如果说高铁是用无缝轨道的话,热胀冷缩的问题是如何解决的?

原理很简单:无缝轨就是把铁轨因为热胀冷缩导致的温度形变控制在两个轨枕之间。具体做法就是用扣板和螺栓将铁轨死死的摁在轨枕上。以前用的是枕木和道钉,压力不够,无法锁定轨道,所以达不到这样的要求。现在由于钢轨材料的改进,以及预制钢筋混凝土轨枕、高强度轨道扣件(学名叫防爬器)、轨道焊接技术的应用,超长无缝钢轨已经普及了。不光是高铁,普速铁路也是无缝轨了。

施工的时候将长铁轨先铺设好,然后焊接起来,最后锁定轨道温度,扣紧螺栓。做个假设,现在的无缝轨如果把螺栓松掉,必定跟拧麻花一样扭成曲线或者直接拉断掉。

采用无缝轨以后,由于热胀冷缩和其他因素产生的无缝轨应力还是一直存在的,并没有消失,应力被锁定存在于两个轨枕之间。以前有缝轨应力是释放的,释放的空间就是轨缝。这无缝轨道的应力是被控制在安全的范围内的。方法大家也有提到。一是在轨道钢材上下功夫,选热胀冷缩形变较小的材料制造钢轨。二是用优质的轨枕和扣件,压力足够大,将铁轨死死压在轨枕上,在顺着轨道方向上不会位移。所有的形变(应力)被锁定在轨枕之间的一小段铁轨里,不会集中爆发出来。三是充分考虑铁轨当地温度的变化区间,选择适中的温度焊接无缝轨,压紧扣件,专业上俗称锁定轨温。这样温度正负变化所产生的应力都在可控制范围内。

所有的钢轨都有热胀冷缩,这是一个物理定律,无法违背。

但是全球当前50%以上的铁路(包含高速铁路)都是采用的无缝线路设计。截止2018年,全球铁路里程累计高达130万公里,其中近1/3为无缝线路,德国96%,法国59%,美国40%,俄罗斯39%,中国伴随近几年不断增长的高铁线路里程,累计超过50%的线路是无缝轨道。

1、无缝轨道的优点:适合超高速铁路

无缝线路消除了大量接头,从而具有行车平稳、旅客舒适;同时机车车辆和轨道的维修费用减少、使用寿命延长等特点。

对于设计时速在160km/h以上的高速铁路来说,基础的要求都是无缝轨道。因此中国高铁全部都是无缝轨道。

这也是为什么中国高铁上面可以立起来硬币,长时间不倒的原因。

行进中的高铁立硬币

2、无缝轨道的起源和技术发展:起源于德国

无缝线路上世纪三十年代在德国开始发展,当前德国也是全球无缝线路普及率最高的国家。

中国从1957年开始试铺无缝线路, 到了60年代开始着手对跨区间无缝线路的研究。在秦沈客运专线修建前,我国在京广线上无缝线路最长的一段全长140km京沪线上最长一段为300.5km,这些无缝线路都是在既有线上用换铺法换铺而形成的。

中国第一条完全初始化建设的无缝线路是:秦皇岛——沈阳的客运专线全长404.64km 设计开通速度160km/h以上,其中在山海关至绥中段设长66.7km时速达300km以上的高速试验段。

秦沈客运专线是1999年8月16日,线全面开工建设,2003年10月12日,秦沈客运线开通运营。

2002年秦沈客运专线上的“中华之星”

2002年11月,秦沈客运专线上面,使用“中华之星” 动力集中型电力动车组进行了第三次综合试验,11月27日实现了最高速度321.5km/h的中国列车行驶记录。

这个实验速度在当时已经是属于中国首屈一指的成绩了。这也就能够看出,无缝轨道对于高速列车的意义是多么重要了吧。

3、中国无缝线路技术的发展:有缝轨道——无缝线路+可伸缩区域——全无缝线路

如果详细地梳理,无缝轨道技术的发展,就方便理解:温度带来的轨道热胀冷缩是如何被克服了。

最早的轨道都是有缝隙的轨道,这一点我们都是知道的。

有缝隙接头的轨道

这种有缝隙的轨道,就是为了抵抗热胀冷缩。坐过绿皮车的都应该知道,这种有缝轨道,客车颠簸,以及“咣当,咣当”的噪声其实非常大。

在秦沈客运专线建设之前,国内研究的是长轨道+可伸缩的缓冲区标准轨道构成的。也就是先将一段很长的轨道做成无缝轨道,然后隔一段很长的距离(例如1km,甚至是10km)做一个可以伸缩的缓冲区。

长轨道+伸缩区轨道

从基本的逻辑上,也能够想通。就是不断地尝试建设长轨道,同时观测形变量,伸缩量。以便储备技术,建设完全无缝轨道。

在建设完全无缝线路之前,最长的长轨道做到了京沪线上最长一段为300.5km,这也就标志着中国,已经掌握了无缝线路的建设和施工技术。

可以完成一条无缝线路的建设了。之后就有了秦沈客运专线。

4、无缝线路类型:温度应力式和放散温度应力式无缝线路

根据处理钢轨内部温度应力方式的不同,可分为温度应力式和放散温度应力式两种。当前使用最多的就是温度应力式的无缝线路。

(1)温度应力式轨道

其中一种就是我们上面说的:长轨道+标准轨道(标准轨道作为伸缩区域),另外一种就是现在最长用的全无缝轨道。

如何抵抗热胀冷缩带来的形变?

温度应力式轨道受力状态:把钢轨焊接成长轨节铺在线路上,拧紧扣件锁定后,由于各种线路阻力约束长轨节不能自由伸缩,一年四季随钢轨稳定变化,长轨节内承受着不断变化的温度拉力或压力。(详细的咱们接下来慢慢说,如何施工和怎么抵抗温度应力的变形)

(2)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

自动放散式应用于桥上、岔区,定期放散式应用于大温差地区。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,在长轨条两端设置钢轨伸缩接头,为了防止钢轨爬行,在长轨中部使用特制的中间扣件(可使钢轨在垫板上伸缩,还有消除列车作用引起爬行的弹簧复原装置)

钢轨伸缩调节器

定期放散温度应力式无缝线路的结构形式与温度应力式相同。根据当地轨温条件,把钢轨内部的温度应力每年调整放散1~2次放散时,松开焊接长钢轨的全部扣件,使它自由伸缩,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(不同温度下,伸缩区长度不同),保持必要的轨缝。每次放散应力需耗费大量劳力,作业不方便。(也就是每年给铁轨松开,让他自由伸缩一下)

5、温度应力式轨道的核心难点:温度应力

当轨温变化时,钢轨要发生伸缩,但由于有扣件或道床阻力的约束作用,不能自由伸缩,在钢轨内部就会产生很大的温度力。

那么钢轨的温度力,跟哪些要素相关呢?

有一个计算的公式,用以计算钢轨的温度力。

温度力计算公式

P为当时温度下的温度力,F为横截面积,△t为变化的温度。从这个公式就能够看到,在两端固定的钢轨中所产生的温度力,仅与轨温变化幅度有关,而与钢轨本身长度无关。从理论上讲,钢轨可焊成任意长度,且对轨内温度力没有影响,控制温度力大小的关键是控制轨温变化幅度。

温度力其实就相当于钢轨想要伸长的力量,通俗的理解就是,你将一个钢丝蜷缩起来,你需要施加一定力,那么钢丝也有反作用力。就是这个力量。

那么无缝线路钢轨自由伸长量与轨温变化幅度、轨长有关,与钢轨断面面积无关。(看清楚了,这里是轨道伸长量,上面我们说的是温度力)

横截面积越大温度力越大,温度力越大轨道潜在变形的程度相应的也越大。(可以用粗细钢丝做一个类比)

6、温度力到底会给轨道带来多大的伸缩量?温度和轨道伸张量的关系

大量统计表明,最高轨温比最高气温高20℃,最低轨温与最低气温相同。年轨温差为最高轨温与最低轨温之差,低于80℃为温暖地区,高于80℃低于90℃为寒冷地区,高于90℃为严寒地区。

在无缝温度应力轨道中,有一个概念已经要清楚:锁定轨温

钢轨中应力为零时为零应力状态,此时对应的轨温为中和轨温。钢轨落槽时的平均轨温为施工锁定轨温,可将其视为中和轨温。施工锁定轨温不一定与设计锁定轨温相同,通常允许在设计锁定轨温±3-5℃范围内变化。

设计锁定轨温一般在中间轨温附近变化,使温度拉力与温度压力近似相等。

有砟轨道设计锁定轨温常比中间轨温略高,避免胀轨。

有砟胀轨跑道

无砟轨道设计锁定轨温常比中间轨温略低,避免断轨。

混凝土基底的无砟轨道

对于一些数百公里长的无缝线路,理论伸缩量都可以达到数百米,可以想象温度盈利有多么强大。

7、如何抵抗轨道的温度力?纵向依靠接头阻力、扣件阻力、道床阻力提供阻力防止轨道爬行

钢轨基本温度力图

事实上即使是无缝轨道也是有伸缩区域,只是依靠接头阻力、扣件阻力、道床阻力给抵消了。

倘若在冲击或者人为的状态下,确实是存在变形的可能的。

8、施工中如何施工无缝线路?无缝线路锁定工艺。

无缝线路已经摒弃了人工放枕的工艺。都是采用的全自动化施工工艺。

机械化铺轨技术

机械化铺轨技术

轨道铺设机械

一般都是长轨道在厂区内焊接,现场焊接采用铝热焊接,一般都是焊接900m~1500m左右的轨道,进行连接。在铝热焊接的时候,不用考虑温度对轨道的应力变化。铺设后,直接进行锁附。

铝热焊接

然后有一个步骤非常重要:无缝线路锁定

由于铺设长钢轨时的轨温与单元轨设计锁定轨温并不一致,另外在补碴整道、动力稳定、焊轨等作业时,造成钢轨内部应力的变化,钢轨内部产生不一致温度应力。因此,为了防止无缝线路的长轨条因气温变化和车辆运行等引起的折断或胀轨跑道,单元轨焊接完成线路基本达到设计标准后必须对长轨条进行应力放散处理,并进行强有力的锁定,以确保线路的稳定性。

应力放散采用的方法是滚筒放散法(就是给轨道松绑,下面放一个滚筒垫起来,让他自由伸展)一次放散的长度一般不大于1500m。

所谓的应力放散法,就是在设计轨温度的小幅3-5度范围内,将轨道提起来,然后撞击轨道,让轨道自由伸展,然后记录当时温度,在轨道自由伸展后,立刻锁附。

记录钢轨应力放散为零时的轨温,若此时轨温正好符合设计锁定轨温,则锁定钢轨。若此时轨温低于设计锁定轨温,记录轨温,计算钢轨拉伸量并现场测量钢轨的实际拉伸量,若与计算拉伸量相符合,则锁定钢轨。

在埋设有钢轨永久位移观测桩位置的垂直线上钢轨轨头外侧面标记钢轨位移零点。定期对钢轨位移进行观测。

综合来说,无缝轨道确实给高速铁路带来了机遇。但是后续的检测和维护依然很重要。抵抗温度力的方法主要是接头阻力、扣件阻力、道床阻力。同时在施工工艺方面,自动化的机械铺设是无线轨道必须的要求。

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一位做铁路工程的朋友告诉我,钢轨温度每变化1℃,1米钢轨的伸缩长度为0.0118毫米。

千万别小看这0.0118毫米,虽然我国南方一年四季温度变化不大,但在北方,特别是黑龙江地区,夏季最高轨温可达55℃,而冬季最低轨温却能降到-35℃,全年钢轨温差最高可达90℃!

以哈佳铁路为例,整条铁路全长343公里,理论上来讲,哈佳铁路钢轨在温差的影响下,它的可伸缩长度高达365米,接近标准足球场跑道的周长(400米),以这样的数据来看,我们清楚的知道,一旦无法解决钢轨热胀冷缩问题,这件事足以威胁到每一位乘客及工作人员的生命安全。

如今事实摆在眼前,那么我国是如何解决钢轨热胀冷缩问题的呢?几分钟带你看完里面的知识。

简单了解下“钢轨”

根据国际铁路联盟的标准来说,普通铁路时速为100~120公里,中速铁路时速为120~160公里,快速铁路时速为160~200公里,高速铁路时速为200~400公里,再往上则是超高速铁路。

普通铁路也好,超高速铁路也罢,不管哪种,总体构成部分都差不多,线上主要有铁路机车、车辆、通信信号、电力、信息化、牵引供电变电设施等,线下主要有铁路线路、轨道(含道岔)、路基、桥梁、隧道、涵洞、车站、给排水、环保设施等。

其中主要来说说钢轨,铁路对钢轨的质量要求特别高,按照生产工艺来讲,钢轨要经历冶炼、轧制和精整三步骤,特别是精整这一块,会涉及到生铁脱硫的预处理技术 、氧气顶吹转炉冶炼技术、炉外精炼、真空脱气和大方坯连铸技术等。

钢轨也不是直接铺在道砟上,而是铺在轨枕上,轨枕埋在道砟中,钢轨铺在轨枕上,再用扣件将轨枕跟钢轨固定在一起,这样一个轨道系统就完成了。

以前火车为什么会有“咔哒咔哒”的声音?

很多年轻人没有印象,但稍微上点年纪的朋友就很清楚,以前乘坐火车,总有“咔哒咔哒”的声音,听得十分烦躁。

这里面就要涉及“热胀冷缩”的概念了,当温度较低时,物体内部粒子的运动震动频率也会降低,导致物体会出现收缩现象,当温度较高时,物体内部粒子的运动震动频率又会加快,从而让物体膨胀。

热胀冷缩是地球上绝大多数物质的属性,钢铁也不例外,我们不妨设想一下,如果钢轨无缝连接,一旦温度过高,钢轨就会膨胀,从而导致轨道变形,甚至钢轨断裂,此时一旦有火车高速驶过,很有可能发生事故。

所以在以前,为了解决钢轨热胀冷缩难题,我国在轨道铺设时,会特意留一个缝隙,一般是每隔25米会留足接头跟缝隙的空间,来释放钢轨遇热膨胀后的作用力。

而令人烦躁的“咔哒咔哒”声,就是火车在经过钢轨缝隙时产生的声音,虽然有缝铁路解决了钢轨热胀冷缩难题,但也不是没有缺点,例如有缝钢轨会降低行车速度,整体平稳性差,易损坏钢轨街头,增加铁轨维修频率以及提高养护成本等等。

那为什么现在乘坐火车,听不见“咔哒咔哒”声了呢?

答案就四个字“无缝轨道”。

无缝轨道是如何完美解决钢轨热胀冷缩难题的?

1915年德国开始研究无缝轨道,1957年,我国在京沪线上尝试铺设无缝轨道,到了2007年,我国9万多公里的铁路线,其中约有5万多公里,已经完成了无缝轨道的铺设,其中有什么奥秘呢?

1.钢轨质量过硬

钢轨与钢轨之间,也存在较大的质量差异,背后是一个国家冶炼水平的象征。

上文提过,钢轨的精炼技术包含脱硫、炉外精炼、真空脱气等技术,这些能进一步降低钢轨内部的杂质含量,包括溶解在钢水中的氢、氧等气体,较大幅度提高钢轨的性能。

接着是“精轧”技术,主要包括步进式加热炉加热、高压水除鳞、万能轧机轧制和钢轨热预弯等,此外还有包括平立复合矫直、四面液压补矫、联合锯钻机床定尺和钻孔等一系列“精整”技术,在应用到轨道上之前,还有长定尺化生产这一步骤,以上种种,都能从根本上降低热胀冷缩对钢轨本身的影响,当然只是小幅度降低影响,而不是解决。

2.钢轨本身存在伸缩调节功能

我们都往往忽略了一个细节,那就是我们以为的“无缝连接”是连接处为两个水平面,但实则不然。

无缝钢轨在铺设时存在固定区、伸缩区和缓冲区,主要来聊聊钢轨伸缩调节器这东西,它由尖轨和基本轨构成,当温度变高时,钢轨膨胀的力可以朝着轨尖方面释放。

3.钢轨的应力放散和轨温锁定技术

应力放散则是在合适的温度范围内,让钢轨伸缩,以此来抵消钢轨内部的温度力。

轨温锁定则是结合钢轨铺设当地的温度数据,将钢轨锁定在某个合适的温度范围之内,这样就不会产生钢轨因太膨胀而导致的胀轨,自然也不会出现钢轨因低温而出现的拉断现象。

4.扣件跟轨枕能稳住钢轨

轨道在铺设期间,会用扣件将钢轨和轨枕衔接起来,当钢轨因热胀冷缩产生作用力后,这些力就会被扣件牢牢“锁住”,从而传递给轨枕。

轨枕的材质有两种,分别是木头跟钢筋混凝土,木质轨枕除了消耗大量木材以外,还特别容易损坏,所以现在的铁路建设,一般铺的都是钢筋混凝土。

钢筋混凝土受热胀冷缩影响较小,并且十分牢固,在扣件的传递功能下,轨枕可以轻松化解钢轨因热胀冷缩而产生的作用力。

一般工作人员每隔3个月就要检测轨枕数据,一旦位移数据超过标准,则需要进行调整,所以在多方“通力合作”下,无缝轨道的热胀冷缩难题就这么被解决了。

最后啰嗦一下,用弯道来抵消无缝钢轨的热胀冷缩,这一说法并不准确。

——END——

无缝钢轨

不是几千公里没有缝隙的,而是把25米长的

钢轨焊接

起来连成几百米长甚至几千米长,然后在铺在路基上,

无缝钢轨

一段和一段之间还是有11毫米的空隙,现在沪宁线上是303公里长的超长

无缝钢轨

,

无缝钢轨

要解决热涨

冷缩

光靠数量不多的缝隙是不够的了。

现在解决热涨

冷缩

有两种方法,一种是长轨节自身承受全部温度

应力

,即将长轨锁定在枕木上,使其不因温度变化而胀缩,这种方法适用于一年四季温度相差不大的地区,例如在中国南方地区.在一些温度相差较大的地区应就要采取另一种方法,即长轨节自身不承受温度

应力

,而以自动放散

应力

或定期放散

应力

的方法,使长轨节随温度升降而自由收缩,在铺设的时候也尽量选择最佳温度铺设,使钢轨的伸缩值在最小范围内,这样不管温度上升还是下降,钢轨的伸缩始终都控制在最小范围内。

看完了所有答案,颇感失望。同时我也庆幸,我的初中知识便能碾压各位头条大咖。几乎所有答案都低估了钢铁热胀冷缩的力量。诚然,钢轨在1000℃以上还是有一定可塑性的,但在常温,仅靠铆钉的力量使其驯服显然过于夸大其词。

很多答案提到钢轨材料的问题以及铆钉的作用,那么请问,钢筋水泥的高楼怎么没有被钢结构拉散架?现代高速公路怎么没有被粗大的钢筋拉裂缝?这里牵涉到一个重要常识——钢铁和混凝土具有同样的膨胀系数!钢筋水泥的基础和支架,根本无需考虑钢材料的膨胀效应。

普通铁路是以石子和枕木为基础的,铁轨无依无靠地裸露于枕木上,与地表不接触,温差比地面大,任何膨胀收缩都是自己承担,做成无缝必然造成隆起或断裂。现在的高速铁路都是高架结构、钢筋混凝土材料,钢轨与路面的温度、膨胀系数都是一致的,无需对钢轨的热胀冷缩做特殊处理。列车经过时造成的升温效应微乎其微,靠弯道以及弹簧和橡胶材料的辅助完全能够消化。至于铆钉,仅仅是起到防止脱轨的作用而已。

我看了几个答案,都说的不对,或以偏慨全。网上有一部记录片叫(中国高铁)站里面有题主所需要的答案,还有那些说什么中国高铁都是照搬西门子的技术的人也去看一下,中国为了高铁发展都掌握了那些领先技术。头条上有这部记录片的一个片断,就是讲述无缝钢轨的。无缝钢轨,一条是500米长,在焊接处是通过紧固件来抑制热涨冷缩的,每个紧固件提供1的力,两端各100个紧固件。共计200吨的力。

先来说下轨道,轨道是由钢轨,轨枕,连接零件,道床,道岔和其他附属设备等不同力学性质的材料组成的构筑物。现代的轨道通常用两根专门轧制的工字形截面的钢轨固定在轨枕上而形成的。轨道是一个整体性工程结构,经常处于列车运行的动力作用下,其作用为直接承受车轮传来的巨大压力,并把它传给路基及桥隧建筑物,起着车辆运行的引导作用。


正线地段与半径为250m及以上的曲线地段,应铺设无缝线路。无缝线路是将25m轨端无螺栓孔的钢轨焊接成1km及以上的轨条铺设在轨枕上,接缝大大减少,因此消灭了列车通过接头区的冲击力,从而减少了振动与噪音。当温度升高或降低时钢轨内部就产生了巨大的温度压力或拉力,这是无缝线路的一个显著的特点。普通线路是将标准钢轨用夹板连接铺设在轨枕上,钢轨接头处留有轨缝,温度升降时钢轨能自由伸缩。所以说无论是高铁路或地铁都不可能有无缝轨道,谢谢。喜欢点个赞



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非常简单!天朝设计师用了最简单,最暴力,最直接的手段来解决热胀冷缩问题:

1、高铁每天晚上要停运,不能像普通火车那样连续运行。

2、铁轨用足够多的卡子硬生生的夹住,你不是要变形么,来先问问卡子!

3、卡子只能搞定横向变形,纵向的就用一个撞车不断的去撞,消除纵向应力。

这2个简单到极致,没啥技术含量的东西解决了大部分的热胀冷缩问题。

4、都说是热胀冷缩,那么涨出来的,就锯掉,短的就补焊。用的是铝热反应。几个小时就能把铁轨修复得长度刚好!我觉得焊铁轨才是技术含量最高的活。

所以,高铁是必须每晚停运的,维护工人也是非常多的。

很简单的问题,为什么要那么复杂的去想。

火车跑在轨道上,只要两边轮子与铁轨之间的间.隙在安全行车允许的范围内,该车就能安全运行。至于热涨冷缩,首先你得去铁路现场观察一下,铁路其实并不是一条很长的直线,总是存在着左拐右拐,那么只要将铁路两侧轨道固定在墩木上,也就是墩木与轨道形成一个整体,而这个整体它是铺放在可小幅移动的石子与路基之间,一旦发生伸缩现象,铁轨与墩木这个一体结构就会往外延伸或往内收缩,而不会影响列车产生出轨现象。

这就要涉及到材料的线胀系数,就是材料随着温度的变化长度的收缩。高铁的无缝连接首先要解决的就是钢材的选择,肯定是要尽量使用线胀系数小的。但是无论如何线胀系数一定无法避免,高铁可以进行无缝连接就是利用了弧形。仔细点的会发现高铁总是在拐弯,而且是很大的弯。这就可以解决微小的线胀系数的作用,在水平横行上给了一个收缩膨胀的区间,避免在轨道方向上的挤压。

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