發(fā)生縱向位移的鋼軌任一斷面之間的距離(mm)。Pt=2.48FΔt二、無縫線路基本原理Page

29AA′lPt（5）當t降到最低軌溫Tmin時，鋼軌內(nèi)產(chǎn)生最大溫度拉力max

Pt拉，如圖中DD’

線。這時發(fā)生縱向位移的鋼軌長度達到最大值ls，ls稱為伸縮區(qū)長度。BB′ls

CC′DD′maxPt拉伸縮區(qū)伸縮區(qū)固定區(qū)二、無縫線路基本原理Page

30AA′lPtBB′ls

DD′maxPt拉伸縮區(qū)伸縮區(qū)固定區(qū)此時max

Pt拉

和ls

可按下式計算：

maxPt拉=2.48FΔt拉max=2.48F(t0-Tmin)

(N)(mm)二、無縫線路基本原理(7-15)(7-16)Page

31

上面分析了軌溫從t0下降到Tmin時，溫度力縱向變化的情況。同理，當軌溫從鎖定軌溫變化到最高軌溫時，長軌內(nèi)溫度力的分布與降溫時相仿，不同的是軌溫升高時，鋼軌內(nèi)將產(chǎn)生溫度壓力，其最大值為：maxPt壓=2.48FΔt壓max=2.48F(Tmax-t0)(N)

二、無縫線路基本原理(mm)伸縮區(qū)長度ls按下式計算。伸縮區(qū)長度一般取50～100m,宜取為標準軌長度的整倍數(shù)。Page

323、軌溫反向變化時的溫度力圖

當軌溫隨著氣溫循環(huán)往復(fù)變化時，溫度力的變化會與前述單向變化有所不同，根據(jù)鎖定軌溫t0

的不同，其可能大于、等于或小于當?shù)刂虚g軌溫t中，因而溫度力分布圖也相應(yīng)有三種不同形式。二、無縫線路基本原理（7-17）Page

333、軌溫反向變化時的溫度力圖

（1）當t－Tmin≤

tH時，軌溫回升，鋼軌有伸長趨勢，首先仍然遇到接頭阻力的抵抗，鋼軌全長范圍內(nèi)溫度拉力減小，溫度力圖平行下移PH值，接頭處溫度拉力變?yōu)榱?。溫度力分布如圖中AEE

。二、無縫線路基本原理以常見的t0＞t中的情況進行分析。軌溫由t0下降到Tmin時，溫度力圖為ABDD’（由于溫度力圖左右對稱，圖中僅畫出了左側(cè)部分）。當軌溫開始回升時，溫度力的變化情況如下：ABrDEmaxPt拉DErAPage

34

（2）當

tH＜t－

Tmin≤2

tH時，這時接頭阻力反向起作用，溫度力圖繼續(xù)平行下移PH值，此時接頭處承受溫度壓力，固定區(qū)仍為溫度拉力，如圖中FGG

所示。二、無縫線路基本原理

（3）當t－Tmin＞2

tH時，正、反向接頭阻力已被完全克服完，鋼軌要開始伸長，這時道床縱向阻力起作用，部分長度上溫度力梯度反向，在伸縮區(qū)溫度壓力以斜率r而增加，如圖中FT所示。3、軌溫反向變化時的溫度力圖

ABrDFGEmaxPt拉TDEGArrrPage

35

（4）當t＝Tmax時，固定區(qū)溫度壓力達到maxPt后，由于

t拉max＞

t壓max，固定區(qū)溫度力平行下移到HH

，則HN與FT的交點，出現(xiàn)了溫度壓力峰P峰，其值大于固定區(qū)的溫度壓力。溫度壓力峰等于固定區(qū)最大溫度拉力與最大溫度壓力的平均值，即：

二、無縫線路基本原理（7-19）（7-18）3、軌溫反向變化時的溫度力圖

ABrDFGEmaxPt拉maxPt壓HNTDEGAHP峰l峰rrPage

36t0與t中的差異會形成溫度力峰值P峰=0.5(maxPt拉+minPt壓)。當t0>t中時，在伸縮區(qū)出現(xiàn)溫度壓力峰值；當t0<t中時，在伸縮區(qū)出現(xiàn)溫度拉力峰值；當t0=t中時，在伸縮區(qū)不會出現(xiàn)溫度力峰值。溫度壓力峰值是引起無縫線路失穩(wěn)的重要隱患，特別是在春夏之交，發(fā)生的概率最大，所以在線路養(yǎng)護維修作業(yè)時，應(yīng)特別注意伸縮區(qū)無縫線路的穩(wěn)定性。二、無縫線路基本原理3、軌溫反向變化時的溫度力圖

Page

374、軌端伸縮量計算

從溫度力圖知，無縫線路長軌條中部承受大小相等的溫度力，鋼軌不能伸縮，稱為固定區(qū)。在兩端溫度力是變化的，在克服道床縱向阻力階段，鋼軌有少量的伸縮，稱為伸縮區(qū)。伸縮區(qū)兩端的調(diào)節(jié)軌，稱為緩沖區(qū)。在設(shè)計中要對緩沖區(qū)的軌縫進行計算，因此需對長軌及標準軌端的伸縮量進行計算.

由前述溫度力圖可見，其中陰影線部分為克服道床縱向阻力階段釋放的溫度力，從而實現(xiàn)鋼軌伸縮。由材料力學(xué)可知，軌端伸縮量與陰影線部分面積的關(guān)系為：（1）長軌一端的伸縮量（7-20）二、無縫線路基本原理lsPtAClBPage

38

標準軌軌端伸縮量計算方法