无缝线路

无缝线路（英文：Continuous welded rail）^[1]是把若干根标准长度（25m，50m，100m）钢轨经焊接成为一条长钢轨的线路，在其长钢轨段内消除了轨缝，使列车运行平稳，降低了轮轨振动和噪声，延长了线路设备和机车车辆的使用寿命，减少了线路养护维修工作量，并能适应高速行车的要求，是轨道现代化的发展方向^[6][7]。

目前中国主要有两种无缝线路，一种是普通的无缝线路，通常是在焊轨基地采用固定闪光焊的方法将百米定尺轨焊接成500m长轨条，经铁路运输至现场用移动闪光焊、气压焊或铝热焊的方法焊接后就地铺设，长度一般在1000m~2000m；另一种是跨区间无缝线路，采用移动焊轨车（闪光焊或气压焊）在线路上把标准长度钢轨焊接成设计长度的轨条，一般长度可达几百公里，成为跨区间超长无缝线路^{[6][8][9][10]}。

中国高速铁路均采用无缝线路一次铺设完成^[11]。

无缝线路强度取决于钢轨和接头的强度^[4]。无缝线路钢轨抗拉强度要求不低于880 MPa^[3]，目前客运专线或客货混运无缝线路主要采用60 kg/m U71Mn（抗拉强度880 MPa）或U75V钢轨(抗拉强度980 MPa)，在曲线段一般采用U75V热处理钢轨 ；重载货运无缝线路一般采用75 kg/m U75V热处理钢轨或U78CrV（抗拉强度1080 MPa）及其热处理钢轨等，以保证无缝线路强度^[12][13][14]。闪光焊和气压焊接头强度一般要求比钢轨强度低80 MPa，铝热焊接头强度要求更低^[15]。无缝线路结构设计须进行钢轨强度检算，并符合车轮动载荷及钢轨动弯矩、钢轨动弯应力、钢轨最大温度拉应力、钢轨最大附加拉应力、钢轨强度检算的规定^[3]。

无缝线路稳定性关系到铁路行车尤其是高速铁路行车安全，1928年德国阿曼等人开始研究^[4]。无缝线路稳定性主要涉及锁定轨温升及温度应力，日本、苏联、匈牙利、英国和德国先后进行模型轨道或实际轨道稳定性试验并提出计算公式，但都是在脱离机车车辆作用并做了较多假设得到的，不能完全反映实际轨道稳定状况，换算的温升在一定程度上具有实用价值^[4]。我国主要采用轨道稳定性检算，采用“统一无缝线路稳定性计算公式”或“不等波长稳定性计算公式”进行计算允许温升、允许温度压力^[3]。

无缝线路没有像普通线路的轨缝，钢轨在轨温变化时无法自由收缩，会在钢轨内部产生应力，应力由钢轨温度变化引起，成为温度力。温度力均匀作用于钢轨全长，夏季温度高，轨温升高，钢轨势必伸长，但因不能实现而转化为压应变，钢轨内部产生压应力；冬季温度低，轨温下降，钢轨内部产生拉应力。温度力F=250∆t·s（s为钢轨断面积）^[16]。

无缝线路铺设关键是要设法克服长钢轨的温度力问题。之前解决温度力是在温度力聚集到一定程度后释放应力，即在长轨条间铺设一段短钢轨，一般在春、秋松开短钢轨上的扣件释放钢轨应力，以解决钢轨胀缩问题，这种解决方式操作麻烦、工程量大且影响正常运输生产。现在采取加强轨道结构强度措施，如采用高强轨枕、高强螺栓、加强扣件/弹条扣压力等，紧扣钢轨于轨枕上，使长钢轨不再自由伸缩^[6][17][18]。

铺设无缝线路的关键是设法克服长钢轨因温度变化而产生的温度力问题，降低长轨条的温度应力^[5]。在铺设无缝线路时需要选择一个合适的锁定轨温，钢轨锁定时（铺设或维修时）的钢轨温度称为锁定轨温。施工锁定轨温应在设计锁定轨温允许变化范围内^[19][20]。确定锁定轨温遵循冬季钢轨不折断，夏季钢轨不胀跑的原则。有砟轨道无缝线路锁定轨温的确定方法已成熟，一般遵循以下公式：^[21]。

无砟轨道无缝线路锁定轨温的方法尚不统一^[22]。德国无砟轨道无缝线路设计锁定轨温范围一般为(Tc+3)士3 °C，该方法确定的锁定轨温比目前我国客运专线的偏高。我国无砟轨道无缝线路的中和轨温取（Tc-3）°C，即设计锁定轨温范围为(Tc-3)士5°C^[23]。

用焊接方法连接的钢轨对接接头，焊接接头包括焊缝和热影响区^[24]。一般采用闪光焊、气压焊等接触压力焊接，形成原子层级结合。或者采用铝热焊、电弧焊等熔焊方式焊接，形成铸造组织。焊接接头是目前我国无缝线路的主要接头形式，数量最多^[25]。

胶接绝缘接头分两种，一种是厂制胶接绝缘接头，在工厂内采用加温、加压的胶接工艺，将两根钢轨与夹板、绝缘槽板、绝缘端板、绝缘套管、高强度螺栓黏结并紧固而成的钢轨接头。一种是现场胶接绝缘接头，在施工现场，用胶黏剂将胶接绝缘夹板与钢轨黏结，并采用高强度螺栓紧固的钢轨接头^[26]。

无缝线路并不是完全没有轨缝，而是与普通线路相比无缝线路轨缝数量大大减少，钢轨长度远超传统钢轨^[27]。因接头数量远小于传统普通线路， 因此其优势是降低了车轮与轨道之间的摩擦，减少了行车阻力和对轨道的冲击力，提高了车轮与轨道的使用寿命，降低行车噪声，提升了轨道稳定性等^[28]。

按温度应力处理方式可分为温度应力式和放散应力式无缝线路。温度应力式无缝线路配置尖轨伸缩器，可自动放散^[5]；

放散应力式无缝线路，定期放散，寒冷地区一年两次（春、秋季）集中放散^[29]。

按是否跨区间分为普通无和跨区间无缝线路。普通无缝线路即温度应力式，线路有应力缓冲区。跨区间无缝线路为超长无缝线路，锁定轨温^[30][31][32]。

无缝线路钢轨焊接主要有三种：闪光焊、铝热焊和气压焊，目前应用最广泛的是闪光焊，其次是气压焊。闪光焊和气压焊接头为锻造组织，强韧性好，接头性能优良，主要用于焊轨基地焊接长轨条以及现场移动焊接，焊接需要用到大型专用闪光焊机或气压焊接设备，施工组织复杂，但接头质量好，接头服役效果好。铝热焊为铸造组织，接头性能差，主要用于线路抢修和道岔焊接，操作灵活方便，接头质量与操作人员经验密切相关^[33][34][35]。

固定式闪光焊主要用于厂焊或基地焊，国内应用最为广泛的钢轨定尺长度为100 m,通过厂焊或基地焊将100 m定尺钢轨焊接成500 m长钢轨。中国目前钢轨厂焊应用最广的是瑞士Schlatter公司生产的GAAS80固定闪光焊机，其特点是：自动测量和对中，三相平衡供电，对电网污染小。其次是乌克兰巴顿焊接研究所的K 系列闪光焊机,其特点是结构紧凑、体积小、重量轻，两相供电，对电网会造成干扰。目前国内焊轨厂共有GAAS80系列焊机27台，K1000系列焊机3台。K 系列钢轨闪光焊机均为交流焊接电源，焊接工艺采用连续闪光工艺或脉动闪光焊工艺。瑞士GAAS80 系列焊机为固定式直流焊机，焊接工艺大多采用预热闪光焊工艺，用于厂焊或基地焊^[36]。

表1 部分国外闪光焊机类型

类型功率/kVA焊接截面积/mm2生产率/接头/h顶锻力/t焊机质量/kgUN6-50050080006205000GAAS-80/580(瑞士施拉特)54010000205035000移动式K355（乌克兰）1501000012452430固定式K190nk（乌克兰）1501000012458000GAAS-80/700(瑞士施拉特)69012000256040000Fo-p(日本大阪电气)560120001175-固定式K1000(乌克兰)3002000020~30908500移动式K900(乌克兰)1501200010~15502500GAAS-100型撤叉对焊机（Shllater公司）700180001690-参考资料^{[37][38][39][40][41][42][43][44][45][46]}

钢轨移动闪光焊设备主要特点是自带发电机或行走机构‚大致可以分为集装箱式、公路或铁路自行车式和铁路自行车式^[47]，移动闪光焊机用于单元轨节现场焊。移动闪光焊机已经实现了具有完全知识产权的国产化，并且随着技术的不断进步，目前已经研发出包括槽型轨、逆变直流电源闪光焊机和闪光热处理一体机在内的先进产品^[48][49]。

铝热焊和电弧焊用于钢轨原位焊接。铝热焊接是将铝粉、氧化铁和其它合金添加物在特制的反应坩gān埚中‚点燃‚引发铝热反应，利用铝热反应物将两段钢轨焊接成一根^[50]。铝热焊一般应用于铁路钢轨的现场焊接, 是线路铺设特别是无缝线路锁定和钢轨断轨修复的不可缺少的方法。铝热焊具有焊接操作简单，方便施工等特点, 但其焊缝为较粗大的铸造组织 , 韧性 、塑性差 , 最好能够进行焊后热处理, 以改善焊接接头性能^[51][52]。

轨温变化时，线路的组成部件扣件、接头、道床产生阻碍钢轨向两端自由伸缩的纵向力^[53]。中间扣件和防爬设备抵抗钢轨沿纵向位移的力。由钢轨与轨枕垫板面间摩阻力和扣压件与轨底扣着面间的摩阻力组成，其值取决于扣件扣压力和摩擦系数的大小^[54]。钢轨接头产生阻止钢轨纵向位移的阻力称为接头阻力，胶接接头阻力由钢轨夹板摩阻力和螺栓抗剪力组成。焊接接头阻力较小，主要是摩擦力和接头不平顺引起的动态阻力。道床阻力指抵抗轨道（钢轨和轨枕）纵向位移的力。与道床密实度、道砟粒径、材质等有关。道床阻力是抵抗钢轨伸缩、防止线路爬行的重要参数^[55]。

无缝线路铺设主要涉及长轨条运输、现场焊接施工、应力放散、锁定轨温等工序^[56]。主要难点在于跨区间无缝线路铺设，如道岔区、桥梁等特殊地段无缝线路施工^[57]。一般无缝线路施工流程为：轨排铺设、放散施工、钢轨焊接、人工整道，其中焊铺施工流程见下图^[58]。

无缝线路运行中会对钢轨造成伤损，产生轨面剥离、波浪形磨损、轨头压溃、裂纹和轨面断裂等^[59]。对轻微伤损钢轨一般采用在线修复技术，如轮轨润滑、钢轨打磨、钢轨铣磨、热喷涂表面修复、钢轨堆焊修复等。对于严重伤损钢轨一般需要进行换轨维修^[60]。