设计锁定轨温及预留轨缝设计方案

设计锁定轨温及预留轨缝设计 方案 二、基本要求 对设计从全局上把握，思路清晰，将个人的独立见解在设计说明书中完整地表达出来； 有关计算建议上机完成，语言不限，但程序要具有通用性，即对各种参数条件都适用；并将源程序及计算结果附在课程设计书中。 独立完成，有自己的特色； 设计时间 1 周。 设计书内容主要包括： 设计任务、 设计目的和意义、设计理论依据、设计参数、计算过程、 设计总结（设计方案的评述、收获及建议） 、参考文献。 课程设计报告的文字部分要求详细完整、章节清晰、计算过程详尽、结论合理可靠。同时要求字迹工整、书面整洁。 轨温图Tm i n Tm a t d t 22m i nm a xt 5中 和 轨 温 ： 三、设计思路 无缝线路 中和轨温计算的 主要思路如图： 图中揭示了该设计的主要思路。 中和轨温 应根据当地的轨温条件（轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。 因此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。应根据 无缝 线路 的设计原则来确定。 主要计算如下： 1、 无缝线路钢轨强度检算（确定允许 降温幅度 ） 强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力 ： d t f 式中：d 钢轨动弯应力（ 计算方法参见“轨道结构力学分析”一章； t 钢轨温度应力（ f 钢轨附加应力（ 如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等。 本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取 10f M ； 钢轨允许应力。 因此允许的 降温幅度 由下式计算 （ 4-） 式中：d 钢轨动弯应力（ 取拉应力计算值。 2、 据稳定性条件确定允许的升温幅度 根据稳定性计算求得的允许温度压力 P 后，可计算出允许的升温幅度 22 （ 4-） 式中： 附加压力，本设计可取为零（ N）。 P 轨道允许的最大温度压力；根据无缝线 路稳定性理论计算，采用“统一公式” 教材和参考文献 1。 2、 中和轨温确定 根据图，中和轨温 m a x m i n 22 t 四、设计参数 （自己选取、组合） 根据自己家乡选取当地最低和最高轨温（见资料“轨温”）。其他参数按设计要求，参见有关规范和图书资料合理选取（一些参数附件已给出），并说明理由。 五、其他设计相关规定 无缝线路钢轨的抗拉强度不应低于 880径不大于800m 的曲线地段及大坡道地段，宜采用热处理钢轨或高强度钢轨。允许铺设无缝线路的最小曲线半径为 300m。 主要参考文献 ： 1、教材 2、铁路轨道 谷爱军主编 中国铁道出版社 3、铁路无缝线路 广钟岩等， 中国铁道出版社。 4、铁道工程，郝瀛主编，西南交通大学出版社。 计算相关的其他问题 附加速度系数 附加速度系数1和2速度范围 km/h 电力 机车 1120V 160 2160V 200 混凝土枕线路的初始弯曲 初始弯曲 50kg/m 钢轨 60kg/m 钢轨 75kg/m 钢轨 弹性初弯 性初弯 国常用机车类型的计算参数 机车种类 机车型号 轮轴名称 轮重（ 轮距（ 构造速度（ km/h） 内 燃 机 车 一转向架 I 106 255 118 06 180 06 820 第二转向架 I 106 06 180 06 250 东风 4 （ 第一转向架 I 80 客 120 货 100 80 40 第二转向架 I I 80 80 东风 11 （ 第一转向架 I 00 客 160 00 二转向架 I I 00 00 韶山 1 （ 第一转向架 I 30 90 30 80 第二转向架 I I 30 30 I 30 电 力 机 车 韶山 3 （ 第一转向架 00 100 20 第二转向架 I I 30 00 韶山 4 （ 第一转向架 I 00 100 20 第二转向架 I 00 20 第三转向架 I I 00 第四转向架 I 20 00 韶山 8 （ 第一转向架 I 90 160 10 第二转向架 I I 90 当 V 120km/ 0(1 )dM f M 当 120km/h V 160km/ 10 (1 ) (1 ) dM f M 当 160km/h V 200km/ 1 2 0 ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) dM f M 设计锁定轨温及预留轨缝设计报告书 无缝线路简介 无缝线路是把标准长度的钢轨焊连而成的长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路。 普通列车通轨缝时产生冲击和振动，并伴随打击噪声，接头冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适，促使道床的破坏、线路状态恶化、钢轨及联结零件使用寿命缩短、维修劳动费用增加，并且接头区轨端损害比其他部位打 23 倍，很大部分的重伤钢轨发生在接头区。而无缝线路本质上解决了普通线路的这些特点。无缝线路消灭了大量的接头，使行车平稳、旅客舒适，同时机车车辆和轨道维修费用减少，使用寿命长。因此，铺设无缝线路意义重大。 从国内外无缝线路发展简况来看，早在 1926 年，无缝线路有德国最先发展，开始试铺。在 50 年代，把无缝线路作为国家的标 准线路，经过 10 多年的发展，开始把无缝线路和道岔焊接在一起。 70 年代，美国开始迅速发展，到 1979 年底超过 12本 50 年代开始发展，现在已达 5000 余公里。我国于 1957 年开始试铺，目前京广、京沪、京沈、陇海等主要干线均铺设无缝线路。至今已铺设 90 年代开始对超长无缝线路的研究和试铺工作，目前已铺设超长无缝线路近千公里。我国无缝线路从发展初期就基本确定为温度应力式无缝线路，但 1979 年在寒冷地区铺设无缝线路时，曾在长大、哈长、平齐等线试铺自动放散、定期放散应力式无缝线路 18段无缝 线路的两端或一端设置伸缩调节器。约经三年试验，发现放散应力耗费大量劳力且需封锁区间，因而自 1983 年逐渐改为温度应力式。目前，除特大桥还使用温度调节器外，路网无缝线路全部为温度应力式。 无缝线路是当今轨道结构的一项重要新技术，世界各国竞相发展。 一、 设计任务 无缝线路 的钢轨温度力大小和分布与轨温变化幅度有直接的关系，而它又是影响无缝线路的强度和稳定性的主要因素，所以钢轨的 温度变化幅度就成为无缝线路设计、铺设和维修养护的重要 条件 。一般取当地历年最高气温 20C 作为当地最高轨温，当地历年最低气温作为最低轨温。在工作中还经常使用的钢轨温度名词还有中间轨温、锁定轨温、设计锁定轨温范围。 锁定轨温在无缝线路设计时按照强度和稳定条件并考虑施工、养护、管理等因素来选择一个铺设长轨的轨温范围，叫做设计锁定轨温范围。在设计锁定轨温范围内上紧钢轨接头扣件和拧紧中间扣件，把钢轨锁定，此时的轨温叫做锁定轨温。锁定轨温下，钢轨温度力为零。这样可以保证焊接长钢轨在最低轨温时各种应力共同作用下不破坏，在 最高轨温时线路不胀轨跑道，使线路能正常运行。这个锁定轨温非常重要，它是管理和维修保养无缝线路的依据。如果不在设计锁定轨温范围进行铺轨，则必须按照设计要求进行调整钢轨内力或放散温度力后重新锁定。 因此锁定轨温确定是无缝线路设计的关键问题，涉及轨道工程这门课的主要理论。该设计的任务是通过实际设计，更深入地掌握轨道工程的基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论），通过专业书籍及相关学术期刊的学习，了解无缝线路铺设的意义及国内外发展的现状。并对路基上无缝线路设计的基本原理、方法及步骤有较清楚的了解。 1）通 过计算，确定路基上无缝线路的允许降温幅度。 2）通过计算，确定路基上无缝线路的允许升温幅度。 3）通过计算，确定无缝线路设计锁定轨温。 4）通过计算，确定长轨条与标准轨之间预留轨缝值 5）通过计算，确定标准轨与标准轨之间预留轨缝值 重点、难点： 1无缝线路强度及稳定性计算 2设计锁定轨温范围的合理确定 3. 通过计算，确定长轨条与标准轨之间预留轨缝值 4. 通过计算，确定标准轨与标准轨之间预留轨缝 二 、 设计目的和意义 在普通线路上，钢轨接头是轨道的薄弱环节之一，无缝线路消灭了大量的接头，具有行车平稳、旅客舒适，同时机车车辆和轨道维修费用的减少，使用寿命延长等一系列优点。 然而铺设无缝线路是有条件的，主要是考虑气候温度的影响，因为万物都有热胀冷缩的特点，对于无缝钢轨，温度的影响更为明显， 钢轨温度每改变 1 ，每根钢轨就会承受 的压力或拉力。轨温变化幅度为 50 时，一根钢轨则要承受高达 的压力或拉力。 为防止钢轨断裂，无缝线路应具有足够的强度。无缝线路强度计算 要满足 在列车动力作用下，焊接长钢轨所受的弯曲应力、温 度应力及制动力的总和 应 不超过钢轨钢料的容许应力。无缝线路除满足 强度 要求外，还必须满足稳定性要求。实践和理论表明，无缝线路在垂直面上臌曲的可能性是很小的，胀轨跑道总是在水平面上发生，首先在轨道的原始弯曲处开始。当轨温不高 ,温度压力不大时 ,轨道的臌曲变形极小 ;随着轨温及温度压力的继续增大 ,轨道变形将随之逐渐 增加，但不会引起突然破坏；一旦温度压力升高到某一临界值后 ,如压力稍有增大或 受外力干扰时，轨道变形就会突然急剧增加，终于导致稳定性的完全丧失。 因此，要满足强度和稳定性的要求，锁定轨温的确定无疑是无缝线路设计的关键问题。 所以我们锁定钢轨时必须正确、合理地选定锁定轨温，以保证无缝线路钢轨冬天不被拉断，夏天不致胀轨跑道，危及行车安全。 无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著。 无缝线路由于消灭了大量的接头，因而具有行车平稳、旅客舒适，延长设备使用寿命，减少养护维修工作量，这些优点在行车速度提高时尤为显著。 无缝线路的这些优点卓越，而设计锁定轨温就是其中的关键问题，本课程设计基于课本中的知识，从实际出发布置设计题目，让同学们掌握无缝线路的核心问题，掌握钢轨的强度、刚度、稳定性以及受力特征，进而根据当地实际条件来确定锁定轨温、确定轨条之间的预留轨缝，具有实际意义。 三、设计理论依据 无缝线路中和轨温计算的主要思路如 右 图 。 图中揭示了该设计的主要思路。 锁定 轨温应根据当地的轨温条 件 （）和轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。 因此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。应根据无缝线路的设计原则来确定。主要计算如下： 1、 无缝线路钢轨强度检算（确定允许降温幅度） 强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力 ： d t f 式中： d 钢轨动弯应力（ 计算方法参见 “ 轨道结构力学分析 ” 一章； t 钢轨温度应力（ f 钢轨附加应力（ 如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等。 本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取 10f M ； 钢轨允许应力。 因此允许的降温幅度 可由下式计算 式 中： d 钢轨动弯应力（ 取拉应力计算值。 2、据稳定性条件确定允许的升温幅度 根据稳定性计算求得的允许温度压力 P 后，可计算出允许的升温幅度 ： 22 式中： 附加压力，本设计可取为零（ N）。 P 轨道允许的最大温度压力；根据无缝线路稳定性理论计算，采用 “ 统一公式 ” 教材和参考文献 1。 中和轨温确定 根据图，中和轨温 算如下： m a x m i n 22 t 3、预留轨缝的计算 轨端伸缩量计算 长轨一端的伸缩量 = = = 标准轨一端的伸缩量 = - = - 图 5 长轨条轨端伸缩量计算图 图 6 标准轨轨端伸缩量计算图 缓冲区中标准轨之间的预留轨缝与普通线路相同。长轨与标准轨之间的预留轨缝计算方法如下： 按冬季轨缝不超过构造轨缝 可算得预留轨缝上限 a 上 为： a 上 长 短 ） 按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为： =+ 则预留轨缝为 = 缩区长度可按下式计算： A B C l K l P 钢轨温度力可按下式计算： 符号规定如下： 钢轨接头构造轨缝，取 18mm r 每股钢轨单位长度线路纵向阻力 N/cm 每枕纵向阻力 (a 轨枕间距 (接头阻力 (N) 最大温度力 (N) L 缓冲轨长度（ m） E 钢轨弹性模量，取 210 钢轨断面面积 (四、设计参数 钢轨： 60kg/m，标准轨长度 25m，垂直磨耗 6服强度 457钢轨断面面积 A=宽 =15水平轴的惯性矩 =2879， =375， =291； 钢轨支座刚度 D：检算钢轨 D=300000（ N/，检算轨下基础 D=700000（ N/ 轨枕： 凝土枕， 1667根 /枕间距 a=60度 l=250 道床：道碴为一级道碴，道床顶面宽度 据铁路轨道设计规范 ，面碴厚 25碴厚 20 路基填料：沙粘土； 曲线最小半径为 R=800m 车 ， 00km/h 主要技术指标： 吉林 延边地区 某段线路铺设无缝线路 。 基本参数选取如下： 钢轨 屈服强度 s 457准轨长度取 25m 钢轨允许应力 352加压力 本设计可取为 0（ N） 轨枕间距 60a 钢轨附加应力（ f 10基填料 沙粘土 临界温升 钢轨支座刚度D 检算钢轨 300000（ N/ 变形曲线弦长 m 检算轨下基础 700000（ N/ 允许未被平衡超高h 75线最小半径 R 800m 钢的弹性模量 E 105车 类型 车 钢轨的线膨胀系数 10 设计最大速度 00km/h 接头阻力 90邻标准轨间预留轨 缝 8（ 1） 二、具体参数如下各表： 1、取正线轨道类型如下：（见轨道 ） 项目 单位 重型 运营 条件 年通过总质量 5 50 列车设计最高速度 km/h 100 轨 道 结 构 钢轨 Kg/m 60 混凝 土枕 型号 铺枕根数 根 /667 岩石、渗水 土路基 双层 道渣 渣 25 低渣 20 表（ 2） 2、钢轨断面尺寸特征如下： （见轨道 - 表 钢轨类型 kg/m 60 钢轨类型 kg/m 60 每米质量 M/头所占面积 面积 A/腰所占面积 心距轨底距离 y1/1 轨底所占面积 水平轴的惯性矩 Ix/217 钢轨高度 H/76 对竖直轴的惯性矩 Iy/24 钢轨宽度 B/50 下部截面系数 W1/96 轨头高度 h/部截面系数 W2/39 轨头宽度 b/3 轨底横向挠曲断面系数 Wy/0 轨腰厚度 t/（ 3） 3、钢轨头部磨耗轻伤标准如下（ 00km/h）：（见轨道 - 表 2-9 钢轨 kg/m 总磨耗 /直磨耗 /面磨耗 /0 14 9 14 表（ 4） 4、混凝土枕尺寸如下：（见轨道 - 表 45） 轨枕 类型 主筋 数量 混凝土 等级 截面高度 /面宽度 /面积 /量 /度 /下 中间 端部 轨下 中间 7720 320 260 10 7 8 表（ 5） 5、轨枕扣件技术性能如下 : （见轨道 - 表 65） 扣件性能 弹条型 扣件性能 弹条型 每个弹条初始扣压力 / 10 弹条变形量 /0 扣压节点垂直静刚度 /KN/m 60轨距量 /8 12 纵向防爬阻力 /6 调高量 / 10 表（ 6） 6、附加速度系数如下：（见轨道 - 表 157） 附加速度系数 速度范围 km/h 电力机车 V 120 00 表（ 7） 7、横向水平力系数 f 如下（取曲线半径 R=1000）：（见 轨道 - 表 线路平面 曲线半径 /m 800 横向水平力系数 f （ 8） 注：本设计中取每千米轨枕数目为 1667,肩宽设为 30等效道床阻力通过查表内插取得： Q=、 延边 最高最、低及中间轨温如下： 地区 最高轨温 最低轨温 中间轨温 吉林延边 （ 9） 9、等效道床阻力 路容许弯曲矢度 f=（见轨道 - 表 线路条件 每千米轨枕根数 碎石道床、混凝土枕 混凝土轨枕肩宽 30667 Q=（ 10） 10、混凝土枕线路的初始弯曲如下：（见轨道结构课程设计资料附表） 初始弯曲 60kg/弹性初弯 性初弯 容许弯曲矢度 f（ 2 表（ 11） 11、机车类型为 : 燃机车，设计速度取： 00km/h 韶山 4 （ 第一转向架 I 00 100 20 第二转向架 I 00 20 第三转向架 I I 00 I 20 第四转向架 00 表（ 12） 12、道床状态参数指标如下：（见 轨道 - 表 指标 轨枕类型 铁路特征 单枕道床纵向阻力 N) 一股钢轨单位道床阻力r(N/667根 /52 表（ 13） 13、 图 a 五、计算过程 页图 a 所示 车轮荷载采用当量静荷载最大可能值。考虑速度及偏载的因素，车辆垂直当量荷载的最大可能值为： v 120km/h + + ) 因为钢轨弯矩 0 成正比，因此，在垂直当量静荷载的最大可能值 v 120km/h (1+ + )f 轮载群作用下 Y,M,R 的计算： 弹性位移曲线： ()2 x 当量荷载： () 弯矩： 1 ()4M P 轨枕反力： ()2 x 其中影响线函数：( ) ( c o s s i n )( ) ( c o s s i n )x e k x k xk x e k x k x 具体公式如下： = = = 1. 轨道结构静力计算： 刚比系数： 4 4 则最大动弯矩为： 0(1 )dM f M 速度系数： 电力机车 =0/100=载系数： =h , 5虑最不利情况）； 曲线半径： R=800m 可得曲线上横向水平力系数： f=1. 计算刚度相对比值 K 当验算钢轨 D=30000N/a=600， u= = =50 K= = = 当检算轨下基础 D=70000N/a=600， u = = =K= = = 2. 计算最大静位移、弯矩和枕上压力 = = = = =23749912N = =电力机车运行速度 V=80km/h 是； 检算钢轨 = =算钢轨下沉及轨下基础各部件 = =线半径 R=800m，取其未被平衡欠超高最大值 =75偏载系数为： =有： 0(1 )dM f M =23749912x 1+程序验算 轮群荷载作用下的钢轨弯矩 动弯矩 ,a,u,k,E,Ix,0,0i,xi, ho,ao,d; 请输入钢轨支座刚度 D:n); %&D); 请输入钢轨轨枕间距 a:n); %&a); 请输入钢轨弹性模量 E:n); %&E); 请输入钢轨截面惯性矩 n); %& 请输入机车的轮重 n); %& 请输入机车的轴距 n); %& u=D/a; x1=u/(4*E* k=; (4*k)*1+k*(k*k*); 钢轨基础弹性模量 u=%n,u); 刚比系数 k=%n,k); 静弯矩 n, 请输入 :n); %&V); 请输入轨道的未被平衡超高值 n); %& ; 0*(1+ao+钢轨上的动弯矩为 lfn, 从而可知，用手算和软件程序所算的取值是一致的。 (1）、轨下断面正弯矩检算 满足要求 （ 2）、中间断面负弯矩检算 , 满足要求 3、 道床顶面压应力检算 ,满足要求 4、 路基基床表面压应力检算 )( )(2 现有道床厚度为 450= 000,r0,r1,r,p,E,f=2,q,c,d,l2,l,b, i,j,请输入弹性初始弯矩矢度 n); %& 请输入塑性初始弯矩矢度 n); %& 请输入钢轨弹性模量 E:n); %&E); 请输入钢轨截面惯性矩 n); %& 请输入等效道床阻力 q:n); %&q); 请输入最小曲线半径 r:n); %&r); r0=l0*8* (1/r)+(1/; c=2*E*AI/*)/2; 1/q)*(c+c*c+f+q); l= l*l*l0* d= 重新计算后的 l=%lfn,l); d=2) l1=l; b=l=1/q)*(c+c*c+f+q); d= l*l*l1* 重新计算后的 l=%lfn,l); b; i=(f+(l*l*l*l)+q; j=(f+()/(4*l*l)+(1/ p=i/j; p/K; 钢轨允许温度压力 p=%lfn, 计算误差为 d=%lfn,d); ; 从而可知，用手算和软件程序所算的取值是一致的。 所以由公式 ，（ 附加应力可取为 0） 得 已知延边地区 最高轨温为 C,最低轨温 C =5=. 长轨与标准轨之间预留轨缝设计： 先假设锁定轨温为 所以得最大温度力 拉=7745 （ = 压=7745 （ = 接头阻力 =490床纵向阻力 r=152N/据道床纵向阻力表查得）； 长轨与标准轨之间的预留轨缝： 以锁定轨温为 例， 冬季： )( m a xm a x t = 7745 （ = = = = - = =季： )( m a xm a x t = 7745 （ = = = Pt 2 = =程序验算 长轨与标准轨之间预留轨缝 # 11= i; w, a, l, E=210000, F, *w 为线膨胀系数， a 为枕间距， l 为标准轨长， 接头阻力， E 为弹性模量， , r, *钢轨温度力， 从锁定轨温到当地最低轨温时，长轨、短轨一端的伸缩量， 轨、短轨一端的伸长量， (请输入单位道床纵向阻力 r=n); % &r); 请输入标准轨的长度 l=n); % &l); 请输入钢轨接头阻力 n); % & 请输入钢轨截面面积 F=n); % &F); 请输入该地区最低轨温 n); % & 请输入该地区最高轨温 n); % & 请输入钢轨的线膨胀系数 w=n); % &w); 请输入轨枕间距 a=n); % &a); i=0; i T11= i; w, a, l, E=210000, F, *w 为线膨胀系数， 每枕纵向阻力， a 为枕间距， l 为标准轨长， 接头阻力， E 为弹性模量， F 为横截面面积， 构造轨缝 */ t, r, *钢轨温度力， 从锁定轨温到当地最低轨温时，长轨、短轨一端的伸缩量， 从锁定轨温到当地最高轨温时，长轨、短轨一端的伸长量， 预留轨缝上下限， 预留轨缝值， r 为每股钢轨单位长