無縫接軌

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冷到斷軌!台鐵焊點拉裂…– 三立新聞發布於2021年1月9日

台鐵傳統的道碴軌道,在每隔一段距離會預留鋼軌與鋼軌間的伸縮接縫,然後以魚尾板接合略微分開的兩段鋼軌,功用為避免軌溫上昇時造成軌道挫屈或軌溫下降時的軌道斷裂

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由於該處受行駛中列車的 激烈衝擊,易發生接頭下沉與道床鬆弛,造成軌道材料之損壞,且車輛的振動將使乘客產生不適感。因此較新的連接鋼軌的方法是連續焊接鋼軌(Continuous Welded Rail,CWR),亦稱無縫軌道,台鐵之長焊鋼軌即是利用標準長度25m的定尺鋼軌連續焊接而成

常見的焊接方法有

一、電阻火花焊接(Flash Butt Welding):將兩根鋼軌接口輕輕對合,重複以大電流來開通再切斷電源,利用接觸電阻的焦耳熱效應來加熱鋼軌並產生火花。直到鋼軌接口達熔融狀態後,順著鋼軌軸向施加衝擊力而使鋼軌接合成一體,這是長焊鋼軌最主要的方法,焊接的強度也最高

二、瓦斯壓接法(Gas Pressure Welding):就如同建築工地的鋼筋壓接

最後再刮除接合的凸起部位,這種方式的焊接強度僅次於電阻火花焊接

三、鋁熱劑焊接(Thermit Welding):各國大多先在焊軌工場用閃電對頭焊接機(Flash Welding Machine)完成一定長度之焊接鋼軌後,再運往工地使用此法焊接

四、封閉式電弧焊接(Enclosed Arc Welding):鋼軌與焊條通以直流電使產生電弧,利用電弧產生的熱量熔化焊條來將鋼軌熔接。適合工地現場焊接,但工作人員的技術影響品質極大,此法的焊接強度稍弱

五、電磁感應加熱熔接(Induction Welding):

運用以上這些方法將鋼軌接成連續的一條,由於沒有了接縫,使得路軌的強度及平穩性增加,火車可以在持續焊接軌道上以更高速度行駛。需要的維修較少,車輛行駛時也更安靜平穩。但是無縫軌道在熱脹冷縮時,仍須克服軌道可能 挫屈 或斷裂的問題。挫屈源自於壓應力,這就如同拿一根直尺以雙手向中心擠壓時直尺會彎曲。2016/6/4在花蓮富里路段發生的脫軌事故,極有可能就是炎熱高溫造成軌道結構發生的側彎變形所導致

累積過大的壓應力若突然釋放,駕駛員就有可能來不及應對而造成列車出軌意外

為了降低挫屈造成出軌的風險,台鐵在鋪設長焊鋼軌時,鋼軌會被先被拉緊形成張應力的狀況,然後才鎖定在軌枕上。這樣就算日後溫度增高,路軌因高的溫差所產生的熱膨脹也會減少,因為這得先從張應力慢慢減少,然後才能變成壓應力的狀況。這種防範機制類似於強化玻璃,以一般的鈉鈣玻璃而言,加熱使其溫度高於玻璃轉化溫度而低於液相溫度,等到整體溫度達到均勻的680 °C後,將玻璃透過冷空氣來快速冷卻其表面,藉由冷卻收縮來產生殘留壓縮應力的表面層。由於玻璃的破碎機制是當外力撞擊時,玻璃的下表面受到拉伸的張應力作用而開裂,而強化玻璃其下表面原本是壓縮狀態,因此就得先克服壓縮應力之後才能轉而產生張應力的拉伸狀態,於是就能增加玻璃的強度

TemperedGlass

2016/6/4在花蓮富里路段發生脫軌事故後,台鐵欲將該路段的上限溫度修正到 70℃,那麼在不改變軌道材料的條件下來提高舖定溫度,然後在較高溫度下將扣件鬆開來釋放壓應力,再將其重新鎖上不失為可行的解決方案。果真如此的話,那麼這陣子的嚴寒與當時鋪設時二者的溫差就會造成非常大的收縮應力,不禁令人懷疑這就是2021年1月8日富里路段冷到斷軌的原因。

參考資料:淺談鋼軌焊接與探傷檢測方法

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