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1、高铁铁轨怎么克服热胀冷缩：少年科学粉每日一题｜高铁的无缝钢轨是怎样克服热胀冷缩问题的？

撰文/高亮（北京交通大学教授）

本文选自《知识就是力量》杂志

高铁，大家经常坐，但是你们有注意过高铁的轨道么？高铁轨道中间是没有肉眼可以看见的缝隙的。那么，轨道中间没缝的话，为什么不怕热胀冷缩呢？下面跟着知力君来了解一下——高铁的无缝钢轨技术！

无缝线路是将标准长度的钢轨焊联而成的长钢轨线路，其优点在于彻底消灭了钢轨接头，是实现高速铁路高平顺性、高稳定性、少维修量等设计目标的关键技术之一。

当环境温度变化时，无缝线路长钢轨会随着温度的改变发生热胀冷缩现象。但由于长钢轨不能自由伸缩，其内部会产生很大的温度应力。长钢轨内部温度应力仅与轨温变化有关，而与长钢轨的长度无关。

因此，无缝线路理论上讲可焊联成任意长度，而控制温度力的关键，是合理控制轨温变化的幅度，即需要为长钢轨设计一个适宜的锁定轨温，并采用扣件逐点锁定的方式，加强对无缝线路钢轨热胀冷缩变形的控制。

一般而言，设计锁定轨温应保证夏季钢轨在最大升温条件下不发生鼓曲或涨轨；冬季钢轨在最大温降条件下，尽量不发生断轨。特殊情况下，也应保证断轨后钢轨的断缝值不超过钢轨断缝的容许值。

在长轨条铺设焊接时，应严格控制施工锁定轨温在设计锁定轨温范围之内；在日常养护维修中，应严格遵守无缝线路养护维修作业轨温的相关规定，保障长轨条的热胀冷缩产生的钢轨温度力在安全范围之内。

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结合本期的这篇科普文章，

我们一起来回顾一下

【初中物理】知识点。

2、高铁铁轨怎么克服热胀冷缩，高铁铁轨真的没有缝

高铁铁轨真的没有缝吗？无缝怎么克服热胀冷缩呢？

以前普通铁路绿皮车时代，车轮撞击铁轨时就会发出“咣当咣当”有规律的声音，长途旅行无聊时会拿它当催眠曲......就是因为两个铁轨中间会预留一定的缝隙，抵消热胀冷缩带来的变形影响。

进入高铁时代，跑得既快又稳，如果高铁钢轨上还有缝的话，列车高速通过时产生的巨大冲击力，就不仅仅像普通铁路那样产生噪音的问题了，由此带来的振动可能会对车轮造成致命的损坏。很多人都听说过是因为高速铁路使用了无缝轨道，那么问题就来了，无缝轨道是怎么克服热胀冷缩的呢？无缝轨道真的没有缝吗？

最早在1915年，欧洲的有轨电车轨道上就开始使用焊接的长钢轨，焊接后的轨条长度为100~200米。由于接缝减少，车辆通过轨道接头区的冲击和由此引发的振动和噪音都大幅减少了。

到了上世纪30年代，美国开始在隧道内试验铺设无缝钢轨，随后在区间内也开始铺设。随着焊接技术的发展，到了五、六十年代，法国、苏联、日本开始大量铺设。而我国在1957年在北京上海两地开始铺设了1公里无缝线路，大规模试铺则是1958年。

进入新世纪，从2000~2022年，秦沈客运专线一次铺设跨区间无缝线路成功，随后在全国各地多条干线铁路和高速铁路上大范围铺设无缝线路。

普通铁轨一般每根长12.5米或25米，为了大量消除接头，就把几根钢轨焊接起来，形成几百米的长轨条，这就是最初的普通无缝轨道，是第一次进化。

为什么那时候轨条长度不能再长了呢？这是因为受到了闭塞分区和道岔的限制。后来胶接绝缘和无绝缘轨道电路技术有了长足发展，闭塞分区的限制被突破，无缝轨道的单根长度从几百米可以延长到线路上的两站之间的区间，这是无缝轨道的第二次进化。此时道岔仍然是无缝轨道的拦路虎，车辆进出站时还是要断开。

再后来，随着无缝道岔技术的发展，无缝长轨条可以和道岔直接连接了，结果无缝轨道可以跨越多个区间，成为一个整体，这是第三次进化，它真的可以实现很长很长的距离上没有一条缝，比如刚才提到的秦沈客运专线。

一根钢轨放在枕木上，两端不固定，如果轨道温度升高就会变长，反之就会缩短。它的伸缩变化量有多大呢？直观地说，假如钢轨L长100米，温度变化∆t为1度，伸缩量∆L约为1.18毫米。

伸缩变形量的理论公式是∆L=a·L·∆t，其中a是一个常数，大家可以参考。

如果把整根钢轨都牢牢固定住，这时温度变化，钢轨不能再自由伸缩变形了，于是会在钢轨内部产生温度应力σt。升温时轨道不能伸长会产生压应力，降温时轨道不能收缩会产生拉应力。【类似于弹簧的拉伸和压缩过程，区别是弹簧有形变，钢轨没有形变】

温度应力的理论公式是σt=E·a·∆t=2.48·∆t，其中，E和a都是常数。

我们可以看出：这种温度应力σt的大小不再与轨道长度L有关系。这就是无缝轨道可以存在的理论基础，理论上无缝轨道就可以修无限长，只要我们能有效控制轨道温度变化产生的温度应力。如果超出钢轨的强度，比如夏天可能会胀轨变形，冬天可能会断轨。

最初的有缝轨道，使用木质枕木和勾头道钉，把钢轨固定在枕木上，对钢轨的固定能力有限，尤其是在高温时，很容易胀轨变形，需要经常维护检查。

枕木和道钉

道钉特写

轨面检查

前面也提到了，要想不让无缝轨道轨温变化出现热胀冷缩，只有想办法把钢轨牢牢地锁死在轨枕上，现代的高速铁路线路上都使用连接扣件。在我国高速铁路上，无砟轨道主要有四种，有砟轨道主要有三种类型的扣件。

高铁无砟轨道扣件固定钢轨

高铁有砟轨道和扣件固定钢轨

每根枕木两端都有扣件，靠各种类型的扣件，钢轨就可以被牢牢固定在钢轨上了。在我国南方地区，常年温差不大，钢轨内产生的温度应力，完全可以被这些扣件的力量给抵消掉，保证钢轨不会变形。

但是在我国北方地区，尤其是东北高寒地区，每年温差高达几十度，无控制条件下钢轨温差变形量很大，如果完全控制温度应力又很大，这又要怎样控制热胀冷缩呢？

既然一根钢轨会随轨温变化带来热胀冷缩，从而产生压应力或拉应力，那么必然会有一个温度条件下，钢轨内部不产生温度应力，这个温度专业上叫零应力轨温，业界通常更愿意称之为“锁定轨温”。如果在这个温度下把无缝钢轨用扣件固定住，那么温升或温降再产生的轨道形变的可能就小了很多。通俗点讲，别再气温最高时固定铁轨，那样在冬天更容易被拉断；反之，也别再气温最低是固定，那样在夏天更容易让铁轨胀轨。

但是轨道的温度虽当地气候乃至当天的天气都有很大关系，一般情况下，最高轨温要比当地最高气温高18~25℃，最低轨温比当地最低气温低2~3℃。那么在施工时很难做到在锁定轨温下施工，那怎么办呢？

在工程实际上，虽然锁定轨温允许在上下一个小范围内浮动，但是上述问题仍然存在，怎么办？如果轨道固定施工时，测量轨温小于锁定温度，就用机械拉轨器拉伸轨道，让它伸长到锁定轨温下该有的长度上再固定；如果测量轨温大于锁定温度，那只能等气温、轨温降低后才能实施固定。这叫温度应力式无缝线路。

如果在东北、西北等高寒地区修建高速铁路无缝线路，虽然在锁定轨温附近固定了铁轨，但是由于温差实在太大，再极热或极寒天气条件下，单纯靠扣件的力量已经无法固定铁轨，那么只能在合适的时间点，比如春秋季节对无缝轨道进行切割应力放散。通俗点讲，经过精确计算后，天热之前把铁轨截掉一段；在天冷之前，把铁轨补上一段，专业上称之为定期放散温度应力式无缝线路。

这回你知道心中多年的疑问了吧，现代的高速铁路铁轨确实可以做到上百甚至几百公里没有缝，而控制热胀冷缩变形的核心技术就是利用连接扣件的力量抵消钢轨的温度应力，本质则是钢轨的温度应力与轨长无关。

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