軌道工程第二章鋼軌

1、第二章 鋼軌認(rèn)識(shí)鋼軌本章內(nèi)容n2.1 鋼軌的功用和類(lèi)型n2.2 鋼軌截面設(shè)計(jì)原則及我國(guó)主型鋼軌 截面形狀n2.3 鋼軌材質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)n2.4 鋼軌尺寸允許偏差及平度要求n2.5 鋼軌損傷n2.6 鋼軌接頭2.1 鋼軌的功用和類(lèi)型n鋼軌是鐵路軌道的主要組成部件。它的功用在于引導(dǎo)機(jī)車(chē)車(chē)輛的車(chē)輪前進(jìn)，承受車(chē)輪的巨大壓力，并傳遞到軌枕上。鋼軌必須為車(chē)輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動(dòng)表面。在電氣化鐵道或自動(dòng)閉塞區(qū)段，鋼軌還可兼做軌道電路之用。 2.1.1鋼軌的功用：n1）為車(chē)輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動(dòng)面，引導(dǎo)機(jī)車(chē)車(chē)輛前進(jìn)。n2）鋼軌要承受來(lái)自車(chē)輪的巨大垂向壓力，并將以分散形式傳給軌枕。n3）為軌道

2、電路提供導(dǎo)體。2.1.2鋼軌的類(lèi)型n鋼軌的類(lèi)型是以每米長(zhǎng)的鋼軌質(zhì)量千克數(shù)表示的。我國(guó)鐵路上使用的鋼軌有75kg/m、60kg/m、50kg/m，43kg/m和38kg/m等幾種。 n我國(guó)目前鋼軌定長(zhǎng)為12.5m和25m兩種。n世界各國(guó)鋼軌定長(zhǎng)也各有不同。n我國(guó)用于新建客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的定長(zhǎng)鋼軌的長(zhǎng)度為50m或100m2.2鋼軌截面設(shè)計(jì)原則及我國(guó)主型鋼軌截面形狀n2.2.1截面 鋼軌橫截面為工字形截面 。 鋼軌分軌頭、軌腰和軌底三部分。 軌頭 應(yīng)具有足夠的表面面積及厚度，以延緩軌頭壓潰和磨耗;軌腰 主要承受剪力，可使鋼軌具有較大的豎 向剛度。軌底 為分布?jí)毫氨３址€(wěn)定，應(yīng)具有一定寬度; n軌頭宜大而厚，

3、并具有與車(chē)輪踏面相適應(yīng)的外形，以改善輪軌接觸條件，提高抵抗壓陷的能力，同時(shí)具有足夠的支撐面積，以備磨耗。n鋼軌頂面在具有足夠?qū)挾鹊耐瑫r(shí)，為使車(chē)輪傳來(lái)的壓力更為集中于鋼軌中心軸，頂面形狀為隆起的圓弧形。圓弧的半徑不能太小，雖可使壓力集中于鋼軌中心軸，但又不至于輪軌間的接觸面積太小造成過(guò)大的接觸應(yīng)力。n我國(guó)鐵路上較輕型的鋼軌頂面常用一個(gè)半徑為300mm圓弧組成。n而較重型的鋼軌頂面，則用三個(gè)半徑分別為80mm 300mm 80mm或80mm 500mm 80mm的復(fù)合圓弧組成。n軌腰必須具有足夠的厚度和高度，具有較大的承載能力和抗彎能力。n軌腰與鋼軌頭部及底部的連接，必須保證夾板能有足夠的支承面，

4、并使截面的變化不致過(guò)分突然，以免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中。n為此，軌腰和軌頭之間可采用復(fù)曲線(xiàn)的連接方式，如我國(guó)CHN60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌采用了半徑為25mm和8mm復(fù)曲線(xiàn)進(jìn)行連接。軌腰和軌底之間的連接曲線(xiàn)，一般采用單曲線(xiàn)，半徑為1420mm。n軌底直接支承在軌枕頂面上，為保持鋼軌穩(wěn)定，應(yīng)有足夠的寬度和厚度，并具有必要的剛度和抗銹蝕能力。n2.2.2鋼軌高度 鋼軌的高度要保證鋼軌具有足夠的慣性矩和截面系數(shù)來(lái)承受車(chē)輪的豎直壓力，并要使鋼軌在橫向水平力作用下具有足夠的穩(wěn)定性。 尺寸經(jīng)驗(yàn)公式： 軌頭頂面寬度 b=0.34M+51.70(mm) 軌腰厚度 t=0.16M+7.08(mm) 軌身高度 H=1.92M+5

5、4.16(mm) 軌底寬度 B=1.25M+69.25(mm) M為每米鋼軌的質(zhì)量(kg)2.3鋼軌的材質(zhì)及其力學(xué)指標(biāo)n2.3.1鋼軌的材質(zhì)n鋼軌的材質(zhì)是指鋼軌的化學(xué)成分及其金相組織（指金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組成，其中包括固溶體、金屬化合物及純物質(zhì)）。n要使鋼軌具有高可靠性的前提是鋼軌材質(zhì)具有較高的純凈度和合理的化學(xué)成分。n鋼軌出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題主要是由于鋼軌的內(nèi)部夾雜、缺陷所引起的疲勞折損。n所以提高鋼軌材質(zhì)的純凈度是減少鋼軌疲勞折損、提高鋼軌可靠性、延長(zhǎng)使用壽命的有效途徑之一。n鋼軌主要成分是碳和鐵。nC抗拉強(qiáng)度 Mn強(qiáng)度和韌性nSi增加致密度 n有害成分：P冷脆性 S熱脆

6、性n2.3.2鋼軌的力學(xué)性能 強(qiáng)度極限b、屈服極限s、疲勞極限r(nóng)、延伸率s、斷面收縮率、沖擊韌性k及布氏硬度指標(biāo)HB等。 這些指標(biāo)對(duì)鋼軌的承載能力、磨耗、壓潰、斷裂及其他傷損有很大的影響。bbn布氏硬度（HB）n以一定的載荷（一般3000kg）把一定大?。ㄖ睆揭话銥?0mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時(shí)間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值（HB），單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。n測(cè)定布氏硬度較準(zhǔn)確可靠，布氏硬度范圍為8650HB。但一般HB只適用于450N/mm2（MPa）以下的金屬材料，對(duì)于較硬的鋼或較薄的板材不適用。在鋼管標(biāo)準(zhǔn)中，布氏硬度用途最廣，往往以壓痕直徑

7、d來(lái)表示該材料的硬度，既直觀(guān)，又方便。2.4鋼軌尺寸允許偏差及平直度要求n2.4.1保證列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性，則要求軌道的幾何形位穩(wěn)定，軌頭的輪軌接觸光帶位置及寬度穩(wěn)定，而要達(dá)到這一點(diǎn)，高精度的外形尺寸和高平直度的鋼軌是必不可少的。 n2.4.2鋼軌焊接接頭是無(wú)縫線(xiàn)路軌道單獨(dú)不平順的來(lái)源之一。n鋼軌焊縫材質(zhì)、金相組織、硬度、韌度等與鋼軌母材的差別，焊接設(shè)備的精度高低，操作工人的技術(shù)熟練程度等，都會(huì)造成鋼軌焊接接頭處的軌面不平整。n鋼軌焊接接頭分三種：接觸焊、氣壓焊和鋁熱焊。n為保證高速列車(chē)的高速、平穩(wěn)性地運(yùn)行，并減少輪軌之間的動(dòng)力作用，對(duì)鋼軌焊接接頭的焊接質(zhì)量、平直度等提出了更高的要求。所以鋼軌焊

8、接接頭也是軌面不平直的控制部位。 2.5鋼軌損傷鋼軌損傷n常見(jiàn)損傷類(lèi)型：1、鋼軌接頭螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋2、軌頭核傷3、軌頭剝離4、鋼軌磨耗n2.5.1鋼軌接頭螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋 在普通線(xiàn)路上，鋼軌接頭無(wú)法避免。一般在軌腰中和軸附近鉆孔，以便安裝接頭螺栓。由于軌腰鉆孔，強(qiáng)度被削弱，鋼軌在應(yīng)力傳遞過(guò)程中，在螺栓孔周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)由于車(chē)輪通過(guò)接頭時(shí)產(chǎn)生沖擊，螺栓孔周?chē)鷳?yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重。圖圖2-5 鋼軌接頭螺栓孔裂紋鋼軌接頭螺栓孔裂紋 圖圖2-6 鋼軌焊接接頭的斷裂鋼軌焊接接頭的斷裂 n在輪軌沖擊荷載作用下，螺栓孔周?chē)a(chǎn)生肉眼看不到的45度斜向細(xì)微裂紋，在列車(chē)荷載作用下，裂紋進(jìn)一

9、步擴(kuò)展并產(chǎn)生斷裂n由于焊縫材料與鋼軌母材不一致，造成焊縫處鋼軌的磨損與母材不一致而產(chǎn)生軌面不平順，增大了輪軌沖擊荷載，從而造成焊接接頭鋼軌的斷裂2.5.2軌頭核傷 n軌頭核傷是對(duì)行車(chē)威脅最大的一種鋼損傷。在列車(chē)荷載的反復(fù)作用下，在軌頭內(nèi)部出現(xiàn)極為復(fù)雜的應(yīng)力分布和應(yīng)力狀態(tài)，使細(xì)小裂紋橫向擴(kuò)展成核傷，直至核傷周?chē)匿摬膹?qiáng)度不足以抵抗輪載作用下的應(yīng)力，鋼軌發(fā)生突然猝斷。圖2-7 軌頭核傷 產(chǎn)生原因：n內(nèi)因：由于鋼軌在制造過(guò)程中，在鋼軌中的非金屬夾雜物或微小氣泡。n外因：在列車(chē)荷載作用下，產(chǎn)生巨大的接觸應(yīng)力，使鋼軌接觸疲勞破壞。措施：提高鋼軌的純凈度，減小鋼軌中的非金屬夾雜物；提高鋼軌的接觸疲勞強(qiáng)度；

10、提高鋼軌結(jié)構(gòu)彈性，減小輪軌沖擊荷載。圖2-8 軌頭圓角處45細(xì)微斜裂紋 圖2-9鋼軌表面的剝離掉塊 2.5.3軌頭剝離2.5.3軌頭剝離n軌頭剝離是當(dāng)今重載鐵路運(yùn)輸中經(jīng)常出現(xiàn)的一種鋼軌損傷，主要發(fā)生在軌頭內(nèi)側(cè)圓角處。n發(fā)生的主要原因是由于在軌頭內(nèi)側(cè)圓角處的輪軌接觸應(yīng)力較大，鋼軌表面下幾毫米處的剪應(yīng)力使得鋼軌產(chǎn)生剪切疲勞，生產(chǎn)裂紋后，鋼軌表面掉塊。n剝離的最初階段，鋼軌表面出現(xiàn)間距呈規(guī)律的45度細(xì)微傾斜裂紋，裂紋方向與行車(chē)方向相反。n當(dāng)裂紋面積達(dá)到一定程度后，裂紋頂層在列車(chē)車(chē)輪碾壓下產(chǎn)生塑性變形，最后斷裂，軌面出現(xiàn)凹坑。n2.5.4鋼軌磨耗 鋼軌磨耗分軌頂成垂直磨耗、軌頭側(cè)面磨耗和波浪形磨耗。

11、垂直磨耗與輪軌之間的垂直力和輪軌之間的蠕滑、摩擦等因素有關(guān)，隨著線(xiàn)路通過(guò)總質(zhì)量的增大，垂直磨耗也相應(yīng)增大。 側(cè)面磨耗主要發(fā)生在曲線(xiàn)軌道的外股鋼軌。鋼軌側(cè)磨使得軌頭寬度變窄，鋼軌在側(cè)磨過(guò)程中，軌頭下側(cè)鋼材產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)形成核傷等病害 。圖2-10鋼軌側(cè)磨及量測(cè) 圖2-11 鋼軌側(cè)磨及軌頭側(cè)面核傷我國(guó)把鋼軌磨耗分為輕傷和重傷兩類(lèi) n波浪形磨耗是指鋼軌投入運(yùn)行后在鋼軌表面上出現(xiàn)的有一定規(guī)律的周期性磨損和塑性變形。波磨一般出現(xiàn)在曲線(xiàn)地段，列車(chē)制動(dòng)地段的波磨出現(xiàn)概率和磨耗速率都較大。 圖2-12 鋼軌的波浪形磨耗2.5.5鋼軌探傷n根據(jù)鋼軌探傷設(shè)備的工作原理，分電磁探傷和超聲波探傷兩大類(lèi)

12、。 n超聲波探傷：當(dāng)超聲波射入鋼軌的核傷、裂紋或其他傷損時(shí)，在鋼與空氣的界面上受阻，產(chǎn)生反射波，經(jīng)過(guò)電子儀器的接收并顯示，就能發(fā)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部存在的傷痕。2.6 鋼軌接頭n在兩根定長(zhǎng)的鋼軌之間，用夾板連接成連續(xù)的軌線(xiàn)，稱(chēng)為鋼軌接頭 。n2.6.1接頭聯(lián)接零件 n鋼軌接頭的聯(lián)結(jié)零件由夾板、螺栓、螺母、彈簧墊圈組成。 n接頭夾板的作用是夾緊鋼軌。接頭夾板分斜坡支承型和圓弧支承型兩種 (a) 斜坡支承型 (b) 圓弧支承型n2.6.2接頭軌縫n為了讓鋼軌能熱脹冷縮，在普通線(xiàn)路的鋼軌接頭處要預(yù)留軌縫。n軌縫大小按鐵道部頒發(fā)的鐵路線(xiàn)路維修規(guī)則中的預(yù)留軌縫公式計(jì)算：n0=L(tz-t0) + 0.5g 式中，

13、為鋼軌線(xiàn)膨脹系數(shù)(0.0118mm/m.)；L為鋼軌長(zhǎng)度；tz為當(dāng)?shù)氐闹虚g軌溫；t0為調(diào)整軌縫時(shí)的軌溫；g為鋼軌的構(gòu)造軌縫(18mm)。 n2.6.3接頭布置n鋼軌接頭相對(duì)于軌枕的承墊形式可分為兩種：懸空式和承墊式 n我國(guó)鐵路采用懸空式鋼軌接頭。(a) 懸空式 (b) 單枕承墊式 (c) 雙枕承墊式 n按兩股鋼軌接頭的位置可分為相對(duì)式和相錯(cuò)式 n相錯(cuò)式的缺點(diǎn)是車(chē)輪輪流沖擊接頭，如果軌道狀態(tài)不良，會(huì)加劇車(chē)輛的搖晃。n美國(guó)鐵路多采用相錯(cuò)式鋼軌接頭，我國(guó)鐵路采用相對(duì)式鋼軌接頭。 (a) 相對(duì)式鋼軌接頭 (b) 相錯(cuò)式鋼軌接頭 n2.6.4接頭類(lèi)型n按鋼軌接頭的功能可分普通接頭、異形接頭、導(dǎo)電接頭、絕

14、緣膠接接頭、伸縮接頭和焊接接頭。 n鋼軌異形接頭是用于連接兩種不同型號(hào)的鋼軌 n由于鋼軌表面和夾板表面生銹，導(dǎo)致接頭電阻較大，為了減少軌道電路的電流損失，在軌端鉆孔連接導(dǎo)電線(xiàn)。由于在軌頭鉆孔影響鋼軌的疲勞強(qiáng)度，現(xiàn)在的導(dǎo)電接頭一般用噴焊連接導(dǎo)電線(xiàn) 。 n絕緣接頭用于自動(dòng)閉塞區(qū)段閉塞分區(qū)兩端的鋼軌接頭上，隔斷電流。 (a) 鋼軌膠接接頭 (b) 鋪設(shè)在線(xiàn)路上的鋼軌膠接接頭n伸縮接頭又稱(chēng)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器 ，鋼軌伸縮接頭分基本軌和尖軌，尖軌固定不動(dòng)，基本軌向軌道外側(cè)伸縮，這樣保證了基本伸縮時(shí)軌距保持不變 。2.6.5鋼軌接頭不平順及受力n鋼軌接頭是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)之一，接頭雖然能保持軌道的幾何形位，但在一定程度上破壞了軌道結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，這主要表現(xiàn)在鋼軌接頭的軌縫、臺(tái)階和折角三個(gè)方面 。(a) 接頭折角 (b