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Track Engineering

Track Engineering. Track Buckling. 長焊鋼軌. 減少接縫  提高軌道品質 大幅減少軌道維修 需克服鋼軌內溫度應力問題 為什麼可以免伸縮接縫？ 長焊鋼軌的技術關鍵. 扣件或道渣束制，鋼軌兩端受縱向阻抗力 (longitudinal resistance/creep resistance) 阻抗力大小 與端點距離 當遠離端點達一定數量軌枕後，阻抗力能完全阻止鋼軌縱向移動。 這個距離長短因溫差不同而不同，軌枕及道渣的阻抗力也是影響滑動區長短的重要關鍵。. 縱向阻抗力與時間之關係. 縱向阻抗力會因反覆交通振動發生改變

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Presentation Transcript

  1. Track Engineering Track Buckling

  2. 長焊鋼軌 • 減少接縫  提高軌道品質 • 大幅減少軌道維修 • 需克服鋼軌內溫度應力問題 • 為什麼可以免伸縮接縫？ • 長焊鋼軌的技術關鍵

  3. 扣件或道渣束制，鋼軌兩端受縱向阻抗力(longitudinal resistance/creep resistance) • 阻抗力大小 與端點距離 • 當遠離端點達一定數量軌枕後，阻抗力能完全阻止鋼軌縱向移動。 • 這個距離長短因溫差不同而不同，軌枕及道渣的阻抗力也是影響滑動區長短的重要關鍵。

  4. 縱向阻抗力與時間之關係 • 縱向阻抗力會因反覆交通振動發生改變 • 並不影響挫曲溫度 • 影響挫曲後軌道扭曲的嚴重程度 • 縱向阻抗大小影響自由端之鋼軌伸縮量 • 阻抗小 • 伸縮接縫易生擠壓力，stress free temperature (NRT)較低，較容易在氣溫升高時發生挫曲。 • 遠離伸縮端，縱向阻抗之影響較小。 • 例外：有爬軌之虞路段，可能造成部份溫度應力重分配，相當於部分鋼軌NRT上升，部分下降，顯著提高挫曲之風險。

  5. 鋼軌固定點附近軌道爬行最危險，例如尖軌、岔心鋼軌固定點附近軌道爬行最危險，例如尖軌、岔心 • 爬行發生機制仍不完全清楚。 • 主要影響因素包括軸重、牽引力、制動力、及坡度 • 目前一般扣件都能提供足夠縱向阻抗力，在大部分路段有效防止鋼軌爬行。 • 足夠的縱向阻抗也能在鋼軌發生拉斷情形時，拉住鋼軌，防止出現大空隙。 • UIC規範草案初步規定道渣軌道之縱向阻抗力下限值為15kN/m/rail。

  6. 長焊鋼軌 • 除兩端伸縮接頭外，全長無法自由伸張 • 溫度變化引起鋼軌內縱向應力變動 • 必須在Neutral Rail Temperature (NRT)下鋪裝焊接 • 若氣溫太低，以千斤頂將鋼軌拉長到接近NRT溫度長度下再行鋪裝。 • 當氣溫超過NRT，鋼軌受壓力反之受拉力 • NRT須視當地氣溫而定。

  7. 以BR而言 夏季鋼軌最高溫 53℃ 冬季鋼軌最低溫 -14℃ Neutral 27℃ • 鋼軌承受載重變形造成內部殘餘應力重分配 • 通車數月後造成承受壓力狀態，相當於NRT下降約3-5℃ • 造成NRT下降之因素仍包括 • 冬天於彎道處發生的彎道縮短現象 • 更換鋼軌 • 鋼軌爬行 • 膨脹接縫開口過大

  8. 長焊鋼軌受力 P = A E a T P : 鋼軌拉力或壓力 A : 鋼軌斷面積 E : 鋼軌楊氏係數 (2.1×1011 N/m2) a : 鋼軌熱膨脹係數 (1.15×10-5 1/℃) T : 鋼軌溫度與NRT之差距 • 一般60公斤鋼軌受力約1.9 tonne/℃/rail

  9. 補充：降溫升溫受力演變 • Step 1 溫度下降過程 PH 剛開始下降，鋼軌接頭與扣件都足以抵抗溫度力  所以溫度力線圖維持直線  代表鋼軌沒有伸縮

  10. Step 2 溫度下降過程 PH • 溫度繼續下降，溫度力已經大到某個程度 • 與鋼軌接頭阻力相等  仍然沒有實際縮短

  11. 溫度下降過程 • Step 3 Pt PH 滑動量大 滑動量小 L拉 L拉 • 溫度繼續下降 • 接頭螺栓將拉不住鋼軌  出現縮短 L拉 : 產生位移的部分(長度)

  12. 溫度下降過程 • Step 4 Ptmin PH=392 kN L拉max L拉max 溫度下降到最低軌溫Tmin=-18 C, DT=46 C

  13. 反向升溫過程 • Step 5 PH PH L拉max L拉max 溫度上升  接頭拉力漸獲舒緩  長度尚未改變

  14. 反向升溫過程 • Step 6 PH PH L拉max L拉max 溫度繼續上升  接頭拉力由拉力變為壓力  長度尚未改變

  15. 反向升溫過程 • Step 7 PH PH L拉max L拉max 溫度繼續上升  接頭阻力達到壓力上限  長度尚未改變

  16. 反向升溫過程 鋼軌長度開始變長(原來降溫的縮短量開始變少) • Step 8 PH 溫度力峰 PH L峰 L峰　 溫度繼續上升  溫度力推動接頭鋼軌出現伸長  扣件阻抗開始反向，抵抗伸長

  17. 反向升溫過程 • Step 9 PH P峰max Pmax L峰 L峰 PH 溫度上升到最高軌溫Tmax=63 C, , DT=35 C  扣件反向阻抗長度達到最大 L峰max 鋼軌受壓力達到最大P峰max P峰max比Pmax大106kN, 相當於5.5 C

  18. 降溫升溫受力演變 總結 • 溫度力峰發生於道床阻力梯度反向之處 • 伸縮區(力峰)受力性質與固定區不同(相反) • 軌道挫屈多發季節不是高溫季節，而是春夏之交 • 軌溫接近或稍低於鎖定溫度，養護人員以為溫度力小。實際上，伸縮區溫度力峰與固定區可能高達20 C (如step8) • 溫度繼續上升，伸縮區力峰與固定區溫度力差逐漸縮小，達到最高溫，溫度力峰達到最大 • 若溫度能升到與降溫相同差額(46 C)力峰將不存在

  19. 最大壓力峰值=固定區最大拉力與壓力 • P峰max與鎖定溫度無關 • 鎖定溫度僅能管理固定區之溫度力 • 伸縮區之溫度力峰須以增加橫向阻力應付 • 接頭阻力與縱向阻力梯度均非定值，非線性，季節性。計算值僅供參考。

  20. 影響鋼軌挫曲之因素 • 鋼軌溫度 • 無風、陽光曝曬，鋼軌溫度高於氣溫達17℃。 • 側向阻抗 • 主要來自道渣與鋼軌側向勁度 • 道渣阻抗功能主要來自三項機制 • 軌枕底部與道渣之摩擦力 • 軌枕側面與道渣之摩擦力 • 道渣路肩承受軌枕兩端正向力大小 • 三項機制取決於軌枕重量、形狀與尺寸、間距、道渣種類、夯壓密度、路肩設計等因素。

  21. 混凝土軌枕之側向阻抗比木枕多出約50%。 • 側向力/側向位移關係與一般摩擦特性相似 • 極小側向位移限度內，能承受相當大側向力; • 側向力達極限值(側向阻抗能力)，出現大滑動。 • 道渣路肩寬度或厚度能有效提高側向阻抗。 • 但超過BR規範道渣厚度(150mm)與寬度(375mm)效果有限

  22. 道渣壓實度相當重要。道渣維修擾動後會明顯影響側向阻抗Smooth tamping with small lift -20%Design (large lift) tamping -40%Measured shovel packing -60%Ballast cleaning -70% • 維修後交通載重有助於恢復側向阻抗。 • 估計準則：200000噸交通量可恢復90%側向阻抗。軌道振動機約能恢復50%。

  23. 扭轉阻抗力 • 局部扭力可能導致鋼軌轉動，挫曲。 • 扣件之扣接力提供扭轉阻抗力 • 基鈑之阻抗力明顯優於彈性扣件。 • 影響因素 • 鋼軌 • 鋼軌斷面積、斷面慣性矩、熱膨脹係數 • 斷面慣性矩大，各項阻抗力均高。 • 錳鋼之熱膨脹係數明顯較高(高約50%)，應避免用於長焊鋼軌。

  24. 路線高程與位置 • 高品質之路線可容忍上述因素中部分缺陷，不致發生挫曲。 • 路線精度缺失，將因反覆溫差脹縮及交通量更加惡化，挫曲。 • 一般認為垂直高程誤差可能對挫曲影響較小，但可能引發垂直動力衝擊使得軌枕跳動，減低有效阻抗力，最後仍會引發挫曲。

  25. 彎道 • 彎道側向力遠大於直線段 • 彎曲鋼軌若受壓，自然較傾向於向外側移動;若受拉力，則傾向內側側移。 • 通常彎道鋼軌受拉時間較多。 • 長焊鋼軌之彎曲程度不宜太大。曲率半徑較小之路段並不適合採用長焊鋼軌。 • BR規定CWR下限半徑為600m。若必須舖設於更小半徑之彎道，則設計必須增加彎道軌枕。

  26. 接縫式鋼軌 • 傳統接縫式鋼軌之伸縮縫接頭維護得宜，能提供更大的挫曲緩衝。 • 列車行駛 • 下列三個安全限度下降，易發生挫曲意外 • 輪載重使輪前緣及車廂前後轉向架間之軌枕被鋼軌上揚力提昇，因而降低側向阻抗力。 • 行駛列車引發之振動對鋼軌形成額外之側向力負擔 • 彎道上鋼軌溫度會因劇烈摩擦而上升，增加挫曲之危險。

  27. 鋼軌溫度限度 • 以模型分析不同溫度載重下之行為 • 當溫度高到臨界點(本例中為60℃)，鋼軌變形量急速增加 • 計算出Critical Rail Temperature (CRT)作為軌道設計參數 • 當鋼軌溫度達到CRT時，必須採取防範挫曲措施 • 派專人至潛在挫曲警戒區檢查及豎立速限警示牌

  28. 因素眾多，精確掌握挫曲溫度非常困難 • 最關鍵誘因為軌道線型偏差 • 假設某種程度之偏差(misalignment)，透過理論計算CRT。 • 透過計算，不同軌道可能有不同CRT。 • CRT不代表精確挫曲溫度，是軌道挫曲危機的相對指標。 • BR「標準」CRT為53℃。

  29. BS113A鋼軌、混凝土枕(間距70cm) • 正常壓實道渣 53℃ • After small lift tamping 45℃ • After large lift tamping 43℃ • After measured shovel packing 38℃ • After ballast cleaning 35℃ • BS113A鋼軌、木枕(間距65cm) • 正常壓實道渣 45℃ • 除以電腦計算之外，CRT也可以圖解求得

  30. 先查側向阻抗力

  31. 再以側向阻抗力與鋼軌斷面積查CRT

  32. 選擇鋪定溫度 • 設計溫度範圍 • Min. temp.：20年來最低溫-6℃ • Max. temp.：最高氣溫+18℃ • 鋼軌溫度範圍: 空氣高低溫差 + 24℃ • 鋼軌容許溫度 • 降溫 (拉斷)： 43℃ • sallow=101N/mm、a=11.5×10-6/℃、E=20×104 N/mm • 升溫 (buckle)：查圖 (前一頁)

  33. 最高氣溫 最低氣溫 Stress free 42ºC 拉斷 需求 供給 Buckle 最高軌溫 Buckling design temp. 18ºC Required range 理論鋪設溫度範圍 10ºC 實際鋪設溫度範圍 Max. allowable range=BDT+42 10ºC 6ºC 最低軌溫 Required range < BDT + 42

  34. 降低鋼軌挫曲風險的措施 • 新建路線 • 鋼軌斷面 • 軌枕重量與間距 • 道渣寬度厚度 • 扣件之縱向阻抗力 • 養護不周將降低挫曲安全係數

  35. 既有路線養護重點(春天特別重要) • 維持道渣斷面 • 避免擾動軌道(尤其在夏天) • 掌握軌道爬行位置，採取防爬措施 • 避免在無束制之下切斷CWR • 確保彎道線型正確 • 注意維持鋼軌線型

  36. Track Engineering Structure Gauge Requirements

  37. 重要性 • 為確保軌道車輛能夠安全的在軌道上運行而不引起碰觸沿線結構物、設施、或鄰線車輛之顧慮。 • 移動車輛所需安全空間顯著大於靜止車輛 • 軌道狀況激發車輛隨懸吊特性晃動前進 • 彎道離心力作用引起車輛外甩 • 軌道本身位移，車體零件損壞、軌道磨耗

  38. 定義 • 軌道斷面外圍的一條線，線內不得設置任何結構物或設備

  39. 車身形狀(body profile) • 車輛停放、平坦、直線段，車廂斷面線包括車門踏板、門把、、 • 運動包絡線(kinematic envelope) • 車身形狀線 + 晃動量 • 晃動量：車輛以定速沿運行，車廂搖晃範圍 • 軌道不整、軌道接頭、道岔、平交道、超高度、輪軌磨耗等因素

  40. 晃動包絡線(Swept envelope) • 運動包絡線 • 列車側向晃動的可能範圍 • 彎道伸移(Curve overthrow) • 列車於彎道上，使轉向架間車身移向內側，轉向架之前後懸伸部分移向外側。

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