专利名称：白色同步铁道的制作方法
技术领域：
本发明为铁道涂装光洁的白色隔热层，大幅度地缩减铁道的温度变化范围，实现铁道与道床同步热膨胀，就象钢筋混凝土里的钢筋与混凝土同步热膨胀一样，彻底解决铁道的热膨胀问题。
背景技术：
铁道工程最大的难题是铁道的热膨胀问题。目前公知的铁道热膨胀控制技术有两大类，一类是有缝铁道，一类是无缝铁道； 有缝铁道用相邻铁轨之间的伸缩缝连接方式，吸收铁道的热膨胀量，它的优点是结构简单，施工简便，造价低；缺点是伸缩缝变化范围太大，轮轨撞击严重，并由此产生一系列严重后果，例如震动和噪音，接头部分磨损严重，因疲劳破坏造成的断轨断板事故经常发生，危及行车安全；因此，列车允许运行速度很低，一般都在100公里/小时以下，不能满足国民经济蓬勃发展的需要； 目前公知的无缝铁道是‘无缝线路’铁道，它把标准长度的铁轨焊接成长铁轨，用锁定技术把长铁轨锁定在稳定的道床上，限制铁道的热胀冷缩；但是，锁定技术所提供的锁定力是有限的，所以铁轨的长度也是有限的，其效果只是尽量减少铁道的接头数目；它的优点是轮轨撞击次数大为减少，由此而产生的危害也相应地大为减少，列车允许运行速度得到显著提高，能较好地满足国民经济蓬勃发展的需要；缺点是铁轨焊接运输和安装非常麻烦，铁道对道床和路基的要求极高，铁路的结构极其复杂，工程成本极高，例如北京-上海高速铁路，全长1318公里，设计时速350公里/小时，预算已高达2000亿元，预计工期4年，预计列车票价接近飞机票价，普通百姓承受不起，例如成-渝城际铁路，动车组允许运行速度不到200公里/小时，票价竞高达0.25-0.3元/公里，2007年7月7日开通当天，重庆站售出车票不足100张，冷清场面与预期的轰轰烈烈场面形成巨大落差，据记者现场调查，70％旅客认为票价太高，节约时间有限，不能接受，造成严重亏损，可是降低票价同样也要亏损，成了烫手山芋； 无缝线路铁道由于热膨胀的存在，铁道内会积累巨大的温度力，使铁道处于失稳状态，胀轨跑道，轨道爬行，以及断轨断板事故，时有发生，严重危及行车安全。
由此可见，铁道的热膨胀问题不仅危害严重，而且难以克服，我们的前人为此已经付出了上百年的艰苦努力，但是世界上最昂贵的铁道，允许运行速度也只提高到区区350公里/小时。
现在铁道系统的人们，仍在孜孜不倦地追求，以更加强大的锁定力，延长铁轨长度，以期把无缝线路铁道的允许速度提高到500公里/小时。
发明内容
本发明提供一种白色同步铁道技术，能很好地克服上述两类铁道的缺点，以极低的成本，把铁道的允许速度，预期分别提高到250公里/小时以上，和1000公里/小时以上。
本发明的发明思路是，给铁道涂装光洁的白色隔热层，大幅度地缩减铁道的温度变化范围，实现铁道与道床同步热膨胀，就象钢筋混凝土里的钢筋与混凝土同步热膨胀一样，使热膨胀不再成为铁道工程中令人头痛的问题。
本发明特别涉及大地热膨胀问题；大地就是地球的球冠，与任何物体一样，也会热胀冷缩，夏季，北半球会膨胀，南半球会收缩，冬季情形则相反；只是大地热膨胀系数相对于铁道的热膨胀系数很小，又很难测量，所以，铁道工程中，迄今为止一直把它忽略不计。
本发明把大气温度变化范围△Tq，视为大地温度变化范围△Td，对大地热膨胀系数Rd进行评估，为方便对发明主题的理解，暂时取其数值为铁道热膨胀系数Rt的20％来计算，然后在实验中测试修正，即 Rd＝Rt×20％ 按这个估计的大地热膨胀系数计算，北京-上海之间的距离，夏季与冬季相差大约120米，与没有这个系数相比，更接近真实，更可信，更有用。
铁道工程中的‘铁道热膨胀量’，实际上就是‘铁轨’的‘离床’热膨胀量，叫‘绝对’热膨胀量，用△Ltj表示，△Ltj＝Rt.△Tt.L，其中△Tt为铁道的温度变化范围，L为计算段长度； 本发明所说的‘铁道热膨胀量’，是指铺设在道床上的铁轨相对于道床的热膨胀量，叫‘在床’热膨胀量，也叫‘相对’热膨胀量，用△Ltx表示，△Ltx＝△Ltj-△Ld，其中△Ld为道床的热膨胀量，△Ld＝Rd.△Td.L； 本发明要追求的就是要使铁道的‘相对’热膨胀量△Ltx趋于0，即△Ltj＝△Ld，也就是追求铁道与道床同步热膨胀，即 Rt.△Tt.L＝Rd.△Td.L，简化后得 Rt.△Tt＝Rd.△Td亦即Rt.△Tt＝Rd.△Tq亦即 Rd/Rt＝△Tt/△Tq……(P) 公式(P)就是铁道与道床同步热膨胀‘判别式’；要满足判别式(P)，只要把铁道的温度变化范围△Tt缩减到当地气温变化范围△Tq的20％，亦即大地温度变化范围△Td的20％就可以了，即△Tt＝△Tq×20％ 铁道工程中所指当地气温变化范围，是指当地有记录的极端气温变化范围，例如新疆土鲁番和天津塘古，极端最高气温为47℃，虽然100多年才遇一次，而且只有那么一天的那么大约1个小时，可是设计师不得不按这个极端气温记录，设计塘古地区和土鲁番地区的铁路，也就是说，一条铁路，不得不为这百年一遇的短暂的1个小时最高气温，付出高昂的代价；所以控制铁道温度变化范围，首先就要有效地控制极端温度变化范围；本发明所提供的白色同步铁道技术，不仅能有效地控制铁道的温度变化范围，而且能最有效地控制极端温度变化范围，所以成本不高，效果却出乎意料的高。
控制铁道温度变化范围，首先从铁道的颜色和表面光洁度入手 物体的白色表面反辐射热效率最高，黑色表面吸收辐射热效率最高；白度从0—1，也就是黑度从1—0，反辐射热效率依次为0—100％；白度为1叫‘绝对’白度，只可接近，不可达到，例如，最接近绝对白度的是洁净的白雪，几乎能把阳光全部反射出去；黑度为1叫‘绝对’黑度，只可接近，不可达到，例如，最接近绝对黑度的，是内壁涂黑的密闭容器上的小孔黑洞，几乎能把照射到黑洞上的阳光全部吸收进去；在铁道工程中，要想追求并长期保持绝对白度或绝对黑度，更是不可能的，只能追求尽可能高的白度或尽可能高的黑度。
除了物体表面的颜色能反辐射热以外，还有物体表面光洁度也能反辐射热；工程中把表面光洁度分成1—12个等级，例如，表面光洁度极高的镜子为12级，几乎能把辐射热全部反射出去；在铁道工程中，要想追求并长期保持象镜子那样极高的光洁度，也是不可能的，只能追求很高； 铁道的温度变化范围，远远大于当地的气温变化范围；世界各地，哪怕是气候恶劣的沙漠地带，当地的气温变化范围也只不过60℃左右，而当地的铁道温度变化范围却可超过100℃，原因就是铁道的黑色且粗糙的表面—其光洁度比1—12个等级中的1级还要低，吸收辐射热的效率极高的缘故，它几乎能把辐射热全部吸收，使本身温度急剧上升；而铁道又是良导热体，当没有太阳的时候，又能快速地把本身吸收的辐射热，传导给周围的介质，使自身温度迅速下降；二者叠加的效果，导致铁道的温度变化范围远远大于当地气温变化范围。
本发明提供一种白色同步铁道技术，铁轨铺设在道床的轨枕上，其特征是铁道涂装光洁的白色隔热层；轨枕，特别是钢制轨枕，也要涂装光洁的白色隔热层；预期把铁道的温度变化范围，缩减到当地气温变化范围的20％，即△Tt＝△Tq×20％，实现与道床同步热膨胀。
下面根据实施例和附图，做进一步详细说明
附图所示为伸缩缝铁道，其中1和5为隔热层扒紧螺栓 2.鱼尾板扒合螺栓 3和4为两根相邻的铁轨 6.光洁的白色隔热层 7.槽钢轨枕 8.弹性扣件 M.安全段 N.安全边 P.铁道的上表面 Q.与车轮接触的侧面 A.铁轨与钢制轨枕的接触面 e.遮阳边 为了图面简洁，便于对发明主题的理解，图中略去鱼尾板、弹性扣件以及全部紧固件。
实施例 一种白色同步铁道，每两根相邻的铁轨(3)和(4)连接在一起，铺设在槽钢轨枕(7)上，其特征是铁轨(3)和(4)涂装光洁的白色隔热层(6)；遮阳边(e)用于遮挡阳光和寒风，适用于无散落物的铁道，例如，适用于封闭型列车专用线；设计这种列车要顾及到遮阳边；安全段(M)和安全边(N)涂光洁的白色；槽钢轨枕(7)的两端封闭，并涂装光洁的白色隔热层；铁轨与钢制轨枕的接触面(A)除锈后贴合，以利铁轨与轨枕之间热传导。
当铁道表面白度很高，光洁度也很高的时候，二者都有很高的反辐射热效果，虽然其中的一项远远不足以把辐射热全部反射出去，但是，二者叠加的效果，就能保证把所有照射到其表面的辐射热全部反射出去；铁道的上表面(P)以及与车轮接触的侧面(Q)，虽然不能涂白，但是，由于车轮的摩擦，使其露出钢铁的本色-银白色，且具有很高的光洁度，二者叠加的效果，也能把大部分辐射热反射出去；遮阳边(e)能遮挡大部分阳光，所以白色同步铁道，特别是带遮阳边的白色同步铁道，不计隔热层的隔热效果，就已经能把所有辐射热几乎全部反射出去，而所吸收的辐射热就可以忽略不计了；这就大大简化了铁道的受热分析。
铁道是铺设在轨枕上的，当铁道隔热层表面的白度很高，光洁度也很高的时候，不计隔热层的隔热效果，铁道的传热方式，就已经只剩下铁道与轨枕，以及铁道与空气之间的两种接触热传导了； 为避免铁轨与轨枕之间形成温度差而发生接触热传导，轨枕也要涂装光洁的白色隔热层；轨枕也涂装光洁的白色隔热层以后，铁道与轨枕温度变化范围趋于一致，铁道唯一的传热方式，只剩下与空气之间的接触热传导了，从而使铁道的传热方式单一化； 铁道涂装了隔热层以后，与空气之间的接触面，只剩下与车轮接触的局部表面(P)和(Q)，以及安全段(M)和安全边(N)了，其面积还不到铁道总表面积的1/6，传热量非常有限； 铁道与空气之间发生接触热传导的条件是铁道与空气之间必须存在温度差；所以白色同步铁道的温度变化范围，不计隔热层的隔热效果，就已经必然小于当地的气温变化范围了，即△Tt<△Tq，最多也只不过△Tt≈△Tq； 隔热层能有效地阻滞铁道与空气之间的热传导，特别能有效地阻滞极端气温对铁道的热传导；因为极端气温时间短暂，铁道温度还远远没有达到极端温度的时候，气温就已经降下来了，也就是说，能‘钝化’铁道对极端气温的敏感度.所以，只要隔热层能达到足够厚度，就能预期把铁道的温度变化范围，从低于当地气温变化范围的基础上，再缩减50％，即△Tt＝△Tq×50％。
把轨枕(7)的槽钢两端封闭，并涂装光洁的白色隔热层，使其内部不与大气流通，既反射了辐射热，又阻断了与大气的热传导，使轨枕没有了热源，这样一来，就能使其本身温度变化范围趋于极小而忽略不计，于是钢制轨枕(7)，通过接触面(A)，就可以与铁轨(3)和(4)实现热交换，成为铁轨(3)和(4)的热库，为铁轨(3)和(4)提供2-3倍的热容量。
铁道涂装隔热层以后，与空气接触热交换量本来就已经很有限，又有了钢制轨枕提供的相当于本身2-3倍的热容量，足以使其本身温度变化范围，在已经缩减到当地气温变化范围50％的基础上，再缩减30个百分点，达到缩减80％的预期目标，即△Tt＝△Tq×20％； 把△Tt＝△Tq×20％和Rd＝Rt×20％代入判别式Rd/Rt＝△Tt/△Tq得 Rt×20％/Rt＝△Tq×20％/△Tq简化后得20％＝20％，判别式成立，于是铁道与道床实现同步热膨胀。
如果大地的热膨胀量真如估计的那样，等于铁道的热膨胀量的20％，涂装光洁的白色隔热层的铁道，也真如预期的那样，把铁道的温度变化范围缩减到当地气温变化范围的20％，那么，铁道与道床，就会真的象钢筋混凝土里的钢筋与混凝土一样，实现完全的同步热膨胀了； 但是，事实并非如此，因为第一，大地的热膨胀系数是估计的，没有那么准确，第二，铁道和轨枕涂装光洁的白色隔热层以后，其效果也不会象预期的那么准确。所以，白色同步铁道技术需要在站道上进行验证和调整，直到判别式(P)成立，实现铁道与道床同步热膨胀。
验证和调整步骤如下 1，测试涂装光洁的白色隔热层后，缩减铁道本身温度变化范围的效果，方法是 把一段涂装光洁的白色隔热层的铁轨置于道床上，观察并记录一个寒暑时段的温度变化范围△Tt，将测试的结果，与当地气温变化范围△Tq相比较，就能得出缩减比例； 调整铁道表面的白度、光洁度，以及隔热层的厚度，就可以调整缩减比例； 2，测量大地的热膨胀系数 直接测量大地热膨胀系数是很困难的，但是可以间接测量，方法是 把两根铁轨置于‘有砟’道床上，成一直线，之间预留足够宽的伸缩缝，保证在最炎热的环境下不会相接触，记录一个寒暑时段内的伸缩缝变化范围，这就是铁轨‘在床’‘无约束’‘相对’热膨胀量变化范围△Ltxw，它是铁轨的‘绝对’热膨胀量变化范围△Ltj，与大地热膨胀量变化范围△Ld的差，即△Ltxw＝△Ltj-△Ld 计算铁轨在相应的温度变化范围内的‘绝对’热膨胀量变化范围△Ltj，并与其‘相对’‘无约束’热膨胀量变化范围△Ltxw相减，就是大地的热膨胀量变化范围△Ld，将其除以相应的气温变化范围△Tq，再除以铁轨长度L，就是大地的热膨胀系数Rd，即Rd＝(△Ltj-△Ltxw)/△Tq/L。
在‘有砟’道床上测得的大地热膨胀系数，同样适用于‘无砟’道床上的同步铁道。
但是道床都是有约束力的，铁轨在道床上并不能完全自由热膨胀，也就是说‘在床’铁道的热膨胀系数要打折扣，所以‘在床’铁道的‘有约束’热膨胀系数Rty＝f.Rt，其中f为铁道热膨胀系数的‘约束’系数；约束系数的测量方法是 在一个寒暑时段，观察并记录实际运行中的，长度为L的伸缩缝铁道的伸缩缝变化范围，这是该段铁轨的‘相对’‘有约束’热膨胀量变化范围△Ltxy，并记录气温变化范围△Tq；‘在床’铁道的‘有约束’热膨胀系数为 Rty＝f.Rt＝△Ltxy/△Tq/L热膨胀系数的‘约束’系数为 f＝△Ltxy/△Tq/L/Rt f是小于1的无量纲正数。
3，测试并调整铁道参数和道床参数，实现铁道与道床同步热膨胀 a，调整铁道的白度、光洁度，以及隔热层厚度，使其缩减铁道本身温度变化范围△Tt的比例，与铁道热膨胀系数Rd相适应，即满足‘有约束’同步热膨胀判别式 △Tt/△Tq＝Rd/f.Rt 就可以实现铁道与道床同步热膨胀了； b，调整铁道的技术参数以后，还不能达到满意的效果，可以调整道床对铁道的约束力，也就是调整铁道热膨胀系数的‘约束’系数f，直到满足判别式 △Tt/△Tq＝Rd/f.Rt 实现铁道与道床同步热膨胀为止。
铁道安全是铁路运行的头等大事，任何新技术的实施，都不能以牺牲安全为代价；铁道裂纹是最常见的致命隐患，本来就很难发现，铁道涂装隔热层以后，就更难发现了，所以必须要有安全防范措施；铁道裂纹的形成过程，或由上缘开始向下扩展，或由下缘开始向上扩展，不会从中间开始向上向下扩展，根据这个特点，铁道的上表面(P)可以方便安全检查，下底板的外缘(N)只能涂光洁的白色，白色更容易显现裂纹，叫做‘安全边’，防止厚的隔热层隐藏裂纹；铁道的接头部分是最容易断裂的部分，同理，必须留做‘安全段’(M)。
有益的效果 为铁道涂装光洁的白色隔热层，直接的有益效果是，使铁道与道床实现同步热膨胀，它的延伸效果是 1，有缝铁道不需要留伸缩缝，也就没有了轮轨撞击，所以列车的允许运行速度可以相应地大幅度提高，例如，对于允许运行速度为100公里/小时的有缝铁道，其允许运行速度，预期可以提高到250公里/小时以上，大幅度提高铁路的运力，较好地满足满足国民经济蓬勃发展的需要；没有了轮轨撞击，也就没有了因此而引起的一系列严重后果，例如震动和噪音，轮轨磨损，断轨断板等事故；使列车运行更平稳，更安静，更安全； 2，无缝线路铁道没有了温度内力，可以使铁轨无限延长，使‘无缝线路’铁道，变成真正的‘无缝铁道’，大幅度提高列车允许运行速度，例如允许运行速度350公里/小时的高速铁道，预期可以提高到1000公里/小时以上，提高了铁路的运力，能更好地满足国民经济蓬勃发展的需要；同时大幅度降低对道床路基的要求，降低工程成本； 3，巨大的经济效益铁道涂装光洁的白色隔热层，每公里增加成本约20-30万元，而要达到同样的效果，如果使用已有技术，每公里成本要增加约0.2-1亿元，效益成本比是240:1，同时还大幅度降低了无缝铁道道床和路基的工程成本； 4，巨大的效益得来全不费工夫对于新建铁道来说，所增加的工时有限，对于既有铁道来说，只要5年左右时间，就能使全国铁道以极低的成本，全部改造成白色同步铁道； 5，使无缝线路铁道变得更加稳定轨道爬行，胀轨跑道，断轨断板等事故趋于0，铁道变得更安全，大幅度降低铁路的工程成本和运营成本，使票价更便宜，也就是说，大提速又能大降价，让普通百姓都能承受，让运营公司有利可图； 6，隔热层能很好地为铁道隔氧防锈，延长铁道寿命。
权利要求
一种白色同步铁道，铁轨铺设在道床的轨枕上，其特征是:铁轨涂装光洁的白色隔热层；轨枕，特别是钢制轨枕，涂装光洁的白色隔热层.
全文摘要
一种白色同步铁道技术，给铁道涂装光洁的白色隔热层；轨枕，特别是钢制轨枕，涂装光洁的白色隔热层；大幅度地缩减铁道的温度变化范围，实现铁道与道床同步热膨胀，就象钢筋混凝土里的钢筋与混凝土同步热膨胀一样，彻底解决铁道的热膨胀问题。
文档编号E01B19/00GK101381976SQ20071016255
公开日2009年3月11日 申请日期2007年10月12日 优先权日2007年9月9日
发明者张世俊 申请人:张世俊