轨道工程第二章--钢轨

第二章钢轨认识钢轨本章内容2.1钢轨的功用和类型2.2钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状2.3钢轨材质及力学指标2.4钢轨尺寸允许偏差及平度要求2.5钢轨损伤2.6钢轨接头2.1钢轨的功用和类型钢轨是铁路轨道的主要组成部件。它的功用在于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼做轨道电路之用。2.1.1钢轨的功用：1）为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动面，引导机车车辆前进。2）钢轨要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）为轨道电路提供导体。2.1.2钢轨的类型钢轨的类型是以每米长的钢轨质量千克数表示的。我国铁路上使用的钢轨有75kg/m、60kg/m、50kg/m，43kg/m和38kg/m等几种。我国目前钢轨定长为12.5m和25m两种。世界各国钢轨定长也各有不同。我国用于新建客运专线的定长钢轨的长度为50m或100m2.2钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状2.2.1截面钢轨横截面为工字形截面。钢轨分轨头、轨腰和轨底三部分。轨头应具有足够的表面面积及厚度，以延缓轨头压溃和磨耗;轨腰主要承受剪力，可使钢轨具有较大的竖向刚度。轨底为分布压力及保持稳定，应具有一定宽度;轨头宜大而厚，并具有与车轮踏面相适应的外形，以改善轮轨接触条件，提高抵抗压陷的能力，同时具有足够的支撑面积，以备磨耗。钢轨顶面在具有足够宽度的同时，为使车轮传来的压力更为集中于钢轨中心轴，顶面形状为隆起的圆弧形。圆弧的半径不能太小，虽可使压力集中于钢轨中心轴，但又不至于轮轨间的接触面积太小造成过大的接触应力。我国铁路上较轻型的钢轨顶面常用一个半径为300mm圆弧组成。而较重型的钢轨顶面，则用三个半径分别为80mm300mm80mm或80mm500mm80mm的复合圆弧组成。轨腰必须具有足够的厚度和高度，具有较大的承载能力和抗弯能力。轨腰与钢轨头部及底部的连接，必须保证夹板能有足够的支承面，并使截面的变化不致过分突然，以免产生过大的应力集中。为此，轨腰和轨头之间可采用复曲线的连接方式，如我国CHN60标准钢轨采用了半径为25mm和8mm复曲线进行连接。轨腰和轨底之间的连接曲线，一般采用单曲线，半径为14~20mm。轨底直接支承在轨枕顶面上，为保持钢轨稳定，应有足够的宽度和厚度，并具有必要的刚度和抗锈蚀能力。2.2.2钢轨高度钢轨的高度要保证钢轨具有足够的惯性矩和截面系数来承受车轮的竖直压力，并要使钢轨在横向水平力作用下具有足够的稳定性。尺寸经验公式：轨头顶面宽度b=0.34M+51.70(mm)轨腰厚度t=0.16M+7.08(mm)轨身高度H=1.92M+54.16(mm)轨底宽度B=1.25M+69.25(mm)[M为每米钢轨的质量(kg)]2.3钢轨的材质及其力学指标2.3.1钢轨的材质钢轨的材质是指钢轨的化学成分及其金相组织（指金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组成，其中包括固溶体、金属化合物及纯物质）。要使钢轨具有高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。钢轨出现质量问题主要是由于钢轨的内部夹杂、缺陷所引起的疲劳折损。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之一。钢轨主要成分是碳和铁。C—抗拉强度Mn—强度和韧性Si—增加致密度有害成分：P—冷脆性S—热脆性2.3.2钢轨的力学性能强度极限σb、屈服极限σs、疲劳极限σr、延伸率δs、断面收缩率ψ、冲击韧性αk及布氏硬度指标HB等。这些指标对钢轨的承载能力、磨耗、压溃、断裂及其他伤损有很大的影响。bb布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2(N/mm2)。测定布氏硬度较准确可靠，布氏硬度范围为8~650HB。但一般HB只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。2.4钢轨尺寸允许偏差及平直度要求2.4.1保证列车运行的平稳性，则要求轨道的几何形位稳定，轨头的轮轨接触光带位置及宽度稳定，而要达到这一点，高精度的外形尺寸和高平直度的钢轨是必不可少的。2.4.2钢轨焊接接头是无缝线路轨道单独不平顺的来源之一。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，操作工人的技术熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。钢轨焊接接头分三种：接触焊、气压焊和铝热焊。为保证高速列车的高速、平稳性地运行，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。2.5钢轨损伤常见损伤类型：1、钢轨接头螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹2、轨头核伤3、轨头剥离4、钢轨磨耗2.5.1钢轨接头螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹在普通线路上，钢轨接头无法避免。一般在轨腰中和轴附近钻孔，以便安装接头螺栓。由于轨腰钻孔，强度被削弱，钢轨在应力传递过程中，在螺栓孔周围产生应力集中，同时由于车轮通过接头时产生冲击，螺栓孔周围应力集中现象更为严重。图2-5钢轨接头螺栓孔裂纹图2-6钢轨焊接接头的断裂在轮轨冲击荷载作用下，螺栓孔周围产生肉眼看不到的45度斜向细微裂纹，在列车荷载作用下，裂纹进一步扩展并产生断裂由于焊缝材料与钢轨母材不一致，造成焊缝处钢轨的磨损与母材不一致而产生轨面不平顺，增大了轮轨冲击荷载，从而造成焊接接头钢轨的断裂2.5.2轨头核伤轨头核伤是对行车威胁最大的一种钢损伤。在列车荷载的反复作用下，在轨头内部出现极为复杂的应力分布和应力状态，使细小裂纹横向扩展成核伤，直至核伤周围的钢材强度不足以抵抗轮载作用下的应力，钢轨发生突然猝断。图2-7轨头核伤产生原因：内因：由于钢轨在制造过程中，在钢轨中的非金属夹杂物或微小气泡。外因：在列车荷载作用下，产生巨大的接触应力，使钢轨接触疲劳破坏。措施：提高钢轨的纯净度，减小钢轨中的非金属夹杂物；提高钢轨的接触疲劳强度；提高钢轨结构弹性，减小轮轨冲击荷载。图2-8轨头圆角处45º细微斜裂纹图2-9钢轨表面的剥离掉块2.5.3轨头剥离2.5.3轨头剥离轨头剥离是当今重载铁路运输中经常出现的一种钢轨损伤，主要发生在轨头内侧圆角处。发生的主要原因是由于在轨头内侧圆角处的轮轨接触应力较大，钢轨表面下几毫米处的剪应力使得钢轨产生剪切疲劳，生产裂纹后，钢轨表面掉块。剥离的最初阶段，钢轨表面出现间距呈规律的45度细微倾斜裂纹，裂纹方向与行车方向相反。当裂纹面积达到一定程度后，裂纹顶层在列车车轮碾压下产生塑性变形，最后断裂，轨面出现凹坑。2.5.4钢轨磨耗钢轨磨耗分轨顶成垂直磨耗、轨头侧面磨耗和波浪形磨耗。垂直磨耗与轮轨之间的垂直力和轮轨之间的蠕滑、摩擦等因素有关，随着线路通过总质量的增大，垂直磨耗也相应增大。侧面磨耗主要发生在曲线轨道的外股钢轨。钢轨侧磨使得轨头宽度变窄，钢轨在侧磨过程中，轨头下侧钢材产生塑性变形，产生裂纹，严重时形成核伤等病害。图2-10钢轨侧磨及量测图2-11钢轨侧磨及轨头侧面核伤我国把钢轨磨耗分为轻伤和重伤两类波浪形磨耗是指钢轨投入运行后在钢轨表面上出现的有一定规律的周期性磨损和塑性变形。波磨一般出现在曲线地段，列车制动地段的波磨出现概率和磨耗速率都较大。图2-12钢轨的波浪形磨耗2.5.5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。超声波探伤：当超声波射入钢轨的核伤、裂纹或其他伤损时，在钢与空气的界面上受阻，产生反射波，经过电子仪器的接收并显示，就能发现钢轨内部存在的伤痕。2.6钢轨接头在两根定长的钢轨之间，用夹板连接成连续的轨线，称为钢轨接头。2.6.1接头联接零件钢轨接头的联结零件由夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈组成。接头夹板的作用是夹紧钢轨。接头夹板分斜坡支承型和圆弧支承型两种(a)斜坡支承型(b)圆弧支承型2.6.2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》中的预留轨缝公式计算：δ0=αL(tz-t0)+0.5δg式中，α为钢轨线膨胀系数(0.0118mm/m.℃)；L为钢轨长度；tz为当地的中间轨温；t0为调整轨缝时的轨温；δg为钢轨的构造轨缝(18mm)。2.6.3接头布置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我国铁路采用悬空式钢轨接头。(a)悬空式(b)单枕承垫式(c)双枕承垫式按两股钢轨接头的位置可分为相对式和相错式相错式的缺点是车轮轮流冲击接头，如果轨道状态不良，会加剧车辆的摇晃。美国铁路多采用相错式钢轨接头，我国铁路采用相对式钢轨接头。(a)相对式钢轨接头(b)相错式钢轨接头2.6.4接头类型按钢轨接头的功能可分普通接头、异形接头、导电接头、绝缘胶接接头、伸缩接头和焊接接头。钢轨异形接头是用于连接两种不同型号的钢轨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。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。(a)钢轨胶接接头(b)铺设在线路上的钢轨胶接接头伸缩接头又称钢轨伸缩调节器，钢轨伸缩接头分基本轨和尖轨，尖轨固定不动，基本轨向轨道外侧伸缩，这样保证了基本伸缩时轨距保持不变。2.6.5钢轨接头不平顺及受力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。(a)接头折角(b)接头折角、台阶和轨缝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轨冲击荷载。本章小结思考题：1、钢轨有哪些功用？钢轨截面的设计满足哪些要求？2、确定钢轨截面尺寸的原则有哪些？3、钢轨主要由哪些成分组成？各种成分对钢轨性能的影响如何？4、有哪四种主要的钢轨损伤？钢轨损伤时如何分类的？5、钢轨接头由哪些零件组成？我国铁路轨道为哪一种接头形式？6、按钢轨接头的用途和工作性能分，有哪几种钢轨接头？简述钢轨接头的受力特点。谢谢！