第二章-有碴铁路轨道结构

1第一章轨道结构本章主要内容：1．钢轨2．轨枕3．接头联结4．中间联结——扣件5．道床2§1.1概述轨道是铁路线路的组成部分，这里所指的轨道包括钢轨、轨枕、联结零件、道床、防爬设备和道岔等。作为一个整体性工程结构，轨道铺设在路基之上，起着列车运行的导向作用，直接承受机车车辆及其荷载的巨大压力。在列车运行的动力作用下，它的各个组成部分必须具有足够的强度和稳定性，保证列车按照规定的最高速度，安全、平稳和不间断地运行。3451、钢轨是轨道的主要部件，用于引导机车车辆行驶，并将所承受的荷载传布于轨枕、道床及路基。同时，为车轮的滚动提供阻力最小的接触面。•62、轨枕是轨道结构的重要部件，一般横向铺设在钢轨下的道床上，承受来在钢轨的压力，使之传布于道床。同时，利用扣件有效地保持两股钢轨的相对位置。轨枕主要有木枕和混凝土枕两类。•73、联结零件是联结钢轨或联结钢轨和轨枕的部件。前者称接头联结零件,后者称中间联结零件（或扣件）。其作用是有效地保证钢轨与钢轨或钢轨与轨枕间的可靠联结,尽可能地保持钢轨的连续性与整体性。阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移支，确保轨距正常，并在机车车辆的动力作用下，充分发挥缓冲减振性能，延缓线路残余变形的积累。84、防爬设备能有效地防止钢轨与轨枕之间发生纵向的相对移动，制止钢轨爬行。95、道床是轨枕的基础，在其上以规定的间隔布置一定数量的轨枕，用以增加轨道的弹性和纵、横向移动的阻力，并便于排水和校正轨道的平面和纵断面。主要材料有碎石和筛选卵石等。106、道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过加一股轨道时必不可少的线路设备，在铁路站场布置中应用极为广泛。它是轨道结构的重要组成部分。11第二节钢轨一、钢轨功用及基本要求1、钢轨的功用钢轨的作用是直接承受车轮传递的列车及其荷载的重量，并引导列车的运行方向。①导向；②承重；③传力；④导电122．钢轨的基本要求随着铁路向高速、重载方向发展，钢轨也正向重型化、强韧化及纯净化发展。对钢轨质量、断面、材质三要素均提出了相应的要求。•1．足够的强度和耐磨性。•2．较高的抗疲劳强度和韧性。•3．一定的弹性。•4．足够光滑的顶面。•5．良好的可焊性。•6．高速铁路钢轨的高平直度。13二、钢轨类型及断面尺寸1．钢轨的类型及长度钢轨的类型通常以kg/m来表示。每米钢轨的质量越重，它所承受的荷载越大。世界上第一条铁路的钢轨为18kg/m，最重的钢轨在美国，重达77kg/m。我国现行的钢轨标准有50kg/m、60kg/m、75kg/m三种。为了提高线路的通过能力，我国铁路正逐步淘汰小重量钢轨，主要线路一般铺设60kg/m或75kg/m的重型钢轨。14另外钢轨按厂制钢轨长度的不同可分为：标准轨：12.5m、25m、100m缩短轨：12.5m轨缩短量为40、80、120mm25m轨缩短量为40、80、160mm按材质的不同可分为：碳素轨、合金轨、热处理轨。按强度的不同可分为五级：850、900、1000、1200、1300MPa。按货源可分为：国产轨、进口轨、试验轨。15钢轨断面2．钢轨断面设计钢轨断面形状为工字形，由轨头、轨腰、轨底三大部份组成。这个看似简单的工字，受力好、省材料，具有最佳抗弯性能。1617􀁺钢轨钢的物理力学性能包括强度极限、屈服极限、疲劳极限、伸长率、断面收缩率、冲击韧性及硬度等。􀁺参见（p11表1.2）常用轨：U74（抗拉强度σb=785Mpa）――碳素钢；U71Mn（σb=883Mpa）――合金钢。PD3（一般σb=980Mpa），秦沈采用PD3全长淬火高碳微钒轨（σb=1300Mpa）－寿命提高50％以上）（淬火：采用电感应加热的方法，以局部改变轨头钢的组织，从而提高钢轨的强度和韧性。）三、钢轨的材质及机械性能18四、钢轨伤损及合理使用（一）钢轨伤损是指钢轨在使用过程中，发生折断、裂纹及其它影响和限制钢轨使用性能的伤损。为便于统计和分析钢轨伤损，需对钢轨伤损进行分类。根据伤损在钢轨断面上的位置、伤损外貌及伤损原因等分为九类32种伤损，用两位数编号分类，十位数表示伤损的部位和状态，个位数表示造成伤损的原因。钢轨伤损分类具体内容可见“铁道工务技术手册（轨道）”。191、钢轨折断是指有下列情况之一者：钢轨全截面至少断成两部分；裂缝已经贯通整个轨头截面或轨底截面；钢轨顶面上有长大于50mm、深大于10mm的掉块。􀁺钢轨折断直接威胁行车安全，应及时更换。2、钢轨裂纹是指除钢轨折断之外，钢轨部分材料发生分离，形成裂纹。􀁺钢轨伤损种类很多，常见的有钢轨磨耗(侧磨、波磨、磨耗限)、接触疲劳伤损、剥离及轨头核伤、轨腰螺栓孔裂纹等。–20右图：轨头压溃飞边左图：接头钢轨断裂212223242526272829303132333435363738393、钢轨伤损减缓措施：净化钢轨、淬火轨、合理使用钢轨、钢轨打磨、按材质分类铺轨等。4041（二）钢轨的合理使用钢轨的发展方向是重型化、强韧化和纯净化；对合理使用钢轨也有明确规定：应根据钢轨综合经济效益分析，确定钢轨合理的使用周期，实行钢轨分期使用制度，并积极做好旧轨的整修工作。421、钢轨的分级使用􀁺钢轨分级使用包含两个方面的含义：(1)钢轨的二次或多次使用；(2)钢轨在一次使用中的合理倒换使用。2、钢轨整修技术􀁺轨端不均匀磨耗和掉块、擦伤是钢轨运营过程中产生的各种伤损和缺陷的主要形式之一。􀁺需要对钢轨表面病害及时整治。钢轨表面的整治工作包括磨修和焊修。43（三）钢轨打磨􀁺对钢轨进行现场打磨始于本世纪50年代，最初用于整治波形磨耗，现已发展成为一种多功能的现代化养路技术。􀁺打磨的重点已从钢轨修理转向钢轨保养。􀁺钢轨的定期打磨，可以消除和延缓波磨、消除钢轨表面的接触疲劳层防止剥离掉块、对断面打磨还可改善轮轨接触条件，降低接触应力。44根据钢轨打磨的目的及磨削量，钢轨打磨可分为三类：1、修理性打磨􀁺主要用来消除钢轨的波浪形磨耗、车轮擦伤、轨裂纹以及接头的马鞍形磨耗；􀁺钢轨的一次磨削量较大，打磨周期长。􀁺但是这种打磨方式并不能消除引起波磨、钢轨剥离及掉块的潜在的接触疲劳裂纹，在以后列车通过时，这些裂纹还将继续扩展。452、预防性打磨􀁺预防性打磨是在裂纹开始扩展前将这些裂纹萌生区打掉，近来已发展成为控制钢轨接触疲劳的技术。􀁺它力图控制钢轨表面接触疲劳的发展，打磨周期较短，以便在钢轨表面裂纹萌生时就予以消除。􀁺由于这些裂纹极浅，打磨深度很小：钢轨顶面打磨深度一般为0.05～0.075mm；对外轨的内缘和内轨的外侧打磨深度一般为0.1～0.15mm，以防止由于塑性流动而使钢轨断面产生累积变形。46预防性打磨与修理性打磨相比，其优点是：1.能获得较长的钢轨使用寿命；2.提高打磨机器的生产率；3.并能降低轨道打磨每公里所需的打磨费用；4.虽然打磨频率较高，但与修理性打磨相比，打磨掉的金属总体积少，具有显著的经济效果。􀁺可见，一条铁路一旦已在修理性打磨上取平，应立即向预防性打磨计划方向转变473、钢轨断面(廓形)打磨􀁺对曲线地段的钢轨断面进行非对称打磨能明显降低轮轨横向力和冲角，达到减轻钢轨侧磨的目的。􀁺机车车辆通过曲线一般是靠导向轮贴靠外轨产生的导向力来导向，轮轨磨耗大。而现代化曲线通过理论证明，在一定的曲线半径和机车车辆结构下，可以不用轮缘贴靠的轮轨力导向，而是用轮轨蠕滑力导向，从而使外侧轮缘不贴靠外轨或减小贴靠时的冲角，以减小轮轨力和磨耗。􀁺非对称打磨依据上述理论，通过非对称打磨达到增大左右轮的滚动半径差，以补偿内外轨的长度差（外轨轮滚动半径大、内轨小），从而减小导向轮缘力、冲角以及轮对在曲线上的滑动，达到减磨目的。48非对称打磨显著地降低了轮轨横向力和冲角，在减缓钢轨侧磨、延长使用寿命方面取得了很大的效果。􀁺国外应用经验表明：将这种技术用于重载铁路，横向力可减小50％～90％，延长曲线钢轨使用寿命50％以上。(但不同的线路条件需要不同的打磨断面)􀁺我国铁路于1988年开始引进了钢轨打磨列车。目前主要还用在修理性打磨上，重点在波磨轨的打磨。对于预防性打磨及钢轨廓形的打磨还需进一步开发。49§1.3钢轨联结钢轨联结零件包括接头联结零件和中间联结零件。一、钢轨接头联结1、普通接头（1）普通接头联结零件是由夹板、螺栓、弹簧垫圈等组成。其作用是在接头处把钢轨连接起来，使钢轨接头部分具有与钢轨一样的整体性，以抵抗弯曲和位移。接头处还要满足钢轨伸缩的要求。50接头夹板形状①接头夹板51接头螺栓布置形式②接头螺栓5253钢轨接头的形式轨道上钢轨与钢轨之间用夹板和螺栓连接，称为钢轨接头。接头处轮轨动力作用大，养护维修工作量大，接头是轨道结构的薄弱环节之一。接头的联结形式按其相对于轨枕位置，可分为悬空式和承垫式两种。按两股钢轨接头相互位置来分，可分为相对式和相错式两种。我国一般采用相对悬空式，两股钢轨接头左右对齐，同时位于两接头轨枕间。54悬空式承垫式55相对式相错式56③预留轨缝为适应钢轨热胀冷缩的需要，在钢轨接头处要预留轨缝。预留轨缝应满足如下的条件：1．当轨温达到当地最高轨温时，轨缝应大于或等于零，使轨端不受挤压力，以防温度压力太大而胀轨跑道；2．当轨温达到当地最低轨温时，轨缝应小于或等于构造轨缝，使接头螺栓不受剪力，以防止接头螺栓拉弯或拉断。构造轨缝是指受钢轨、接头夹板及螺栓尺寸限制，在构造上能实现的轨端最大缝隙值。57《铁路线路修理规则》规定普通线路预留轨缝计算公式为：式中a0——换轨或调整轨缝时的预留轨缝(mm)；——钢轨线膨胀系数，=0.0118(mm/m℃)；L——钢轨长度(m)；t0——换轨或调整轨缝时的轨温，ag——构造轨缝，38kg/m、43kg/m、50kg/m、60kg/m、75kg/m钢轨均采用ag＝18mm。tz——当地中间轨温(℃)；gzattLa21)(0058例题：兰州地区最高轨温为59.1℃，最低轨温为-23.3℃，若铺设25m长的60kg/m钢轨，采用10.9级螺栓，试计算在20℃铺设时的预留轨缝。解：(1)(2)=8.4mm取a0=8mm9.173.231.592121minmaxTTtz1821)209.17(250118.021)(00gzattLa℃59最高、最低轨温差不大于85℃地区，在按上式计算以后，可根据具体情况将轨缝值减小1～2mm。25m钢轨铺设在当地历史最高、最低轨温差大于100的地区时，应个别设计。铺设12.5m钢轨地段，不受年轨温差限制。25m钢轨地段，更换钢轨或调整轨缝时的轨温限制范围为(tz+30℃)～(tz-30℃)；最高、最低轨温差不大于85℃地区，如将轨缝值减小1～2mm，轨温限制范围相应地降低3℃～7℃。60（1）异形接头a.异型夹板联接b.异型钢轨联接2、特种钢轨接头61（2）绝缘接头a.普通高强绝缘接头b.胶接绝缘接头62钢轨绝缘接头（a）普通高强绝缘接头（b）胶接绝缘钢轨接头（c）全断面夹板63钢轨胶接绝缘接头64加强接头65（3）导电接头普通导电接头（a）焊接式轨端接续线示意图（b）塞钉式导电连接装置66图1-8钢轨伸缩接（4）伸缩接头6768（5）冻结接头图1-9普通冻结接头哈克紧固件69（6）减振接头70717273二、钢轨焊接1.闪光接触焊􀁺根据电流的热效应原理，把被焊接的钢轨安放在相对的两个夹具内，端部通以强大的电流，由于对接钢轨之间存在着较大的电阻，因而产生大量的热量把轨端加热，当钢轨被加热到塑性状态，然后以极快的速度予以挤压，这种在对焊机上进行的焊接方法叫闪光接触焊。74二、钢轨焊接2.气压焊􀁺气压焊是用气体（乙炔——氧）燃烧的火焰加热钢轨端头，使其温度达到1200℃左右，轨端成为塑性状态，在预施的压力挤压下，使两根钢轨挤压在一起，从而把钢轨焊接起来。75二、钢轨焊接3.铝热焊􀁺铝热焊是利用铝热焊剂的剧烈化学反应，铁的氧化物被铝还原成铁水，同时产生巨大热量，把高温铁水浇铸于固定在两轨轨缝处的砂型内，将两根钢轨铸焊在一起。76方法对比：􀁺三种焊接方法中，闪光接触焊焊接速度快，焊接质