我之前在知乎有一篇关于无缝线路的回答,后来我把它收集到了我的专栏,今天我把它删掉了,因为我对它的内容有了新的理解,连目录都大改了(话说原来目录那个字太小了,我都看不清,原图也不知道放哪里去了),有了今天的《终于说到了无缝线路——无缝线路之一》。

说到轨道,无缝线路是一个绕不开的话题,也是一个很大的话题,它甚至是现代轨道交通不管是高铁还是地铁的基础之一,当然,也很难说的非常清楚。在之前的文章里我说了接头病害、说了钢轨焊接,甚至还专门说了钢轨铝热焊,其实这些都和无缝线路有关,而且之前也不断提到无缝线路的概念;这周本来我想说钢轨伸缩调节器,连文章都准备的差不多了,但是我发现说这个无缝线路更是一个不得不说的概念,那干脆这回就“强行”说一下无缝线路得了。。。
什么是无缝线路?从字面上理解就是指没有缝的线路,稍微专业一点的说法就是把标准定尺的钢轨焊接成长轨条并且锁定铺设的线路。
这个“缝”,一般来说指的是轨缝:

这是通常所见的轨缝,又叫栓接接头

“无缝”之后怎样呢?是这样:

当然这个图片素质,就算真有缝也看不见,就是个意思。。。

朴素的理解是没有错误的,但是不够深入,往深了说,无缝线路不是一个有没有缝的问题,而是一个关于“力”的问题,咱们还是跟着目录走吧:

这个目录里任何一个条目拿出来,都要写一篇文章才能说清楚

关于无缝线路的概念,咱们后面再说,先说说原理。自然界有个大家都很熟悉的现象,叫做“热胀冷缩”,钢轨也会一样,受热膨胀、受冷收缩,但是要是把钢轨约束住不让它膨胀或者收缩,就会在钢轨内部产生温度应力,也叫热应力。在无缝线路系统中,钢轨可以看作是被完全约束的,这样它内部的应力是可以计算的,过程就略去了,这个是结论:

我真的会latex,截图是为了偷懒

同样的,那钢轨的温度力就是:

这个公式让我想起上学的时候,每次都要考

有人要问了,温度应力和温度力是啥关系?简单的说,应力是单位面积上的力的大小,更像是一个数学概念,应力在截面上的积分就是力了。而钢轨是条状的,温度应力可以看作是在截面范围内均匀分部的,所以对于钢轨来说温度应力乘以截面面积就是温度力了,上面公式里那个F就是截面面积,和钢轨的型号有关。这里说到温度应力只是借它过个桥,引出温度力的概念,下文全部使用温度力这一个宏观的量。为了让大家能够顺利的看下去,后面我少用计算。

现在来看看无缝线路的理论基础。我们再次把无缝线路里最重要的公式拿出来看看:

不知道第一发现这个规律可以这么使用的人是不是会跳起来

这个公式里,Pt是温度力,⊿t是温度变化幅度,F是钢轨截面面积,大家看出来什么?有没有发现少了什么?钢轨的温度力和温度变化幅度有关、和钢轨截面面积有关,但是和钢轨的长度无关。钢轨的温度力是有破坏作用的,它是无缝线路几乎所有问题的根源,但是它和长度无关,让我们联想到,无缝线路可以任意增加长度而不会增加温度力,实际上是可以做到无限长的,是不是振奋人心?100KM的钢轨热胀冷缩的温度力和一根25m的钢轨是一样的,是不是足够反直觉?以上我所说的,就是无缝线路的理论基础,光说道理没有图片确实挺难的,还好最难的地方过去了。既然长度没有上限,剩下的就是如何实现的问题了。

我没有做过完全的统计,但是国内现在所有的新建高铁、普铁、地铁都采用了无缝线路,而且以前的很多普通线路也都进行了换铺无缝线路,说明它是潮流,至于安装铺设,可以简单说说。
对于高铁和普铁这些线路来说,基本就是厂焊钢轨、运输、铺设、锁定焊这几个步骤。这些我们以前好像都说过了,高铁这些线路有一个很大的特点就是机械化程度非常高,因为量大所以值得投入,运轨车、铺轨车甚至轨枕布放、扣件安装、道砟摊铺都有专门的大型车辆,简直是壮观,羡煞我们。
对于地铁,由于空间限制无法厂焊钢轨,所以基本就是做轨排、运轨排、装轨排、打道床、焊钢轨几个步骤。机械化程度会稍微差一点,因为实在是施展不开,简直是螺蛳壳里做道场,关于这个话题,我以后会专门讲。
对于换铺,就是本来不是无缝换成无缝的,基本和新铺流程差不多,就是条件要好一些,运轨的条件好一些,其他差不多。因为新建线路都是在比较荒凉的地方,又没有路,很多时候要修建便道,换铺直接铁路运过去换上就可以了。
安装铺设设个部分说的很简单,一方面是很多内容已经说过了,另一方面是我准备以后单开一个文写地铁的铺轨(毕竟里面很多坑),还有就是好像感觉说完了原理之后就不太原因说这样实操的东西了,感觉没劲啊,难道我入错行了?

说起来总是一套一套的,干起来啥也不会

无缝线路也是有一个慢慢发展的过程,在这个过程中产生了自然的分类。
按照温度应力的形式,可以分为温度应力式和放散应力式。温度应力式无缝线路就是按照前面说的理论基础设计出来的,分为固定区、伸缩区、缓冲区,结构简单耐用大家都喜欢。

这个是广受欢迎的形式,也是地铁里使用最多的

放散应力式就是需要应力放散的形式,一个是利用桥上钢轨伸缩调节器自动放散,一个是定期进行人工放散。这两个一个是桥上,一个是高寒地区,都属于特殊情况。
按照轨条的长度,分为普通无缝线路和跨区间无缝线路,也叫超长无缝线路。这个明显就是历史发展的痕迹了,一开始的时候很多问题没有解决,无缝线路受的制约很多,轨条长度受限制,所以就是普通的;后来技术发展了、研究深入了,解决了焊接、无缝道岔等等技术,现在真的可以做到非常非常长了,就是超长无缝线路,这个分界点,一般是20km。
按照接头形式,分为焊接式、冻结式、胶结式。实际操作中一般是都存在的,前面也说了,无缝线路追求的不是天衣无缝的那个“无缝”,而是温度力可以无缝的传递下去,对于一个接头来说,不论是焊接的还是冻结的,只要你轨缝在力的作用下保持不变(焊缝就是0,不变),就满足了无缝线路了要求,就可以按照无缝线路来计算它的内力、阻力、稳定系数。正是这个理论的眼神,才解决了诸如无缝道岔、轨道负极分割等难题,使得超长无缝线路得以推广。

下面讲养护维修,在正式说之前先要说明一个概念:锁定轨温。顾名思义,无缝线路的锁定轨温就是无缝线路长轨条锁定时的轨温。长轨条,就是钢轨焊接起来之后的称呼,一般长度在几公里至几十公里之间(当然不会无限长,也要考虑实际操作),就像一根面条一样,称之为长轨条是不是很恰当?锁定的概念稍微复杂一点,温度里是和温度变化有关的,温度变化是有基准的,这个基准就是锁定轨温,锁定就是把钢轨约束起来的动作,一般是安装扣件,意思就是安装好扣件把钢轨约束好就等于“锁定”了。

好,说完了锁定轨温,后面的就好办了,先说作业轨温。前面不停的说到一个关于无缝线路的约束的概念,对长轨条的约束是非常重要的,完全约束的无缝线路轨条的温度力和扣件对轨条的约束力处于一种平衡状态,在温度变化比较大的时候,拆开扣件调整线路几何尺寸会破坏这种平衡,甚至会出现严重的病害。经验表明,当温度变化超过20℃时,作业风险较高。
所以一般情况下,只允许在锁定轨温±20℃温度范围内对无缝线路进行调整,这个温度范围被称作作业轨温。

前面的分类里说了应力放散,下面来看看咋放散。先看看轨条锁定时的情况:

轨条是被扣件约束而锁定的,当然扣件也被轨枕所约束

按照设计轨温施工并且锁定的无缝线路,在锁定轨温状态下,就像是一个均匀的弹簧,没有受到荷载的作用,簧距相等,温度力为0:

我觉得这个图非常传神,实际上无缝线路的计算也是以虎克定理为基础的

在轨温升高以后,比如说在夏季,由于钢轨的伸长趋势被约束,所以内部产生了均匀的压应力,相当于弹簧被压缩,簧距相等。

想收缩不让你收缩,就相当于拉开弹簧

在轨温降低以后,比如说在冬季,由于钢轨收缩的趋势被约束,内部产生了均匀的拉应力,相当于弹簧被拉伸,簧距相等。

想膨胀不让你膨胀,就是这样的效果

上面那些都是理想状态,要真都是那样也就不需要多余的动作了,但是由于列车制动、钢轨下的基础不均匀、扣件压力不均匀等原因,会导致钢轨爬行,造成钢轨内部应力分布不均匀,甚至是部分区域受拉伸、部分区域受压缩。

实际是这样的,在同一个弹簧里既有被压缩的、也有被拉伸的,不均匀

这个是轨条的实际受力状态,在这个过程到了比较厉害的时候,就需要应力放散,是内部的应力重新均匀分部。所以,轨温升高和降低不是放散的原因,轨条内部应力不均匀才是。具体情况大致可以统计出来,我列一个表在下面,很清楚明了,就不一一说了。

  • 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

  • 跨区间和全区间无缝线路的两相邻单元轨条的锁定轨温差超过5℃,同一区间内单元轨条的最低、最高锁定轨温相差超过10℃

  • 铺设或维修作业方法不当,使轨条产生不正常的伸缩

  • 固定区或无缝道岔出现严重的不均匀位移

  • 夏季线路轨向严重不良,碎弯多

  • 通过测试,发现温度力分布严重不匀

  • 因处理线路故障或施工改变了原锁定轨温

  • 低温铺设轨条时,拉伸不到位或拉伸不均匀

那如何放散呢?先让我引入今天最后一个公式进行说明:

终于长度这个量出场了,它已经等一天了

式中α是钢轨的线膨胀系数,是一个常数;l是轨条的长度;⊿t是轨温变化量。
大家可以看到,钢轨长度这个参数第一次出现在我们的计算里,对于一个确定的轨条来说,膨胀系数和长度都是确定的,那长度变化量和温度变化量是正相关的。实际在无缝线路的计算和铺设、维修中,温度bianhu变化值等同于长度变化值。也就是说,压缩钢轨等同于降低轨温,拉伸钢轨等同于升高轨温。这个结果很难接受,但是实际情况就是这样,在很多时候只需要计算好钢轨要约束在哪里,然后把轨端弄过去锁定就好了,不管你是加热让它自己伸长还是用拉轨器拉过去,一样的。
再说回应力放散,总结起来就两种办法,一个是温度控制法,比如滚筒;一个是长度控制法,比如撞轨。我也没实际操作过,就不多讲了。

在最后,我再列两个表用尽量简洁的语言总结一下,毕竟这篇文章已经是又臭又长了。先说说它的优势:

  • 没有了轨缝(准确的说是基本没有),提高了平顺性,这是现在轨道交通速度越来越快的重要基础之一,这也是无缝线路被广泛使用的最重要原因
  • 消除了接头病害。普通夹板夹头的病害是非常多的,类似于螺栓、夹板折断啊,轨端伤损啊,统统都没有了
  • 降低材料消耗。坏的东西少了,要换的东西自然少了。钢轨伤损会减少,夹板啥的都不用了自然换的少,没有了轨缝震动少了扣件、轨枕坏的也少
  • 降低负极电阻。现在的地铁大部分是直流供电,钢轨作为负极,使用了无缝线路之后负极的电阻大大的降低
  • 降低养护维修的工作量。这个同样不言而喻,普通接头线路每年要把所有的接头拆开保养一次不说,扣件轨枕坏的也多,自从用上了无缝线路,这些都大大减少

但是也不能光说好不说坏,也带来了不少的麻烦:

  • 断轨的风险更大
  • 养护维修的要求更高
  • 增加了胀轨跑道的可能
  • 需要很多新的东西,铝热焊设备啊啥的
  • 铺设、施工难度比普通线路大,价格高

通过对比不难发现,它的优势都是我们需要的,所以使用无缝线路是以后的趋势,除了高寒地区或者要求实在不高的、临时的设施,以后都会用上无缝线路。也有很多风险,比如断轨,这就是我等搞轨的人需要解决的问题,大家共勉。

在这句话之前,上面的文章一共4316字,是目前写的最长的一篇,也是配图比较少的一篇,我估计也是最不招人待见的一篇,因为里面有不少反直觉的东西,又有很多东西没有说透。比如锁定轨温如何确定?比如为啥没有引入接头阻力、道床阻力的概念?为啥没有提到无缝线路的稳定设计?为啥不提经典的温度-爬行曲线?。。。等等,说白了,很多东西要是说下去就没完没了了,也有很多东西我也没搞清楚,比如稳定计算。
无缝线路基本算的上是轨道专业的核心,虽然它不难但是讨论任何一个问题的时候它都会在前面等着你,所以我就想干脆拿出来供大家讨论,以后写别的也好写。
写这个文章还是有收获的,起码我学会了latex输入公式,还有之二和之三,回头修改好了放上来。。

表达一下此时的心情


最后来个硬广,我写了一个公众号:延伸的车辙,欢迎大家来交流。
ps,公众号里没有广告。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:lei xi

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