第三章 轨道几何形位

第三章轨道几何形位•轨道几何形位是指轨道各部分的几何形状、相对位置和基本尺寸。轨道几何形位按照静态与动态两种状况进行管理。静态几何形位是轨道不行车时的状态，可采用道尺及小型轨道检查车等工具测量。动态几何形位是行车条件下的轨道状态，可采用轨道检查车测量。我国铁路轨道几何形位的管理，实行静态管理与动态管理相结合的模式。•本章主要讨论直线和曲线轨道的几何形位及其容许偏差管理标准。由于机车车辆、特别是其走行部分的基本尺寸与轨道几何形位密切相关，因此还介绍机车车辆构造方面的有关知识。3.1概述轨道有直线轨道和曲线轨道两种平面几何形式，还有轨道的分支与交叉(即道岔)轨距:在轨道的直线部分，两股钢轨之间应保持一定的距离3.1.1轨道几何形位的基本要素水平:两股钢轨的顶面应位于同一水平或保持一定的相对高差方向:轨道中线位置应与它的设计位置一致前后高低:两股钢轨轨顶所在平面（即轨面）在线路纵向应保持平顺轨底坡:为使钢轨顶面与锥形踏面的车轮相配合，两股钢轨均应向内倾斜铺设轨距加宽:在轨道的曲线部分，除应满足上述要求外，还应根据机车车辆顺利通过曲线的要求，将小半径曲线的轨距略以加宽外轨超高:为抵消机车车辆通过曲线时出现的离心力，应使外轨顶面略高于内轨顶面，形成适当的外轨超高缓和曲线:为使机车车辆平稳地自直线进入圆曲线（或由圆曲线进入直线），并为外轨逐渐升高、轨距逐渐加宽创造必要的条件，在直线与圆曲线之间，应设置一条曲率和超高渐变的缓和曲线国产轨道几何状态检测小车3.1.2控制轨道几何形位的重要性铁路轨道直接承载车轮并引导列车运行，轨道的几何形位与机车车辆轮对的几何尺寸必须密切配合，因而轨道几何形位的控制对于保证列车运行安全是非常重要的。另外，随着铁路列车提速及高速铁路技术的应用，为了保持高速列车运行的平稳性和舒适性，也必须对轨道的几何形位实行严格控制。国内外的理论计算和试验研究表明，轨道不平顺是引起机车车辆在线路上产生振动的主要原因。被认为是微小的不平顺，在300km/h高速运行条件下所激发的车体振动便可能超过允许限度。例如，幅值10mm波长10m接连不断的高低不平顺，在常速下所引起的车体和轮轨动力作用都很小，但当速度达到300km/h时，就可使车体产生垂向加速度为1.76m/s2，频率为2Hz的持续振动。又如，幅值仅为5mm波长10m的轨向不平顺，在常速下所引起的振动更小，而在300km/h时，却可能使车体产生横向加速度为0.65m/s2，频率为2Hz的振动。根据国际振动环境标准ISO2631的规定，对于振动频率为1～2Hz，累计持续时间为4小时的车体振动环境，保持舒适感不减退的允许加速度限值规定为：横向0.17m/s2,垂向0.34～0.49m/s2。可见以上数据已远远超过所规定的允许限值。轨道不平顺又是加剧轮轨作用力的主要根源。焊缝不平顺、轨面剥离、擦伤、波形磨耗等短波不平顺幅值虽然很小，但在高速行车条件下也可能引起很大的轮轨作用力和冲击振动。例如，一个0.2mm的迎轮台阶形微小焊缝不平顺，300km/h时所引起的轮轨高频冲击作用动力可达722kN，低频轮轨力达321kN，从而加速道碴破碎和道床路基不均匀沉陷，形成中长波不平顺，并引起强烈的噪音。另一方面，轨面短波不平顺所引起的剧烈轮轨相互作用，还可能引发钢轨及轮轴断裂，导致恶性脱轨事故发生。由此可见，严格控制铁路轨道几何形位对于保证列车运行的安全性、平稳性和舒适性都具有十分重要的意义，也是铁路轨道结构有别于其它工程结构的显著特征。3.2机车车辆走行部分构造简介机车车辆由车体与走行等部分组成。车体用以载人、载货或安置动力设备，走行部分将车体荷载传递至轨道。现代机车车辆的走行部分多采用转向架结构。转向架的主要功能是：将车体荷载均匀分配于轮对，保证机车车辆顺利通过曲线，并降低轮对振动对车体的影响。车体转向架3.2.1转向架的构造和类型二轴客车转向架转向架的构造构架轮对三轴转向架轮对轴箱装置弹性悬挂装置构架或侧架基础制动装置转向架支承车体的装置轮对轴箱装置：轮对沿着钢轨滚动，除传递车辆重力外，还传递轮轨之间的各种作用力，其中包括牵引力和制动力等。轴箱与轴承装置是联系构架和轮对的活动关节，使轮对的滚动转化为车体沿钢轨的平动。弹性悬挂装置：为减少线路不平顺和轮对运动对车体的各种动态影响（如垂向振动，横向振动等），转向架在轮对与构架（侧架）之间或构架（侧架）与车体（摇枕）之间，设有弹性悬挂装置。前者称为轴箱悬挂装置（又称第一系悬挂），后者称为摇枕（中央）悬挂装置（又称第二系悬挂）。目前，我国大多数货车转向架只设有摇枕悬挂装置，客车转向架既设有摇枕悬挂装置，又设有轴箱悬挂装置。弹性悬挂装置包括弹簧装置、减振装置和定位装置等。构架或侧架：构架（侧架）将转向架各零、部件组成一个整体，是转向架的基础。所以它不仅仅承受、传递各作用力及载荷，而且它的结构、形状和尺寸大小都应满足各零、部件的结构、形状及组装的要求（如应满足制动装置、弹簧减振装置、轴箱定位装置等安装的要求）。基础制动装置：为使运行中的车辆能在规定的距离范围内停车，必须安装制动装置，其作用是传递和放大制动缸的制动力，使闸瓦与轮对之间产生的转向架的内摩擦力转换为轮轨之间的外摩擦力（即制动力），从而使机车车辆承受前进方向的阻力，产生制动效果。转向架支承车体的装置：转向架支承车体的方式（又可称为转向架的承载方式）不同，使得转向架与车体相连接部分的结构及形式也各有所异，但都应满足两个基本要求：安全可靠地支承车体，承载并传递各作用力（如垂向力、振动力等）；为使车辆顺利通过曲线，车体与转向架之间应能绕不变的旋转中心相对转动。转向架的承载方式可以分为心盘集中承载、非心盘承载和心盘部分承载三种。按轴数分类：机车有二轴、三轴和四轴转向架。车辆有二轴、三轴和多轴转向架。车轴在转向架上的排列形式称轴列式或轴式。我国东风型内燃机车和韶山Ⅰ型电力机车为三轴转向架，其轴式为30—30（或C0—C0），其中，C表示3，脚注0表示有牵引电动机驱动的动轮轴；北京型内燃机车为二轴转向架，其轴式为20—20（或B0—B0），其中，B表示2，我国客货车辆多为二轴转向架。为了适应我国重载运输发展的要求，正在研制单节大功率八轴内燃机车，即两台四轴转向架。比较理想的轴式为B0＋B0—B0＋B0，即由两台二轴转向架组合而成一台四轴转向架，车辆则采用多转向架或转向架群。转向架的类型东风11（DF11）型内燃机车一系弹簧悬挂按弹簧装置形式分类：机车和车辆可分为一系和二系弹簧悬挂装置。一系悬挂转向架适用于低速机车和货车车辆，二系悬挂转向架适用于中高速机车和客车车辆。按行车速度分类：有高速转向架，速度在200km/h以上；普通转向架，速度在120km/h以下。二系弹簧悬挂重要概念全轴距:同一机车车辆最前位和最后位车轴中心间水平距离B固定轴距:同一转向架上始终保持平行的最前位和最后位车轴中心间水平距离D车辆定距:车辆前后两转向架上车体支承间的距离CA-车辆全长B-全轴距C-车辆定距D-固定轴距3.2.2轮对轮对是由一根车轴和两个相同的车轮组成。在轮轴接合部位采用过盈配合，使两者牢固地结合在一起，绝不允许有任何松动现象发生，以保证行车安全。轮对承担车辆全部重力，且在轨道上高速运行，同时还承受着从车体、钢轨两方面传递来的其它各种静、动作用力，受力很复杂。因此，对轮对的要求是：应有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行；应在强度足够和保证一定使用寿命的前提下，自重最小，并具有一定弹性，以减小轮轨之间的相互作用力；应具备阻力小和耐磨性好的优点，以降低牵引动力损耗并提高使用寿命；应能适应车辆直线运行，同时又能顺利通过曲线，还应具备必要的抵抗脱轨的安全性。目前我国铁路车辆上使用的车轮绝大多数是整体辗钢轮，它包括踏面、轮缘、轮辋、幅板和轮毂等部分。1—踏面；2—轮缘；3—轮辋；4—幅板；5—轮毂；6—轮箍；7—扣环；8—轮心。踏面：车轮与钢轨的接触面；轮缘：突出的圆弧部分，是保持车辆沿钢轨运行，防止脱轨的重要部分；车轮内侧面：轮缘内侧面的竖直面；车轮外侧面：与车轮内侧面相对的竖直面；车轮宽度：车轮内外两侧面之间的距离；轮辋：车轮上踏面下最外的一圈；轮毂：轮与轴互相配合的部分；幅板：联接轮辋与轮毂的部分，幅板上有两个圆孔，便于轮对在切削加工时与机床固定并供搬运轮对之用。车轮内侧面车轮外侧面车轮踏面机车锥型踏面车轮踏面需要制成一定的斜度，其作用是：便于轮对通过曲线。车辆在曲线上运行，由于离心力的作用，轮对偏向外轨。在外轨上滚动的车轮与钢轨接触的部分直径较大，而沿内轨滚动的车轮与钢轨接触部分直径较小，其大直径的车轮沿外轨行走的路程长，小直径的车轮沿内轨行走的路程短，正好与曲线区段线路的外轨长内轨短的情况相适应，便于轮对顺利通过曲线，减少车轮在钢轨上的滑行。便于轮对自动调中。在直线线路上运行的车辆，其中心线与轨道中心线如不一致，则轮对在滚动过程中能自动纠正其偏离位置。保持踏面磨耗沿宽度方向的均匀性。从上述分析可知，车轮必须制成有斜度的锥形踏面，但其自动调中的功能，又成为轮对乃至整个车辆发生自激蛇行运动的原因。轮对蛇行运动两种车轮踏面－锥型、磨耗型锥型踏面有两个斜度，即1:20和1:10，前者位于轮缘内侧48～100mm范围内，是轮轨的主要接触部分，后者位于距内侧100mm以外部分。踏面的最外侧有R=6mm的圆弧，以便于通过小半径曲线，也便于通过辙叉。车辆锥型踏面磨耗型踏面是在改进锥型踏面的基础上发展起来的。各国车辆运行情况证明，锥型踏面车轮的初始形状，随着运行过程的磨损成一定形状（与钢轨断面相匹配），随后车轮与钢轨的磨耗都变得缓慢，其形状也趋于稳定。实践证明，车轮踏面若制成类似磨耗后的稳定形状，即磨耗型踏面，可明显减少轮与轨的磨耗，并延长使用寿命，减少车轮修复旋切的材料，减少换轮、旋轮的检修工作量。磨耗型踏面可减少轮轨接触应力，保持车辆直线运行的横向稳定，有利于曲线通过。车辆磨耗型踏面车轮名义直径：钢轮在离轮缘内侧70mm处测量所得的直径。车轮直径的大小，对车辆的影响各有利弊。轮径小，可以降低车辆重心，增大车体容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴距，但其阻力增加，轮轨接触应力增大，加速踏面磨耗；小直径车轮通过轨道凹陷和接缝也产生较大的振动。轮径大的优缺点则与之相反。所以，车轮直径尺寸的选择，应视具体情况而定。我国货车标准轮径为840mm，客车标准轮径为915mm。踏面的测量线：通过踏面上距车轮内侧面一定距离的一点作一水平线。轮缘高度f：测量线至轮缘顶点的距离。轮缘厚度d：距测量线10mm处量得的厚度。3428测量线轮缘高度轮缘厚度车轮名义直径70轮背内侧距离T：轮对上左右两车轮内侧面之间的距离。轮对宽度q：轮背内侧距离加上两个轮缘厚度（2d）称为轮对宽度：dTq2+=轮对宽度必须与轨距相配合。为使机车车辆安全通过轨道，所有轮对都应有标准的宽度，只容许很少的制造公差。《铁路技术管理规程》规定，我国机车车辆轮对的主要尺寸如下：表3-1轮对主要尺寸表（mm）轮缘厚度d轮背内侧距离T轮对宽度q名称轮缘高度f正常最小最大正常最小最大正常最小车辆轮253422135613531350142414211394机车轮2833231356135313501422141913963.3直线轨道几何形位及其标准轨距是钢轨顶面下16mm处两股钢轨作用边之间的距离。轨距用道尺或其它工具测量。3.3.1轨距轨距16mm因为钢轨头部外形由不同半径的复曲线所组成，钢轨底面设有轨底坡，钢轨向内倾斜，车轮轮缘与钢轨侧面接触点发生在钢轨顶面下10～16mm之间。所以，我国《铁路技术管理规程》规定轨距测量部位在钢轨顶面下16mm处。在此处，轨距一般不受钢轨磨耗和肥边的影响，便于轨道维修工作的实施。目前世界上的铁路轨距，分为标准轨距、宽轨距和窄轨距三种。标准轨距尺寸为1435mm。大于标准轨距的称为宽轨距，