无缝线路锁定轨温降低原因及检测作者：蒋伟来源：《科技创新导报》2011年第22期摘要:无缝线路锁定轨温是衡量无缝线路轨道强度与稳定性的重要指标,本文就无缝线路锁定轨温降低的原因及监控检测方法进行了分析和探讨。
关键词:无缝线路锁定轨温降低检测中图分类号:U213.9 文献标识码:Ａ文章编号:1674-098X(2011)08(a)-0055-021 问题的提出自1999年起至现在,我国铁路已成功实施了六次大提速,部分既有线时速已达到200km/h,提速的成功,高铁、客运专线的开行,都离不开无缝线路的快速发展。
无缝线路的铺设是按轨道的强度条件经计算确定,除结构条件外,无缝线路锁定轨温制约着线路的稳定和铁路运输的安全。
无缝线路施工锁定轨温是焊接长钢轨铺设时的锁定轨温。
焊接长钢轨,通常取其始端和终端入槽时所测定的轨温平均值,即铺设时的平均锁定轨温。
同时要求始终端就位时的轨温必须控制在设计锁定轨温范围内,一般情况下,人们认为这一轨温代表了长轨条的平均零应力轨温,实际上,由于铺轨时间较长,很难在某一设计锁定轨温下把整段长轨条锁定,因此长轨中每一段的实际锁定轨温均不等于长轨的平均锁定轨温。
因此,掌握实际锁定轨温的变化规律,对保证无缝线路的运营安全意义重大。
2 锁定轨温的降低原因实践证明,无缝线路的实际锁定轨温一般总是低于其名义锁定轨温。
北京、济南、上海等铁路局曾用应力放散法对17条长轨每50m间隔的截面进行过锁定轨温的测定,结果实测锁定轨温比原施工锁定轨温平均低7.8℃。
类似的应力放散工作在原武汉铁路分局广水工务段也进行过,该段对管内19段无缝线路的应力放散结果进行的分析表明,各段锁定轨温普遍有所改变,一般为几度甚至十几度,并均为下降,个别变化有二十几度的。
由此可见,锁定轨温的变化具有普遍性和单一性、如果实际锁定轨温比原锁定轨温低很多,而工务部门由于各种原因对此情况了解较少,不能及时采取必要的措施,则有可能导致胀轨跑道的发生,甚至酿成列车脱轨或颠覆的重大事故。
锁定轨温降低的原因,经分析有以下几个方面。
2.1 铺设的原因目前无缝线路铺设主要作业方法有既有线换铺长轨和新线一次性铺设无缝线路两种。
新线一次性铺设是指新线利用铺轨车同步铺枕和铺长轨,待大型养路机械捣固稳定到位后再进行焊接。
铺轨时,长轨条实际并没有处于自由状态,而是处于受压状态,即存在初始纵向力。
长钢轨运至工地,卸车时轨温一般并非锁定轨温,工地焊接联合接头时若无温度限制,当将长达l000m的长轨条拨入线路时,轨条中部很难伸缩,实际上可能积存了5℃～6℃的初始温度力。
若采用撞轨以强迫长轨缩短合拢等不正确的施工方法,甚至有可能使实际锁定轨温比名义锁定轨温低10℃以上。
低温铺设采用拉伸施工方法,情况可能好一些。
既有线换铺长轨施工中,为延长旧长轨的使用寿命,曾对大多数钢轨进行换边使用。
施工后恢复的既有旧长轨,在相同计算轨温的情况下,其长度比第一次铺设时均有一定量的增加,可以看出无缝线路锁定轨温衰减现象的普遍存在。
2.2 维修作业原因一般认为低温作业安全,此时低温时钢轨处于受拉状态,总是力图缩短。
进行整段维修作业时,必然要松动扣件和扰动道床,使道床阻力大幅降低,引起钢轨大量收缩。
其影响范围有时达300～400m,局部锁定轨温下降幅度大,有时必须更换成较长的缓冲轨。
经过一段时间轨温回升后,道床阻力已恢复,但钢轨不能恢复原位,造成锁定轨温下降。
2.3 钢轨塑性碾长在高速重载车轮碾压下,轨头表层产生塑性变形,从而导致钢轨伸长的现象。
钢轨塑性碾长直接表现为P60—25m短轨下道后其长度一般大于公称长度3—5mm。
这种碾长效应相当于使钢轨受到了额外的压缩,是锁定轨温降低的重要原因。
钢轨使用一段时间后逐步变为轨顶部分长于轨底部分的现象,侧卧时呈现轨头外突的弓形。
英国铁路实验表面,钢轨的碾长在新轨铺后3个月内表现明显并持续达一年时间,最终锁定轨温的降幅约为8.3℃,钢轨塑性碾长原因复杂,还有待进一步研究。
3 锁定轨温的检测《铁路线路修理规则》3.10.15条规定:无缝线路的锁定轨温必须准确、均匀,实际锁定轨温不在设计锁定轨温范围以内,或左右股轨条的实际锁定轨温相差超过5℃；锁定轨温不清楚或不准确,必须做好放散或调整工作。
锁定轨温要做到匀、准、够,这就需要正确测定和掌握实际锁定轨温,对实际锁定轨温的准确检测,目前国内外普遍研究而又未能很好解决。
目前锁定轨温检测方法可分为以下几种,应变法、应力法、重新放散法。
应力法国外研究较多,在我国没有达到实用水平。
3.1 应变法应变法是指通过测应变来直接测定锁定轨温,实际上还是通过对钢轨的长度变化或位移来计算温度应力变化情况。
主要包括观测桩法、形变仪法、标定轨长法、经纬仪测量法等。
应变测量法实际上还是通过对钢轨的长度变化或位移来计算温度应力变化情况。
应变法测量原理为:对于某一特定长度为L0(也称为标距)的钢轨,当轨温变化幅度为△t(温升)时,其自由伸长量为:(1)对于被锁定的轨条,在温升为△t时,由于受约束而不能伸长,相当于被压缩了一个△Lt(未能实现的伸长量),一般用△Lr表示,它在量值上等于△Lt,但符号相反,因此有:(2)由此得到用应变法求锁定轨温T0的严格理论公式,即:(3)式中,α——钢轨的线膨胀系数,11.8×10-6/℃；△Lr——未能实现的伸长量。
如已知△Lr,则在轨温为T时钢轨未能实现的应变为。
可知,若轨温变化下降-εr /α,则钢轨的温度应变将变为零,或者说温度应力将变为零。
因此,零应力轨温等于T+εr /α,此为应变法的基本原理。
用应变法测锁定轨温的精度,要求相当高,主要取决于轨温测量精度和测长相对精度δL/△L0,δL为某种方法要求达到的测长绝对精度。
如某种方法,其L0=50m,δL=0.5mm,则该法的测应变精度为ε0=δL/L0=10×10-6,即相当于测长相对精度为十万分之一,其测锁定轨温精度为ε0/α=10×10-6/11.8×10-6=0.85℃。
如在固定区有一段钢轨L0,其长度变化了△L,则式(3)的第一项T表示原有的锁定轨温,第二项表示锁定轨温的变化△T0。
需说明的是,钢轨长度对于锁定轨温的影响,是在钢轨长度不变的情况下发生的,因此,除了进行应力放散外,用一般的应变法无法测出。
3.1.1 观测桩法在无缝线路长轨条铺设锁定之前,按照先期设计位置,在长轨条两端、伸缩区始终点、长轨条中央及距伸缩区终点100m处的路肩上对称埋设位移观测桩5-7对,如固定区较长,可适当增加对数。
钢轨铺设锁定完成后,立即在与各观测桩相对应的钢轨上作好标记(零点),做为观测钢轨爬行的观测点。
目前一般用专用观测仪架设到观测桩上进行爬行观测。
此法简单易行,但只能测得长轨条有无爬行,以及因钢轨的局部伸缩位移引起的锁定轨温的平均变化,如原定锁定轨温不准,此法并不能给出实际的锁定轨温,但该法仍是当前监测无缝线路锁定轨温变化情况的主要手段。
3.1.2 标定轨长法(尺测法)是用钢带尺测量锁定轨温的方法,在焊轨厂的配轨车间,对处于自由状态的25m 长标准轨进行设标,标距L0=24m。
测标设在轨头的外侧面,测标标点打在轨头侧面(非工作边一侧)直径不大于0.5mm的冲眼。
然后将设了标点的钢轨焊接于长钢轨中,每250m设测标一组。
现场铺设后,用原设标钢尺,或经过检定的钢尺标或铟钢尺取标检验施工锁定轨温。
由于钢尺可自由伸缩,而钢轨标距不变,可把轨温为T时测得的尺长24m与标距之差,近似地当作钢轨未能实现的伸缩量△L,并按式(3)计算锁定轨温。
为保证轨温测量和标长测量的准确性, 实际测量时应当选在清晨气温稳定的时段进行,该法较为适用。
现场设标后需要测量轨温和相应条件下的标长采用标定轨长法标定时,可在易产生温度压力峰的处所设标。
据各铁路局的调查,下列地段易产生压力峰:行车方向的道口前方；复线行车方向固定区终端；无砟桥前；行车方向曲线头部；竖曲线的坡底；制动地段。
实行爬行观测桩、轨长标定双重控制,可增加监控的可靠性。
3.1.3 形变仪法是在轨腰上粘贴两块标距为210mm的支架,用形变仪卡在两支架之间进行测距。
由于野外仪器和测点接触无法准确定位,实际锁定轨温的测量精度只能达到4℃,现不常用。
3.2 重新放散法锁定轨温不清楚或不准确,可用应力放散方法检测原锁定轨温,即把没有在设计允许锁定轨温范围以内锁定的无缝线路,以及在运营中锁定轨温发生了变化的无缝线路,将其锁定轨温通过放散,重新准确地设定在设计允许范围之内。
在适当轨温范围内,松开全部联结零件,使长钢轨自由伸缩放散应力,然后加以锁定。
属于这类放散方法,以滚筒放散法最为典型。
用滚筒放散应力,应先封锁线路,然后将长钢轨上的扣件全部松开,同时拆除两端夹板。
在长钢轨底部8～10m设置滚筒,并用木锤敲击钢轨,使其重新恢复到自由状态,测量自由状态(温度应力为零)时的长度来计算拆除扣件前的实际锁定轨温,或者在恢复自由状态并测量长度后重新进行拉伸、锁定(配合切割以获得相应的拉伸量),然后计算锁定轨温的衰减情况。
待钢轨的伸缩量达到预先规定的数值后,取下滚筒,锁定线路,并且重新刻划防爬观测的零点标记。
采用这一方法施工,一定要备有多对不同长度的合拢轨,待放散轨条充分伸长或收缩到位时,立即选一对合适的合拢轨组织合拢,上好夹板螺栓,并按规定扭矩拧紧,迅速恢复合拢端的钢轨,控制钢轨伸缩。
此时的轨温即为放散后的锁定轨温。
与上述应变测量法相比,应力放散工作量大且需占用区间,但其测量锁定轨温比较直观,也是目前实际操作中比较准确、有效的手段。
造成无缝线路锁定轨温下降的原因多种,要在无缝线路的铺设、维修和放散中,正确测定和掌握实际锁定轨温,保证线路稳定和铁路运输安全。
参考文献[1] 陈庆民.无缝线路[M].北京:中国铁道出版社,2004.[2] 俞醒.浅析无缝线路锁定轨温衰减规律[J].上海铁道科技,2005年第3期.。