探析高速铁路铁轨的奥秘

郑皓

（北京医学院附属中学，北京 100083）

探析高速铁路铁轨的奥秘

郑皓

（北京医学院附属中学，北京 100083）

我国高铁在运营速度、运量、规模上均达到世界领先水平。高速轨道作为高铁运行的基础，在安全性、可靠性和平稳性方面相对于普通铁路轨道来说具有非常大的优势。为保证轨道的这些要求,国内高铁多采用无砟轨道和无缝钢轨结构，具有与普通铁路轨道不同的特性。本文探究了高铁轨道与普通轨道线路的区别，获取无缝轨道的方法，并对无缝轨道在施工和运行过程中可能出现的问题及处理方法进行总结。

有砟轨道；无咋轨道；无缝钢轨；焊接方法；热胀冷缩；无损检测

高铁轨道是高速铁路运行的基础，钢轨支承并引导机车车辆的车轮, 直接承受来自车轮和其它方面的力并传递给轨枕, 同时为车轮的滚动提供阻力最小的表面。对高速铁路而言, 钢轨要提供的轮轨踏面平顺性和钢轨内侧工作边平顺性比普通铁路高得多, 为保证列车高速运行的平顺性, 从线路下部基础、轨道上部结构以及各轨道部件都要为钢轨的正常工作提供良好条件。为保证高铁的舒适性和安全性，我国高铁多采用无砟轨道和无缝钢轨。受限于钢厂生产条件和道路运输问题，无缝轨道的获得只能通过焊接方式获得，因此衍生出各种轨道的焊接方法。同时，无缝轨道长达上百km，由于环境温度的变化，会因材料的热胀冷缩产生一系列技术问题，需要在工程设计、施工、后期维护的各阶段具有相应的应对方法，确保高铁的安全运行，图1为日本的高速铁路。

图1 日本的高速铁路

1 高速铁路的轨下基础

有砟轨道：传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成，钢轨固定放在枕木上，枕木下为小碎石铺成的路砟。这种轨道可以避免铁轨因压力太大而下陷到泥土里，因为路砟和枕木起到加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重等作用。除此之外，路砟还有减少噪音、吸热、减震、增加透水性等作用。传统的有砟轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点，但容易变形，维修频繁，维修费用较大，列车运行速度也受到限制。在高铁发展初期，也是采用有砟轨道，但世界高速铁路的发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，道砟粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。图2为时速250km客运专线有砟轨道箱梁。

图2 时速250公里客运专线有砟轨道箱梁

无砟轨道：无砟轨道是伴随高铁而发展起来的一种新型的轨道结构，泛指不采用散粒碎石道床，转而采用混凝土、沥青混合料等整体基础来取而代之的轨道结构。其轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，钢轨、轨枕直接铺在混凝土路基上。无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可以减少维护、降低粉尘、美化环境，而且列车时速可以达到300km以上。无砟轨道平顺性和稳定性好，使用寿命长，耐久性好，维修工作少，避免了飞溅道砟。但无砟轨道也有其缺点，一旦出现问题，无砟轨道的维护会非常麻烦，图3为无砟轨道。

图3 无砟轨道

2 无缝钢轨

我国高铁采用了无缝轨道结构，无缝轨道是由许多根标准钢轨联结成长轨条铺成，一般长度为2～3km，有的甚至长达上百km。与普通铁轨相比，无缝钢轨由于消除了大量接头，因而消除了接头冲击力，磨损大大减少，同时减少了线路损害，节省了大量原材料。统计表明，无缝轨道维修可节约费用30～75%，并大幅提高轨道的可靠性，火车的速度还会相应提高，并增加旅客的平稳和舒适感。

所谓无缝轨道还是有接头的，就是用持续焊接的方法进行焊接而成，这些接头是用斜面焊接而成，不同于传统轨道的垂直立面焊接。用斜面焊接的接头可以大大降低列车经过时产生的震动及噪音，即使是斜面焊接仍然有膨胀的空间。这种接头被称为调节道岔。这种焊接的轨道能够降噪减震的原理在于：列车车轮可以同时压在两根钢轨上，使两根钢轨同时受力，使车轮平滑通过两钢轨接缝处。

3 高速铁路无缝钢轨的焊接方法

钢轨焊接是铺设无缝线路的重要环节，保证焊接接头的外形几何尺寸和良好内部质量，是保证高铁正常运行的关键。国内外无缝钢轨焊接方式主要有4种，分为钢轨闪光电阻焊、钢轨气压焊接技术、铝热焊接技术、电弧焊技术。现在这几种焊接技术是趋于成熟的高铁焊接技术，在工程实践中，能基本满足高速铁路的施工和维护要求，每一种焊接的质量主要取决于施工工艺和控制水平。

3.1 钢轨闪光电阻焊

闪光电阻焊是利用电流通过钢轨接头时所产生的热量为热源，将待焊钢轨的端头熔化，然后施加顶锻压力挤压焊接表面，从而达到将两根钢轨焊接在一起的目的。这种焊接方法使焊缝部位的机械性能几乎与母材接近，而且可以实现自动或半自动操作，焊接接头质量高，一致性好，是一种高可靠性的钢轨焊接方法。闪光电阻焊特别适合工厂内焊接，把标准长度的钢轨焊接成400～500m左右的轨条，然后再运输到现场安装。但是闪光电阻焊必须有规模相当大的电力和加压设备，才能保证焊接的可靠性和一致性，这就造成了闪光电阻焊设备成本高、初期投入大等缺点无法避免。

3.2 钢轨气压焊接技术

钢轨气压焊焊接原理：气压焊接时用氧气和乙炔进行加热，钢轨气压焊与电阻焊类似，也属于锻焊，焊接时用压接机将两根待焊钢轨进行固定夹紧，然后利用火焰，对两根钢轨紧密贴合的清洁端面进行加热，当贴合面达到塑性状态，金属原子具有足够的活化能穿过贴合面互相急剧扩散时，立即对贴合面施加顶锻压力，将两根待焊钢轨间的距离缩短到原子之间的相互作用半径，达到分子间的金属键连接，完成重结晶，从而可以使两根待焊钢轨牢固地焊接在一起，得到锻态金属组织的钢轨接头焊缝。由于气压焊接技术具有设备搬运方便、操作工序简单、焊接质量好、成本低廉等优点，所以受到了世界各国铁路部门的青睐。钢轨气压焊接技术的适用范围非常广泛，只要有铺设所需要的用地，就可在现场焊接、运送，相比闪光电阻焊设备要轻便一些，更容易实现，但必须对气压焊接接头进行正火处理，以获得与母材相近的组织结构和机械性能。

3.3 铝热焊接技术

铝热焊接的基本焊接原理为：将备好并按要求调整好焊缝宽度的两根钢轨定位，再将配制好的铝热焊剂(铝氧化铁添加剂)在坩埚内点燃，使之发生氧化还原反应，反应生成的高温铝热钢水通过特别设计的砂型浇注系统，注入到由砂型和待焊钢轨组合形成的型腔内，由高温钢水带来的热量将待焊钢轨的端面熔化，再经过冷却凝固将待焊钢轨联成一个整体，从而达到连接钢轨的目的。铝热焊接头焊缝为铸态组织，接头受热面积较大，接头组织和性能较差，尤其塑性和韧性较低，接头焊缝的质量主要取决于铝热焊接材料。但铝热焊设备简单、便于操作、不需要电源、焊接速度快，特别适合进行野外现场作业。因此，在联合接头焊缝、辙岔、轨道锁定焊、既有线路应力放散、断轨抢修和日常的钢轨更换等工作中，都大量使用铝热焊焊接工艺，铝热焊焊接工艺已成为铁路干线建设和进行线路维护不可或缺的工艺。由于铝热焊接接头质量相对难以控制，为保证焊接质量，必须配合配套的探伤工艺，确保焊接质量的可靠。图4为铝热焊示意图。

3.4 电弧焊技术

图4 铝热焊示意图

钢轨电弧焊工艺与普通的手工电弧焊相同，电弧焊主要设备是弧焊电源。弧焊电源的作用是为焊接电弧稳定燃烧提供适当的电流和电压。电弧焊用到的其它设备还有电缆、焊钳、焊条、电弧和焊件等。钢轨电弧焊工艺的原理是：先以电焊条或电焊丝与待焊钢轨作为两个电极连接起来，然后再用电焊条或电焊丝与待焊钢轨的端面接触时所产生的瞬间电弧热将钢轨的端面金属熔化，在液态金属冷却后形成对焊接头，最后将两根待焊钢轨焊接在一起。采用合适的焊条和合理的焊接工艺，焊接的机械性能可到达母材水平，在硬度和耐磨性能方面，甚至超过母材水平，电弧焊主要用于普通维修工作中。

4 无缝钢轨如何克服热胀冷缩

无缝钢轨的热胀冷缩，可能会导致钢轨弯曲或者断裂，对行车造成危害，为解决无缝轨道在热胀冷缩时可能产生的危害，在不同的地区，可以采取以下方法进行消除。

如果一个地方的温差不是过大，处理温度变化对钢轨引起的热胀冷缩的办法有两种:第一种是铺设前根据当地的温度极值，算出当地的温差，然后将钢轨拉伸，使其膨胀锁定在轨枕上，这样可以减少日后温度升高引起的膨胀；另一种方法是在轨枕上，用弹簧扣件将钢轨紧固，这样可以防止因为温度变化引起的变形能量，从而保证列车的正常运行。

而这两种方法，在温差不大的时候还可以使用，应用到温差较大的地区，就起不到作用了。我们将采取另一种方法，那就是采用长轨节铺设的方法：首先测量计算当地的温差，然后选择最佳温度铺设，保证钢轨的伸缩值造成的影响能控制在最小范围内。这种方法利用的原理是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。长轨节在四季温度变化的时候发生自由收缩，这样在运行的时候，无论温度如何变化，钢轨的伸缩始终都控制在最小范围内。这个方法的运用范围非常广泛。例如京津高速铁路只在车站道岔区域才有接缝，两个车站间只用一个超长轨节来连接，在每个超长轨节两侧的路肩上，都埋设有观测桩，利用爬行测量的方法，定期对超长轨节进行测量。这种方法，可以及时消除钢轨因热胀冷缩造成的应力异常，一般通过的方式都是应力放散。

另外，无缝线路还有另一种解决方式。就是根据线路的曲线情况，在不同的路段设置1～2km的无缝线路，在无缝线路之间设置3～4节钢轨的伸缩区。使用这种方法，需要每年临时停运，进行锁定无缝钢轨的应力释放，这样可以解决由于锁定的钢轨温度及具体天气气温变化所造成的应力积累。具体的方法是抬起伸缩区的钢轨，松开扣件，从而释放应力，进而根据实际情况切割或是更换伸缩区的钢轨，最后重新锁定钢轨，这样可以防止因为应力过大而造成涨轨或断轨的情况发生。在大跨度钢梁桥上铺设铁轨时，可以使用伸缩调节器来调整钢轨的伸缩，这样能保证铁路的正常运行。

5 高速铁路铁轨的无损检测方法

由于铝热焊的焊缝属铸态组织结构，总会产生缺陷，所以需要对接头进行无损检测，传统的探伤方法以超声波探伤小车为主，大型探伤车为辅的方法。但是不论小型还是大型探伤车，均需要占用铁路线路，速度慢，效率低，难以满足高速铁路探伤的新要求。开发新的方法来检测钢轨损伤并能实现钢轨的实时在线检测，仍是目前的重要课题。

6 结语

经过多年发展，高铁轨道技术日趋成熟，并已经形成相应的技术标准，轨道检测和监测技术也必将随着时间的推移而逐步完善，使高铁运行更安全、舒适和可靠，更好地服务于国民经济和人民生活。高速铁路的建设，在全世界范围内正以惊人的速度延伸发展，对于已处领先水平的中国高铁来说，更是千载难逢的机遇。展望高速铁路的发展前景，改进实践中高铁轨道出现的问题,提升高铁的运行质量及速度，仍将是我们要继续研究探讨的课题。

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U238

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1671-0711（2017）10（上）-0209-02