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无缝线路温度应力的安全稳定性分析

发表时间：2021/6/1 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李永波

[导读] 摘要：随着当前铁路的日益发展，特别是近年来我国发展的铁路，对无缝线路的可靠性和稳定性有了更高的要求。

        中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司喀什基础设施段新疆喀什市 844000
        摘要：随着当前铁路的日益发展，特别是近年来我国发展的铁路，对无缝线路的可靠性和稳定性有了更高的要求。无缝线路因其具有行车速度快，平稳性好、维护成本低、使用寿命长等优点，因此成为铁路铺设的首选方案。但是无缝线路由于钢轨不能自由伸缩，在夏季由于气温升高，无缝线路内部产生的温度压应力增大，就会发生线路钢轨胀轨；在冬季气温降低，温度拉应力增大，可能发生断轨，影响线路的可靠性和稳定性。因此，对无缝线路进行安全稳定性的研究具有十分重要的意义。
        关键词：无缝线路；稳定性评估；温度应力
        引言
        无缝线路是将标准长度的钢轨焊接成长轨条并铺设到线路上，当环境温度发生变化时，由于轨枕等附属设施的存在，使得焊接长轨条不能进行自由伸缩，钢轨内部会产生巨大的温度应力，同时会破坏轨道结构。
        1概述
        目前国内铁路工务系统主要通过人工利用准直仪或者红外线装置进行测量，通过钢轨位移量计算钢轨的实际锁定轨温，虽然方法简单，但是由于位移观测桩偏移、位移观测标签脱落、人工测量误差等原因造成测量结果失真；位移观测桩在无缝线路固定区间距基本为500米，通过位移观测只能掌握500米范围内的平均锁定轨温情况，无法掌握500米范围内局部是否有应力集中点，是否存在温度力差较大处所；线路进行更换钢轨、换枕施工经常会导致位移观测桩破损，日常需要进行维护。除利用准直仪或者红外线装置测量位移观测的方法进行无缝线路实际锁定轨温的检测，近些年发展的通过测量钢轨的横向力和纵向力反算钢轨的内部温度应力，得到无缝线路的实际锁定轨温，但是这种方法需要拆卸20米-50米钢轨的扣件，必须在天窗内完成，测量效率低，且浪费人力、物力。现有传统无缝线路应力检测方法和手段有很大的局限性，目前市场上还没有一种比较有效且简捷的检测无缝线路钢轨温度应力的装置，迫切需要研制一套能够适应铁路发展的检测钢轨温度应力的装置。基于无缝线路的钢轨温度应力检测系统，使工务作业的应力放散工作更具针对性，减少人力物力的浪费，有效预防因温度应力过大导致的断轨事故和胀轨跑道事故。
        2无缝线路温度应力的安全稳定性分析
        2.1无缝线路锁定轨温
        为了降低长轨条内的温度力就需要选择一个合适的温度锁定长轨条，即长轨条零应力状态时的轨温。设计锁定轨温是根据线路的结构条件，通过轨道强度和稳定性的检算而确定的零应力轨温。在施工过程中很难把长轨条在某一设计锁定轨温条件下一次性全部锁定。为了施工方便在满足强度和稳定性的条件下一般按设计锁定轨温t设±5℃的范围进行长轨条的锁定，这一范围就叫设计锁定轨温范围。施工锁定轨温是指长轨条铺设被锁定时的轨温。是长轨条始端和终端落槽就位时的轨温平均值，要求长轨条始终端落槽就位时的轨温必须在设计锁定轨温范围之内。实际锁定轨温是指无缝线路运营过程中长轨条零应力状态下的轨温值。它不一定与施工锁定轨温相同，零应力轨温在运营过程中受各种因素的影响会发生变化。实际锁定轨温必须在设计锁定轨温范围之内，否则就要进行应力放散或应力调整。钢轨温度力是指任意轨温状态下钢轨所受纵向力，是由钢轨初始纵向力和轨温变化而引起的温度力Pt两部分组成。因此，由于初始纵向力的存在钢轨各截面的温度力并不相等，则各截面的锁定轨温也不相等。由于受施工季节和施工条件的限制，铺设无缝线路时，往往不能在设计锁定轨温范围内进行锁定，这给维修养护工作带来很多困难。

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如锁定轨温偏低，不仅维修养护工作受到许多限制，而且高温时钢轨受到很大的温度压力，加之长钢轨不均匀爬行造成“应力集中”，就有胀轨跑道的危险;反之若锁定轨温偏高，低温时钢轨受到很大的拉力，线路不均匀爬行后，某些地段拉应力增大，温度拉力与爬行附加拉力合在一起，容易拉断螺栓或引起钢轨折断。因此，对非设计锁定轨温锁定的无缝线路，特别是低温锁定或已产生严重“应力集中”的无缝线路应该进行应力放散。线路日常养护由于不按规定操作而引起实际锁定轨温发生变动，也会使得钢轨温度力发生变化，严重时会在夏季发生胀轨跑道，冬季发生断轨。因此，对于无缝线路的养护维修，都应以保持合理的锁定轨温、充分提高线路的阻力为前提，保持无缝线路的锁定轨温不发生变化。当线路有下列情况之一时就应组织应力放散:①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℃;②锁定轨温不清楚或不准确;③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℃;④铺设或维修作业方法不当，使轨条产生不正常的伸缩;⑤固定区或无缝道岔出现严重的不均匀位移;⑥夏季线路轨向严重不良，碎弯多;⑦通过测试，        发现温度力分布严重不匀;⑧因处理线路故障或施工改变了原锁定轨温;⑨低温铺设轨条时，拉伸不到位或拉伸不均匀。
        2.2信号采集装置
        本文使用自制的ＭＢＮ应力检测系统进行信号采集，由ＭＢＮ传感器、信号发生电路、功率放大电路、滤波电路、ＳＴＭ３２单片机等组成。其中ＭＢＮ传感器包含磁化器和ＭＢＮ接收器，ＳＴＭ３２单片机有Ａ／Ｄ转换电路和ＬＣＤ显示电路模块。本文系统通过ＭＢＮ传感器检测ＢＮ信号，将信号经过放大和滤波后传送进ＳＴＭ３２单片机进行Ａ／Ｄ转换和应力数据计算，最终将应力值在ＬＣＤ屏上显示出来。
        2.3有限元分析结果
        本研究采用有限方法对得到的结果进行分析，取模型中间的中心的一截钢轨，钢轨与扣件接触面位于底面正中间。温度应力最大处主要集中在扣件所在位置，应力集中区域沿着扣件逐渐减小。由于mises应力适用于第4强度理论，而无缝线路中的钢轨材料为脆性材料，多用第1强度理论，即只考察最大主应力，本研究继续对各向应力分量进行讨论。由于扣件、轨道板等基础设施的约束，温度变化时钢轨将不能自由伸缩。
        2.4应力放散施工方法
        根据施工时当地的气温和轨温，可采用滚筒撞轨和滚筒拉伸两种方法:①滚筒撞轨法:当钢轨轨温在设计锁定轨温范围以内时，将扣件彻底松开，每隔l2～15根轨枕，去除大胶垫并垫以滚筒一个，在长轨条终端和中间利用设置的撞轨器反复撞轨，使长轨条自由伸缩处于零应力状态，然后将长轨条锁定。此时的轨温即为锁定轨温。②滚筒拉伸法:当钢轨轨温低于锁定轨温范围时，长轨条垫设滚筒，同时在放散终端安装拉伸器进行拉伸，中间辅以撞轨。
        结语
        本研究以无砟轨道为理论模型，考虑了扣件、轨道板等附属设施的约束，并按照对应的材料参数，完成了无缝线路的有限元建模，在轨温升降的基础上，得到了相应的温度应力分布模型图。通过进一步分析mises应力、纵向、切向和垂向的温度应力分布图，得到了钢轨在轨温变化时钢轨的受压以及受拉应力部位，并在图像中显示出来。根据第一强度理论得出：温度变化时钢轨内部最大应力为纵向温度应力，并且经过比较，该应力满足钢轨强度。
        参考文献
        ［1］钟方千，周小林，褚卫松.无砟轨道无缝道岔温度纵向力研究［J］.山西建筑，2008，34（18）：24-25.
        ［2］李中华.CRTSⅠ型与CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析［J］.华东交通大学学报，2010，27（1）：22-28.
        ［3］李伟，温泽峰，金学松，等.滚滑接触下钢轨热力耦合分析［J］.工程力学，2010，27（8）：199-205.