鄭皓

（北京醫(yī)學(xué)院附屬中學(xué)，北京 100083）

探析高速鐵路鐵軌的奧秘

鄭皓

（北京醫(yī)學(xué)院附屬中學(xué)，北京 100083）

我國(guó)高鐵在運(yùn)營(yíng)速度、運(yùn)量、規(guī)模上均達(dá)到世界領(lǐng)先水平。高速軌道作為高鐵運(yùn)行的基礎(chǔ)，在安全性、可靠性和平穩(wěn)性方面相對(duì)于普通鐵路軌道來說具有非常大的優(yōu)勢(shì)。為保證軌道的這些要求,國(guó)內(nèi)高鐵多采用無砟軌道和無縫鋼軌結(jié)構(gòu)，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(duì)無縫軌道在施工和運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題及處理方法進(jìn)行總結(jié)。

有砟軌道；無咋軌道；無縫鋼軌；焊接方法；熱脹冷縮；無損檢測(cè)

高鐵軌道是高速鐵路運(yùn)行的基礎(chǔ)，鋼軌支承并引導(dǎo)機(jī)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(shí)為車輪的滾動(dòng)提供阻力最小的表面。對(duì)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(cè)工作邊平順性比普通鐵路高得多, 為保證列車高速運(yùn)行的平順性, 從線路下部基礎(chǔ)、軌道上部結(jié)構(gòu)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(guó)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(yùn)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(shí)，無縫軌道長(zhǎng)達(dá)上百km，由于環(huán)境溫度的變化，會(huì)因材料的熱脹冷縮產(chǎn)生一系列技術(shù)問題，需要在工程設(shè)計(jì)、施工、后期維護(hù)的各階段具有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法，確保高鐵的安全運(yùn)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(chǔ)

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?yàn)槁讽暮驼砟酒鸬郊哟笫芰γ?、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(shè)簡(jiǎn)便、綜合造價(jià)低廉的特點(diǎn)，但容易變形，維修頻繁，維修費(fèi)用較大，列車運(yùn)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(shí)，高速鐵路基礎(chǔ)工程如果使用常規(guī)的軌道系統(tǒng)，道砟粉化嚴(yán)重，線路維修頻繁，安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。圖2為時(shí)速250km客運(yùn)專線有砟軌道箱梁。

圖2 時(shí)速250公里客運(yùn)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(jié)構(gòu)，泛指不采用散粒碎石道床，轉(zhuǎn)而采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎(chǔ)來取而代之的軌道結(jié)構(gòu)。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(dāng)今世界先進(jìn)的軌道技術(shù)，可以減少維護(hù)、降低粉塵、美化環(huán)境，而且列車時(shí)速可以達(dá)到300km以上。無砟軌道平順性和穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，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(diǎn)，一旦出現(xiàn)問題，無砟軌道的維護(hù)會(huì)非常麻煩，圖3為無砟軌道。

圖3 無砟軌道

2 無縫鋼軌

我國(guó)高鐵采用了無縫軌道結(jié)構(gòu)，無縫軌道是由許多根標(biāo)準(zhǔn)鋼軌聯(lián)結(jié)成長(zhǎng)軌條鋪成，一般長(zhǎng)度為2～3km，有的甚至長(zhǎng)達(dá)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(shí)減少了線路損害，節(jié)省了大量原材料。統(tǒng)計(jì)表明，無縫軌道維修可節(jié)約費(fèi)用30～75%，并大幅提高軌道的可靠性，火車的速度還會(huì)相應(yīng)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(jìn)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(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)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(diào)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(shí)壓在兩根鋼軌上，使兩根鋼軌同時(shí)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(shè)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(zhì)量，是保證高鐵正常運(yùn)行的關(guān)鍵。國(guó)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(shù)、鋁熱焊接技術(shù)、電弧焊技術(shù)?，F(xiàn)在這幾種焊接技術(shù)是趨于成熟的高鐵焊接技術(shù)，在工程實(shí)踐中，能基本滿足高速鐵路的施工和維護(hù)要求，每一種焊接的質(zhì)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(shí)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(dá)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(jī)械性能幾乎與母材接近，而且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)操作，焊接接頭質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌焊接成400～500m左右的軌條，然后再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)安裝。但是閃光電阻焊必須有規(guī)模相當(dāng)大的電力和加壓設(shè)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(shè)備成本高、初期投入大等缺點(diǎn)無法避免。

3.2 鋼軌氣壓焊接技術(shù)

鋼軌氣壓焊焊接原理：氣壓焊接時(shí)用氧氣和乙炔進(jìn)行加熱，鋼軌氣壓焊與電阻焊類似，也屬于鍛焊，焊接時(shí)用壓接機(jī)將兩根待焊鋼軌進(jìn)行固定夾緊，然后利用火焰，對(duì)兩根鋼軌緊密貼合的清潔端面進(jìn)行加熱，當(dāng)貼合面達(dá)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(kuò)散時(shí)，立即對(duì)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(dá)到分子間的金屬鍵連接，完成重結(jié)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(shù)具有設(shè)備搬運(yùn)方便、操作工序簡(jiǎn)單、焊接質(zhì)量好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以受到了世界各國(guó)鐵路部門的青睞。鋼軌氣壓焊接技術(shù)的適用范圍非常廣泛，只要有鋪設(shè)所需要的用地，就可在現(xiàn)場(chǎng)焊接、運(yùn)送，相比閃光電阻焊設(shè)備要輕便一些，更容易實(shí)現(xiàn)，但必須對(duì)氣壓焊接接頭進(jìn)行正火處理，以獲得與母材相近的組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。

3.3 鋁熱焊接技術(shù)

鋁熱焊接的基本焊接原理為：將備好并按要求調(diào)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(diǎn)燃，使之發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)生成的高溫鋁熱鋼水通過特別設(shè)計(jì)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(gè)整體，從而達(dá)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(zhì)量主要取決于鋁熱焊接材料。但鋁熱焊設(shè)備簡(jiǎn)單、便于操作、不需要電源、焊接速度快，特別適合進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)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(shè)和進(jìn)行線路維護(hù)不可或缺的工藝。由于鋁熱焊接接頭質(zhì)量相對(duì)難以控制，為保證焊接質(zhì)量，必須配合配套的探傷工藝，確保焊接質(zhì)量的可靠。圖4為鋁熱焊示意圖。

3.4 電弧焊技術(shù)

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(shè)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(dāng)?shù)碾娏骱碗妷骸ｋ娀『赣玫降钠渌O(shè)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(gè)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(shí)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(duì)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(jī)械性能可到達(dá)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(huì)導(dǎo)致鋼軌彎曲或者斷裂，對(duì)行車造成危害，為解決無縫軌道在熱脹冷縮時(shí)可能產(chǎn)生的危害，在不同的地區(qū)，可以采取以下方法進(jìn)行消除。

如果一個(gè)地方的溫差不是過大，處理溫度變化對(duì)鋼軌引起的熱脹冷縮的辦法有兩種:第一種是鋪設(shè)前根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟葮O值，算出當(dāng)?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?yàn)闇囟茸兓鸬淖冃文芰?，從而保證列車的正常運(yùn)行。

而這兩種方法，在溫差不大的時(shí)候還可以使用，應(yīng)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(zhǎng)軌節(jié)鋪設(shè)的方法：首先測(cè)量計(jì)算當(dāng)?shù)氐臏夭?，然后選擇最佳溫度鋪設(shè)，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(zhǎng)軌節(jié)自身不承受溫度應(yīng)力，而以自動(dòng)放散應(yīng)力或定期放散應(yīng)力的方法。長(zhǎng)軌節(jié)在四季溫度變化的時(shí)候發(fā)生自由收縮，這樣在運(yùn)行的時(shí)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(gè)方法的運(yùn)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(gè)車站間只用一個(gè)超長(zhǎng)軌節(jié)來連接，在每個(gè)超長(zhǎng)軌節(jié)兩側(cè)的路肩上，都埋設(shè)有觀測(cè)樁，利用爬行測(cè)量的方法，定期對(duì)超長(zhǎng)軌節(jié)進(jìn)行測(cè)量。這種方法，可以及時(shí)消除鋼軌因熱脹冷縮造成的應(yīng)力異常，一般通過的方式都是應(yīng)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(shè)置1～2km的無縫線路，在無縫線路之間設(shè)置3～4節(jié)鋼軌的伸縮區(qū)。使用這種方法，需要每年臨時(shí)停運(yùn)，進(jìn)行鎖定無縫鋼軌的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，進(jìn)而根據(jù)實(shí)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?yàn)閼?yīng)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(shè)鐵軌時(shí)，可以使用伸縮調(diào)節(jié)器來調(diào)整鋼軌的伸縮，這樣能保證鐵路的正常運(yùn)行。

5 高速鐵路鐵軌的無損檢測(cè)方法

由于鋁熱焊的焊縫屬鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，總會(huì)產(chǎn)生缺陷，所以需要對(duì)接頭進(jìn)行無損檢測(cè)，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(cè)鋼軌損傷并能實(shí)現(xiàn)鋼軌的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，仍是目前的重要課題。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過多年發(fā)展，高鐵軌道技術(shù)日趨成熟，并已經(jīng)形成相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，軌道檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)也必將隨著時(shí)間的推移而逐步完善，使高鐵運(yùn)行更安全、舒適和可靠，更好地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活。高速鐵路的建設(shè)，在全世界范圍內(nèi)正以驚人的速度延伸發(fā)展，對(duì)于已處領(lǐng)先水平的中國(guó)高鐵來說，更是千載難逢的機(jī)遇。展望高速鐵路的發(fā)展前景，改進(jìn)實(shí)踐中高鐵軌道出現(xiàn)的問題,提升高鐵的運(yùn)行質(zhì)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