淺談對鐵路無縫線路脹軌問題的幾點探討

張博涵 中國鐵路上海鐵路局集團(tuán)有限公司新長工務(wù)段

1 引言

在高速鐵路上無縫線路消除了大量的接頭軌縫，很大程度的改善了軌道結(jié)構(gòu)，因其平穩(wěn)、舒適、壽命長、維修費用低、適應(yīng)高速行車等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用，逐步替代傳統(tǒng)的有縫線路。但也因為接頭軌縫的消除，進(jìn)一步限制了鋼軌因溫度變化對鋼軌產(chǎn)生的熱脹冷縮，在鋼軌內(nèi)部形成無法忽視的溫度應(yīng)力，無縫線路存在脹軌的風(fēng)險，影響著線路穩(wěn)定和行車安全。

2 溫度應(yīng)力

2.1 溫度應(yīng)力的產(chǎn)生與計算公式

無縫線路大量軌縫的消除以及扣件和道床阻力的約束，限制了鋼軌在溫度變化時的熱脹冷縮，因此在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，鋼軌內(nèi)部的溫度應(yīng)力是引起無縫線路脹軌跑道的最根本原因，溫度應(yīng)力的計算公式見式（1）。

式中：

σt——鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力；

E——彈性模量，鋼軌彈性模量一般取E=2.1×105MPa；

α—— 線膨脹系數(shù)，鋼軌線膨脹系數(shù)一般取α=11.8×10-6/℃；

ΔT——鋼軌溫度變化值；

T——鋼軌溫度（變化后）；

T0——原鋼軌溫度（變化前）。

在日常作業(yè)中，通常認(rèn)為鋼軌溫度應(yīng)力與縱向應(yīng)力一致，但基于定義，溫度應(yīng)力與縱向應(yīng)力有所差別。根據(jù)溫度應(yīng)力的計算公式，無縫線路鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力的計算公式見式（2）。

式中：

σz——鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力；

T——鋼軌溫度；

Ts——鎖定軌溫。

2.2 降低鋼軌縱向應(yīng)力的方法

根據(jù)公式（2）可知，影響鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力的因素有鋼軌溫度T、鎖定軌溫Ts、鋼軌彈性模量E 以及線膨脹系數(shù)α。因此，降低鋼軌縱向應(yīng)力的方法主要有以下幾個方向。

（1）降低實際軌溫T。降低實際軌溫主要有兩種方式：隔熱與降溫。由于鋼軌與機(jī)車車輪的摩擦，涂抹隔熱材料的方法并不適用，在鐵路沿線搭建封閉或半封閉遮陽設(shè)施則工程量大、價格昂貴、甚至可能造成安全隱患。相比較而言，降溫方法則更具研究潛力，目前降溫的方法通常用于發(fā)現(xiàn)脹軌時的緊急處理，常見方法有灑水降溫和CO2降溫。

（2）提高鎖定軌溫Ts。鎖定軌溫Ts指無縫線路在零應(yīng)力狀態(tài)下的軌溫，本文中提及的鎖定軌溫均指實際鎖定軌溫。適當(dāng)提高鎖定軌溫同樣可以降低高溫季節(jié)鋼軌內(nèi)部的縱向應(yīng)力，目前提高鎖定軌溫的主要運用，是在高溫季節(jié)來臨前通過應(yīng)力放散或拉伸的方法得以實現(xiàn)。考慮到冬季鋼軌防斷以及作業(yè)量等因素，鎖定軌溫的提高程度受到一定限制。

3 無縫線路穩(wěn)定

無縫線路脹軌跑道，實際上是無縫線路失穩(wěn)的表現(xiàn)。鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力是破壞線路穩(wěn)定的主要因素，而軌道框架剛度、道床阻力則是保護(hù)線路穩(wěn)定的主要因素。因此保證無縫線路的框架剛度和道床阻力，是預(yù)防脹軌跑道的重要手段。而線路缺砟、爬行、硬彎、方向不良以及養(yǎng)路工作等諸多因素均會導(dǎo)致無縫線路框架剛度或道床阻力的降低。因此，在高溫季節(jié)作業(yè)前（嚴(yán)格按標(biāo)作業(yè)的前提下），合理的判斷是否能夠作業(yè)、或是否需要應(yīng)力放散，對于預(yù)防脹軌跑道具有十分重要的意義。

《鐵路工務(wù)修規(guī)》[1]中明確規(guī)定了無縫線路的作業(yè)軌溫范圍，而相關(guān)文獻(xiàn)中]表明，無縫線路的實際鎖定軌溫變化具有普遍性和單向性，即普遍衰減。這是由于在無縫線路的運營過程中，長軌條因各種原因?qū)е碌乃苄阅腴L、鋪設(shè)無縫線路時產(chǎn)生的誤差、低溫作業(yè)等因素，導(dǎo)致實際鎖定軌溫衰減。因此，鎖定軌溫普遍偏低且具有不確定性，如果沒有及時檢測更新無縫線路實際鎖定軌溫，根據(jù)《修規(guī)》基于鎖定軌溫計算得到的作業(yè)軌溫范圍本身即存在誤差，存在超溫作業(yè)的可能，給無縫線路帶來脹軌跑道的風(fēng)險。

4 鎖定軌溫的檢測方法

目前檢測鎖定軌溫的方法主要有：應(yīng)變法、應(yīng)力法等。

4.1 應(yīng)變法

應(yīng)變法是通過測定鋼軌的長度變化值推算鎖定軌溫變化值，應(yīng)變法計算原理見公式（3）。

式中：

L——鋼軌長度；

ΔL——鋼軌長度的變化值；

ΔT——溫度變化值。

應(yīng)變法原理簡單，易于實現(xiàn)和操作，目前國內(nèi)普遍采用應(yīng)變法測量鎖定軌溫。但應(yīng)變法檢測的是一定長度范圍內(nèi)鋼軌鎖定軌溫的平均值，無法檢測到鋼軌較短長度范圍內(nèi)的應(yīng)力峰。檢測鎖定軌溫的應(yīng)變法主要有如下幾種。

（1）觀測樁法。該方法是無縫線路軌條鋪設(shè)鎖定前，在線路兩側(cè)按一定的原則布設(shè)位移觀測樁，并在鋼軌相應(yīng)位置做標(biāo)記，進(jìn)而根據(jù)鋼軌標(biāo)記與觀測樁的位置變化判斷鎖定軌溫變化。該方法簡單直觀，運用廣泛，但精確度較差，適用于定性分析。且該方法是建立在位移觀測樁位置不變、原鎖定軌溫已知的基礎(chǔ)上的，對于長距離鋪設(shè)在橋梁（尤其是鋼梁橋）上、原鎖定軌溫不明或不準(zhǔn)的線路不適用。

（2）標(biāo)定軌長法。采用與鋼軌相同線膨脹系數(shù)的鋼尺，在任何溫度下測量固定軌段的長度，鋼尺讀書不變，即“標(biāo)定軌長”[2]。該方法是對25m 標(biāo)準(zhǔn)軌沖眼標(biāo)記，標(biāo)距24m，通過鋼軌相同線膨脹系數(shù)的鋼尺測量得到測標(biāo)長度變化值，進(jìn)而推算出鎖定軌溫以及縱向應(yīng)力。標(biāo)定軌長法能夠準(zhǔn)確可靠的檢測鋼軌鎖定軌溫，但其測量效率較低，且對操作人員要求較高，受人為因素影響較大。

（3）形變儀法。該方法是在軌腰上粘貼標(biāo)距210mm 的兩個支架，再用形變儀卡在兩個支架間進(jìn)行測距，進(jìn)而通過計算得到鎖定軌溫。但應(yīng)變儀與測點接觸不能有效固定，受環(huán)境影響較大，精確度不高。

4.2 應(yīng)力法

應(yīng)力法是通過探索聲波、射線等物理量與應(yīng)力的關(guān)系，根據(jù)對聲波、射線等物理量的檢測，間接得到鋼軌內(nèi)部的縱向應(yīng)力值，進(jìn)而計算出鎖定軌溫。

（1）巴克豪森法。巴克豪森噪聲是鐵磁性材料特有的性質(zhì)，該噪聲信號隨著壓應(yīng)力的增大而減小，隨著拉應(yīng)力的增大而增大。但該信號受鋼軌內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)影響較大，存在較大誤差。

（2）X 射線法。該方法是將特定的X 射線射入鋼軌，經(jīng)過觀測衍射現(xiàn)象測得鋼軌縱向應(yīng)力。但該方法需要對鋼軌表明進(jìn)行拋光處理，且只能測到表層縱向應(yīng)力。

（3）超聲波法。該方法是基于聲彈性原理，探索出超聲波在鋼軌中傳播速度的變化與鋼軌內(nèi)部的應(yīng)力為線性關(guān)系，進(jìn)而通過超聲波檢測出無縫線路的縱向應(yīng)力。超聲波法精度高，檢測距離較長，且裝置簡單靈活，受外界環(huán)境干擾較小，發(fā)展前景較好。

上述無縫線路鎖定軌溫檢測方法各有優(yōu)缺點，目前國內(nèi)檢測方法以應(yīng)變法為主，但基于機(jī)械化、自動化、智能化、無損檢測的發(fā)展方向，應(yīng)力法（尤其以超聲波法）更有發(fā)展?jié)摿颓熬啊?/p>

5 結(jié)束語

①溫度應(yīng)力的增長是無縫線路發(fā)生脹軌跑道的根本原因，本文根據(jù)溫度應(yīng)力方程提出了降低鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力的解決方向。②我國脹軌跑道事件主要發(fā)生在維修作業(yè)中或作業(yè)后的數(shù)天內(nèi)。因此，合理的判斷是否能夠作業(yè)、或是否需要應(yīng)力放散，對于預(yù)防脹軌跑道具有十分重要的意義。③基于鎖定軌溫的普遍衰退性，指出及時檢測更新無縫線路實際鎖定軌溫的重要性。④本文總結(jié)對比了目前檢測無縫線路鎖定軌溫的主要方法，指出應(yīng)力法（尤其以超聲波法）更具潛力和發(fā)展前景。