（道路与铁道工程专业论文）无缝线路局部快速降温分析研究.pdf

南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无缝线路解决了普通线路的许多问题，然而，当轨温改变时，钢轨不 能自由伸缩将在内部会产生巨大的温度力，尤其是在具有初始弯曲矢度地 段，将造成局部钢轨隆起，导致钢轨温度力分布不均，一定范围内产生纵 向位移和横向位移，严重时影响列车的行车安全。 本文主要结合无缝线路局部快速降温器的局部降温的工程实践，分析 了相对于钢轨初始弯曲矢度的不同位置进行局部降温的效果，并提出合理 的建议。 首先，介绍了国内外无缝线路发展的现状，以及在无缝线路稳定性基 础上进行长钢轨快速降温技术的应用，并根据钢轨快速降温的特点，引入 热力学，建立热一结构耦合模型并用a n s y s 软件进行计算。 其次，利用该模型，分析对比了不同曲线半径和初始弯曲矢度在升温 相同的条件下钢轨所受纵向约束力以及纵、横向位移的变化。 再次，对相对于初始弯曲矢度的不同位置进行局部降温，计算出温度 力的重分布，分析对比了不同位置处纵、横向位移的前后变化，提出了降 温的合理位置。结果表明，在钢轨有可能发生臌曲两侧降温可有效的减少 局部温度力，钢轨的纵、横向位移。 关键词：无缝线路；热一结构耦合分析；局部降温 南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u sw e l d e dr a i lh a sr e s o l v e dm a n yp r o b l e m so nt h ec o m m o n c i r c u i t ，w h e nt r a c k t e m p e r a t u r ec h a n g e d ，t h es t e e lr a i lc a n t sf l e xf r e e l ya n dm a y p r o d u c et h eh u g et e m p e r a t u r e - f o r c ee s p e c i a l l yo nt h es e c t i o nw i t ho r i g i nc u r v e ， r e s u l t i n gi np a r t i a l s t e e lr a i l a p o p h y s i s ，l e a d i n gt op r o d u c el o n g i t u d e a n d h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，u pt oi n f l u e n c et h es a l t yo ft r a i nr u n n i n g t h ep a p e rb a s e do nt h ep r a c t i c a lo fp a r t i a lf a s td e c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ， m a i n l ya n a l y z e si n f l u e n c e so nd i f f e r e n tc b _ r v er a d i u sa n do r i g i n a lc u l w eb yt h i s a p p l i a n c e ，t h e np u tf o r w a r ds o m er e a s o n a b l ep r o p o s a l s f i r s t l y , t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g n d e v e l o p m e n to nt h ec o n t i n u o u sw e l d e dr a i l ，a n da l s oi n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no f p a r t i a lf a s td e c r e a s e - t e m p e r a t u r et e c h n i cb a s e do ns t a b i l i z a t i o nt h e o r e t i c so n l o n g - r a i l b a s e do nc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i a lf a s td e c r e a s e t e m p e r a t u r e ，i n t r o d u c e t h e r m o d y n a m i c st h e o r e t i c ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e st h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l e d a n a l y s i sc a l c u l a t i n gm o d a lp e r f o r m sc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sb yu s i n ga n s y s s o f t w a r e s e c o n d l y , u s e do ft h i sc a l c u l a t i n gm o d e l ，a n a l y z e sa n dc o m p a r e s t h e l o n g i t u d i n a ls a n c t i o na n dl o n g i t u d i n a la n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc h a n g e m e n t o nd i f f e r e n tc u r v er a d i u sa n do r i g i n a lc u r v ea tc e r t a i nt e m p e r a t u r e t h i r d l y , p u ti np r a c t i c ep a r t i a ld e c r e a s e t e m p e r a t u r eo nd i f f e r e n tl o c a t i o n c o m p a r ew i t ho r i g i nc u e v e ，b a s e do nt h e c o n t r a s t i v e a n a l y s i s ，c a l c u l a t e t e m p e r a t u r ef o r c e ，t h e nc a ne d u c e d i f f e r e n c eo fl o n g i t u d ea n dh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t ，p r o p o s e st h er e a s o n a b l el o c a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a ti ti sv e r y e f f e c t i v et od e c r e a s e - t e m p e r a t u r eo nt h ea p o p h y s i s - r a i lz y g o m o r p h o u sl o c a t i o n k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sw e l d e dr a i l ；t h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l e da n a l y s i s ； p a r t i a ld e c r e a s e t e m p e r a t u r e 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密1 3 ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名：迂lj 伟乏 日期：功。5 fz f 夕 誓翥嚣。惫0 拶 日期： 硝 渺。，at 旷 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 在无缝线路的稳定性理论基础上，结合钢轨快速降温的特点在无 缝线路局部快速降温分析中引入热力学，建立热一结构耦合模型； 2 利用所建模型在对相对初始弯曲矢度的不同位置进行局部降温， 计算出钢轨的温度力重分布，分析对比了不同降温位置处纵、横 向位移的前后变化，计算出降温的相对合理位置，并提出建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1概述 无缝线路闯世之前，普通线路上的钢轨接头，既是轨道结构不可缺少 的组成部分，又是轨道结构的薄弱环节。由于列车通过接头造成对钢轨的 冲击，使道床松散，发生低接头，加快材料磨损，也造成了车辆的摇晃， 行驶不平稳。过去曾在这方面做过许多试验，但都未能解决接头痫害问题。 根本性的解凌办法是把薄弱的钢轨接头焊接起来，成为长钢轨。 无缝线路则是轨道结构的一大变革。无缝线路由于消除了大量的钢轨 接头，消除了轨道结构的薄弱环节，因甄它相对有缝线路来说，具有以下 诸多优点：增加行车的平稳性和旅客的舒适度；能有效减少列车运行时产 生的噪声；降低了机车、车辆及轨道的养护维修工作量耱维修费用，同时， 提高了机车、车辆的使用寿命。与有缝线路相比，它在技术经济上有明显 的优越性。焉近年来，在提速工程的带动下，超长无缝线路也迅速发展， 超长无缝线路最大限度地消除了缓冲区及其钢轨接头，极好地发挥了无缝 线路的优越性。 无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速、重载轨道结 构的最优选择，它以无可争议的优越性隽各国铁路所认同。正因为它带来 的技术、经济效益，目前，世界上许多国家都竟相发展无缝线路，使这项 新技术薯臻完善，并取得更大的经济效益和社会效益。 愚然，无缝线路解决了普通线路的许多问题，然而，无缝线路也有它 自身的不足之处。当轨温改变时，钢轨不能鲁由伸缩将在内部会产生巨大 的温度力，这也是无缝线路区别与一般轨道的根本特点。 无缝线路根据处理钢轨内部温度应力方式的不露，可分力温度应力式 和放散温度应力式两种。温度应力式普通无缝线路是由一根焊接长钢轨及 萁两端2 - 4 根标准轨组成，并采用普通接头的形式。无缝线路铺设锁定居， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 焊接长钢轨困受线路纵向阻力的抵抗，两端自由伸缩受到一定的限制，中 间部分完全不能伸缩，因而在钢轨内部产生很大的温度力，其值随轨温变 化而异。随着钢轨温度的变化，在无缝线路的两端一定长度范围内，长轨 条克服钢轨接头阻力、扣件及轨枕的纵向位移阻力而伸缩，这一范围称为 伸缩区。每段无缝线路的中间部分称为固定区。随着钢轨温度的变化，固 定区不产生纵向位移丽产生温度力，其量值大小与钢轨温度变化幅度及钢 轨截面积成芷比，而与钢轨的长度无关。温度应力式无缝线路结构简单， 铺设维修方便，因两雩寻到广泛应用。对于直线轨道5 0 k g m 和6 0 k g m 钢轨， 每公里配量1 8 4 0 根混凝土枕，铺设温度应力式无缝线路允许轨温差分别为 1 0 0 0 c 和1 0 4 0 c 。 放散温度应力式无缝线路，又分为自动放散式和定期放散式两种，适 用于年轨温差较大的地区。自动放散式是为了消除和减少钢轨内部的温度 力，允许长轨条自由伸缩，在长轨两端设置钢轨伸缩接头。在大桥上、道 岔两端为释放温度力，铺设的逸动放散式无缝线路，是在长轨两端设置伸 缩调节器。 定期放散湿度应力式无缝线路的结构形式与温度应力式相阉。根据当 地轨温条件，把钢轨内部的温度应力每年调整放散l 2 次。放散时，松开 焊接长钢轨的全部扣件，使它童由孛缩，放散内部温度应力，应用更换缓 冲区不同长度调节轨的办法，保持必要的轨缝。在前苏联和我国年温差较 大的地区试用过，墨前已很少使用。 从理论上说，无缝线路的长度可以是无限长，于是为了最大限度减少 钢轨接头，延长孰条的长度，推广应用超长无缝线路( 又称跨区闻和区闽 无缝线路) ，成为当今无缝线路的发展方向。 西南交通火学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 无缝线路的发展 1 。2 。1国外铁路无缝线路的发展 各国为适应高速铁路的发展，大力发展并改善无缝线路，使无缝线路 在技术上有了显著进步。这些进步集中反映在超长无缝线路的发展上，同 时无缝道岔和大号码道岔也随之发展了起来。法国和奥地利成功地解决了 锰钢辙叉与钢轨焊接技术，实现了区间无缝线路与车站道岔的焊联；法国 巴黎一里昂间的铁路采用了6 5 号无缝道岔，其过岔速度直向为3 0 0 k m h ， 侧向为2 2 0 k m h ，屠世界领先地位。各国铁路的钢轨多采用u i c 标准，他 们非常重视钢轨的高纯净度、高强度、高精度、良好的强韧性和耐磨性。 各国已建成的高速铁路，据资料统计约为48 6 0 k i n ( 复线) ，在建的高 速铁路约为18 4 0 k i n ( 复线) ，总延展长度合计1 34 0 0 k i nt 3 5 j 0 高速铁路线路 多力超长无缝线路。匿外主要圃家铁路至2 0 世纪8 0 年代末，铺设无缝线 路的数量如下表1 1 所示： 袭1 1 国外主要国家铺设无缝线路的数薰 铁路总延展长度无缝线路总延展长度 国别 无缝线路所占比重( ) 附注 绺m )礅m ) 美圜3 5 48 1 31 2 0 0 0 0 3 3 前苏联 1 6 3 4 2 05 70 0 03 5 德困8 71 8 77 39 0 08 5 英国 3 26 0 0 1 88 0 0 5 8 法鹾7 5 o 2 2 4 5 73 0 加拿大 7 80 5 61 48 8 01 9 基本 4 36 3 21 27 差62 9 不含新干线 1 。2 。2 国内铁路无缝线路的发展 我国铁路无缝线路起步较晚，直到1 9 5 7 年才开始试铺 2 4 1 0 当时采用电 弧焊法焊接长钢轨，首先在北京铁路局帮上海铁路扇各试镳了lk m 的无缝 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 线路。次年扩大了试铺范围，各铁路局全面试铺，当年累计铺设无缝线路 超过3 0 k i n 。后因电弧焊法焊接质量较差，不得不停用而另辟蹊径，之后乃 改用气压焊和电接触焊，随即选址建厂，在工厂先是用气压焊机焊接钢轨， 随后又改用电接触焊机焊接，把钢轨焊接成长度为1 2 5 - 2 5 0 m 的长钢轨，用 长钢轨运输车将焊好的长钢轨运至铺设工地，再按长轨条设计长度用铝热 焊法焊接联合接头。长轨条的联焊长度一般为1 0 0 0 1 5 0 0 m 。2 0 世纪8 0 年 代开发的新型长钢轨运输列车，可以运送5 0 0 m 长的厂焊长钢轨，工地联合 接头的焊接改用了小型气压焊机，提高了工地联合接头的焊接质量。现在 我国己建成焊轨厂1 6 处，焊轨流水作业线2 3 条。这些流水线多采用瑞士 g a a s 8 0 和乌克兰k 1 9 0 接触焊焊机，焊接能力和焊接质量有了明显提高。 以往长轨条铺入线路时，一般在长轨条直接设置2 4 根缓冲轨，用普通夹 板联结，以利调整轨缝和设置绝缘接头。1 9 9 3 年开始铺设超长无缝线路以 来，取消了缓冲区，构成了名符其实的“无缝 线路。京广、京沪、京哈、 陇海四大干线已逐步更新为超长无缝线路。我国新建铁路一次铺成无缝线 路的工程业已开始，其中秦沈客运专线一次铺成无缝线路工程和西康线 18 4 k m 的国内最长隧道一次铺成无缝线路业已竣工。 近年来，我国铁路铺设无缝线路的进程明显加快，每年净增数量约达 1 0 0 0 0 k m ，至2 0 0 3 年底累计铺设数量己达3 91 5 7 8 k m 。6 0k g m 钢轨允许 铺设无缝线路的最大轨温幅度1 0 8 0 c ，铺设无缝线路的最小曲线半径正线为 4 0 0 m ，站线3 5 0 m 。桥上铺设无缝线路业己推广。结构特殊的特大桥也将铺 设无缝线路，如全长1 0 2 9 7 k m 的长东黄河大桥己于2 0 0 1 年铺设了无缝线 路。我国铁路已在最大坡度为2 0 的线路上铺设了无缝线路，铺设无缝线 路的所谓禁区一一突破。超长无缝线路至2 0 0 3 年底己累计铺设1 91 5 1 4 k m ， 其中一段无缝线路长轨条的延长达到了4 0 0 k m 以上。铁道部十分重视无缝 线路的发展，加强了对无缝线路的技术管理，先后颁发了无缝线路的养 护维修方法、无缝线路质量状态检测及评定标准和钢轨焊接质量检 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 测方法等项标准。 无缝线路的轨道结构也得到了进一步加强。6 0k g m 钢轨已成为我国铁 路干线的主型轨，各线焊接钢轨普遍采用6 0k g m 钢轨；轨下基础更新步伐 加快，6 9 型混凝土枕芷逐步淘汰，i l 型混凝土枕已成为主型轨枕，i i i 型混 凝土枕已大量上道，混凝土岔枕及有碴桥面混凝土枕也已广泛采用；6 0k g m 钢轨1 2 号无缝道岔已铺设1 2 0 0 余组；采用一级道岔的道床比例逐步增大； 超长无缝线路正在各主要干线上延伸。我国铁路无缝线路无论是在数量上 还是在技术上都有了长足进步。 1 3 本文研究的现状及意义 大量铺设无缝线路能收至l 节约材料、劳力、麓耗等综合技术经济效果， 因此深受世界各国重视。无缝线路稳定性理论研究亦倍受国内外铁路专家 的关注，纵然如此，至今无缝线路胀轨跑道事故却时有发生。据美重联邦 铁路局事故统计，近十年平均每年发生危及行车安全的胀轨跑道事故1 0 3 起，宣接损失超过9 0 0 万美元1 2 4 1 。从1 9 6 8 年至2 0 0 3 年，我国铁路无缝线 路因胀轨跑道造成列车脱线的重大事故共计2 2 起，而其中1 0 起是发生在 气温转暖不久的春季或初夏。 无缝线路普遍存在着铺设后需放散钢轨应力和预防胀轨跑道两大问 题。无缝线路这种轨道结构形式的突出闯题就在于温秀较大时，钢轨内会 积存臣大的温度压力，有可能导致轨道的鼓曲，亦即丧失稳定，严重威胁 行车安全。 为保证无缝线路的强度和稳定，需要了解长轨条内温度力及其变化规 律。为此首先要分析温度力、伸缩位移与轨温变化及阻力之闻的关系。为 防止无缝线路发生动态失稳，欧美、日本和我国铁路都先后开展了无缝线 路动态稳定性的研究，以求揭示无缝线路失稳机理，制订防治胀轨跑道的 措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 9 8 0 年前后，英国d e r b y 铁路技术中心将停放机车及大型货车的无缝 线路进行电加热至锁定轨温以上6 0 0 c ，再对一辆大型货车的转向架施加横 向力，并逐渐增大，直至轨道发生臌曲，测定轨道臌曲所需横向力。1 9 8 0 - - - 1 9 8 2 年，前苏联铁道运输科学研究院在环形试验线r = 4 0 0 、6 0 0m 曲线及 直线无缝线路上，低温锁定，利用自然升温，当轨温差a t = 4 4 - - 一5 6 0 c 、电 力机车牵引4 - - 2 8 辆货车、运行速度4 0 - 7 0 k m h 进行稳定性试验，测得轨 温、横向力、横向位移三者的关系。1 9 8 4 年，美国运输部运输系统中心在 一段无缝线路上，采取电加热进行列车荷载作用下稳定性试验，随着电加 热轨温升高列车低速运行，测定无缝线路的临界轨温差。 1 9 8 4 - 一1 9 8 6 年，我国铁道科学研究院在环形试验基地进行无缝线路动 态稳定性试验，试验发现无缝线路动态失稳有别于静态失稳的特征，无缝 线路在发生动态失稳前产生“弹动现象，此后又对产生这种现象的机理进 行了分析，并把试验研究成果纳入了无缝线路铺设及养护维修方法 ( t b 2 0 9 8 ) 2 4 1 。 而在养护维修工程实践当中，多年来国内外专家都在致力于研究长钢 轨快速降温技术，手段不一，但总的方向都是设法降低钢轨温度，但至今 尚无一种公认的比较成熟的技术。 鉴于气温较高季节，线路钢轨温度偏高的主要原因是日光热辐射的作 用，而对于某一局部的钢轨施以冷却后，就能保持这一部位处于相对低温 状态之中。对无缝线路中的某一局部丧失稳定出现胀轨迹象后，在该部位 屏蔽掉日光的热辐射，切断热源，然后再进行冷却。 在过去不断总结工作实践过程中，济南铁路局经过多年研究，研制出 钢轨快速降温器，经过室内外试验，该装置可以用于处理胀轨跑道，有一 定的综合技术经济效益，为防止和处理胀轨跑道事故开辟了一条新途径托盯。 目前防止无缝线路胀轨跑道主要有两种使钢轨降温的方法，即浇水降温法和 液态c 0 2 降温法。快速气体钢轨降温器是以无害的压缩气体为动力，可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 根据降低轨温的需要进行施冷控制，一般在2 0 3 0 分钟内可使钢轨局部温 度下降l o 1 5 0 c 。 无缝线路的钢轨降温问题，无论是对运营线路中为减少钢轨内应力恢 复线路正常状态，还是对无缝线路的稳定性研究工作，都是十分重要的问 题。本文针对钢轨局部降温问题进行研究和探讨，具有一定的工程实践指 导意义。 1 4 本文主要研究内容 ( 1 ) 阅读参考文献，介绍匿内外无缝线路发展的现状，以及在无缝线路 稳定性基础上进行长钢轨快速降温技术的应用，指出了其工程实践意义； ( 2 ) 结合影响钢轨稳定性的因素，分析钢轨内部产生很大的轴向温度力 是发生纵向位移的直接原因，也是构成稳定问题的根本原因，线路初始弯 曲处易产生巨大局部内力和纵横向位移，也是是无缝线路丧失稳定的直观 原因； ( 3 ) 在无缝线路稳定性的基础上，基于热力学原理和材料力学知识，建 立力学模型，以大型有限元软件a n s y s 为平台进行温度场的分布，进一步 对钢轨局部降温后进行钢轨温度力重分布，所受纵向约束力以及纵、横向 位移分析； ( 4 ) 利用所编程序，计算分析降温前后的温度力重分布，分析对比不同 曲线半径和初始弯曲矢度在升温相同的条件下钢轨所受纵向约束力以及 纵、横向位移酌变化； ( 5 ) 在对相对初始弯曲矢度的不同位置进行局部降温，分析对比不同位 置处钢轨温度力，纵、横向位移的前后变蠢二，提是了降温的合理位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章无缝线路的基本原理 无缝线路作为一种新型的轨道结构，其最突出的问题就是在温升较大 时，钢轨内积存巨大的温度压力，有可能导致轨道的臌曲，产生胀轨跑道 现象，如图2 - i 。国内外曾多次发生胀轨跑道事故，不仅阻碍交通而且带来 巨大的经济损失，严重者造成列车颠覆。研究无缝线路稳定，防止胀轨跑 道是一个重要而迫切的问题。在我国列车已经在全国范围内实施了六次大 提速，列车提速后的安全问题至关重要。 j ；影。毒。j 篓二。| 7 。，二 - 耋爹参誊善参参：”= 耄 茹。 ，? o 蠢t ；螽j | 一 ：霪；篷菱主笺翟，嚣”嚣：? li 二i ：睾譬；。壤 一士r 。鼻尝学鬯? ”_ ：_ = = ? 鼍。 图2 - i 无缝线路轨道温度臌曲现象 因此进一步从理论和实践上研究无缝线路胀轨跑道的机理，在无缝线 路稳定性基础上分析处理胀轨跑道局部降温应急措施，对列车安全运行及 确保列车提速成功具有重要的工程实践意义。 2 1 无缝线路基本原理 2 1 1 钢轨温度力 在夏天由于太阳辐射热，一般轨温要比气温高1 0 。c 2 0 。c ；而低温时 气温与轨温大致相同。一年内的轨温变化是以一天内温度变化为小周期， 再随着季节变化而描绘的大周期变化。 钢轨的温度力是在轨温发生变化，而钢轨不能自由伸缩的情况下发生 的。一根长度为f 可自由伸缩的钢轨，当轨温变化t 。c 时，其伸缩量为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 址= a z f ( 2 1 ) 式中口钢轨的线膨胀系数，取1 1 。8 1 0 耐o c ； ，钢轨长度( i i 1 1 ) ； f 轨温变化幅度( o c ) 。 如果钢轨完全被固定，不能随轨温变化而自由伸缩，则将在钢轨内部 产生温度应力。根据虎克定律，温度应力m 为： o - t = e e t = e a a t ( 2 2 ) 式中e 钢的弹性模量，e = 2 1x1 0 5 m p a t 钢的温度应变； 则温度应力为： o - t - - 2 1 1 0 5 1 1 8 x1 0 6 a t - - 2 4 8 a t ( m p a ) 一根钢轨所受的温度力p t 为： p t - - o t f = 2 4 8 a t f ( n ) 式中f 钢轨断面积( m l n 2 ) 。 由材料力学可知，温度力与机械力不同，它的施力体是支承和约束， 而并非其他外力系统，温度力作用产生的是虚应变而非实应变，故钢轨一 旦锁定( 设置约束) ，随着温度的变化，不产生位移而产生温度力“妇o 2 1 2 道床纵向阻力梯度及钢轨温度力梯度 道床分布阻力r 本身是个标量，没有方向；而阻力是有方向性的，总是 和钢轨位移u 的方向相反。将道床纵向阻力取为代数值p ，即 p = r u 为负时取正号，u 为正时取负号。 实际的道床阻力是作用于每根轨枕的，沿钢轨长度方向呈离散的集中 力分布。应用时多将其折合成作用于每股钢轨单位长度上的分布阻力，r 多取为常量。 以钢轨长度为横坐标，钢轨温度力为纵坐标所构成的图形称为钢轨温 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 度力图。温度力图的斜率称为钢轨温度力梯度。现取一钢轨微段d x 作为割 离体( 如图2 2 ) ，以研究钢轨温度力梯度与道床阻力梯度的关系。 p pp 一 。y 竺c = = 三三刍蜘 卜罢_ h h _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - ”“_ _ _ _ 自_ _ _ - _ _ o 叫 4 c b c 。 图2 - 2 钢轨温度力图 温度力图中，p 以压为正，p 以向右为正。取y x = o ，可得钢轨纵向 受力的平衡微分方程： p + p d x - - p + d p( 2 3 ) 从而可得： 印d x = p 式中和d x 即钢轨的温度力梯度。 由以上分析可以看出： 钢轨温度力梯度与道床阻力梯度等值同向。即钢轨温度力图的斜率实 质上反映了道床纵向分布阻力的大小和方向。 道床纵向阻力总是伴随着钢轨位移而产生的且道床阻力梯度p 总是与 钢轨位移u 反向相反。 无论轨温如何变化，只要钢轨不发生方向位移，道床阻力梯度的方向 就不变，而大小则始终恒定，此时温度力图的斜率也不变，表现为温度力 图的平行移动。也就是说，轨温的变化仅能改变温度力的大小，只有钢轨 位移方向的改变才有可能改变温度力图的斜率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 无缝线路稳定性概念 无缝线路稳定性的研究始于德国，最早可追溯到上世纪初。1 9 0 2 年， a h a m n a n n 首次论述了受阻热膨胀条件下无缝线路臌曲的可能性。1 9 1 3 ， 布洛克曼论证了采用加强轨道结构的办法是可以与温度抗衡的。3 0 年代德 国的h m e i e r 首先根据能量法提出了考虑臌曲区及其前后邻区轴压力分布 的计算图式，以后得到了推广，成为安全升温法的理论基础，尔后又于1 9 3 7 年提出了临界升温法的计算公式，现仍为德国所用。7 0 年代中期美英的a d k e r r 和g s a m a v e d a m 把能量变分原理应用于无缝线路的稳定性分析，把 能量法和微分方程法统一起来，并提高到一个新的水平。8 0 年代末，澳大 利亚的g p t e w 将临界温升法和安全温升法结合起来进行对比研究，反映 了一种新的研究趋势 3 5 1 0 我国在1 9 7 7 年提出了“统一无缝线路稳定性计算公式”( 简称统一公 式) ，并得到推广应用，对促进我国无缝线路的发展起了重要作用。 堡等型+ q p = 2 1 ： ： 二 ( 厂+ y o 。沙3 1 1 厂十i “西1l 1 2 e j r 2 + 该公式假定变形波长与初始波长相等，并取变形为2 l i u n 时对应的温度 压力，p n 作为计算压力，再除以安全系数k ，即为允许温度压力 p 】。在 1 9 9 0 年5 月1 日开始实施的无缝线路铺设及养护维修方法，稳定性计算 是采用由铁道科学研究院卢耀荣等研究提出的变形波长与初始弯曲波长不 相等的计算公式( 简称不等波长公式) ，现己得到现场的应用。 无缝线路稳定性计算的主要目的是研究轨道臌曲的发生规律，分析其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 产生的力学条件及主要影响因素的作用。从大量的室内模型轨道和现场实 际轨道的稳定试验以及现场事故观察分析，轨道胀轨跑道的发展过程基本 上可分为三个阶段，即持稳阶段、胀轨阶段和跑道阶段，如图2 3 所示。图 中纵坐标为钢轨温度压力，横坐标为轨道弯曲变形矢度厶+ 厂，厶为初始 弯曲矢度。胀轨跑道总是从轨道的薄弱地段( 即具有原始弯曲的不平顺) 开始。在持稳阶段( a b ) ，轨温升高，温度压力增大，但轨道不变形。胀轨 阶段( b k ) ，随着轨温的增加，温度压力也随之增加，此时轨道开始出现微 小变形，此后，温度压力的增加与横向变形之间呈非线性关系。当温度压 力达到临界值p k 时，这时轨温稍有升高或稍有外部干扰时，轨道将会突然 发生臌曲，道碴抛出，轨枕裂损，钢轨发生较大变形，轨道受到严重破坏， 此为跑道阶段( k c ) ，至此稳定性完全丧失。 o 可 图2 3 无缝线路胀轨跑道过程 2 3 无缝线路稳定性各影响因素 2 3 1稳定因素 ( 1 ) 水平轨道框架刚度 轨道框架刚度，系指钢轨与轨枕用中间扣件联结成框架结构的整体刚 度而言。它是轨道抵抗弯曲变形的结构能力。水平面内的轨道框架刚度是 抵抗轨道臌曲的一个重要因素，由两根钢轨在水平面内对垂轴的侧向刚度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 e l y 和轨道框架结点阻矩作用所组成。l 为一根钢轨对垂直轴的惯性矩， 可由表2 1 查的。节点阻矩是中间扣件抵抗钢轨与轨枕在水平面内发生相对 转动的能力。中间扣件愈强，扣压力愈大，节点阻矩就愈大，钢轨与轨枕 愈难以相对转动；反之，中间扣件弱，节点阻矩就小。 表2 - 1 钢轨断而尺寸及惯性矩 钢轨类型钢轨断面积对竖直轴的对水平轴的 ( k g m ) ( e m 2 ) 惯性矩j y 惯性矩j ； ( c m 4 )( c m 4 ) 5 06 5 8 03 7 72 0 3 7 6 07 7 4 55 2 43 2 1 7 7 59 5 0 66 6 54 4 8 9 ( 2 ) 中间扣件阻力 中间扣件阻力系指中间扣件及防爬设备抵抗钢轨沿轨枕面移动的阻 力，分为扣件纵向阻力和扣件横向阻力。为了防止钢轨爬行，要求扣件阻 力必须大于道床纵向阻力；在一些特殊地段，如桥上、钢轨伸缩调节器基 本轨的伸缩范围内，为了降低桥梁所受钢轨所受纵向约束力和保证长轨的 正常伸缩，要求扣件阻力小于道床阻力。 中间扣件纵向阻力是由钢轨沿轨枕垫板面之间的摩阻力和扣板与轨底 扣着面之间的f 摩阻力所组成。中间扣件横向阻力由木枕的轨下局部剪切 变形或混凝土轨枕的轨下衬垫剪切变形和蠕变形成。中间扣件摩阻力的大 小，取决于扣件扣压力和摩擦系数的大小。扣件阻力，在一定的螺帽扭矩 下，它随钢轨位移的增加而增大。当钢轨位移达到某一定值之后，钢轨产 生滑移，阻力不再增加。由实测资料可得出，扣件阻力随钢轨位移的增加 而增大。当钢轨位移达到某一定值之后，钢轨产生滑移，阻力不再增加。 弹条型扣件阻力测试值线，见图2 - 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 z 芒 r 爱 圣 暴 图2 - 4 弹条i 型扣件阻力 垫板压缩和扣件局部摩损，也能导致扣件阻力下降。此外，列车振动、 螺帽松动，扭力矩下降，扣件阻力也要下降。不同轨道条件下，扣件阻力 的大小应由现场实测资料确定。 ( 3 ) 道床阻力 道床阻力分纵向阻力和横向阻力。 道床纵向阻力系指道床抵抗轨道框架纵向位移的阻力。它是抵抗钢轨 伸缩，防止线路爬行的重要参数，由轨枕与道床之间的摩阻力和枕木盒内 道碴抗推力组成。只要钢轨与轨枕间的扣件阻力大于道床抵抗轨枕纵向移 动的阻力，则无缝线路长钢轨的温度应力和温度应变的纵向分布规律将完 全由接头阻力和道床纵向阻力确定。 可由实验测得，图2 5 为单根轨枕在正常轨道状态下，道床纵向阻力与 纵向位移关系曲线 k n 根 15 1o 5 图2 5 道床纵向阻力 位移 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 由图2 5 可以看出：道床纵向阻力值随位移的增大而增加，当位移达到 一定值之后，即轨枕盒内的道碴颗粒之间的结合被破坏，在此情况下，即 使位移再增加，阻力也不再增大；在正常轨道条件下，混凝土轨枕位移小 于2 m m 、木枕位移小于l m m ，道床纵向阻力呈斜线增长，表明道床处于弹 性工作范围，混凝土枕轨道道床纵向阻力大于木枕轨道。 纵向道床阻力还同道碴材质、粒径尺寸、道床断面形状有关，尤其同 道床的密实程度有关。线路的养护维修作业在一定程度上破坏道床原状， 使道床纵向阻力降低，需要通过一定时间的列车辗压后，才能恢复到原有 的阻力值。道床纵向阻力与道床密实程度关系最为显著，现场所测试的道 床清筛前后纵向阻力结果如表2 2 所示。 表2 2 道床清筛前后的纵向阻力 清筛筛边方枕 方枕筛后筛后筛后筛后 作业项目后挖 综合 第三第七半个一个 刖挖盒 后 捣固 盒天天月月 纵向阻力 1 3 86 7 82 53 76 88 3 58 89 71 2 6 ( 斟根) 1 0 04 9 11 8 12 6 8 4 9 2 6 0 56 3 87 0 29 1 0 道床横向阻力，系指道床抵抗轨道框架横向位移的阻力。它是防止无 缝线路胀轨跑道，保证线路稳定的主要因素。前苏联资料表明，稳定轨道 框架的力，6 5 是由道床提供的，而钢轨为2 5 ，扣件为1 0 。道床横向 阻力是由轨枕两侧及底部与道碴接触面之间的摩阻力，和枕端的碴肩阻止 横移的抗力组成。其中，道床肩部占3 0 ，轨枕两侧占2 0 - 、- , 3 0 ，轨枕底 部占5 0 。 道床横向阻力可用单根轨枕的横向阻力q 和道床单位横向阻力q 表示。 q = q a ( n c m ) ，a 为轨枕间距( c m ) 。 图2 - 6 为实侧得到的道床横向阻力与轨枕位移的关系曲线。由图可见： 随着轨枕重量的增加，横向阻力增大；横向阻力与轨枕横向位移成非线性 关系，阻力随位移的增加而增加，当位移达到一定值时，阻力接近常量， 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 位移继续增大，道床即破坏。 图2 - 6 道床横向阻力与横向位移关系曲线 阻力与位移的关系，通过实测得到下面的表达式： q = q o 一矽+ 渊( 2 4 ) 式中 口o 初始道床横向阻力( n c m ) ； y 轨枕横向位移( c m ) ； b 、c 、z 、n 阻力系数。 表2 3 道床横向阻力各项系数 各项阻力系数 线路状态 g o bz cn 道床肩宽3 0 c m 1 43 9 615 2 24 3 道床肩宽4 0 c m 1 54 4 415 8 34 3 道床密实、标准断面2 23 81 5 1 1 0 3 高抬道，破底清筛 2 02 81 58 02 5 逆向拨n 0 m m1 83 1 74 52 5 对无缝线路丧失稳定情况的大量调查中得知，在不少情况下胀轨跑道 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 并非温度力过大所致，而是由于维修作业不当，降低了道床横向阻力而发 生。因此要对道床横向阻力进行重点监控。 影响道床横向阻力的主要因素包括：道床的饱满程度、道床肩宽、道 床肩部堆高、道碴种类及粒径尺寸、线路维修作业影响等方而。 道床的饱满程度：道床的饱满程度关系到道碴接触面的大小，对道碴 横向阻力值有很大的影响。轨枕与道碴各接触面产生的阻力占道床总的横 向阻力的百分数为：木枕线路，我国的试验资料是：轨底占2 2 ，轨侧占 3 5 5 3 ，枕端占3 0 3 2 ；混凝土枕轨线路，匈牙利和英国的试验资料是： 轨底占3 0 5 0 ，轨侧占2 2 5 0 ，枕端占1 0 - - - 2 8 。 道床肩宽：道床肩部的道碴对枕下道碴的作用犹如挡墙，轨枕横移挤 动碴肩道碴棱体的阻力，如图2 7 所示。轨枕挤动道床，最终形成破裂面， 碴肩宽度必须覆盖此破裂面，以保证具有较大的阻力。滑动体的宽度b 可 用下式计算： 6 = h t g ( 4 5 。+ 詈) ( 2 5 ) 式中日轨枕端埋入道床的深度； 9 摩擦角，一般q a - - 3 5 。 - 5 0 。 五 b f 以 老7 一 图2 - 7 枕端道床破裂示意图 据现场试验，在混凝土轨枕线路上，道床肩宽从3 0 0i r l l i l 起加宽，道床 横向阻力随碴肩宽度的增加而增大，增加到5 5 0r n r n 达最大值，总阻力值增 加1 6 ，若再加宽阻力值就不再增大了。 在道床肩部堆高石碴，加大了滑动体的重量，国内外铁路试验均证明， 道床肩部堆高能提高道床的横向阻力，并且肩部堆高比肩部加宽效果更明 显，且节约道碴。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图2 8 为不同肩宽条件下堆高的方式，其中( a ) 的横向阻力比不堆高的 要增加2 9 ，( b ) 和( c ) 的横向阻力比不堆高的要增加3 4 和4 0 。 惑t 台一z 一 图2 8 道床肩部堆高示意图 2 3 2 丧失稳定的因素 丧失稳定的主要因素是温度压力与轨道初始弯曲。无缝线路的特点是 轨条长，当轨温变化时，钢轨要发生伸缩，但由于有约束作用，不能自由 伸缩，在钢轨内部产生很大的轴向温度力，从而构成稳定问题的根本原因。 初始弯曲是影响稳定的直接因素，胀轨跑道多发生在轨道的初始弯曲 处。因而控制初始弯曲的大小，对保证轨道稳定有重要作用。 轨道初始弯曲亦称轨道初始不平顺，它是运营线上常见的几何状态。 无缝线路的稳定性常随初始不平顺的增大而减小，因此初始不平顺是无缝 线路的重要参数。轨道初始弯曲，由初始塑性弯曲和初始弹性弯曲组成。 塑性原始弯曲是钢轨在轧制、运输、焊接和铺设过程中形成。弹性原始弯 曲是在温度力和列车横向力的作用下产生。不同的轨道线路，其不平顺的 形状和大小由现场测试决定。 、 初始弯曲一般可分为弹性初始弯曲和塑性初始弯曲。塑性原始弯曲是 钢轨在扎制、运输、焊接和铺设过程中形成的；弹性原始弯曲是在温度力 和列车横向力的作用下产生的。现场调查表明，大量塑性初始弯曲矢度为 3 - 4 m m ，测量的波长为4 7 m 。塑性初弯矢度约占总初弯矢度的5 8 3 3 。 2 3 3 道床横向阻力及线路原始不平顺对线路温度力影响程 度分析 道床横向阻力对无缝线路稳定性作用明显，国外轨道稳定性模试验表 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 明：当无道床时，轨道所受轴向温度压力不及5 0 0 k n 时即行跑道；而在有 道床时，所受轴向力达到2 0 0 0 k n 后才开始失去稳定。道床横向阻力的大小 除了与道碴材质、道床密实度以及轨道框架重量密切相关外，还与轨道横 向位移成非线性关系。 参考文献中4 0 1 分析结果得知，在以不同半径( 分别为4 0 0 m ，6 0 0 m ，1 0 0 0 m ) 的曲线地段及直线地段中以6 0 埏钢轨，1 8 4 0 根公里钢筋混凝土轨枕线路 为例，线路弹性原始弯曲及塑性原始弯曲均采用了3 m m ( 侧量弦长为4 m ) 情况下，分别计算了道床横向阻力q 由1 0 1 0 0 n r a m 的情况下对应情况下 的计算温度力值p 。 从对数据分析及图2 9 可以看出：q 一尸曲线能较准确地反映实际情 况，即道床横向阻力q 与计算温度力r 接近于线性关系；道床横向阻力每 增加1 0 ，计算温度力增大8 5 9 5 ；轨道曲线半径越大，道床横向阻力 对计算温度力影响越明显。尤其是直线轨道道床阻力增大能明显提高尸值， 反之，道床阻力降低，则较大幅度降低p 值。 图2 - 9 道床单位横向阻力对计算温度力的影响 线路原始不平顺包括弹性原始弯曲k 及塑性原始弯曲f o 。二者不可避 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 免地存在于线路之上。其中塑性原始弯曲是钢轨在轧制、运输、焊接和铺 设过程中形成的，因此，在线路上难以矫正，而弹性原始弯曲则主要受线 路方向的影响。在该文献综述中，同样以不同半径( 分别为4 0 0 m ，6 0 0 m ， 1 0 0 0 m ) 的曲线地段及直线地段中以6 0 k g 钢轨，1 8 4 0 根k m 钢筋混凝土轨枕 线路为例，道床横向阻力取8 0 n r a m ，考虑在直线轨道上弹性原始弯曲k 从 0 - 8 m m 的情况下，温度力值的变化情况。 通过文献计算比较得知，在正常情况下，如6 0 k g 钢轨，道床横向阻力 8 0 n m m ，气= k = 3 m m ，直线地段轨道，轨道弹性原始弯曲矢度增大或减 小2 0 ，计算温度力则平均减小或增大4 5 ，相应允许轨温差 r 平均降 低或升高3 3 0 c ，而正常情况下，道床横向阻力变化2 0 时，计算温度力改 变1 7 2 ，相应影响允许轨温差 丁 则为1 2 9 6 0 c 。 综上所述，道床横向阻力与弹性原始弯曲相比，前者对轨道的稳定性 作用更为明显。由于我国铁路工作者对影响无缝线路的稳定性工作已经做 了大量的研究，本文的建模及计算过程中，选取既定的道床阻力参数，重 点考虑了曲线半径、初始弯曲矢度的大