張博涵 中國(guó)鐵路上海鐵路局集團(tuán)有限公司新長(zhǎng)工務(wù)段
在高速鐵路上無縫線路消除了大量的接頭軌縫,很大程度的改善了軌道結(jié)構(gòu),因其平穩(wěn)、舒適、壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低、適應(yīng)高速行車等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用,逐步替代傳統(tǒng)的有縫線路。但也因?yàn)榻宇^軌縫的消除,進(jìn)一步限制了鋼軌因溫度變化對(duì)鋼軌產(chǎn)生的熱脹冷縮,在鋼軌內(nèi)部形成無法忽視的溫度應(yīng)力,無縫線路存在脹軌的風(fēng)險(xiǎn),影響著線路穩(wěn)定和行車安全。
無縫線路大量軌縫的消除以及扣件和道床阻力的約束,限制了鋼軌在溫度變化時(shí)的熱脹冷縮,因此在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生了溫度應(yīng)力,鋼軌內(nèi)部的溫度應(yīng)力是引起無縫線路脹軌跑道的最根本原因,溫度應(yīng)力的計(jì)算公式見式(1)。
式中:
σt——鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力;
E——彈性模量,鋼軌彈性模量一般取E=2.1×105MPa;
α—— 線膨脹系數(shù),鋼軌線膨脹系數(shù)一般取α=11.8×10-6/℃;
ΔT——鋼軌溫度變化值;
T——鋼軌溫度(變化后);
T0——原鋼軌溫度(變化前)。
在日常作業(yè)中,通常認(rèn)為鋼軌溫度應(yīng)力與縱向應(yīng)力一致,但基于定義,溫度應(yīng)力與縱向應(yīng)力有所差別。根據(jù)溫度應(yīng)力的計(jì)算公式,無縫線路鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力的計(jì)算公式見式(2)。
式中:
σz——鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力;
T——鋼軌溫度;
Ts——鎖定軌溫。
根據(jù)公式(2)可知,影響鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力的因素有鋼軌溫度T、鎖定軌溫Ts、鋼軌彈性模量E 以及線膨脹系數(shù)α。因此,降低鋼軌縱向應(yīng)力的方法主要有以下幾個(gè)方向。
(1)降低實(shí)際軌溫T。降低實(shí)際軌溫主要有兩種方式:隔熱與降溫。由于鋼軌與機(jī)車車輪的摩擦,涂抹隔熱材料的方法并不適用,在鐵路沿線搭建封閉或半封閉遮陽設(shè)施則工程量大、價(jià)格昂貴、甚至可能造成安全隱患。相比較而言,降溫方法則更具研究潛力,目前降溫的方法通常用于發(fā)現(xiàn)脹軌時(shí)的緊急處理,常見方法有灑水降溫和CO2降溫。
(2)提高鎖定軌溫Ts。鎖定軌溫Ts指無縫線路在零應(yīng)力狀態(tài)下的軌溫,本文中提及的鎖定軌溫均指實(shí)際鎖定軌溫。適當(dāng)提高鎖定軌溫同樣可以降低高溫季節(jié)鋼軌內(nèi)部的縱向應(yīng)力,目前提高鎖定軌溫的主要運(yùn)用,是在高溫季節(jié)來臨前通過應(yīng)力放散或拉伸的方法得以實(shí)現(xiàn)。考慮到冬季鋼軌防斷以及作業(yè)量等因素,鎖定軌溫的提高程度受到一定限制。
無縫線路脹軌跑道,實(shí)際上是無縫線路失穩(wěn)的表現(xiàn)。鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力是破壞線路穩(wěn)定的主要因素,而軌道框架剛度、道床阻力則是保護(hù)線路穩(wěn)定的主要因素。因此保證無縫線路的框架剛度和道床阻力,是預(yù)防脹軌跑道的重要手段。而線路缺砟、爬行、硬彎、方向不良以及養(yǎng)路工作等諸多因素均會(huì)導(dǎo)致無縫線路框架剛度或道床阻力的降低。因此,在高溫季節(jié)作業(yè)前(嚴(yán)格按標(biāo)作業(yè)的前提下),合理的判斷是否能夠作業(yè)、或是否需要應(yīng)力放散,對(duì)于預(yù)防脹軌跑道具有十分重要的意義。
《鐵路工務(wù)修規(guī)》[1]中明確規(guī)定了無縫線路的作業(yè)軌溫范圍,而相關(guān)文獻(xiàn)中]表明,無縫線路的實(shí)際鎖定軌溫變化具有普遍性和單向性,即普遍衰減。這是由于在無縫線路的運(yùn)營(yíng)過程中,長(zhǎng)軌條因各種原因?qū)е碌乃苄阅腴L(zhǎng)、鋪設(shè)無縫線路時(shí)產(chǎn)生的誤差、低溫作業(yè)等因素,導(dǎo)致實(shí)際鎖定軌溫衰減。因此,鎖定軌溫普遍偏低且具有不確定性,如果沒有及時(shí)檢測(cè)更新無縫線路實(shí)際鎖定軌溫,根據(jù)《修規(guī)》基于鎖定軌溫計(jì)算得到的作業(yè)軌溫范圍本身即存在誤差,存在超溫作業(yè)的可能,給無縫線路帶來脹軌跑道的風(fēng)險(xiǎn)。
目前檢測(cè)鎖定軌溫的方法主要有:應(yīng)變法、應(yīng)力法等。
應(yīng)變法是通過測(cè)定鋼軌的長(zhǎng)度變化值推算鎖定軌溫變化值,應(yīng)變法計(jì)算原理見公式(3)。
式中:
L——鋼軌長(zhǎng)度;
ΔL——鋼軌長(zhǎng)度的變化值;
ΔT——溫度變化值。
應(yīng)變法原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)和操作,目前國(guó)內(nèi)普遍采用應(yīng)變法測(cè)量鎖定軌溫。但應(yīng)變法檢測(cè)的是一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)鋼軌鎖定軌溫的平均值,無法檢測(cè)到鋼軌較短長(zhǎng)度范圍內(nèi)的應(yīng)力峰。檢測(cè)鎖定軌溫的應(yīng)變法主要有如下幾種。
(1)觀測(cè)樁法。該方法是無縫線路軌條鋪設(shè)鎖定前,在線路兩側(cè)按一定的原則布設(shè)位移觀測(cè)樁,并在鋼軌相應(yīng)位置做標(biāo)記,進(jìn)而根據(jù)鋼軌標(biāo)記與觀測(cè)樁的位置變化判斷鎖定軌溫變化。該方法簡(jiǎn)單直觀,運(yùn)用廣泛,但精確度較差,適用于定性分析。且該方法是建立在位移觀測(cè)樁位置不變、原鎖定軌溫已知的基礎(chǔ)上的,對(duì)于長(zhǎng)距離鋪設(shè)在橋梁(尤其是鋼梁橋)上、原鎖定軌溫不明或不準(zhǔn)的線路不適用。
(2)標(biāo)定軌長(zhǎng)法。采用與鋼軌相同線膨脹系數(shù)的鋼尺,在任何溫度下測(cè)量固定軌段的長(zhǎng)度,鋼尺讀書不變,即“標(biāo)定軌長(zhǎng)”[2]。該方法是對(duì)25m 標(biāo)準(zhǔn)軌沖眼標(biāo)記,標(biāo)距24m,通過鋼軌相同線膨脹系數(shù)的鋼尺測(cè)量得到測(cè)標(biāo)長(zhǎng)度變化值,進(jìn)而推算出鎖定軌溫以及縱向應(yīng)力。標(biāo)定軌長(zhǎng)法能夠準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)鋼軌鎖定軌溫,但其測(cè)量效率較低,且對(duì)操作人員要求較高,受人為因素影響較大。
(3)形變儀法。該方法是在軌腰上粘貼標(biāo)距210mm 的兩個(gè)支架,再用形變儀卡在兩個(gè)支架間進(jìn)行測(cè)距,進(jìn)而通過計(jì)算得到鎖定軌溫。但應(yīng)變儀與測(cè)點(diǎn)接觸不能有效固定,受環(huán)境影響較大,精確度不高。
應(yīng)力法是通過探索聲波、射線等物理量與應(yīng)力的關(guān)系,根據(jù)對(duì)聲波、射線等物理量的檢測(cè),間接得到鋼軌內(nèi)部的縱向應(yīng)力值,進(jìn)而計(jì)算出鎖定軌溫。
(1)巴克豪森法。巴克豪森噪聲是鐵磁性材料特有的性質(zhì),該噪聲信號(hào)隨著壓應(yīng)力的增大而減小,隨著拉應(yīng)力的增大而增大。但該信號(hào)受鋼軌內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)影響較大,存在較大誤差。
(2)X 射線法。該方法是將特定的X 射線射入鋼軌,經(jīng)過觀測(cè)衍射現(xiàn)象測(cè)得鋼軌縱向應(yīng)力。但該方法需要對(duì)鋼軌表明進(jìn)行拋光處理,且只能測(cè)到表層縱向應(yīng)力。
(3)超聲波法。該方法是基于聲彈性原理,探索出超聲波在鋼軌中傳播速度的變化與鋼軌內(nèi)部的應(yīng)力為線性關(guān)系,進(jìn)而通過超聲波檢測(cè)出無縫線路的縱向應(yīng)力。超聲波法精度高,檢測(cè)距離較長(zhǎng),且裝置簡(jiǎn)單靈活,受外界環(huán)境干擾較小,發(fā)展前景較好。
上述無縫線路鎖定軌溫檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)方法以應(yīng)變法為主,但基于機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、無損檢測(cè)的發(fā)展方向,應(yīng)力法(尤其以超聲波法)更有發(fā)展?jié)摿颓熬啊?/p>
①溫度應(yīng)力的增長(zhǎng)是無縫線路發(fā)生脹軌跑道的根本原因,本文根據(jù)溫度應(yīng)力方程提出了降低鋼軌內(nèi)部縱向應(yīng)力的解決方向。②我國(guó)脹軌跑道事件主要發(fā)生在維修作業(yè)中或作業(yè)后的數(shù)天內(nèi)。因此,合理的判斷是否能夠作業(yè)、或是否需要應(yīng)力放散,對(duì)于預(yù)防脹軌跑道具有十分重要的意義。③基于鎖定軌溫的普遍衰退性,指出及時(shí)檢測(cè)更新無縫線路實(shí)際鎖定軌溫的重要性。④本文總結(jié)對(duì)比了目前檢測(cè)無縫線路鎖定軌溫的主要方法,指出應(yīng)力法(尤其以超聲波法)更具潛力和發(fā)展前景。