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RAILWAYENGINEERING大连交通大学土木与安全工程学院E-mail：haifeng-bai@163.comMobilePhone：13352256069铁路轨道（2015版）RAILWAYENGINEERING第一章轨道结构RAILWAYENGINEERING§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。作用：作为整体性工程结构，铺设路基、桥梁或隧道仰拱之上，列车运行导向，承受机车车辆荷载的巨大压力。要求：足够的强度和稳定性，保证列车按照规定的速度，安全、平稳和不间断地运行。RAILWAYENGINEERING图1-1轨道的基本组成RAILWAYENGINEERING钢轨：轨道主要部件，纵向贯通铺设与区间和车站。引导机车车辆行驶。承传荷载于轨枕、道床及路基。为车轮提供阻力最小的滚动接触面。轨枕：轨道的重要部件，横向铺设在轨下道床上。承受钢轨压力，传布于道床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。RAILWAYENGINEERING联结零件：联结钢轨或联结钢轨和轨枕的部件。分类：接头联结零件（或称鱼尾板）—连接钢轨与钢轨；中间联结零件（或称扣件）—联结钢轨与轨枕。作用：保证钢轨与钢轨或钢轨与轨枕间的可靠联结；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动，确保轨距正常；减缓机车车辆的动力冲击与振动，延缓线路残余变形的积累。RAILWAYENGINEERING防爬设备：防止钢轨与轨枕发生纵向移动或相对移动的部件。分类：防爬撑、防爬销。道床：轨枕的基础。材料构成：碎石、筛选卵石、矿渣或中粗砂等。作用：增加轨道的弹性和纵横向阻力；便于排水和校正轨道的平面和纵断面。RAILWAYENGINEERING道岔：机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道的线路设备。应用范围：车站、调度场和个别区间。RAILWAYENGINEERING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。导向引导机车车辆的车轮前行；承重承受列车及其载荷的重量；传力将荷载传递到轨下结构；导电在电气化铁路区段，兼作轨道电路。§1.2钢轨1.2.1钢轨功用及基本要求1.钢轨的功用RAILWAYENGINEERING2．钢轨的基本要求铁路要高速重载化钢轨重型化、强韧化及纯净化。钢轨质量、断面、材质三要素的要求：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。RAILWAYENGINEERING钢轨类型通常以kg/m表示。每米钢轨质量越重，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。1.2.2钢轨类型1．钢轨类型RAILWAYENGINEERING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。2．钢轨的分类按厂制钢轨长度的不同可分为：标准轨：12.5m和25m；缩短轨：定尺钢轨：50m和100m两种；无缝线路优先采用100m定尺钢轨。25m轨缩短量为40、80、160mm。12.5m轨缩短量为40、80、120mm；RAILWAYENGINEERING钢轨断面形状：工字形，由轨头、轨腰、轨底三大部份组成。断面性能特征：受力好、省材料，具有最佳抗弯性能。1.2.3钢轨截面形状及其设计原则RAILWAYENGINEERING1.钢轨断面形状图1-2钢轨断面形状图RAILWAYENGINEERING2.钢轨断面设计原则（1）钢轨头部—直接和车轮接触的部分抵抗压溃和耐磨耗能力—轨头宜大而厚，外形与轮踏面适应；足够的轨头宽度—满足轮踏面滚动，轨面磨耗均匀；轨面轧制成隆起的圆弧形—轮压传递于钢轨中轴。（2）钢轨腰部足够的厚度和高度—承载能力和抗弯能力；连接部分要和缓—避免应力集中；保证夹板支承面。RAILWAYENGINEERING（3）钢轨轨底足够宽度和厚度—保持钢轨稳定，必要刚度和抵抗锈蚀能力。（4）断面参数匹配性钢轨高度应尽量大些—保证惯性矩；增加动力承载效果；钢轨高度与轨底宽度比例适当—增加横向力作用的稳定性。钢轨头、腰和底面积分配最佳比例—满足钢轨轧制工艺要求。RAILWAYENGINEERING1.2.4钢轨的材质及力学指标钢轨材质和机械性能取决于化学成分、金属组织及热处理工艺。1.钢轨的化学成分和力学性能（1）钢轨的化学成分钢轨的化学成分主要为铁（Fe），还含有碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）及磷（P）、硫（S）等元素。碳对钢轨的影响：提高含碳量—抗拉强度、耐磨性及硬度都迅速增加；含碳量过高—伸长率、断面收缩率和冲击韧性显著下降；一般含碳量不超过0.82%。RAILWAYENGINEERING锰对钢轨的影响可去除有害的氧化铁和硫夹杂物——提高钢轨强度和韧性；含量一般为0.6%～1.0%；含量超过1.2%者称为中锰钢—抗磨性能较好。硅对钢轨的影响与氧化合，除气泡，增加钢质密实度—提高钢轨耐磨性；含量一般为0.15%~0.30%。磷与硫对钢轨的影响均属有害成分—增加冷脆性—严格控制磷硫的含量。其他元素制成合金钢轨—提高抗拉和疲劳强度，以及耐磨和耐腐蚀的性能。RAILWAYENGINEERING常用钢轨：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。）钢轨的物理力学性能—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。（2）钢轨的力学性能RAILWAYENGINEERING钢轨重型化：提高轨道结构的承载能力；延长钢轨疲劳寿命和线路大修周期；钢轨头部病害有加速趋势。重型钢轨强化—增强轨面的抗磨与抗接触疲劳性能实现途径：钢轨合金化—钢轨整体强化，表层硬度均匀，可焊性好；碳素钢热处理（淬火）—高强度和表面硬度，韧性好。材质纯净化是重型化和强韧化的基础。2.钢轨强化及材质的纯净化RAILWAYENGINEERING1.2.5钢轨伤损及合理使用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。钢轨伤损分类统计方法：根据伤损在钢轨断面上的位置、外观及成因等分为九类32种伤损；用两位数编号分类，个位数表示伤损的成因，十位数表示伤损的部位和状态；钢轨伤损分类具体可见“铁道工务技术手册（轨道）”。1.钢轨伤损RAILWAYENGINEERING图1-4接头钢轨断裂（左）图1-3轨头压溃飞边（右）RAILWAYENGINEERING（1）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外，部分材料发生分离，形成裂纹。（3）常见钢轨伤损：钢轨磨耗、接触疲劳伤损、剥离及轨头核伤、轨腰螺栓孔裂纹等。伤损减缓措施：合金钢轨、淬火轨、合理使用钢轨、钢轨打磨、按材质分类铺轨等。RAILWAYENGINEERING（1）钢轨磨耗：侧面磨耗和波形磨耗（属损伤），垂直磨耗（正常）。侧面磨耗侧磨部位—小曲线半径地段的外股钢轨；侧磨成因—曲线轨道轮踏面的不均匀压力、轮轨间摩擦与滑动；改善措施—列车曲线通过条件；设置轨底坡；耐磨钢轨等。波形磨耗：钢轨顶面出现的波状不均匀磨耗。波磨分类—短波（波纹型磨耗：波长50~100mm，波幅0.1~0.4mm）、长波（波浪型磨耗：波长100~3000mm，波幅2mm以内）。波磨成因—动力作用（外因）；材质性能（内因）。波磨危害—轮轨部件损伤；行车安全；轮轨噪音；维修费用。改善措施—钢轨机械打磨。2.常见的钢轨伤损问题RAILWAYENGINEERING（2）钢轨接触疲劳损伤损伤类型—接触疲劳裂纹和轨头剥离；侧磨成因—钢轨接触疲劳强度不均匀和列车重复作用；改善措施—更换钢轨；钢轨打磨和耐磨钢轨等。（3）轨头核伤损伤成因—疲劳微裂纹和列车动荷载作用，疲劳裂纹扩展；预防措施—钢轨定期探伤检查。（4）螺栓孔裂纹损伤成因—疲劳微裂纹和列车动荷载作用，疲劳裂纹扩展；预防措施—钢轨定期探伤检查。RAILWAYENGINEERING3.钢轨的合理使用钢轨合理使用是指根据钢轨综合经济效益分析，确定其合理的使用周期，实行钢轨分级使用制度，并积极做好旧轨的整修工作。（1）钢轨的分级使用含义：二次或多次使用和在一次使用中的合理倒换使用。钢轨二次使用：是指钢轨在繁忙线路上运营以后经过旧轨整修，再把它铺设到运量小的铁路上再次使用，延长钢轨的使用寿命和提高钢轨的使用效率。旧轨整修：综合整形轨、一般整修轨和焊接再用长轨条。合理倒换使用：曲线上下股倒换或直线与曲线钢轨倒换使用。RAILWAYENGINEERING（2）钢轨整修技术分类—厂内修理和现场修理；场内修理作业：清洗、除锈、矫直、探伤、锯轨及钻孔等。现场修理作业：接头病害整修—磨修和补焊。（3）钢轨打磨钢轨打磨：（最初）整治波形磨耗、车轮擦伤及接头鞍型磨耗；（现在）多功能养路技术，从钢轨修理转向钢轨保养。分类：按钢轨打磨的目的及磨削量，分为修理性打磨、预防性打磨和钢轨断面打磨。RAILWAYENGINEERING1）修理性打磨用途：消除波形磨耗、车轮擦伤、轨裂纹及接头鞍形磨耗。存在问题：一次磨削量较大，打磨周期长。不能消除潜在的接触疲劳裂纹，钢轨再用裂纹继续扩展。2）预防性打磨用途：在钢轨表面裂纹开始扩展前，消除微裂纹萌生区。特点：打磨周期较短，延长钢轨使用寿命。发展现状：成为控制钢轨接触疲劳的技术。RAILWAYENGINEERING3）钢轨断面（廓形）打磨用途：改变钢轨头部形状，改善轮轨接触状态，抑制病害发生和发展。适用范围：曲线地段钢轨断面不对称打磨。作用：降低轮轨横向力和冲击角，减轻钢轨侧面磨耗。4）钢轨打磨综合技术实现途径：钢轨打磨列车。维修类型：修理性打磨为主，重点整治波磨。作用：消除或延缓波磨、消除接触疲劳层，防止剥离掉块。RAILWAYENGINEERING图1-5YM150Ⅰ型钢轨打磨机及其使用RAILWAYENGINEERING§1.3钢轨连接定义：钢轨接头即轨道上钢轨与钢轨之间用夹板和螺栓连接。连接方式：按与轨枕相对位置—悬空式和承垫式按钢轨接头相错量—相对式和相错式主型连接方式—相对悬空式连接要求：与钢轨形成整体，具有抵抗弯曲和位移的能力，满足钢轨伸缩的要求。钢轨连接方式—钢轨接头连接和钢轨焊接1.3.1钢轨接头连接RAILWAYENGINEERING(b)相错式(a)相对式(b)承垫式(a)悬空式图1-6钢轨接头的形式1.普通接头图1-7普通钢轨接头实例RAILWAYENGINEERING普通接头联结零件由夹板、螺栓、弹簧垫圈等组成。（1）接头夹板作用：承受弯矩、传递纵向力、阻止钢轨伸缩。要求：一定的垂直和水平刚度、足够的强度。类型：斜坡支承双头对称式夹板。功效：具有抵抗挠曲和抗横向位移能力。（2）接头螺栓、螺母及弹簧垫圈螺栓螺母—夹紧夹板和钢轨的配件。弹簧垫圈—防止螺栓松动。RAILWAYENGINEERING图1-9接头鱼尾板结构图RAILWAYENGI