为什么火车铁轨在酷热条件下会发生扭曲变形

钢轨自由放置情况下，当轨温变化时就会自由伸缩。夏天受热会伸长，冬天受冷会缩短，也就是“热胀冷缩”。将多根钢轨联结成轨道，很显然每隔12.5m或25m就会有一个接头。接头之间要留有轨缝，约为8mm。留轨缝就是为了防止钢轨在热胀冷缩时产生的温度力破坏钢轨。一般来说，钢轨温度每改变1℃，每根钢轨就会承受1.645吨的压力或拉力。轨温变化幅度为50℃时，一根钢轨则要承受高达82.25吨的压力或拉力。如此巨大的温度力力足以破坏铁路轨道岔的正常状态。因此在无缝线路上这样大的伸缩量是绝不允许的，必须采用防爬设备将两端锁定，或在线路轨道设置强大的线路阻力来锁定轨道，以限制钢轨的自由伸缩。如果将一定长度范围内的钢轨两端固定，限制钢轨自由伸缩，则轨温变化时，线路钢轨就会出现内应力，这个力是由轨温变化引起的，故叫做温度力。具体地说也就是无缝线路经锁定后，夏季温度升高时，钢轨受热伸长，但受到约束不能够伸长，内部产生压应力；冬季温度降低时，钢轨受冷缩短，但受到约束也不能够缩短，内部产生拉力。正因为钢轨被这样牢牢锁定在了轨枕上，钢轨才能受到如此大了温度力而不变形，这就是无缝线路的基本原理。当轨温高于锁定轨温时，无缝线路钢轨断面上要承受温度压力。温度压力和轨温的正向变化度数成正比。当轨温升到最高值maxt时，温度压力达到最大值maxPt。另一方面，因为有接头阻力和道床纵向阻力的存在，温度压力绝大部分被限制在钢轨断面上，只有极小部分在伸缩区被释放掉。这股限制在钢轨断面上的温度压力，总要遵循自然规律寻机放散出去，以求彻底平衡。当它达到一定值，在纵向上仍找不到出路时，就会到横向上去谋求出路，而无缝线路的曲线正好给它提供了这种机会，即纵向温度压力合成的径向分力Pr正好指向曲线外侧的方向，使曲线顺势向上股方向臌曲。而直线线路也不可能绝对直，一旦某处有些弯曲，纵向温度压力也会顺弯曲的方向合成径向分力Pr，造成直线轨道弯曲的方向变形。这样，只要温度压力达到了一定值，无缝线路轨道出现横向变形就不可避免。大量试验表明，这一变形的发生与发展过程中是有一定规律的，基本上可分为三个阶段：持稳阶段、胀轨阶段和跑道阶段。（一）持稳阶段持稳阶段是无缝线路承受温度压力的初始阶段。在这个阶段，温度压力虽因轨温升高而增大，但轨道并不发生变形，仍保持初始状态，温度力完全以弹性状态“贮存”于钢轨断面上。钢轨的初始弯曲越小，对应这一状态的温度压力值越高。如果钢轨为理想的几何直线，此状态可能将一直持续到温度压力达一个相当大的值，才会在外力的干扰下发生突然臌曲；然而由于种种原因，钢轨不可能是理想的几何直线，总会有某种程度的弯曲；因此，持稳阶段的钢轨温度压力不可能达到前述的“相当大的值”，相反，线路阻力越小、轨道几何状态尤其是方向越差，造成轨道臌曲变形的温度压力就越低。无缝线路的轨道是 否“持稳”，要看温度压力是否达到了一个临界值，亦即轨温是否达到了一个临界轨温。临界温度压力或临界轨温随线路状态的不同而有高有低。对于同一条无缝线路而言，只要温度超过了临界值，轨道就由持稳状态进入胀轨状态。把使无缝线路由持稳状态进入胀轨状态的温度压力叫做第一临界温度压力。在持稳阶段，无缝线路是相对安全的。（二）胀轨阶段当轨温继续升高，温度压力越过第一临界值时，胀轨阶段就开始了。在这一阶段，不断增大的温度压力使轨道产生由小到大、由少到多的横向变形，有时凭肉眼都能清晰地觉察出来―弯曲的线形越来越明显，变形矢度越来越大，轨道方向显著不良。但是轨温不可能无限制地升高。当它升到一定程度（只要在轨道的承受范围之内）后开始下降时，随着温度压力的逐步解除，可能看见，轨道的变形弯曲也跟着缩小，直至恢复到初始状态。也就是说，在胀轨阶段， 轨道的变形是弹性变形。无缝线路轨道在温度压力作用下产生的弹性变形叫胀轨。在胀轨阶段，在温度压力解除之后，能够恢复到初始状态的轨道弹性变形只有2mm。从理论上讲，超过2mm的轨道弹变形，在温度压力解除之后是不能完全恢复的，总要留下一些残余变形。轨温反复变化，这种残余变形将积累起来造成方向严重不良。因此，必须及时地对胀轨量加以限制。（三）跑道阶段在胀轨阶段，温度压力没有超过无缝线路的承受能力，但有可能达到能力的极限。此时，无缝线路的相对稳定已是在勉强维持，安全岌岌可危。当轨温再稍微升高，温度压力继续增大；若轨道稍受外力干扰（如列车制动、施工影响、锤击钢轨等），积聚在钢轨断面上的过量温度压力将轨道几何状态突然发生恶性变化——胀轨阶段的变形矢度突然显著加大，有时可达数百毫米，轨道在一瞬间发出巨大的声响严重臌曲，轨排脱离并拉烂道床，或钢轨与轨枕脱离导致行车条件完全丧失。通过严重扭曲变形的钢轨可以看出，它的变形已超出它的弹性限度，成为塑性变形；钢轨断面上的温度力已全部释放出来；钢轨在自然状态处于“零应力”状态，温度压力与线路阻力同时消除，此时线路已被严重破坏了。无缝线路轨道在温度压力作用下发生的破坏性变形叫跑道。