探析高速鐵路鐵軌的奧秘

鄭皓

（北京醫(yī)學院附屬中學，北京 100083）

探析高速鐵路鐵軌的奧秘

鄭皓

（北京醫(yī)學院附屬中學，北京 100083）

我國高鐵在運營速度、運量、規(guī)模上均達到世界領先水平。高速軌道作為高鐵運行的基礎，在安全性、可靠性和平穩(wěn)性方面相對于普通鐵路軌道來說具有非常大的優(yōu)勢。為保證軌道的這些要求,國內(nèi)高鐵多采用無砟軌道和無縫鋼軌結構，具有與普通鐵路軌道不同的特性。本文探究了高鐵軌道與普通軌道線路的區(qū)別，獲取無縫軌道的方法，并對無縫軌道在施工和運行過程中可能出現(xiàn)的問題及處理方法進行總結。

有砟軌道；無咋軌道；無縫鋼軌；焊接方法；熱脹冷縮；無損檢測

高鐵軌道是高速鐵路運行的基礎，鋼軌支承并引導機車車輛的車輪, 直接承受來自車輪和其它方面的力并傳遞給軌枕, 同時為車輪的滾動提供阻力最小的表面。對高速鐵路而言, 鋼軌要提供的輪軌踏面平順性和鋼軌內(nèi)側工作邊平順性比普通鐵路高得多, 為保證列車高速運行的平順性, 從線路下部基礎、軌道上部結構以及各軌道部件都要為鋼軌的正常工作提供良好條件。為保證高鐵的舒適性和安全性，我國高鐵多采用無砟軌道和無縫鋼軌。受限于鋼廠生產(chǎn)條件和道路運輸問題，無縫軌道的獲得只能通過焊接方式獲得，因此衍生出各種軌道的焊接方法。同時，無縫軌道長達上百km，由于環(huán)境溫度的變化，會因材料的熱脹冷縮產(chǎn)生一系列技術問題，需要在工程設計、施工、后期維護的各階段具有相應的應對方法，確保高鐵的安全運行，圖1為日本的高速鐵路。

圖1 日本的高速鐵路

1 高速鐵路的軌下基礎

有砟軌道：傳統(tǒng)的鐵路軌道通常由兩條平行的鋼軌組成，鋼軌固定放在枕木上，枕木下為小碎石鋪成的路砟。這種軌道可以避免鐵軌因壓力太大而下陷到泥土里，因為路砟和枕木起到加大受力面、分散火車壓力、幫助鐵軌承重等作用。除此之外，路砟還有減少噪音、吸熱、減震、增加透水性等作用。傳統(tǒng)的有砟軌道具有鋪設簡便、綜合造價低廉的特點，但容易變形，維修頻繁，維修費用較大，列車運行速度也受到限制。在高鐵發(fā)展初期，也是采用有砟軌道，但世界高速鐵路的發(fā)展證實，高速鐵路基礎工程如果使用常規(guī)的軌道系統(tǒng)，道砟粉化嚴重，線路維修頻繁，安全性、舒適性、經(jīng)濟性相對較差。圖2為時速250km客運專線有砟軌道箱梁。

圖2 時速250公里客運專線有砟軌道箱梁

無砟軌道：無砟軌道是伴隨高鐵而發(fā)展起來的一種新型的軌道結構，泛指不采用散粒碎石道床，轉而采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎來取而代之的軌道結構。其軌枕本身是混凝土澆灌而成，而路基也不用碎石，鋼軌、軌枕直接鋪在混凝土路基上。無砟軌道是當今世界先進的軌道技術，可以減少維護、降低粉塵、美化環(huán)境，而且列車時速可以達到300km以上。無砟軌道平順性和穩(wěn)定性好，使用壽命長，耐久性好，維修工作少，避免了飛濺道砟。但無砟軌道也有其缺點，一旦出現(xiàn)問題，無砟軌道的維護會非常麻煩，圖3為無砟軌道。

圖3 無砟軌道

2 無縫鋼軌

我國高鐵采用了無縫軌道結構，無縫軌道是由許多根標準鋼軌聯(lián)結成長軌條鋪成，一般長度為2～3km，有的甚至長達上百km。與普通鐵軌相比，無縫鋼軌由于消除了大量接頭，因而消除了接頭沖擊力，磨損大大減少，同時減少了線路損害，節(jié)省了大量原材料。統(tǒng)計表明，無縫軌道維修可節(jié)約費用30～75%，并大幅提高軌道的可靠性，火車的速度還會相應提高，并增加旅客的平穩(wěn)和舒適感。

所謂無縫軌道還是有接頭的，就是用持續(xù)焊接的方法進行焊接而成，這些接頭是用斜面焊接而成，不同于傳統(tǒng)軌道的垂直立面焊接。用斜面焊接的接頭可以大大降低列車經(jīng)過時產(chǎn)生的震動及噪音，即使是斜面焊接仍然有膨脹的空間。這種接頭被稱為調節(jié)道岔。這種焊接的軌道能夠降噪減震的原理在于：列車車輪可以同時壓在兩根鋼軌上，使兩根鋼軌同時受力，使車輪平滑通過兩鋼軌接縫處。

3 高速鐵路無縫鋼軌的焊接方法

鋼軌焊接是鋪設無縫線路的重要環(huán)節(jié)，保證焊接接頭的外形幾何尺寸和良好內(nèi)部質量，是保證高鐵正常運行的關鍵。國內(nèi)外無縫鋼軌焊接方式主要有4種，分為鋼軌閃光電阻焊、鋼軌氣壓焊接技術、鋁熱焊接技術、電弧焊技術?，F(xiàn)在這幾種焊接技術是趨于成熟的高鐵焊接技術，在工程實踐中，能基本滿足高速鐵路的施工和維護要求，每一種焊接的質量主要取決于施工工藝和控制水平。

3.1 鋼軌閃光電阻焊

閃光電阻焊是利用電流通過鋼軌接頭時所產(chǎn)生的熱量為熱源，將待焊鋼軌的端頭熔化，然后施加頂鍛壓力擠壓焊接表面，從而達到將兩根鋼軌焊接在一起的目的。這種焊接方法使焊縫部位的機械性能幾乎與母材接近，而且可以實現(xiàn)自動或半自動操作，焊接接頭質量高，一致性好，是一種高可靠性的鋼軌焊接方法。閃光電阻焊特別適合工廠內(nèi)焊接，把標準長度的鋼軌焊接成400～500m左右的軌條，然后再運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝。但是閃光電阻焊必須有規(guī)模相當大的電力和加壓設備，才能保證焊接的可靠性和一致性，這就造成了閃光電阻焊設備成本高、初期投入大等缺點無法避免。

3.2 鋼軌氣壓焊接技術

鋼軌氣壓焊焊接原理：氣壓焊接時用氧氣和乙炔進行加熱，鋼軌氣壓焊與電阻焊類似，也屬于鍛焊，焊接時用壓接機將兩根待焊鋼軌進行固定夾緊，然后利用火焰，對兩根鋼軌緊密貼合的清潔端面進行加熱，當貼合面達到塑性狀態(tài)，金屬原子具有足夠的活化能穿過貼合面互相急劇擴散時，立即對貼合面施加頂鍛壓力，將兩根待焊鋼軌間的距離縮短到原子之間的相互作用半徑，達到分子間的金屬鍵連接，完成重結晶，從而可以使兩根待焊鋼軌牢固地焊接在一起，得到鍛態(tài)金屬組織的鋼軌接頭焊縫。由于氣壓焊接技術具有設備搬運方便、操作工序簡單、焊接質量好、成本低廉等優(yōu)點，所以受到了世界各國鐵路部門的青睞。鋼軌氣壓焊接技術的適用范圍非常廣泛，只要有鋪設所需要的用地，就可在現(xiàn)場焊接、運送，相比閃光電阻焊設備要輕便一些，更容易實現(xiàn)，但必須對氣壓焊接接頭進行正火處理，以獲得與母材相近的組織結構和機械性能。

3.3 鋁熱焊接技術

鋁熱焊接的基本焊接原理為：將備好并按要求調整好焊縫寬度的兩根鋼軌定位，再將配制好的鋁熱焊劑(鋁氧化鐵添加劑)在坩堝內(nèi)點燃，使之發(fā)生氧化還原反應，反應生成的高溫鋁熱鋼水通過特別設計的砂型澆注系統(tǒng)，注入到由砂型和待焊鋼軌組合形成的型腔內(nèi)，由高溫鋼水帶來的熱量將待焊鋼軌的端面熔化，再經(jīng)過冷卻凝固將待焊鋼軌聯(lián)成一個整體，從而達到連接鋼軌的目的。鋁熱焊接頭焊縫為鑄態(tài)組織，接頭受熱面積較大，接頭組織和性能較差，尤其塑性和韌性較低，接頭焊縫的質量主要取決于鋁熱焊接材料。但鋁熱焊設備簡單、便于操作、不需要電源、焊接速度快，特別適合進行野外現(xiàn)場作業(yè)。因此，在聯(lián)合接頭焊縫、轍岔、軌道鎖定焊、既有線路應力放散、斷軌搶修和日常的鋼軌更換等工作中，都大量使用鋁熱焊焊接工藝，鋁熱焊焊接工藝已成為鐵路干線建設和進行線路維護不可或缺的工藝。由于鋁熱焊接接頭質量相對難以控制，為保證焊接質量，必須配合配套的探傷工藝，確保焊接質量的可靠。圖4為鋁熱焊示意圖。

3.4 電弧焊技術

圖4 鋁熱焊示意圖

鋼軌電弧焊工藝與普通的手工電弧焊相同，電弧焊主要設備是弧焊電源?；『鸽娫吹淖饔檬菫楹附与娀》€(wěn)定燃燒提供適當?shù)碾娏骱碗妷骸ｋ娀『赣玫降钠渌O備還有電纜、焊鉗、焊條、電弧和焊件等。鋼軌電弧焊工藝的原理是：先以電焊條或電焊絲與待焊鋼軌作為兩個電極連接起來，然后再用電焊條或電焊絲與待焊鋼軌的端面接觸時所產(chǎn)生的瞬間電弧熱將鋼軌的端面金屬熔化，在液態(tài)金屬冷卻后形成對焊接頭，最后將兩根待焊鋼軌焊接在一起。采用合適的焊條和合理的焊接工藝，焊接的機械性能可到達母材水平，在硬度和耐磨性能方面，甚至超過母材水平，電弧焊主要用于普通維修工作中。

4 無縫鋼軌如何克服熱脹冷縮

無縫鋼軌的熱脹冷縮，可能會導致鋼軌彎曲或者斷裂，對行車造成危害，為解決無縫軌道在熱脹冷縮時可能產(chǎn)生的危害，在不同的地區(qū)，可以采取以下方法進行消除。

如果一個地方的溫差不是過大，處理溫度變化對鋼軌引起的熱脹冷縮的辦法有兩種:第一種是鋪設前根據(jù)當?shù)氐臏囟葮O值，算出當?shù)氐臏夭?，然后將鋼軌拉伸，使其膨脹鎖定在軌枕上，這樣可以減少日后溫度升高引起的膨脹；另一種方法是在軌枕上，用彈簧扣件將鋼軌緊固，這樣可以防止因為溫度變化引起的變形能量，從而保證列車的正常運行。

而這兩種方法，在溫差不大的時候還可以使用，應用到溫差較大的地區(qū)，就起不到作用了。我們將采取另一種方法，那就是采用長軌節(jié)鋪設的方法：首先測量計算當?shù)氐臏夭睿缓筮x擇最佳溫度鋪設，保證鋼軌的伸縮值造成的影響能控制在最小范圍內(nèi)。這種方法利用的原理是長軌節(jié)自身不承受溫度應力，而以自動放散應力或定期放散應力的方法。長軌節(jié)在四季溫度變化的時候發(fā)生自由收縮，這樣在運行的時候，無論溫度如何變化，鋼軌的伸縮始終都控制在最小范圍內(nèi)。這個方法的運用范圍非常廣泛。例如京津高速鐵路只在車站道岔區(qū)域才有接縫，兩個車站間只用一個超長軌節(jié)來連接，在每個超長軌節(jié)兩側的路肩上，都埋設有觀測樁，利用爬行測量的方法，定期對超長軌節(jié)進行測量。這種方法，可以及時消除鋼軌因熱脹冷縮造成的應力異常，一般通過的方式都是應力放散。

另外，無縫線路還有另一種解決方式。就是根據(jù)線路的曲線情況，在不同的路段設置1～2km的無縫線路，在無縫線路之間設置3～4節(jié)鋼軌的伸縮區(qū)。使用這種方法，需要每年臨時停運，進行鎖定無縫鋼軌的應力釋放，這樣可以解決由于鎖定的鋼軌溫度及具體天氣氣溫變化所造成的應力積累。具體的方法是抬起伸縮區(qū)的鋼軌，松開扣件，從而釋放應力，進而根據(jù)實際情況切割或是更換伸縮區(qū)的鋼軌，最后重新鎖定鋼軌，這樣可以防止因為應力過大而造成漲軌或斷軌的情況發(fā)生。在大跨度鋼梁橋上鋪設鐵軌時，可以使用伸縮調節(jié)器來調整鋼軌的伸縮，這樣能保證鐵路的正常運行。

5 高速鐵路鐵軌的無損檢測方法

由于鋁熱焊的焊縫屬鑄態(tài)組織結構，總會產(chǎn)生缺陷，所以需要對接頭進行無損檢測，傳統(tǒng)的探傷方法以超聲波探傷小車為主，大型探傷車為輔的方法。但是不論小型還是大型探傷車，均需要占用鐵路線路，速度慢，效率低，難以滿足高速鐵路探傷的新要求。開發(fā)新的方法來檢測鋼軌損傷并能實現(xiàn)鋼軌的實時在線檢測，仍是目前的重要課題。

6 結語

經(jīng)過多年發(fā)展，高鐵軌道技術日趨成熟，并已經(jīng)形成相應的技術標準，軌道檢測和監(jiān)測技術也必將隨著時間的推移而逐步完善，使高鐵運行更安全、舒適和可靠，更好地服務于國民經(jīng)濟和人民生活。高速鐵路的建設，在全世界范圍內(nèi)正以驚人的速度延伸發(fā)展，對于已處領先水平的中國高鐵來說，更是千載難逢的機遇。展望高速鐵路的發(fā)展前景，改進實踐中高鐵軌道出現(xiàn)的問題,提升高鐵的運行質量及速度，仍將是我們要繼續(xù)研究探討的課題。

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1671-0711（2017）10（上）-0209-02