鋼鐵會不會熱脹冷縮?
當溫度上升時,粒子振動幅度增加,從而產生膨脹現象,反之,當溫度降低時,物體會收縮,鋼鐵也不例外,除個別物質外,基本上都適用此原理。
鋼軌溫度每變化1℃,伸縮長度為0.0118毫米,哈佳鐵路全長343公里,溫差導致鋼軌熱脹冷縮,它的收縮長度高達365米,接近400米跑道。
鋼軌熱脹冷縮問題如何徹底解決?
沒有辦法,以前鋪設鐵軌時,只能兩段鐵軌之間預留一段空隙,一般間隔為25米,當火車駛過縫隙時,會發出“咔噠咔噠”的聲音,歸根結底是有縫軌道的緣故。
以前綠皮火車的行駛速度不快,在有縫軌道上也勉強湊合,但隨著社會飛速發展,交通效率也成了一大重點,而高速行駛的列車經過縫隙時,存在非常大的安全風險,所以鐵軌的發展,需要兼顧安全和速度。
如果把有縫軌道的縫隙填充掉,採取無縫軌道的模式,這樣就能完美解決時速問題,但另一個問題卻很頭疼,那就是熱脹冷縮。
無縫軌道在炎熱的夏季,粒子膨脹後,鐵軌會發生扭曲,雖然肉眼很難觀測到,但對高速列車而言,絕對是致命危險。
中國是如何解決無縫軌道熱脹冷縮難題的?
20世紀初,歐洲在鋪設長軌道後發現,列車的噪音和速度都得到了有效改善。
20世紀30~50年代,美國、法國、蘇聯、日本開始大量鋪設無縫軌道,我國大規模鋪設無縫軌道的時間大概是從1958年開始的。
截至2007年,我國全長9萬多公里的鐵路軌道中,有超過5萬公里屬於無縫軌道。
從鋼軌質量著手,它的背後涉及到脫硫、爐外精煉、真空脫氣技術,在精軋階段,我國採用先進技術,例如高壓水除鱗、萬能軋機軋製和鋼軌熱預彎等,儘可能的去除內部雜質,提高鋼軌質量,降低鋼軌熱脹熱縮的幅度,背後是一個國家冶煉技術高超的表現。
不過鋼軌仍然會受影響,大家還記得不,以前鐵路軌道採用的是木質枕木和勾頭道釘,也就是把鋼軌鋪設在枕木上。
木頭這種自然界的物質受熱脹冷縮影響較大,對鋼軌的固定能力也有限,平常用在有縫軌道上勉強湊合,畢竟鋪設成本也低,以前綠皮火車的速度也不快。
但無縫軌道鋪設在木枕上卻不行,現在用的都是鋼筋混凝土,這種物質除了受熱脹冷縮影響較小外,還非常牢固。
設想一下,當鐵軌發生熱脹冷縮,會產生膨脹力或收縮力,但此時扣件的作用體現出來了,扣件將鋼軌和軌枕連線起來,並且把膨脹力、收縮力傳遞到鋼筋混凝土上,從而完成卸力工作。
舉個簡單的例子,你被一張張A4紙捆住,只要稍微用力,就能掙脫束縛,可如果你被繩子捆綁住,任憑你如何使出九牛二虎之力,仍然無法掙脫。
此時的你的確在產生作用力,但結果卻無法掙脫,而鐵軌雖然在發生熱脹冷縮反應,可這股膨脹力或收縮力,會被扣件牢牢鎖住,傳遞到地下。
那麼問題來了,人被捆住後試圖掙脫的力,基本都是橫向的,而鐵軌的膨脹力收縮力是360°的,雖然扣件鎖住了縱向的作用力,可橫向的力怎麼辦?
其實鋼軌本身存在伸縮調節功能,無縫鋼軌可分為固定區、伸縮區和緩衝區,鋼軌伸縮調節器由尖軌和基本軌構成,當鋼軌膨脹或收縮時,在不影響軌道的前提下,這些作用力可以朝軌尖釋放。
此外,鋪設軌道的時間也有很大講究,例如A地年最高溫為40℃,最低溫為-40℃,如果在最熱的時候鋪設軌道,那麼在最冷的時候,收縮幅度就會非常大,如果在最冷的時候鋪設,也是同理。
所以無縫軌道的鋪設,需要專家結合當地所在氣候,選一個合適的溫度去鋪設軌道,儘量選不高不低的溫度,這樣不管膨脹還是收縮,幅度都不會很大。
當然了,有些工程趕進度,沒法一天天的等,此時工程隊可以把軌道加熱或降溫到相關溫度,用人為手段去調控鋼軌的熱脹冷縮,背後又涉及到一系列數學物理計算公式。
一般鐵路工作人員每隔3個月會對軌枕進行檢測,發現數據異常後會及時修復,當然了,有些地方比較特殊,如果透過以上辦法無法解決無縫軌道的熱脹冷縮難題,那麼經過一系列精確計算,可以在天熱的時候截掉一段,天冷的時候補上一段,這種叫定期放散溫度應力式無縫線路。