第六章-轨道几何形位.ppt

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1、第六章 轨道几何形位 本章重点 1直线轨道几何形位 2曲线超高设置 3缓和曲线设置,轨道几何形位是指轨道各部分的几何形状、相对位置和基本尺寸。 轨道平面位置包括直线、圆曲线、缓和曲线。轨道的方向必须正确，直线部分应保持笔直，曲线部分应具有与曲率相适应的圆顺度。 从轨道横断面上来看，轨道的几何形位包括轨距、水平、外轨超高和轨底坡。,第一节 机车车辆走行部分构造 一、轮对 机车的走行部分由车架、轮对、轴箱、弹簧装置、转向架及其它部件组成。 车辆的走行部分是转向架，由侧架、轴箱、弹性悬挂装置、制动装置、轮对以及其它部件组成。 轮对是机车车辆走行部分的基本部件，由一根车轴和两个相同的车轮组成。,客车转

2、向架的基本构造示意图1侧架； 2轮对；3轴箱润滑装置；4液压减震器；5基础制动装置；6摇枕；7螺旋圆弹簧,我国车辆上使用的车轮有整体轮和轮箍轮两种，但绝大多数是整体轮，它由踏面、轮缘、轮辐、幅板和轮毂等部分组成，如图61所示。车轮和钢轨接触的面称为踏面。,图61车轮1踏面；2轮缘；3轮辋；4辐板；5轮毂；6轮箍；7扣环；8轮心,车轮踏面（锥形踏面）,车轮踏面（磨耗型踏面）,车轮踏面有锥形踏面和磨耗型踏面两种形式。 锥形踏面的母线是直线，由1:20和1:10两段斜坡组成。其中1:20的一段经常与钢轨顶面相接触，1:10的一段仅在小半径曲线上才与钢轨顶面相接触。车轮踏面形成圆锥面，可以减少车轮在钢

3、轨上的纵、横向滑行，保证踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。另外，直线地段上行驶的车辆，当其偏向轨道一侧时，由于左右车轮滚动半径的不同，可自动返回到轨道中线。这样，虽然车轮的轨迹成蛇行运动，但不会在车轮踏面上形成凹槽形磨损，从而避免车轮通过道岔辙叉时，发生剧烈的冲击和振动。,磨耗型车轮踏面是曲线型踏面，将踏面制成与钢轨顶面基本吻合的曲线形状，增大了轮轨接触面积，可以减轻轮轨磨耗、降低轮轨接触应力并可改善通过曲线的转向性能。 为防止车轮脱轨，在踏面内侧制成凸缘如右图突起部分所示，称为轮缘。,轮缘,车辆转向架,车轮位于两股钢轨内侧的竖直面，称为车轮内侧面，车轮另一侧的竖直面称为车轮外侧面。车轮内侧面与外侧

4、面之间的距离称为车轮宽度(轮幅宽)。,qT+2d,通过踏面上距车轮内侧面一定距离的一点，画一水平线，称为踏面的测量线。由测量线至轮缘顶点的距离称为轮缘高度。由测量线向下10mm处量得的轮缘厚度，称为车轮的轮缘厚度(d)。 轮对上左右两车轮内侧面之间的距离，称为轮对的轮背内侧距离(T)。这个距离再加上二个轮缘厚度称为轮对宽度(q)如图所示。,二、转向架 为使车体能顺利通过半径较小的曲线，可把全部车轴分别安装在几个车架上。为防止车轮由于轮对歪斜而陷落于轨道中间，通常将两个或三个轮对用一刚性构架安装在一起，称为转向架。 车体放在转向架的心盘上。安装在同一个车架或转向架上的车轴，须保持相互之间的平行位

5、置。 同一车体最前位和最后位的车轴中心间水平距离，称为全轴距。,同一车架或转向架上始终保持平行的最前位和最后位车轴中心间水平距离，称为固定轴距。 车辆前后两走行部分上车体支承间的距离称为车辆定距。 应当注意，固定轴距和车辆定距是两个不同的概念，固定轴距是机车车辆能否顺利通过小半径曲线的控制因素，车辆定距是转向架中心间距，除长大车外，多在18m之内。,固定轴距,车辆定距,全轴距,第二节 直线轨道的几何形位 一、轨距 轨距是钢轨顶面下16mm范围内两股钢轨作用边之间的最小距离。 目前世界上的铁路轨距，分为标准轨距、宽轨距和窄轨距三种。标准轨距尺寸为1435mm。大于标准轨距的称为宽轨距，小于标准轨

6、距的称为窄轨距。,轨距用道尺测量，容许偏差符合规范规定。 轨距变化应和缓平顺，其变化率：正线、到发线不应超过2(规定递减部分除外)，站线和专用线不得超过3，即在1m长度内的轨距变化值：正线、到发线不得超过2mm，站线和专用线不得超过3mm。,为使机车车辆能在线路上两股钢轨刚顺利通过，轮对宽度应小于轨距。当轮对的一个车轮轮缘紧贴一股钢轨的作用边时，另一个车轮轮缘与另一股钢轨作用边之间便形成一定的间隙，这个间隙称为游间。,为了提高列车运行的平稳性和线路的稳定性，减少轮轨磨耗和动能损失，确保行车安全，需要把游间限制在一个合理的范围内。,根据我国现场测试和养护维修经验，认为减小直线轨距有利。改道时轨距

7、按1434mm或1433mm控制，尽管轨头有少量侧磨发生，但达到轨距超限的时间得以延长，有利于提高行车平稳性，延长维修周期。,二、水平 水平是指线路左右两股钢轨顶面的相对高差。 在直线地段，两股钢轨顶面应位于同一水平面上，使两股钢轨所受荷载均匀，以保持列车平稳运行。水平用道尺或其它工具测量。线路维修时，两股钢轨顶面水平误差不得超过规定值。 两股钢轨顶面的水平偏差值，沿线路方向的变化率不可太大。在1m距离内，这个变化不可超过1mm，否则即使两股钢轨的水平偏差不超过允许范围，也将引起机车车辆的剧烈摇晃。,实践中有二种性质不同的钢轨水平偏差，对行车的危害程度也不相同。 一种偏差称为水平差，这就是在一

8、段规定的距离内，一股钢轨的顶面始终比另一股高，高差值超过容许偏差值。 另一种称为三角坑，其含义是在一段规定的距离内，先是左股钢轨高于右股，后是右股高于左股，高差值超过容许偏差值，而且两个最大水平误差点之间的距离，不足18m。,三、轨向 轨向是指轨道中心线在水平面上的平顺性。 若直线不直则必然引起列车的蛇行运动。在行驶快速列车的线路上，线路方向对行车的平稳性具有特别重要的影响。 在无缝线路地段，若轨道方向不良，还可能在高温季节引发胀轨跑道事件(轨道发生明显的不规则横向位移)，严重威胁行车安全。 修规规定：直线方向必须目视平顺，用10m弦测量，正线上正矢不得超过允许值。,四、前后高低 轨道沿线路方

9、向的竖向平顺性称为前后高低。 新铺或经过大修后的线路，即使其轨面是平顺的，但是经过一段时间列车运行后，由于路基不均匀沉陷、道床捣固密实程度、扣件松紧、枕木腐朽和钢轨磨耗的不一致性，就会产生不均匀下沉，造成轨面前后高低不平，即在有些地段(往往在钢轨接头附近)下沉较多，出现坑洼，这种不平顺，称为静态不平顺；,有些地段，从表面上看，轨面是平顺的，但实际上轨底与铁垫板或轨枕之间存在间隙(间隙超过2mm时称为吊板)，或轨枕底与道碴之间存在空隙(空隙超过2mm时称为空板或暗坑)，或轨道基础弹性的不均匀(路基填筑的不均匀，道床弹性的不均匀等)，当列车通过时，这些地段的轨道下沉不一致，也会产生不平顺，这种不平

10、顺称为动态不平顺，随着高速铁路的发展，动态不平顺已广泛受到关注。 经过维修或大修的轨道，要求目视平顺，前后高低偏差用10m弦量测的最大矢度值不应超过允许值。,线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值,注：轨距偏差不含曲线上按规定设置的轨距加宽值，但最大轨距(含加宽值和偏差)不得超过1456mm； 轨向偏差和高低偏差为10m弦测量的最大矢度值； 三角坑偏差不含曲线超高顺坡造成的扭曲量，检查三角坑时基长为 6.25m，但在延长18m的距离内无超过表列的三角坑； 专用线按其他站线办理。,五、轨底坡 由于车轮踏面与钢轨顶面主要接触部分是1:20的斜坡，为了使钢轨轴心受力，钢轨也应有一个向内的倾斜度，因此轨底

11、与轨道平面之间应形成一个横向坡度，称之为轨底坡。 我国铁路在1965年以前，轨底坡定为1:20。1965年以后，我国铁路的轨底坡统一改为1:40。 轨底坡设置是否正确，可根据钢轨顶面上由车轮碾磨形成的光带位置来判定。,如光带偏离轨顶中心向内，说明轨底坡不足；如光带偏离轨顶中心向外，说明轨底坡过大；如光带居中，说明轨底坡合适。 线路养护工作中，可根据光带位置调整轨底坡的大小。,30,第三节 曲线轨距加宽 机车车辆进入曲线轨道时，仍然存在保持其原有行驶方向时惯性，只是受到外轨的引导作用力才沿着曲线轨道行驶。在小半径曲线，为使机车车辆顺利通过曲线而不致被楔住或挤开轨道，减小轮轨间的横向作用力，以减少

12、轮轨磨耗，轨距要适当加宽。加宽轨距，系将曲线轨道内轨向曲线中心方向移动，曲线外轨的位置则保持与轨道中心半个轨距的距离不变。曲线轨距的加宽值与机车车辆转向架在曲线上的几何位置有关。,31,一、转向架的内接形式 由于轮轨游间的存在，机车车辆的车架或转向架通过曲线轨道时，可以占有不同的几何位置，有着不同的内接形式。主要呈现以下四种内接形式： 1斜接,32,2自由内接,3楔形内接,4正常强制内接 对楔形内接所需轨距增加min/ 2。,33,二、曲线轨距加宽的确定原则 根据运营经验，以自由内接最为有利，但机车车辆的固定轴距长短不一，不能全部满足自由内接通过。为此，确定轨距加宽必须满足如下原则： 1保证占

13、列车大多数的车辆能以自由内接形式通过曲线； 2保证固定轴距较长的机车通过曲线时，不出现楔形内接，但允许以正常强制内接形式通过； 3保证车轮不掉道，即最大轨距不超过容许限度。,34,三、根据车辆条件确定轨距加宽 我国绝大部分的车辆转向架是两轴转向架。当两轴转向架以自由内接形式通过曲线时，前轴外轮轮缘与外轨的作用边接触，后轴占据曲线垂直半径的位置。则自由内接形式所需最小轨距为：,35,Sf = qmax + f0式中Sf 自由内接所需轨距； qmax 最大轮对宽度； f0 外矢距，其值为,其中 L转向架固定轴距， R曲线半径。,以S0表示直线轨距，则曲线轨距加宽值e应为： e = Sf S0,36

14、,现以我国目前主型客车“202”型转向架为例。 设R350m，L2.4m，qmax1424mm，则：,mm,Sf = qmax + f0=1424+8=1432mm,由以上计算可见，曲线半径为350m及以上的曲线，轨距不需加宽。,37,四、曲线轨道的最大允许轨距 曲线轨道的最大轨距，应切实保障行车安全，不使其掉道。在最不利情况下，当轮对的一个车轮轮缘紧贴一股钢轨时，另一个车轮踏面与钢轨的接触点即为车轮踏面的变坡点。,由此，曲线上容许最大轨距由下式计算：,38,Smax= dmin+Tmin r +a r s数值代入得： Smax=22+1350-2+100-12-21456mm,因轨距的容许偏

15、差不得超过6mm，所以：曲线轨道最大容许轨距应为1450mm，即最大允许加宽15mm。,39,铁路线路修理规则规定；新建、改建及线路大修或成段更换轨枕地段，按下表规定的标准进行曲线轨距加宽。曲线轨距加宽应在整个缓和曲线内递减，如无缓和曲线则在直线上递减，递减率不得大于1。特殊条件下，不得大于2。,第四节 曲线轨道外轨超高,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,一、外轨超高的作用及设置方法,作用：,钢轨受力均匀,旅客舒适,提高线路稳定性、安全性,外轨超高：,是曲线外 轨顶面与内轨顶面 的水平高度之差。,设置方法：,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,外轨提高法、线路中心高度不变法。,外轨提

16、高法,线路中心高度不变法,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,二、外轨超高值的计算,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,离心力 C = m v2 / R,曲线超高的大小由列车通过时离心力的大小确定。,将 V=3.6v，S为两股钢轨中心距，S=1500mm，g=9.81m/s2，代入式得：,(mm) ,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,取平均速度V0 ， (mm),第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,平均速度V0的确定：,1全面考虑每一次列车的速度和重力来计算V0,式中 N 一昼夜通过的各类相同速度和牵引重量的列车 次数； G 各类列车总重量(kN)； V 实测各类列车速度(k

17、m/h)。,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,2在新线设计与施工时，采用的平均速度V0,式中 Vmax 预计该地段最大行车速度(km/h)； 一般地段采用0.80，单线上、下行速度悬殊地段 可采用0.65。,规定：圆曲线外轨超高按5mm整倍数设置。,V0 称作加权平均速度，简称均方根速度(VJF)。,三、外轨未被平衡的超高,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,当VV0时，h=hh0 ；,V V0 h =,V V0 h =,hq：欠超高hg：过超高,未被平衡的超高与未被平衡的离心加速度的关系：,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,当V V0时：,当V V0时：,二者关系：,欠超高,

18、向心加速度,离心加速度,过超高,钢轨产生偏载，内外轨不均匀磨耗；影响旅客舒适度。,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,影响,措施：,即：,对 a 或h 进行限制,式中 h 未被平衡的超高(mm)； 未被平衡的加速度允许值。,我国铁路经验,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,未被平衡的欠超高容许值：,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,铁路线路设计规范对hq的规定：,hq一般取70mm，困难时取90mm，既有线提速改造时可取110 mm；,铁路线路修理规则对hq的规定：,hq一般应不大于75mm，困难情况应不大于90mm；Vmax120km/h个别特殊情况下已设置90(不含)110m

19、m可暂时保留，但应逐步改造。,hg的实质：,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,限制速度差，控制低速列车对钢轨磨耗及线路变形的影响。,hg一般不得大于30mm，困难时不得大于50mm。,线规、修规对hg的规定：,hg的影响,内轨垂直磨耗加剧，轨头压宽、飞边；,外轨侧磨依旧；,四、外轨最大超高的允许值,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,设曲线外轨为hmax。,对应有：v，R，O。,若某车以 v1 v 通过时：,四、外轨最大超高的允许值,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,设曲线外轨为hmax。,对应有：v，R，O。,若某车以 v1 v 通过时：,其稳定程度可采用稳定系数 n 来表示

20、：,e 合力偏心距(mm),四、外轨最大超高的允许值,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,分析：,n =1， ，临界状态,n 1， ，失稳倾覆,n 1， ，稳定状态,n值愈大，稳定性愈好,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,e与h的关系：,设H为车辆重心到轨面的高度，货车为2220mm，客车为2057.5mm。,根据我国铁路运营经验，为保证行车安全，n 值不应小于3。,线规、修规规定：,Vmax160km/h地段实设最大超高单线为125mm，双线为150mm。,检验：,(大于3，满足要求),第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,分 析,举例分析：,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超

21、高,Vmax=144km/h，R=340m，h0=125mm,h =hq,=595(mm),结论：,倾 覆,=0.85,hq,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,五、曲线轨道上的超高限速 任何一条曲线轨道，均按一定的平均速度设置超高。在既定的超高条件下，通过该曲线的列车最高速度必定受到末被平衡的容许超高度hq的限制，其最高行车速度Vmax 应为:,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,同理，通过该曲线的最低行车速度 Vmin 应为: 当曲线半径较小时，按最大超高度150mm计算，曲线上的超高限速与半径的关系如下： =75mm时， =90mm时，,第六章 轨道几何形位 曲线轨道外轨超高,一

22、般情况下，曲线上的超高限速按下式计算： 当最大超高度为125mm时，未被平衡超高度按特殊情况采用90mm，最大行车速度为： 采用未被平衡超高度的容许值，来限制曲线最高行车速度，是保证行车安全的一项重要指标。,第五节 缓和曲线 一、缓和曲线的作用及其几何特征 行驶于曲线轨道的机车车辆，出现一些与直线运行显著不同的受力特征。如曲线运行的离心力，外轨超高不连续形成的冲击力等。为使上述诸力不致突然产生和消失，以保持列车曲线运行的平稳性，需要在直线与圆曲线轨道之间设置一段曲率半径和外轨超高度均逐渐变化的曲线，称为缓和曲线。当缓和曲线连接设有轨距加宽的圆曲线时，缓和曲线的轨距是呈线性变化的。,概括起来，缓

23、和曲线具有以下几何特征： (1)缓和曲线连接直线和半径为R的圆曲线，其曲率由零至1/R逐渐变化。 (2)缓和曲线的外轨超高，由直线上的零值逐渐增至圆曲线的超高度，与圆曲线超高相连接。 (3)缓和曲线连接半径小于350m的圆曲线时，在整个缓和曲线长度内，轨距加宽呈线性递增，由零至圆曲线加宽值。,二、缓和曲线的几何形位条件 (1)为了保持连续点的几何连续性，缓和曲线在平面上的形状应当是：在始点处，横坐标x=0，纵坐标y=0，倾角=0；在终点处，横坐标 x= x0。纵坐标 y=y0，倾角=0。 (2)列车进入缓和曲线，为保持列车运行的平稳性，应使离心力不突然产生和消失，即在缓和曲线始点处， F=0或

24、=；在缓和曲线终点处， F=mv2/R或 =R。,(3)缓和曲线上任何一点的曲率应与外轨超高相配和。在纵断面上，外轨超高顺坡的形状有两种形式。 (4)列车在缓和曲线上运动时，其车轴与水平面倾斜角不断变化，亦即车体发生侧滚。要使钢轨对车体倾转的作用力不突然产生和消失，在缓和曲线始、终点处,应使倾转的角加速度为零，即 =0。在缓和曲线终点之间 应连续变化。 综上所述，缓和曲线的线形条件，可归纳如表65。表65 缓和曲线线形条件表,表中 前两项是基本的几何形位要求，后三项则是由行车平稳性形成的力学条件推导出的几何形位要求。在行车速度不高的线路上，满足前三项要求的缓和曲线尚能适应列车运行的需要，而在速

25、度较高的线路上，缓和曲线的几何形位就必须考虑后两项的要求。,三、常用缓和曲线 满足表65中前三项要求的缓和曲线，是目前铁路上最常用的缓和曲线，所以也称为常用缓和曲线。 常用缓和曲线的外轨超高顺坡为直线顺坡。,任意点处：,可知，缓和曲线的长度l与其曲率K成正比，符合该条件的缓和曲线线型为放射螺旋线。 四、缓和曲线长度计算 缓和曲线长度影响行车安全和旅客舒适，拟定标准时，应根据下列条件计算并取其较长者。 1超高顺坡不致使车轮脱轨,70,2超离时变率不致使旅客不适 3欠超高时变率不致影响旅客舒适 综和以上三式，缓和曲线长度l0 的计算公式为：,(m),(m),(m),71,缓和曲线长度的计算结果应进整为10m的整倍数。 缓和曲线长度的选用 近几年我国铁路运营的调查资料表明，缓和曲线过短已成为提高旅客列车行车速度的限制条件之一。新规范纳入了行车速度160km/h后，依据满足运输需求、路段设计速度以及适应长远发展的要求，对缓和曲线长度标准进行了修正，一般应优选表一规定的数值，但最小缓和曲线长度不得小于表二规定的数值。,(m),72,表一 缓和曲线长度(m),73,表二 最小缓和曲线长度(m),