合理降低锁定轨温对无缝线路冬季防断的作用分析

合理降低锁定轨温对无缝线路冬季防断的作用分析

刘瑞龙

中国铁路沈阳局集团有限公司山海关工务段，河北 秦皇岛 066200

摘要：文章以某铁路为例，根据所在的省市地区气象资料统计，计算无缝线路锁定轨温，确定锁定轨温上下限值。使用ANSYS有限元软件对该铁路上某曲线段、一沟桥上无缝线路地段，以及隧道入口附近的连续段进行建模，分析了计算字段中锁定轨温变化对上述特殊剖面中轨道强度和稳定性的影响。根据对铁路冬季频繁断轨的合理分析，建议通过合理降低锁定轨温，同时确保轨道不会在夏季胀轨，来改善断轨问题。

关键词：重载铁路；无缝线路；锁定轨温；铁路安全

前言

1999年以来，中国铁路成功实施了六次提速，其中一部分达到了200公里/小时，高铁和客运专线的成功提速和运营离不开无缝线路的快速发展。无缝线路的铺设位置由轨道的强度条件决定。除了结构条件之外，无缝线路的锁定轨温限制了线路的稳定性和铁路运输的安全性。一般认为，一轨温代表了长轨条的平均零应力轨温，实际上，每个长轨道的实际锁定轨温并不等于长轨的平均锁定轨温，因为很难将整个长轨道锁住到特定的设计锁定轨温。因此，掌握锁定轨温变化规律对于确保无缝线路的安全运行至关重要。

一、冬季无缝线路钢轨折断的原因分析

除了冬季气温低的主要原因外，还有其他原因。首先，作用于无缝线路钢轨上的力，除了驱动力之外，还受到温度变化的约束。当这些力超过铁路的弹性极限时，铁路很容易断裂。第二，焊缝本身的力分布可能不均匀，低于矩阵。因此，随着列车车辙时间和次数的增加，焊接平面度不均匀，增加了焊接的影响，容易损坏，导致断轨。第三，由于锁定轨道温度较高，冬夏季温差较大，可能加剧冬季焊缝断裂。第四，由于铁路线路不规则，导致线路出现各种问题。冬天容易折断轨道，焊缝受力不均匀，直接导致断轨或焊缝断裂。第五，在不间断地投入使用的情况下，缺乏迅速和科学上合理的维修和保养将直接影响到这些线路的使用寿命。第六，焊缝位置不合理。例如，在构造过程中将焊缝直接放置在枕边的某些扣件会直接增加焊缝应力，从而导致焊缝断裂。第七，长期使用无缝轨道会增加轨道疲劳损坏，也会导致断轨。

二、锁定轨温的降低原因

1.铺设的原因

目前铺设无缝线路主要有两种作业方式:既有线更换长轨和新线一次性铺设无缝线路。新线一次性铺设是指新线采用铺设车同时铺枕和铺长轨，大型维修机坚固稳定后进行焊接。部署轨道时，长轨道不是自由的，即具有初始纵向力。在工地上运输长轨道时，轨道温度通常不是卸载时的锁定轨温。如果现场焊接接头没有温度限制，当一根长达1000米的长钢轨放入线路时，钢轨的中间部分很难拉伸。可以看出，由无缝线路锁定的轨道的温度降低是常见的。

2.维修作业原因

低温工作一般被认为是安全的，此时轨道处于低温状态，总是处于力图缩短的状态。在整个维修过程中，必须松开扣件并破坏道床，从而大大降低道床的强度，导致轨道严重收缩。影响范围有时在300米至400米之间，局部闭锁通道温度明显下降，有时需要更换长缓冲通道。轨道温度升高一段时间后，道床的阻力恢复，但轨道无法恢复到其原始位置，导致锁定轨温下降。

3.钢轨塑性碾长

在高速重载车轮的压力下，钢轨头表面发生塑性变形，导致钢轨延长。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轨道的额外压缩，这在很大程度上解释了锁定轨温下降的原因。经过一段时间的使用后，轨顶部分长于轨底部分的现象，在侧面铺设时，轨道头部向外呈明显弧形。在英国铁路试验表面，新轨道铺设后三个月内轨道的滚动长度明显，持续一年，最终锁定轨温下降约8.3℃。钢轨塑性碾长原因复杂，需要进一步研究。

三、无缝线路锁定轨温的确定及理论分析

1.模型计算参数与建立

采用60kg/m钢轨用于分析，用梁单位模拟。创建非线性弹簧单元以模拟具有第二类弹性连接的连接。扣件滑移阻力15.0kN，扣件横向刚度为50 kN/mm，混凝土枕为Ⅲ型，通过道床的纵向强度根据无缝线路设计标准设置。桥梁混凝土强度等级为C50，并使用实体单位进行模拟。隧道内外最大温差为20℃ ~ 30℃。隧道内外有一个过渡。变化长度取决于隧道的长度、方向和通风，通常为10至50米。

2.桥上无缝线路锁定轨温模拟分析

以某铁路趄坡沟大桥为例，该桥设计跨度为196.2米，采用32米简支梁。当锁定轨温达到25.1℃时，冬季最高温度降至55.6c，轨道电压达到1400kN的最大值，即温度应力达到147.3MPa，有砟轨道值为[λ] = 7cm。容许压力为[p]= 3075.12 kn，根据无缝线路的统一公式，线路的最大温度提高到42.9℃。轨道强度、撕裂值和稳定性的控制条件如下:σ=293.2MPa<[σ]=400MPa，λ=5.75cm<[λ]，P=2033.86<[P]=3075.12kN。

3.隧道口无缝线路锁定轨温模拟分析

根据观测，隧道内的轨道温度接近夏季或冬季。根据隧道内外的铁路温度和透明线温度变化，考虑最不利的条件，即隧道内温度比隧道外温度低30℃，冬季隧道内温度高于局部最高温度为58℃，最低温度为-30.5℃，锁定轨温设计为20.1℃。计算假设道床的纵向阻力沿轨道均匀分布，道床的纵向阻力为每单位长度p，轨道在温度力作用下不会产生弯曲和塑性变形，并且不考虑通风等自然条件。根据理论计算公式l=EFαΔt/P，当隧道内外轨道温差为30℃时，温度变化长度为47.1m，

为了进一步分析隧道入口轨道温度过渡段长度对无缝线路的影响，根据隧道入口轨道温度过渡段长度，过渡段长度为10m。当锁定轨温为25.1℃时，冬季不同过渡段长度隧道入口附近的线路温度力会持续，当过渡段长度减小时，轨道的最大应力和压力会在一定程度上增加。刚度计算选择最不利的隧道导入条件，即锁定轨温25.1℃和过渡段长度10m。此时，轨道温度达到最高值12 530 kn，即131.84 MPa。则σ=287.04MPa<[σ]=400MPa，符合刚度检查条件。稳定性测试选择最不利的隧道导入条件，即15.1℃锁定轨温和10m过渡长度。此时轨温力达到最大值892 kn，容许力[P]为3075.12 kn，即最大温度和压力必须满足稳定性计算条件。

结束语

综上所述，通过对某铁路的实地研究，再加上对锁定轨温建模的理论分析，得出结论认为，当锁定轨温在15.1℃至25.1℃之间时，轨道的强度和稳定性可以满足关键区域的要求，例如在确保重型铁路无缝线路不会在夏季胀轨的前提下，考虑在冬季铁路频繁断裂的情况下降低锁定轨道的温度。由于各种实验条件，理论值与实测值之间没有比较研究。试验条件成熟后，提出对锁定当前温度下测得的钢轨强度进行研究，并在小曲线、桥梁和隧道洞口温度强度理论计算的基础上进行比较试验。

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