轨道工程-第二章-钢轨

,轨道结构理论第二章钢轨,二、钢轨,第一节钢轨的功用和类型具有以下的功能（1）为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动面，引导车辆前进。（2）承力传力钢轨要求承受来自车轮的巨大垂向压力，并将以分散形式传给轨枕。（3）导电在电气化铁道和自动闭塞区间还兼做轨道电路之用,二、钢轨,钢轨截面演变,一、钢轨,二、钢轨,钢轨的分类：通常做法是按每延米质量来分类我国铁路所用钢轨的重量有43kg/m、50kg/m、60kg/m和75kg/m。,二、钢轨,钢轨的分类：按轨底不同分为平底对称和平底非对称钢轨区间线路均采用平底对称钢轨；如我国50、60、75kg/m钢轨；欧洲UIC60;美国136RE；英国BS113Ib；俄罗斯P50、P65、P75钢轨等。,二、钢轨,平底非对称钢轨用于城市电车轨道,二、钢轨,按断面不同平底非对称断面钢轨，主要用于制造道岔尖轨或岔心轨，如我国50AT、60AT(矮型特种断面钢轨)；法国60D40；德国60Zul；还有用于护轨的槽型轨。,二、钢轨,按轨型分类分为重轨和轻轨。从国内铁道应用而言，50/m及以上钢轨均称之为重轨。目前使用的钢轨主要是50/m及以上的钢轨。在高速铁路和繁忙干线上主要使用60kg/m钢轨，在重载铁路上使用75kg/m钢轨。,二、钢轨,按轨钢的化学成分分类分为碳素钢轨，如U71Mn（钢中无其他合金元素，又称普通轨钢）；微合金轨钢（钢中加入微量合金元素，如U75V）；低合金轨钢（如钢中加入0.801.20Cr的EN320Cr）。,二、钢轨,按轨钢的按交货状态分类分为热轧和热处理钢轨。不论钢轨强度多少，凡是以热轧状态交货，均称之为热轧钢轨。热处理钢轨依其工艺条件分为：离线热处理钢轨（钢轨轧制冷却后再重新加热）；在线热处理钢轨（利用轧制余热对其进行热处理，不再二次加热）,二、钢轨,随着铁路发展世界各国修建高速和重载铁路对钢轨的性能提出了更高的要求。我国目前的钢轨定长为12.5m和25m两种，世界各国的钢轨定长也不相同。我国用于新建客运专线的定长钢轨长度为50m或100m。,二、钢轨,第二节钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状钢轨的三要素：质量断面材质钢轨的六点基本要求：足够的强度和耐磨性较高的抗疲劳强度和韧性一定的弹性足够光滑顶面良好的可焊性高速铁路的高平直性,二、钢轨,钢轨的断面设计“工”字型，轨头、轨腰、轨底三部分组成。记住下边三句话：头大：宜大而厚、宽度足够、外形匹配、中部起弧腰长：宜高而厚、两侧曲线、支撑面宽底宽：宜宽而厚、刚度足够、腐蚀性强设计参数：轨头宽、轨腰厚、钢轨高、轨底宽,二、钢轨,设计原则：保持稳定钢轨高：轨底宽=1.151.20轧制冷却均匀各部轧制合理,二、钢轨,钢轨截面的主要尺寸：,50轨,二、钢轨,60轨,二、钢轨,75轨,二、钢轨,第三节钢轨材质及其力学指标钢轨的材质和机械性能取决于化学成分、金属组织和热处理工艺。,二、钢轨,钢轨的材质是指钢轨的化学成分及其金相组织，要使得钢轨具有可靠性的前提是钢轨材质具有较高的纯净度和合理的化学成分。钢轨主要出现问题是由于钢轨的内部夹杂、缺陷引起的疲劳折损。所以提高钢轨材质的纯净度是减少钢轨疲劳折损、提高钢轨可靠性、延长使用寿命的有效途径。,二钢轨,钢轨的化学成分：铁、碳、锰、硅、磷、硫等合金钢轨中含有：铬、镍、钼、铌、钒、钛、铜等在我国四川地区生产钒钛稀土材质的地区，攀枝花钢厂生产出中国国产的特种合金钢轨PD3钢轨。其中U75V钢轨钒的含量很高。,二、钢轨,C，强度和耐磨性，韧性，一般含量0.65%，0.82%Mn，强度和韧性，一般0.6%1.0%，1.2%以上则成为高锰钢Si，致密性和耐磨性，一般0.15%0.3%P，冷脆性，有害元素S，晶析废品，有害元素一般磷和硫的含量0.04%,二、钢轨,钢轨的力学性能也是钢轨的主要特征，包括强度极限b、屈服极限s、疲劳极限r、伸长率、断面收缩率、冲击韧性k和布氏硬度指标HB等。这些指标对钢轨的承载能力、磨损、压溃、断裂及其他损伤有很大影响，高速铁路钢轨还对裂纹扩展速度、残余应力、落锤性能等提出了比常规铁路更高的要求。,二、钢轨,抗拉强度：s=227+803%C+87%Si+115%Mr+133%Cr+891%P+614%V19屈服强度：y=101+469%C+36%Si+85%Mn16+116%Cr+0%P+634%V21伸长率：0=30.8-22.6%C-1.7%Si+0%Mn-2.3%Cr+0%P+4%V0.9,二、钢轨,第四节钢轨尺寸允许偏差及平直度要求钢轨截面尺寸偏差和平直度也是钢轨质量的一个重要指标。为保证列车运行的平稳性，则要求轨道的几何形位稳定，而达到这一点，高精度的外形尺寸和高平直度的钢轨是必不可少的。,矫直机,二、钢轨,平直度检测仪：,二、钢轨,二、钢轨,二、钢轨,我国的GB25852007和TB/T23442003与高速铁路的要求尚有很大的差距，必须在轧制、冷却、较直等生产环节引入先进技术，如万能法轧制、立卧复合矫直、压力机补矫等，才能逐步缩小差距，满足高速铁路对钢轨几何尺寸的偏差要求。,二、钢轨,焊接质量与平直度由于钢轨焊缝材质、金相组织、硬度、韧度、等与钢轨母材的差别，焊接设备的精度高低，操作工人的熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。为保证高速列车高速、平稳地运行，并减少轮轨之间的动力作用，对钢轨焊接接头的焊接质量、平直度等提出了更高的要求，所以钢轨焊接接头也是轨面不平直的控制部位。,二、钢轨,铝热焊：,二、钢轨,工人对焊接接头检测：,二、钢轨,二、钢轨,钢轨焊接质量和平直度：,二、钢轨,第五节钢轨损伤钢轨是轨道结构的重要部件。机车车辆的动力作用、自然环境和钢轨本身质量等原因，钢轨经常发生裂纹、折断和磨耗等现象。钢轨损伤是铁路上一个比较突出的问题，并严重影响行车安全。,二、钢轨,二、钢轨,常见钢轨伤损螺栓孔裂纹，焊接接头裂纹轨头核伤轨头剥离钢轨磨耗轨顶磨耗侧面磨耗钢轨波磨鞍形磨耗,螺栓孔裂纹，焊接接头裂纹,螺栓孔裂纹原因：钻孔削弱钢轨断面，并产生较高局部应力，列车冲击。,焊接接头裂纹原因：焊缝材料与钢轨母材不一致，造成磨损不一致，形成不平顺，增大轮轨力,二、钢轨,二、钢轨,一般措施有：提高钢轨接头区轨道结构的弹性，降低轮轨冲击荷载；提高螺栓表面的光洁度和在孔口倒棱；对螺栓表面进行硬化、防锈处理，提高螺栓表面强度。,倒棱,二、钢轨,轨头核伤轨头核伤是最危险的一种伤损形式，会在列车作用下突然断裂，严重影响行车安全。形成的内因：钢轨内部材质的缺陷。形成的外因：外部荷载的作用。,二、钢轨,防止和减缓核伤的发生和发展的有效措施有：提高钢轨的纯净度，减少钢轨中的非金属夹杂物；提高钢轨的接触疲劳强度；提高轨道结构的弹性，减少轮轨冲击荷载。,轨头剥离主要发生在轨距角处，原因：轮轨接触应力较大,二、钢轨,磨耗,磨耗测量位置垂直磨耗：轨顶面距工作边1/3处（标准断面）侧面磨耗：在钢轨踏面（按标准断面）下16mm处测量,二、钢轨,二、钢轨,鞍形磨耗原因：轨端淬火工艺不良，淬火区与非淬火区硬度过渡不均，在车轮作用下，该部分产生压陷，形成钢轨接头中间凸出，两侧凹下的鞍形磨耗。,二、钢轨,二、钢轨,总之减少钢轨损伤的措施有：净化钢轨，消除杂质，强韧化，提高强度钢轨打磨消除疲劳层，合理使用，运营匹配钢轨发展的方向：重型化强韧化和纯净化,二、钢轨,钢轨探伤根据钢轨探伤设备的工作原理，分电磁探伤和超声波探伤两大类。电磁探伤电磁探伤是利用电磁原理来发现金属缺陷的检查方法。这种探伤方法是利用电磁材料的零件磁化，零件缺陷处的磁阻就会增大，利用漏磁来发现缺陷。电磁探伤的不足之处：对于金属内部较深的裂纹与缺陷，采用电磁探伤是不大容易被发现的。,二、钢轨,超声波探伤超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。,二、钢轨,超声波探伤的工作原理：超声波在不同材料中传播声速和波长不同，当超声波由一种介质倾斜入射到另外一种介质上时，如果两种介质不同，则在界面上发生不同的反射、折射和透射。当超声波射入钢轨核伤、裂纹或其他损伤时，在钢与空气的界面上受阻，产生反射波，经过电子仪器的接受并显示，就能发现钢轨内部存在的伤痕，还可以根据超声波发射与反射的时间间隔及其在钢轨内的传播速度，判断伤痕的深度。,二、钢轨,超声波探伤法的主要优点：穿透能力强，探测深度可达数米；灵敏度高，可发现与直径约十分之几毫米的空气隙反射能力相当的反射体；在确定内部反射体的位向、大小、形状及性质等方面较为准确；仅须从一面接近被检验的物体；可立即提供缺陷检验结果;操作安全,设备轻便。,二、钢轨,超声波探伤法的主要缺点：要由有经验的人员谨慎操作；对粗糙、形状不规则、小、薄或非均质材料难以检查；对所发现缺陷作十分准确的定性、定量表征仍有困难。对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，以及探伤结果不便保存等，使超声波探伤也有其局限性,二、钢轨,探伤元件：超声波探头探头是一个能量转换装置，它可以将电能转换为声能，也可以把声能转换为电能。在每一探头盒内装有两片压电换能器，一片发射超声波，一片接受。探头有各种角度的发射晶片，不同的探伤仪使用不同声波角度的探头，一般有0、30、35、50、70探头角度。,二、钢轨,线路上的探头设备有手推式探伤小车和大型探伤车。钢轨探伤小车钢轨探伤小车由车架、仪器、水箱及其他一些附件组成。水箱是给轨面刷水，使得探头与轨面接触良好，减少杂波的产生。缺点：探伤小车的效率较低，工人劳动强度大。,二、钢轨,大型钢轨探伤车大型钢轨探伤车通常是指能同时对两股钢轨进行快速探伤测，并能实时分析、处理和记录探测结果的钢轨探伤设备。钢轨探伤车主要由动力、供电、车辆行走、制动等系统以及钢轨探伤检测系统和生活设施等部分组成。,二、钢轨,钢轨大型探伤车,二、钢轨,第六节钢轨接头钢轨接头的作用：保持轨道的整体性；提供连续的滚动面；承受列车的动荷载；满足钢轨伸缩缝要求。,钢轨接头的联结零件主要有夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈组成。,二、钢轨,二、钢轨,接头夹板的作用是夹紧钢轨，夹板以双头对称式（对称度在10%以内）最为常用。接头夹板分类：1、斜坡支承型2、圆弧支承型,二、钢轨,我国目前钢轨接头用斜坡支承型双头对称式夹板，这种夹板的优点：在竖直荷载作用下具有较大的抵抗弯曲和横向位移的能力，夹板上下两面的斜坡，能楔入轨腰空间，但不贴住轨腰，这样，当夹板稍有磨耗，以致联结松弛时，仍可重新旋转，保持接头联结的牢固。,二、钢轨,接头夹板有4孔和6孔，我国铁路使用的夹板上有6个螺栓孔，圆形和长圆形孔相间布置。依靠钢轨圆形螺栓孔直径与螺栓直径之差，以及夹板圆形螺栓孔直径与螺栓直径之差，就可以得到所需要预留的轨缝。夹板的6个螺栓头部交替布置，以免列车脱轨，车轮轮缘将所有的螺栓剪断。,二、钢轨,接头螺栓按其机械性能划分等级。为按照国际标准划分，分成10.9级和8.8级两种高强度螺栓，抗拉强度分别相当于1090Mpa和880Mpa，螺母由Q275钢材制成，螺母直径有22mm和24mm两种，螺母的许用拉伸应力为1060Mpa。,二、钢轨,接头轨缝为了让钢轨能热胀冷缩，在普通线路的钢轨接头处要预留轨缝，轨缝大小按铁道部颁发的铁路线路维修规则中预留轨缝计算公式计算：,二、钢轨,冬天轨温最低时（最低轨温等于最低气温），预设轨缝加上一根钢轨收缩量不能大于构造轨缝，以免接头螺栓受剪破坏夏天轨温最高时（最高轨温等于最高气温加20），一根钢轨的伸长量应小于或等于预留轨缝宽度，以免两根钢轨轨端顶严。,二、钢轨,钢轨接头相对于轨枕的承垫形式可分为两种：悬空式和承垫式。我国采用悬空式钢轨接头,二、钢轨,按两股钢轨接头的位置可分为相对式和相错式。我国采用相对式钢轨接头,二、钢轨,由于钢轨表面和夹板表面生锈，导致接头电阻较大，为了减少轨道电路的电流损失，在轨端钻孔连接导电线。由于在轨头钻孔影响钢轨的疲劳强度，现在的导电接头一般用喷焊连接导电线。,二、钢轨,绝缘接头用于自动闭塞区段闭塞分区两端的钢轨接头上，隔断电流。胶结接头具有较高的强度和韧性，在强大力的作用下也能保证钢轨与夹板不发生相对移动，所以胶结接头区的轨道养护条件与无缝线路的养护条件相同。,二、钢轨,伸缩接头又称钢轨伸缩调节器，有1501200mm的伸缩量，伸缩量的大小可以根据需要设计。钢轨伸缩接头分为基本轨和尖轨两种，尖轨固定不动，基本轨向轨道外侧伸缩，这样可以保证基本伸缩时轨距保持不变。由于伸缩接头结构较为复杂，所以我国在设计高速客运专线时考虑尽量不用伸缩接头。,二、钢轨,钢轨接头是轨道结构的薄弱环节之一，接头虽然能保持轨道的几何形位，但在一定程度上破坏了轨道结构的连续性，这主要表现在钢轨接头的轨缝、台阶和折角三个方面。,二、钢轨,由于钢轨接头存在折角、台阶和轨缝，车轮通过时会产生很大的冲击荷载。英国铁路总局的Lyon和Jenkins等人于1972年成功建立了低接头轨道动力分析模型，并提出了轮轨冲击力P1和P2的计算