第六章軌道幾何形位

第六章軌道幾何形位

本章重點

1．直線軌道幾何形位

2．曲線超高設置

3．緩和曲線設置軌道幾何形位是指軌道各部分的幾何形狀、相對位置和基本尺寸。軌道平面位置包括直線、圓曲線、緩和曲線。軌道的方向必須正確，直線部分應保持筆直，曲線部分應具有與曲率相適應的圓順度。從軌道橫斷面上來看，軌道的幾何形位包括軌距、水平、外軌超高和軌底坡。第一節(jié)機車車輛走行部分構造一、輪對

機車的走行部分由車架、輪對、軸箱、彈簧裝置、轉向架及其它部件組成。車輛的走行部分是轉向架，由側架、軸箱、彈性懸掛裝置、制動裝置、輪對以及其它部件組成。輪對是機車車輛走行部分的基本部件，由一根車軸和兩個相同的車輪組成。客車轉向架的基本構造示意圖1－側架；2－輪對；3－軸箱潤滑裝置；4－液壓減震器；5－基礎制動裝置；6－搖枕；7－螺旋圓彈簧我國車輛上使用的車輪有整體輪和輪箍輪兩種，但絕大多數(shù)是整體輪，它由踏面、輪緣、輪輻、幅板和輪轂等部分組成，如圖6—1所示。車輪和鋼軌接觸的面稱為踏面。圖6—1車輪1－踏面；2－輪緣；3－輪輞；4－輻板；5－輪轂；6－輪箍；7－扣環(huán)；8－輪心車輪踏面（錐形踏面）車輪踏面（磨耗型踏面）車輪踏面有錐形踏面和磨耗型踏面兩種形式。

錐形踏面的母線是直線，由1:20和1:10兩段斜坡組成。其中1:20的一段經(jīng)常與鋼軌頂面相接觸，1:10的一段僅在小半徑曲線上才與鋼軌頂面相接觸。車輪踏面形成圓錐面，可以減少車輪在鋼軌上的縱、橫向滑行，保證踏面磨耗沿寬度方向比較均勻。另外，直線地段上行駛的車輛，當其偏向軌道一側時，由于左右車輪滾動半徑的不同，可自動返回到軌道中線。這樣，雖然車輪的軌跡成蛇行運動，但不會在車輪踏面上形成凹槽形磨損，從而避免車輪通過道岔轍叉時，發(fā)生劇烈的沖擊和振動。

磨耗型車輪踏面是曲線型踏面，將踏面制成與鋼軌頂面基本吻合的曲線形狀，增大了輪軌接觸面積，可以減輕輪軌磨耗、降低輪軌接觸應力并可改善通過曲線的轉向性能。為防止車輪脫軌，在踏面內側制成凸緣如右圖突起部分所示，稱為輪緣。

輪緣車輛轉向架車輪位于兩股鋼軌內側的豎直面，稱為車輪內側面，車輪另一側的豎直面稱為車輪外側面。車輪內側面與外側面之間的距離稱為車輪寬度(輪幅寬)。

q＝T+2d通過踏面上距車輪內側面一定距離的一點，畫一水平線，稱為踏面的測量線。由測量線至輪緣頂點的距離稱為輪緣高度。由測量線向下10mm處量得的輪緣厚度，稱為車輪的輪緣厚度(d)。輪對上左右兩車輪內側面之間的距離，稱為輪對的輪背內側距離(T)。這個距離再加上二個輪緣厚度稱為輪對寬度(q)如圖所示。二、轉向架為使車體能順利通過半徑較小的曲線，可把全部車軸分別安裝在幾個車架上。為防止車輪由于輪對歪斜而陷落于軌道中間，通常將兩個或三個輪對用一剛性構架安裝在一起，稱為轉向架。車體放在轉向架的心盤上。安裝在同一個車架或轉向架上的車軸，須保持相互之間的平行位置。

同一車體最前位和最后位的車軸中心間水平距離，稱為全軸距。同一車架或轉向架上始終保持平行的最前位和最后位車軸中心間水平距離，稱為固定軸距。車輛前后兩走行部分上車體支承間的距離稱為車輛定距。應當注意，固定軸距和車輛定距是兩個不同的概念，固定軸距是機車車輛能否順利通過小半徑曲線的控制因素，車輛定距是轉向架中心間距，除長大車外，多在18m之內。固定軸距車輛定距全軸距第二節(jié)直線軌道的幾何形位一、軌距軌距是鋼軌頂面下16mm范圍內兩股鋼軌作用邊之間的最小距離。目前世界上的鐵路軌距，分為標準軌距、寬軌距和窄軌距三種。標準軌距尺寸為1435mm。大于標準軌距的稱為寬軌距，小于標準軌距的稱為窄軌距。軌距用道尺測量，容許偏差符合規(guī)范規(guī)定。軌距變化應和緩平順，其變化率：正線、到發(fā)線不應超過2‰(規(guī)定遞減部分除外)，站線和專用線不得超過3‰，即在1m長度內的軌距變化值：正線、到發(fā)線不得超過2mm，站線和專用線不得超過3mm。

為使機車車輛能在線路上兩股鋼軌剛順利通過，輪對寬度應小于軌距。當輪對的一個車輪輪緣緊貼一股鋼軌的作用邊時，另一個車輪輪緣與另一股鋼軌作用邊之間便形成一定的間隙，這個間隙稱為游間。為了提高列車運行的平穩(wěn)性和線路的穩(wěn)定性，減少輪軌磨耗和動能損失，確保行車安全，需要把游間限制在一個合理的范圍內。根據(jù)我國現(xiàn)場測試和養(yǎng)護維修經(jīng)驗，認為減小直線軌距有利。改道時軌距按1434mm或1433mm控制，盡管軌頭有少量側磨發(fā)生，但達到軌距超限的時間得以延長，有利于提高行車平穩(wěn)性，延長維修周期。二、水平

水平是指線路左右兩股鋼軌頂面的相對高差。在直線地段，兩股鋼軌頂面應位于同一水平面上，使兩股鋼軌所受荷載均勻，以保持列車平穩(wěn)運行。水平用道尺或其它工具測量。線路維修時，兩股鋼軌頂面水平誤差不得超過規(guī)定值。兩股鋼軌頂面的水平偏差值，沿線路方向的變化率不可太大。在1m距離內，這個變化不可超過1mm，否則即使兩股鋼軌的水平偏差不超過允許范圍，也將引起機車車輛的劇烈搖晃。實踐中有二種性質不同的鋼軌水平偏差，對行車的危害程度也不相同。一種偏差稱為水平差，這就是在一段規(guī)定的距離內，一股鋼軌的頂面始終比另一股高，高差值超過容許偏差值。另一種稱為三角坑，其含義是在一段規(guī)定的距離內，先是左股鋼軌高于右股，后是右股高于左股，高差值超過容許偏差值，而且兩個最大水平誤差點之間的距離，不足18m。三、軌向

軌向是指軌道中心線在水平面上的平順性。若直線不直則必然引起列車的蛇行運動。在行駛快速列車的線路上，線路方向對行車的平穩(wěn)性具有特別重要的影響。在無縫線路地段，若軌道方向不良，還可能在高溫季節(jié)引發(fā)脹軌跑道事件(軌道發(fā)生明顯的不規(guī)則橫向位移)，嚴重威脅行車安全?！缎抟?guī)》規(guī)定：直線方向必須目視平順，用10m弦測量，正線上正矢不得超過允許值。四、前后高低軌道沿線路方向的豎向平順性稱為前后高低。新鋪或經(jīng)過大修后的線路，即使其軌面是平順的，但是經(jīng)過一段時間列車運行后，由于路基不均勻沉陷、道床搗固密實程度、扣件松緊、枕木腐朽和鋼軌磨耗的不一致性，就會產生不均勻下沉，造成軌面前后高低不平，即在有些地段(往往在鋼軌接頭附近)下沉較多，出現(xiàn)坑洼，這種不平順，稱為靜態(tài)不平順；有些地段，從表面上看，軌面是平順的，但實際上軌底與鐵墊板或軌枕之間存在間隙(間隙超過2mm時稱為吊板)，或軌枕底與道碴之間存在空隙(空隙超過2mm時稱為空板或暗坑)，或軌道基礎彈性的不均勻(路基填筑的不均勻，道床彈性的不均勻等)，當列車通過時，這些地段的軌道下沉不一致，也會產生不平順，這種不平順稱為動態(tài)不平順，隨著高速鐵路的發(fā)展，動態(tài)不平順已廣泛受到關注。經(jīng)過維修或大修的軌道，要求目視平順，前后高低偏差用10m弦量測的最大矢度值不應超過允許值。線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值項目υmax>160km／h正線160km／h≥υmax>120km／h正線υmax≤120km／h正線及到發(fā)線其他站線作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修軌距(mm)+2-2+4-2+6-4+4-2+6-4+8-4+6-2+7-4+9-4+6-2+9-4+10-4水平(mm)35846846105811高低(mm)3584684610581l軌向(直線)(mm)34746846105811三角坑(扭曲)(mm)緩和曲線346456457578直線和圓曲線3464684695810注：①軌距偏差不含曲線上按規(guī)定設置的軌距加寬值，但最大軌距(含加寬值和偏差)不得超過1456mm；②軌向偏差和高低偏差為10m弦測量的最大矢度值；③三角坑偏差不含曲線超高順坡造成的扭曲量，檢查三角坑時基長為6.25m，但在延長18m的距離內無超過表列的三角坑；④專用線按其他站線辦理。

五、軌底坡由于車輪踏面與鋼軌頂面主要接觸部分是1:20的斜坡，為了使鋼軌軸心受力，鋼軌也應有一個向內的傾斜度，因此軌底與軌道平面之間應形成一個橫向坡度，稱之為軌底坡。我國鐵路在1965年以前，軌底坡定為1:20。1965年以后，我國鐵路的軌底坡統(tǒng)一改為1:40。軌底坡設置是否正確，可根據(jù)鋼軌頂面上由車輪碾磨形成的光帶位置來判定。如光帶偏離軌頂中心向內，說明軌底坡不足；如光帶偏離軌頂中心向外，說明軌底坡過大；如光帶居中，說明軌底坡合適。線路養(yǎng)護工作中，可根據(jù)光帶位置調整軌底坡的大小。第三節(jié)曲線軌距加寬機車車輛進入曲線軌道時，仍然存在保持其原有行駛方向時慣性，只是受到外軌的引導作用力才沿著曲線軌道行駛。在小半徑曲線，為使機車車輛順利通過曲線而不致被楔住或擠開軌道，減小輪軌間的橫向作用力，以減少輪軌磨耗，軌距要適當加寬。加寬軌距，系將曲線軌道內軌向曲線中心方向移動，曲線外軌的位置則保持與軌道中心半個軌距的距離不變。曲線軌距的加寬值與機車車輛轉向架在曲線上的幾何位置有關。30

一、轉向架的內接形式

由于輪軌游間的存在，機車車輛的車架或轉向架通過曲線軌道時，可以占有不同的幾何位置，有著不同的內接形式。主要呈現(xiàn)以下四種內接形式：1．斜接312．自由內接3．楔形內接4．正常強制內接對楔形內接所需軌距增加δmin/2。32二、曲線軌距加寬的確定原則根據(jù)運營經(jīng)驗，以自由內接最為有利，但機車車輛的固定軸距長短不一，不能全部滿足自由內接通過。為此，確定軌距加寬必須滿足如下原則：

1．保證占列車大多數(shù)的車輛能以自由內接形式通過曲線；2．保證固定軸距較長的機車通過曲線時，不出現(xiàn)楔形內接，但允許以正常強制內接形式通過；3．保證車輪不掉道，即最大軌距不超過容許限度。33三、根據(jù)車輛條件確定軌距加寬我國絕大部分的車輛轉向架是兩軸轉向架。當兩軸轉向架以自由內接形式通過曲線時，前軸外輪輪緣與外軌的作用邊接觸，后軸占據(jù)曲線垂直半徑的位置。則自由內接形式所需最小軌距為：34Sf=qmax+f0式中Sf—自由內接所需軌距；

qmax—最大輪對寬度；

f0—外矢距，其值為其中L—轉向架固定軸距，

R—曲線半徑。以S0表示直線軌距，則曲線軌距加寬值e應為：

e=Sf－S035現(xiàn)以我國目前主型客車“202”型轉向架為例。設R＝350m，L＝2.4m，qmax＝1424mm，則：mmSf=qmax+f0=1424+8=1432mm由以上計算可見，曲線半徑為350m及以上的曲線，軌距不需加寬。36四、曲線軌道的最大允許軌距

曲線軌道的最大軌距，應切實保障行車安全，不使其掉道。在最不利情況下，當輪對的一個車輪輪緣緊貼一股鋼軌時，另一個車輪踏面與鋼軌的接觸點即為車輪踏面的變坡點。由此，曲線上容許最大軌距由下式計算：37Smax=dmin+Tmin–εr+a–r–εs數(shù)值代入得：Smax=22+1350-2+100-12-2＝1456mm因軌距的容許偏差不得超過6mm，所以：曲線軌道最大容許軌距應為1450mm，即最大允許加寬15mm。38《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定；新建、改建及線路大修或成段更換軌枕地段，按下表規(guī)定的標準進行曲線軌距加寬。曲線軌距加寬應在整個緩和曲線內遞減，如無緩和曲線則在直線上遞減，遞減率不得大于1‰。特殊條件下，不得大于2‰。曲線半徑(m)加寬值(mm)軌距(mm)R≥35001435350＞R≥30051440R＜30015145039

第四節(jié)曲線軌道外軌超高第六章

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曲線軌道外軌超高

一、外軌超高的作用及設置方法

作用：①鋼軌受力均勻②旅客舒適③提高線路穩(wěn)定性、安全性外軌超高：是曲線外軌頂面與內軌頂面的水平高度之差。

設置方法：第六章

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外軌提高法、線路中心高度不變法。

外軌提高法線路中心高度不變法第六章

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二、外軌超高值的計算第六章

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離心力C

=mv2/R曲線超高的大小由列車通過時離心力的大小確定。將V=3.6v，S為兩股鋼軌中心距，S=1500mm，g=9.81m/s2，代入①式得：①(mm)②第六章

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取平均速度V0，(mm)第六章

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平均速度V0的確定：1．全面考慮每一次列車的速度和重力來計算V0

式中N——一晝夜通過的各類相同速度和牽引重量的列車次數(shù)；

G——各類列車總重量(kN)；

V——實測各類列車速度(km/h)。第六章

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2．在新線設計與施工時，采用的平均速度V0

式中

Vmax——預計該地段最大行車速度(km/h)；

β——一般地段采用0.80，單線上、下行速度懸殊地段可采用0.65。規(guī)定：圓曲線外軌超高按5mm整倍數(shù)設置。V0稱作加權平均速度，簡稱均方根速度(VJF)。三、外軌未被平衡的超高

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曲線軌道外軌超高

h0RVhq-=2max8.11當V≠V0時，Δh=∣h－h(huán)0∣；V>

V0

Δh=RVhhg2min08.11-=V<V0

Δh=hq：欠超高hg：過超高未被平衡的超高與未被平衡的離心加速度的關系：第六章

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當V>V0時：

當V<V0時：二者關系：欠超高向心加速度離心加速度過超高a153=Dh鋼軌產生偏載，內外軌不均勻磨耗；影響旅客舒適度。第六章

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影響措施：即：對

a或Δh進行限制式中Δh

——未被平衡的超高(mm)；——未被平衡的加速度允許值。][a我國鐵路經(jīng)驗第六章

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一般情況離=0.4～0.5m/s2困難情況離=0.6m/s2][a][a

離取值說明][a未被平衡的欠超高容許值：[α]＝0.4m/s2時，＝61mm，取[]＝61mm；[α]＝0.5m/s2時，＝76mm，取[]＝75mm；[α]＝0.6m/s2時，＝92mm，取[]＝90mm。hDhDhDhDhDhD=0.4m/s2——基本感覺不出；=0.5m/s2——有感覺，能適應；=0.6m/s2——感覺有橫向力，比較容易克服。][a][a][a第六章

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《鐵路線路設計規(guī)范》對[hq]的規(guī)定：

[hq]一般取70mm，困難時取90mm，既有線提速改造時可取110mm；《鐵路線路修理規(guī)則》對[hq]的規(guī)定：

[hq]一般應不大于75mm，困難情況應不大于90mm；Vmax>120km/h個別特殊情況下已設置90(不含)～110mm可暫時保留，但應逐步改造。[hg]的實質：第六章

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限制速度差，控制低速列車對鋼軌磨耗及線路變形的影響。[hg]一般不得大于30mm，困難時不得大于50mm。

《線規(guī)》、《修規(guī)》對[hg]的規(guī)定：hg的影響內軌垂直磨耗加劇，軌頭壓寬、飛邊；外軌側磨依舊；

四、外軌最大超高的允許值

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設曲線外軌為hmax。對應有：v，R，O。若某車以v1<v通過時：

四、外軌最大超高的允許值

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曲線軌道外軌超高

設曲線外軌為hmax。對應有：v，R，O。若某車以v1<v通過時：其穩(wěn)定程度可采用穩(wěn)定系數(shù)n來表示：e——合力偏心距(mm)

四、外軌最大超高的允許值

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分析：n=1，，臨界狀態(tài)n<1，，失穩(wěn)傾覆n>1，，穩(wěn)定狀態(tài)∴n值愈大，穩(wěn)定性愈好第六章

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e與Δh的關系：設H為車輛重心到軌面的高度，貨車為2220mm，客車為2057.5mm。根據(jù)我國鐵路運營經(jīng)驗，為保證行車安全，n值不應小于3。

《線規(guī)》、《修規(guī)》規(guī)定：Vmax≤160km/h地段實設最大超高單線為125mm，雙線為150mm。檢驗：(大于3，滿足要求)第六章

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分析舉例分析：第六章

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Vmax=144km/h，R=340m，h0=125mmΔh=hq=595(mm)結論：傾覆=0.85>[hq]第六章

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五、曲線軌道上的超高限速任何一條曲線軌道，均按一定的平均速度設置超高。在既定的超高條件下，通過該曲線的列車最高速度必定受到末被平衡的容許超高度[Δhq]的限制，其最高行車速度Vmax應為:第六章

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曲線軌道外軌超高

同理，通過該曲線的最低行車速度Vmin應為:當曲線半徑較小時，按最大超高度150mm計算，曲線上的超高限速與半徑的關系如下：[]=75mm時，[]=90mm時，qhDqhD第六章

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一般情況下，曲線上的超高限速按下式計算：

當最大超高度為125mm時，未被平衡超高度按特殊情況采用90mm，最大行車速度為：

采用未被平衡超高度的容許值，來限制曲線最高行車速度，是保證行車安全的一項重要指標。第五節(jié)緩和曲線

一、緩和曲線的作用及其幾何特征

行駛于曲線軌道的機車車輛，出現(xiàn)一些與直線運行顯著不同的受力特征。如曲線運行的離心力，外軌超高不連續(xù)形成的沖擊力等。為使上述諸力不致突然產生和消失，以保持列車曲線運行的平穩(wěn)性，需要在直線與圓曲線軌道之間設置一段曲率半徑和外軌超高度均逐漸變化的曲線，稱為緩和曲線。當緩和曲線連接設有軌距加寬的圓曲線時，緩和曲線的軌距是呈線性變化的。概括起來，緩和曲線具有以下幾何特征：(1)緩和曲線連接直線和半徑為R的圓曲線，其曲率由零至1/R逐漸變化。(2)緩和曲線的外軌超高，由直線上的零值逐漸增至圓曲線的超高度，與圓曲線超高相連接。(3)緩和曲線連接半徑小于350m的圓曲線時，在整個緩和曲線長度內，軌距加寬呈線性遞增，由零至圓曲線加寬值。二、緩和曲線的幾何形位條件(1)為了保持連續(xù)點的幾何連續(xù)性，緩和曲線在平面上的形狀應當是：在始點處，橫坐標x=0，縱坐標y=0，傾角φ=0；在終點處，橫坐標x=x0。縱坐標y=y0，傾角φ=φ0。(2)列車進入緩和曲線，為保持列車運行的平穩(wěn)性，應使離心力不突然產生和消失，即在緩和曲線始點處，F(xiàn)=0或ρ=∞；在緩和曲線終點處，F(xiàn)=mv2/R或ρ=R。(3)緩和曲線上任何一點的曲率應與外軌超高相配和。在縱斷面上，外軌超高順坡的形狀有兩種形式。(4)列車在緩和曲線上運動時，其車軸與水平面傾斜角ψ不斷變化，亦即車體發(fā)生側滾。要使鋼軌對車體傾轉的作用力不突然產生和消失，在緩和曲線始、終點處應使傾轉的角加速度為零，即=0。在緩和曲線終點之間應連續(xù)變化。綜上所述，緩和曲線的線形條件，可歸納如表6—5。表6－5緩和曲線線形條件表22dtdy22dtdy

表中

前兩項是基本的幾何形位要求，后三項則是由行車平穩(wěn)性形成的力學條件推導出的幾何形位要求。在行車速度不高的線路上，滿足前三項要求的緩和曲線尚能適應列車運行的需要，而在速度較高的線路上，緩和曲線的幾何形位就必須考慮后兩項的要求。三、常用緩和曲線

滿足表6—5中前三項要求的緩和曲線，是目前鐵路上最常用的緩和曲線，所以也稱為常用緩和曲線。常用緩和曲線的外軌超高順坡為直線順坡。

任意點處：可知，緩和曲線的長度l與其曲率K成正比，符合該條件的緩和曲線線型為放射螺旋線。

四、緩和曲線長度計算緩和曲線長度影響行車安全和旅客舒適，擬定標準時，應根據(jù)下列條件計算并取其較長者。1．超高順坡不致使車輪脫軌2．超離時變率不致使旅客不適3．欠超高時變率不致影響旅客舒適

綜和以上三式，緩和曲線長度l0的計算公式為：(m)(m)(