第2章钢轨与联结零件.doc

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1、第2章钢轨与联结零件2.1钢轨2.1.1钢轨概述1钢轨的作用与性能钢轨的作用为了使线路能按照设计速度保证列车运行，钢轨必须具备以 下几个方面的功能：（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。车辆要求钢轨表面光滑，以 减小轮轨阻力；而机车要求轮轨之间有较大的摩擦力，以发 挥机车的牵引力；（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。在轨面要承受极大的接触应 力。除垂向力外，钢轨还要承受横向力和纵向力。在这些力 的作用下，钢轨要产生弯曲、扭转、爬行等变形，轨头的钢 材还要产生塑性流动，磨损等；（3）为轨道电路提供导体。（2）钢轨的性质要求钢轨要求：四个“度

2、”刚度抵抗由动荷载引起的挠曲娈形：韧度防止动荷载引起钢轨折断；硬度防止被车轮压陷或磨损太快；顶面粗糙度有利于机车的牵引力、制动力的实现.2.1.2钢轨的类型1. 按每米质量分类世界铁路所用钢轨的类型通常按每延米质量来分，在轴重 大、运量大和速度高的重要线路上采用质量大的钢轨，在一 般次要线路上使用的钢轨质量相对要小一些。我国铁路所使 用的钢轨重量有 43、45、 50、60 和 75kg/m。随着高速、重载运输的要求，钢轨正向重型化发展，目 前世界上最重型的钢轨已达到77.5kg/m ，线路上逐步铺设75kg/m 钢轨。目前世界各国铁路使用钢轨分重载高速铁路钢轨和普 速铁路钢轨，如俄罗斯的重载

3、铁路使用 R75 钢轨；美国使用 136RE （65kg/m） 和 140RE（70kg/m） 型钢轨；我国铁路干线也 都使用 CHN60 钢轨。世界各国高速铁路基本上都采用了 60kg/m 的钢轨，如日本新干线、法国 TGV 和德国 ICE 高速 铁路所采用的钢轨均为 60kg/m 级。我国 CHN 60（ 实际重量 为 60.64kg/m） 钢轨截面与 UIC60（ 实际重量为 60.34kg/m） 钢轨 截面相似，特别是轨顶面均为 R=13-80-300-80-13 五段式弧 线。2. 按单根钢轨的长度分类（1）标准钢轨的长度 我国目前的钢轨定长为 12.5m 和 25m 两种，世界各国

4、的钢轨 定尺长也有长有短。由于高速重载铁路都采用无缝线路，钢 轨定尺长越短，钢轨焊接接头越多，所以世界各国都大力发 展长定尺长钢轨，我国用于新建客运专线的长定尺钢轨的长 度为 50m 或 100m 。（2）标准缩短轨的长度用于曲线内股的缩短轨，对于12.5m标准系列的缩短轨有短40mm、80mm、120mm 三种；对于 25m 轨的有短 40mm、 80mm、160mm 三种。我国钢轨标准长度为 12.5m和25m两种，对于75kg/m钢轨 只有25m长一种。最近又出厂了 50m和100m的两种，用于 铺设无缝线路。还有用于曲线内股的缩短轨，对于12.5m标准系列的缩短轨有短 40mm、80m

5、m、120mm三种；对于25m 轨的有短 40mm、80mm、160mm三种。3. 按钢轨的化学成分分类2.1.3钢轨标志2.1.4钢轨断面几何尺寸議I钢轨断面尺寸项目类型仆0n）756043 断商枳95” 0477.4565, S57.0期帧裔度（扪（阳阿）192176152140钢轨底寛1150150132114轨生島度55.35424275737070轨禮耳度（打（nun）2016.515.5)4,5汕至】乩亜育伽血967666561扎至2孔亚离t mm）3161401501102乩至3孔距离（mmH6L4O14016025.012.5725,05/25,5la. smo钢轨截面形状的发

6、展也经过了相当长的时间。从构件截面的 力学特性可知，工字型截面的构件具有较好的抗弯曲性能。钢轨截面由轨头、轨腰和轨底三部分组成，相互之间用圆轮踏面相适应的外形，以改善轨接触条件，提高抵抗压陷的 能力，同时具有足够的支承面积， 以备磨耗。轨顶面与侧面的连接圆弧半径为13mm（CHN 75钢轨为15mm）。这比机车车辆轮的轮缘内圆角的半径16mm和18mm略小些。如此值再大，轮缘就有爬上钢轨的危险，若再小， 将加速轮缘的磨耗。轨头底面称轨头的下颚，是和夹板顶面 相接触的部分，其斜坡常用1:2.75，1:3, 1:4。这个斜坡不宜过于平缓也不过于陡峻。过缓则使夹板受到过大的动力作 用，加速了夹板螺栓

7、的松动和磨耗；过陡则螺栓所受的拉力 过大而容易折断。轨头下角亦应作成圆弧，以免应力过分集 中，但又不使夹板的支承宽度减小过多，一般圆弧的半径在24mm之间。轨腰必须有足够的厚度和高度，具有较大的承载能力和抗弯 能力。轨腰的两侧或为直线，或为曲线，而以曲线最常用， 以有利于传递车轮对钢轨的冲击动力作用和减少钢轨轧制 后因冷却而产生的残余应力。 我国设计的标准 CHN 50 、CHN 60 和 CHN 75 钢轨的轨腰圆弧半径分别采用350mm、400mm和 500mm 。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

8、与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 25mm和8mm。轨 腰与轨底之间的连接曲线， 一般采用 单曲线， 半径为 1420mm。轨底直接支承在轨枕顶面上中，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。轨底顶面 可以作成单坡或折线坡的斜坡。如为单坡，则要求与轨头下 颚的斜坡相同。如为折线坡，则支托夹板部分要求与轨头下 颚同， 其余部分可采用较平缓的斜坡， 如 1:61:9，两斜面之 间，用半径为 1540mm 的圆弧连接。轨底的上下角也应作 为圆角，半径一般为 24mm。根据多种类型钢轨几何尺寸的设计资料，钢轨截面的四个主 要尺按经验公式

9、为，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） 。轨身高与轨底宽之间应有一个适当的比例。一般为 H/B1.151.20。钢轨的头部顶面宽（b）、轨腰厚（t）、轨身高（H）及轨底宽（B） 是钢轨断面的四个主要参数。钢轨高度应尽可能大一些，以 保证有足够的惯性矩及断面系数来承受竖直轮载的动力作 用。但钢轨愈高，其在横向水平力作用下的稳定性愈差。轨 身高与轨底宽之间应有一个适当的比例。一般要求轨高与

10、轨 底宽之比为 1.151.20。为使钢轨轧制冷却均匀，要求轨头、 轨腰及轨底的面积分配， 有一个较合适的比例。2.1.5钢轨的机械性能和化学成分钢轨钢的物理力学性能包括强度极限a b、屈服极限a S、疲劳极限a r、伸长率8 5、断面收缩率书、冲击韧性（落锤试验） a h及硬度等。这些指标对钢轨的承载能力、磨损、压溃、 断裂和其他伤损有很大的影响。钢轨接头处轮轨冲击力很大，为加强接头处钢轨的抗磨能力， 在钢轨两端 3070mm 范围内进行轨顶淬火， 淬火深度达 8-12 mm。 为提高钢轨 耐磨和抗压性能，还应对钢轨进行全长淬火处理。它是采用 电感应加热的方法，以局部改变轨头钢的组织，从而提

11、高钢 轨的强度和韧性。重型钢轨的强化有两种技术路线：一是钢轨合金化，它生 产工艺简单，投资少，能源消耗少，钢轨整体强化，表层硬 度均匀，可焊性好；二是碳素钢热处理，这种方法也可获得 同样的高强度和表面硬度，同时韧性好，节省合金，适于大 批量生产。冶金学原理及冶金工业生产实践认为：如不改变 钢种，单凭碳素钢热处理，很难再大幅度地提高强度，唯有 微合金与热处理相结合，二者相辅相成，才可得到既有更高 强度，并有相应韧性、 硬度和可焊性的优质钢轨。钢轨钢的主要元素是碳和铁，并根据强度和硬度的需要 增加其他化学元素，同时限制磷和硫等有害元素的含量。同 一种类型的钢轨中，不同炉号和生产批次，其化学元素也有

12、 一些差别，所以钢轨中的化学元素含量是一个范围。 碳 (C) 是钢轨抗拉强度的主要来源，一般含量为0.65% ，但一般小于 0.82% ，如含碳量过大，则会使钢轨的伸长率、断面收缩 率和冲击韧性下降。锰(Mn)可提高钢轨强度和韧性，并去除有害的氧化铁和硫类夹杂物，如钢材中的含锰量超过 1.2%，则称为高锰钢，钢材的硬度，抗冲击性，耐磨性能能 得到较大的提高，但锰对钢轨的焊接有不利影响。硅(Si)易与氧结合，除去钢中的气泡，增加钢的致密度，如在钢轨中 的含硅量较高，则也能提高钢轨的耐磨性能，如钢中SiO2以非金属夹杂物存在，则往往是钢轨的疲劳伤损源。磷(P) 是有害成分，如钢轨中含磷过多，则就会

13、出现冷脆性，在严寒地区，易造成钢轨断裂。硫(S)也是有害成分，如钢材中含硫过多，则当钢轨温度达到 8001200 C时出现热脆性，造 成钢轨轧制或热加工过程中钢轨断裂，出现大量废品。一般 要求磷和硫的含量都小于 0.04% ，但国外有些钢轨磷和硫的 含量达到或小于 0.015%。 此外，目前世界各国也生产合金 轨，即在钢轨中加入钒(V)、铬(Cr)、钼(Mo)等，以提高钢轨 的材质，满足高速铁路的要求。2.1.6 伤损钢轨 钢轨伤损是指钢轨在使用过程中，发生折断、裂纹及其它影 响和限制钢轨使用性能的伤损。为便于统计和分析钢轨伤损，需对钢轨伤损进行分类。根据伤损在钢轨断面上的位 置、伤损外貌及伤

14、损原因等分为九类 32 种伤损，用两位数 编号分类，十位数表示伤损的部位和状态，个位数表示造成 伤损的原因。钢轨伤损分类具体内容可见“铁道工务技术手 册(轨道)伤械位負及状态12345&78y 1钢轨制 15方面HSK遣戚的W9A成的抽 ft懈圜: 面设计 或接头构缺点 ifi成的 牡钢轨隊 养和便 川方面伤極1*!工具播 击就其 他机械 作用造 成的AS 撮K.i艺应的伤火工艺成的旳补匚艺 縱爾或1锐应上述以 外的其 他慎阂 谧成附仲i1r io 1ii14r I?182執头橫向裂纹2U21242627330384*头表面压强書繕4143444647的55052555556&r 1r 62r

15、 667钢轨折断I 70798钢轨触豹y啊轨的其也愣撮9599钢轨折断是指有下列情况之一者：钢轨全截面至少断成两部 分；裂缝已经贯通整个轨头截面或轨底截面；钢轨顶面上有 长大于50mm、深大于10mm的掉块。钢轨折断直接威胁行 车安全，应及时更换。钢轨裂纹是指除钢轨折断之外，钢轨 部分材料发生分离，形成裂纹。钢轨伤损种类很多，常见的有磨耗、剥离及轨头核伤、轨腰螺栓孔裂纹等。下面介 绍几种常见的钢轨伤损情况。1 .钢轨磨耗 钢轨磨耗主要是指小半径曲线上钢轨的侧面磨耗和波浪磨耗。至于垂直 磨耗一般情况下是正常的，随着轴重和通过总重的增加而增 大。轨道几何形位设置不当，会使垂直磨耗速率加快，这是 要

16、防止的，可通过调整轨道几何尺寸解决。（1）侧面磨耗侧面磨耗发生在小半径曲线的外股钢轨上，是目前曲线上伤 损的主要类型之一。列车在曲线上运行时，轮轨的磨擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。列车通过小半径曲线时，通 常会出现轮轨两点接触的情况，这时发生的侧磨最大。侧磨 的大小可用导身力与冲击角的乘积，即磨耗因子来表示。改 善列车通过曲线的条件，如采用磨耗型车轮踏面，采用径向 转向架等会降低侧磨的速率。 从工务角度来讲，应改善 钢轨材质，采用耐磨轨，例如高硬稀土轨其耐磨性是普通轨 的 2 倍左右，淬火轨为 1 倍以上。 加强养护维修，设置 合适的轨距、外轨超高及轨底坡，增加线路的弹性，在钢轨 侧面涂油

17、等，都可以减小侧面磨耗的效果。（2）波浪形磨耗波浪形磨耗是指钢轨顶面上出现的波浪状不均匀磨耗，实质上是波浪形压溃。波磨会引起很高的轮轨 动力作用，加速机车车辆及轨道部件的损坏，增加养护维修 费用；此外列车的剧烈振动，会使旅客不适，严重时还会威 胁到行车安全； 波磨也是噪音的来源。 我国一些货运干线上， 出现了严重的波磨。其发展速度比侧磨还快，成为换轨的主 要原因。 波磨可以其波长分为短波（或称波纹）和长波（或称波浪）两种。波纹为波长约50100mm，波幅0.10.4mm 的周期性不平顺；长波为波长 100m 以上， 3000mm 以下，波幅 2mm 以内的周期性不平顺。 波磨主要出现在 重载运

18、输线上，尤其是运煤运矿线上特别严重，在高速高客 运线上也有不同程度的发生，城市地铁上也较普遍。列车速 度较高的铁路上，主要发生波纹磨耗，且主要出现在直线和制动地段。在车速较低的重载运输线上主要发波浪磨耗，且 一般出现在曲线地段。影响钢轨波磨发生发展的因素很多， 涉及到钢轨材质、线路及机车辆条件等多个方面。世界各国 都在致力于钢轨波形磨耗成因理论研究。目前，关于波磨成 因的理论有数十种，大致可分为两类：动力类成因理论和非 动力类成因理论。总的来说，动力作用是钢轨波磨形成的外 因，钢轨材质性能是波磨的内因。事实上单靠某一方面的分 析来概括钢轨波磨的所有成因是相当困难的，而必须把车辆 和轨道作为一个

19、系统，研究多种振动形成，从整体上进行多 方面、多学科的研究， 才能把握波磨成因的全貌。打磨钢轨是目前最有效的消除波磨的措施。除此还有以下一 些措施可以减缓波磨的发展：用连续焊接法消除钢轨接头， 提高轨道的平顺性；改进钢轨材质采用高强耐磨钢轨，提高 热处理工艺质量，消除钢轨残余应力；提高轨道质量，改善 轨道弹性，并使纵横向弹性连续均匀；保持曲线方向圆顺， 超高设置合理，外轨工作边涂油；轮轨系统应有足够的阻尼 等。 (3) 钢轨磨耗的允许限度钢轨头部允许磨耗限度主要由强度和构造条件确定。即当钢轨磨耗达到允许限度里， 一是还能保证钢轨有足够的强度和抗弯刚度；二是应保证在 最不利情况下车轮缘不碰撞接头

20、夹板。 铁路线路维修规则 中按钢轨头产磨耗程度的不同，分为轻伤和重伤两类。波磨 轨耗谷深超过 0.5mm 为轻伤轨。钢轨头部磨耗轻伤标淮伽如&HA A tt組mm)|M Al WXftun75161810n161975 UT -401416010141612148912-1450WT-431Q127010124丁B9n面捲拥建睛面）下F rwnteM*.钢轨头部磨耗重伤标准751221” 下一 60119605*301017915jOUTaB2 .钢轨接触疲劳伤损接触疲劳伤损的形成大致可分三个阶段：第一阶段是钢轨踏面外形的变化，如钢轨踏面出 现不平顺，焊缝处出现鞍形磨损，这些不平顺将增大车轮对

21、 钢轨的冲击作用；第二阶段是轨头表面金属的破坏，由于轨 头踏面金属的冷作硬化，使轨头工作面的硬度不断增长，通 过总质量150200Mt时，硬度可达HB360 ；此后，硬化层不 再发生变化，对碳素钢轨来说，通过总质量200250Mt时，在轨头表层形成微裂纹。对于弹性非均等的线路当车轮及钢 轨肯有明显不平顺时，轨顶面所受之拉压力几乎相等，若存 在微型纹，同时挠曲应力与残余应力同号，会极大的降低钢 轨强度。第三阶段为轨头接触疲劳的形成，由于金属接触疲劳强度不足和重载车轮的多次作用，当最大剪应力作用点超 过剪切屈服极限时，会使该点成为塑性区域，车轮每次通过 必将产生金属显微组织的滑移，通过一段时间的运

22、营，这种 滑移产生积累和聚集，最终导致疲劳裂纹的形成。随着轴载 的提高、大运量的运输条件、钢轨材质及轨型的不适应，将 加速接触疲劳裂纹的萌生和发展。轨头工作边上圆角附近的剥离主要是由以下三个原因引起的：由夹杂物或接触剪 应力引起纵向疲劳裂纹而导致剥离；导向轮在曲线外轨引起 剪应力交变循环促使外轨轨头疲劳，导致剥离；车轮及轨道 维修不良加速剥离的发展。通常剥离会造成缺口区的应力集 中并影响行车的平顺性，增大动力冲击作用，又促使缺口区 域裂纹的产生和发展。缺口区的存在，还会阻碍金属塑性变 形的发展，使钢轨塑性指标降低。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。轨头

23、核伤产一的主要原因是轨 头内部存在微小裂纹或缺陷（如非金属夹杂物及白点等） 在重复动荷 载作用下，在钢轨走行面以下的轨头内部出现 极为复杂的应力组合，使细不裂纹先是成核，然后向轨头四 周发展，直到核伤周围的钢料不足以提供足够的抵抗，钢轨 在毫元预兆的情况下猝然折断。所以钢轨内部材质的缺陷是 形成核伤的内因，而外部荷载的作用是外因，促使核伤的发 展。核伤的发展与运量、轴重及行车速度、线路平面状态有关。为确保行车的安全， 对钢轨要定期探伤减缓钢轨接触疲劳伤损的措施有：净化轨钢，控制杂物 的形态； 采用淬火钢轨， 发展优质重轨， 改进轨钢力学性质； 改革旧轨再用制度，合理使用钢轨；钢轨打磨；按轨钢材

24、质 分类铺轨等。（二）钢轨的合理使用 钢轨是铁路线路的重要装备， 在铁路工务主要技术装备政策中，除明确指出钢轨的发 展方向是重型化、强韧化和纯净化外，对合理使用钢轨也有 明确规定。规定指出应根据钢轨综合经济效益分析，确定钢 轨合理的使用周期，实行钢轨分期使用制度，并积极做好旧 轨的整修工作。1钢轨的分级使用 钢轨分级使用包含两个方面的含义：钢轨的二次或多次使用和钢轨在一次使用 中的合理倒换使用。钢轨的二次使用是指钢轨在繁忙线路上 运营以后经过旧轨整修，再把它铺设到运量小的铁路上再次 作用，可以延长钢轨的使用寿命和提高钢轨的使用效率。重 型旧轨的多次使用，可使整个非繁忙线路的设备得到显著加 强。

25、在货运密度小的线路上采用重型钢轨，即使是旧轨，也 将大大提高线路稳定，并能以较少的材料和劳动力来保证轨 道的正常养护。旧轨整修通常分为三类：综合整形轨、一般 整形轨和焊接再用长轨条。 2钢轨整修技术 轨端不均匀 磨耗和掉块、擦伤是钢轨运营过程中产生的各种伤损和缺陷 的主要形式之一。这些病害引起机车车辆的巨大附加冲击力，使线路变表加剧，不仅缩短轨道各部件的使用寿命，而 且还增大养护维修工作量。因此，需要对钢轨表面病害及时 整治。钢轨表面的整治工作包括磨修和焊修。3钢轨打磨 对钢轨进行现场打磨始于本世纪 50 年代，最初用于整 治波形磨耗，现已发展成为一种多功能的现代化养路技术。 打磨的重点已从钢

26、轨修理转身钢轨保养。钢轨的定期打磨， 可以消除和延缓波磨、消除钢轨表面的接触疲劳层防止剥离 掉块、对断面打磨还可改善轮轨接触条件，降低接触应力。 根据钢轨打磨的目的及磨削量，钢轨打磨可分为三类：（ 1）修理性打磨 主要用来消除钢轨的波浪形磨耗、 车轮擦伤、轨裂纹以及接头的马鞍形磨耗，钢轨的一次磨削 量较大，打磨周期长。但是这种打磨方式并不能消除引起波 磨、钢轨剥离及掉块的潜在的接触疲劳裂纹，在以后列车通 过时，这些裂纹还将继续扩展。（ 2）预防性打磨 预防性打磨是在裂纹开始扩展前将这此裂纹萌生区打掉，近来已 发展成为控制钢轨接触疲劳的技术。它力图控制钢轨表面接 触疲劳的发展，打磨周期较短，以便

27、在钢轨表面裂纹萌生时 就予以消除。（ 3）钢轨断面廓形打磨对曲线地段的钢轨断面进行非对称打磨能明显降低轮轨横向力和冲角，达到 减轻钢轨侧磨的目的2.2 钢轨联结零件2.2.1 钢轨接头的各种形式钢轨长度决定于轧制、运输、铺设，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，而钢轨接 头致使线路在运行过程中产生各种病害。为了减少钢轨接 头，应尽量采用长的钢轨；但钢轨长度越长，轧制越困难， 所以各国铁路的钢轨长度都限制在一定的范围以内。钢轨接 头按其性能又可分为普通接头、异型接头、绝缘接头、导电 接头、伸缩接头、冻结接头等。1普通接头(町总空式(b)取枕飛垫或(0双枕承塑式图2-20

28、钢轨接头的承垫方式15UIIH11IIIIIIIIH1IIH(a)相对式钢轨接头(b)柑错式钢轨接头图2-21相时式和相牠虫徊轨接久布置2. 冻结接头3. 异型接头4. 绝缘接头绝缘接头5.胶结接头222钢轨联结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。夹板以双头对称式（对称度在10%以内）为最常用。接头夹板分斜坡支承型和圆弧支承型两 种，如图2-18所示。我国目前标准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

29、联结松弛时，仍可重新旋紧螺栓，保持接头联结的牢固。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，圆形与长圆形孔相间布置。圆形螺栓孔的直径较螺栓直 径略大，长圆形螺栓孔的长径较螺栓头下长圆形短柱体的长 径略大，当夹板就位后，螺栓头部的长圆形柱体部分与夹板 的长圆孔配合，拧螺母时螺栓就不会转动。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，以免列车脱轨时，车轮轮缘将所有的螺栓剪 断。我国铁路使用的接头夹板和接头螺栓如图2-19所示。夹要尺寸如表2-11斜坡支承型国弧支承型WM8按头夹根的支承形式 aliB-aJ1L凰螺栓孔长圆形螺栓孔(b)按头夹板VI 2-1掘轨丸板瞰栓与夹板图