钢轨接头夹板及轨缝设计计算简介.pdf

译文 钢轨接头夹板及轨缝 设计计算简介 日 德 闻研 三 摘要 目前我 国对 钢轨接 头夹板 及轨 缝设计计算 尚缺 乏资料 本文介 绍 日本 的计算方法 对标 准设计 有一定 的实用意 义 译者 一 施 加在接头夹板 上的压力 接头夹板是 两相 邻钢 轨轨 端间传递 弯矩 和 剪力之用 的 因此 钢轨接头 的理 想状 态是 将 一定强 度的接头夹板 牢固地安 装在 钢轨 上 使其具有与钢轨基本相 同 的 强 度 弹 性 井能保持车轮踏面接近平滑地运行 但 是 普通接头夹板 的断面参数如表 1所示 一 对接头夹板 的断面 积 约 为 钢 轨 的8 5 N 接 头 夹 扳 的 断 面 参 数 裘 1 银轨 一 对 夹 板的 B 水 轴的 断面 柏惯性 矩 接 头 吏 板 类 别 断 面 积 幔 斜 角 告一 断 面 积 I Bf c m A 0 I I A c m c m f c m4 c m 5 0 虹用 平 型 6 4 3 3 1 O 5 1 2 O 8 9 4 2 1 1 6 7 l 6 5 1 l g 5 o k g 用 L型 6 3 3 1 M0 6 7 3 O 1 O 5 3 1 2 5 2 8 8 2 3 1 2 0 2 6 5 o k g N用 6 4 0 l 0 6 2 1 O 6 3 0 3 3 1 6 5 k g 用 7 5 3 O g O 6 8 6 0 0 8 9 3 9 9 1 2 6 O O 而弯曲刚 度仅 为2 0 3 0 尤 其 是 5 0 PS 钢 轨用 的接头夹板等 因为是L型接头 夹板 当用螺栓 紧固在钢 轨上 并承受 垂直 弯 曲应力时 由于接头夹板 的断面 形状对于 水平 轴及垂直 y轴均为非对称状态 因此 中和轴是倾斜 的 必 将造 成有效惯 性矩 的减 小 见 图1 例 5 0 PS 钢轨用 接头夹板对于 轴 的惯 性 矩 由于 中 性轴 倾 斜 31 使 舶辔 2 j F 刀分 布舳 假定 式 A 施 加在接头夹板 上的压力 对 于 接 头夹板 的中心线认 为是左 右对 称 钢轨和接 头夹板平常完垒处于平面接触的 状态时才成 立 一 3 维普资讯 B 考虑了接头夹板与钢轨之间的 问 I5 c 和接头夹板的变形 钢轨压力仅在接头堤 板中央及端头小范围内作用显著 而在其它 部 分则不发 生作用 c 将 B 的假定进一步理 论 化 压力仅作 用在接 头夹板 的中央和端部 根据 c 的假定 解出接头夹板端 部 压力月的Zi m e r 1 1 1 a z n解 法 如图3 所示 罔 3 铺轨压力的Z j 如me r ma n n 解法罔式 I 2 堕 一 i 一 一一 G 一 击丑 G 式中 o 0 a J a 1 1 a B D 其 中 B E Z a 3 D c b a 轨 枕下沉压 力 G为轴压 为钢轨断面 的惯性 矩 为 两块接头夹板断 面的惯性 矩 为接头 夹 板 与钢轨上下接 触面之间缝隙 的一半 接头夹板承受 的弯矩M 月 接头夹板的摩攘阻力 接头夹板根据 其与钢轨组装时 接头夹 板与钢轨头部的接触状态可以分为轨头接触 型 见 图4 及轨 头 自由型 见图5 轨头接 触型为接头夹板 与钢轨 的组装采用 了其 与轨 头下部斜面及轨底上部斜面密贴的形式 井 根据接头 夹板 的楔作 用达到密贴 的 目的 轨 头 自由型为接头夹板与轨头下部 包括轨腰 上部 相对应 的部 位完 全密 贴 当紧固接头 螺栓时 与轨底上部斜面相对应部分的夹板 下 端向钢轨 中心 楔紧 罔4 轨壬 接 触型 斟 轨 头 自由 原理 因此接头夹板 的摩擦阻力可 以用力学 方法进行 计算 如 图6 所示 轨头接触型接头戋板的作用是根据楔的 罔 格触 接 头屯 孵 力 一 4 一 维普资讯 P为接头螺拴的拉力 为接头夹板 垂直 方向 的压 力J P 为上 部接触面 的压力 为 下部 接触 面 的压力 为钢轨 与接头 夹板接 触面措断面 方 向 的摩擦系数 P 为上 部接触面P的水 平方向分力 为下部接触面P的水平方向分力 P P P 尸 P s i n c o s Pl P s i n c o s f1 P c O s 一 I n 1 I P c o s fl一 s i nf1 一 co s f l u s i n f l I P C 0 5 6 其中 a 为轨头下部斜 面的角度 为轨 底 上部斜面 的角度 从上式 中可得出 J P s i n c o P s i n c o s 2 五 五 c 丽 o s fl s i n fl P丽 丽 i而 3 五 I l 0 i 丁 干 ll i 了 c o 面 P c o s i nd P i c 0 一 s c o s 一 s i n c o s s i B e s i n c o s c o s fl t n f1 i 主 n c o s f1 c 0 s 一 i n 通常 时 p 面P z 螺纹部分的摩擦系数 6 螺母表面的摩擦系数 设 接头夹板摩 擦阻力 为 钢轨 纵 向与接头夹板 的摩擦系数 为 时 R p 十 x 接头螺 栓 的根 数 7 根据 试验结 果 0 2 5 可求出 4 根接头螺栓 的接 头夹板 月 P 6 根接 头螺栓 的接 头夹板 8 R 1 5 P P 例如 5 0 N钢轨是4 根 接头螺栓 的 接 头 夹板 q 2 0 设 0 2 0 代 人 8 式 R 1 9 P 9 接头螺拴紧 固力 矩功劬接头螺检 拉 力P 的关系可用下式表示 P 一 一 1 1一一一 鲁w 1 0 式 中 尸 接 头螺栓的拉力 k N J 接头螺栓 的扭 矩 k N e m P 螺 纹的螺 矩 c m 4 5 一 接头 螺栓 螺纹部 分的平 均半径 c m I 螺母表面的平均半径 e ra 5 0 N钢轨 时为以下数值 1 2 0 1 7 P 0 25 40 l 1 7 4 2 4 2 2 3 o o 2 因此 P 2 2 T 1 1 从 9 和 1 1 式 可得 R 1 9 P 4 2 7 1 2 接 头螺拴的标准扭矩T 5 0 k N C I I 1 因 此R 2 1 0 k N 5 0 T 钢轨及6 o K钢轨均采用轨头 自由 型 接头 夹板 不能采用以上理论公式计算 因 此必须通过实验求得接头夹板 的摩擦阻力 采 用图7 所示6 0 K钢轨接头阻力 试件 进 行 拉 伸试验所得 到的数 据如 图8 所 示 对5 0 T钢 轨 根据同样 试验 可得 到如图 9所 示 的 结 果 从 这些数据得知 设接头 阻力值为接 头 呋板开始滑动产生微小 变位 时的数值 则接 头 螺栓扭矩为5 0 k N c i n 时的接头阻 力 约 为 3 0 0 kN 维普资讯 I 1m 麓 柱 B 盥 鹤 堕 一 鼬 中 一斗曼 图 7 6 O N钢轨接头阻力试件 裘 啦 m 圈 8 6 o k g 钢轨接头夹板阻力试验结果 茕 缝 踌 如 幽 g 5 o T 钢轨用接头竞板阻力试验绪粜 三 接头 夹板螺栓产生 的弯 曲 螺栓 的螺纹部分所发生 的拉应力口 根据 螺栓 紧固时 所发生的拉力P求得 即 d 1 3 为螺检 的有效 断面积 用螺栓的 有 效 直径和内径的平均值作为直径求出 的 断 面 积 另方面 在 螺栓上有 由于 垫圈作用产生 的弯矩 见 图1 0 用这 个弯矩求 出发 生的 边 缘应 力 一 4 6 一 鲁 二 m 等 1 4 式 中 螺拴 中央 部分 的直径j d z 螺栓螺纹部分的有效直径与内 径的平均 值J 螺栓 中央部分拉 应力 与弯 曲应 力之比 图 1 0 螺栓荸曼的弯矩和拉力 因此 可 求出因螺栓紧固所发生 的拉应 力s弯 曲 直力钓台 力口为 1 m 鲁 1 5 其次 轨缝扩大到极限后温 度 继 续 下 降 螺栓上作 用着钢轨 的收缩力 产生 了相 应 的开1 3应 力 设口 为这个开 1 3应力 的容 许 应力 值 则 0 a j一 m 1 6 式中 的口 等于螺栓 的埘 服强 度 根据图1 可得 P 1 7 求出 后 根据钢轨收缩力 可 求 出 在 维普资讯 螺栓上产生的弯舢 阻力 理论上是采取 上述 方法进行计算 但 实 际上 由于m值 的确 定是 很困难 的 因 此根据 试验 求出弯曲 阻力P 是 比较简单的 四 轨缝计算 1 用二次测定浩求设 计轨 缝的计算式 目前是根据一次测定法 进行轨 缝管理 但 采用二次测定法 比一次测定法 精度更高 更正确 是一种非常有利的方法 根据图1 2 可求出轨缝的计算式 当钢 轨温 度上 升时 随 着轨 缝在缩小测得轨缝值 及 相 应 的 轨 温T j 当钢轨温 盘下 降肘 随着轨 缝 扩 大 测得轨缝 值 g z及 相 应 的 轨 温 ABo CDo 口J P 2 Z 2 y Y g 2 一 式 中Z f l T 一T 是钢 轨钢 的线 膨 胀 系数 f 是钢轨的长度 1 2二 炎 删 定 陪娘 理 Y 古 g 一fit T 一T 2 1 8 Y BH 表 示钢轨 温度 时 的设 计 轨 缝 则钢轨温度 时的设 计轨缝 C H y z 并可求出 Y z 古 g P 2 Z 口 F 2 卢 T 一 一 次测定法是将接 头夹板 阻力换算 为相 应 的轨缝 值AB 或 C D 并假定 日 CD 1 mm 如实际不是 1 mm时就会产生 误差 采 用 二 次 侧定法不 凡 f 或c D 的 f 是 多 少 都可以正碉地 求得 i l 轨缝 2 不 学堪纵 力 I j 求胀轨及拉蛳 板瞅 值 的方法 设纵向阻力为O N极 限值 的 计 算 式 如 下 首先求胀轨极限值 的计算式 如图I 3 所 示 通过O一 一 一C D的程 序 设O点 的轨温为 相 应的设计轨缝为 则不 作 为 轴压储存 的 自由伸 缩区AC 的温 度 变 化 量 为 At 卢 3无 川 l I 力对 娃 斐 化 曲 线 从而求得最 高钢轨温 度f m m x 时 的轴压P P EA r 一 t A t 卢 l f m x 一 音 1 9 式 叶 I 钢轨钢 的弹性模 量 钢轨断面积 口 钢轨钢 的线膨胀系 数 j 钢轨长 度 设轴压P与最低屈服强度P 相等时 作 为胀轨 的极 限 则求 得极限值 的计算 式 为 P 卢 t m a x 一 音 2 0 求 拉断极限时 同样如 图1 3 所示 通过 O一 一 日 一 C 一D 的程序 月 为接头夹板阻 力j 月 为螺栓的弯 曲 J 5且力 F 为最大轨缝 则 O A 南 一 f A一 C t a 姒 断极限D 点作为 最 低 钢 轨 温 度 l I J 求得极 5 I 值 的 计算式 为 粕嚏 轨 缱 维普资讯 一 曼 整理后 m x 口 t 一 一 m n f 21 3 考虑纵向阻力时 求胀轨和拉 断极 限值 的方法 考虑 纵向阻力 时 将 1 9 2 O 式 加上纵向阻力 的影 响作 为极限值 计 算 式 根据 图l 4 首先 计算胀轨极限值 AB 间温 度变化量 为R EAr1 依据如 图l 5 所 示的纵向阻力作为轴压被 储存 时 的变化量 得到 间温度变化量为 v t 2 EAr1 B C问的轨缝缩小量为 f z 4 EA 1 4 有纵向阻力时轨缝变化曲线 卫 j l b鼽 向阻 生 设 点的设计轨缝 为e 则c点 轨 缝 为 i 三 I 可 问 的 温 度 变化 量为 e 一 一 f 4 EArl 设 点的钢轨温 度为 最高钢 轨 温 度 为 时 则 由 点至轨缝变 为0以 后 的 温 度变化量 f 为 At m z 一一 2E A Lr l一 矗j 4 E A EAB l 1 fln一卜 南 4 E A 8 一 南 因 所产生 的轴压 垒部 被贮 存 则求 出 胀 轨极限值为 P t R f Y E A fl A t 4 E A p x 小 南 2 2 比较 2 2 式 与 2 0 式可看 出 具有 纵向 阻力 时增 加的轴 压值 1 f 4 是不利的 求拉 断极限值 同样根据 图1 4 并按下述 方法计算 间温度变化量 为月 EAr1 c 间 温度变 化量为 f