軌道工程鋼軌第1頁(yè)/共50頁(yè)第2頁(yè)/共50頁(yè)認(rèn)識(shí)鋼軌第3頁(yè)/共50頁(yè)本章內(nèi)容2.1鋼軌的功用和類型2.2鋼軌截面設(shè)計(jì)原則及我國(guó)主型鋼軌截面形狀2.3鋼軌材質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)2.4鋼軌尺寸允許偏差及平度要求2.5鋼軌損傷2.6鋼軌接頭第4頁(yè)/共50頁(yè)2.1鋼軌的功用和類型

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)車車輛的車輪前進(jìn)，承受車輪的巨大壓力，并傳遞到軌枕上。鋼軌必須為車輪提供連續(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。第5頁(yè)/共50頁(yè)2.1.1鋼軌的功用：1）為車輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動(dòng)面，引導(dǎo)機(jī)車車輛前進(jìn)。2）鋼軌要承受來自車輪的巨大垂向壓力，并將以分散形式傳給軌枕。3）為軌道電路提供導(dǎo)體。第6頁(yè)/共50頁(yè)2.1.2鋼軌的類型鋼軌的類型是以每米長(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。

第7頁(yè)/共50頁(yè)我國(guó)目前鋼軌定長(zhǎng)為12.5m和25m兩種。世界各國(guó)鋼軌定長(zhǎng)也各有不同。我國(guó)用于新建客運(yùn)專線的定長(zhǎng)鋼軌的長(zhǎng)度為50m或100m第8頁(yè)/共50頁(yè)2.2鋼軌截面設(shè)計(jì)原則及我國(guó)主型鋼軌截面形狀2.2.1截面第9頁(yè)/共50頁(yè)

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;

第10頁(yè)/共50頁(yè)軌頭宜大而厚，并具有與車輪踏面相適應(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。鋼軌頂面在具有足夠?qū)挾鹊耐瑫r(shí)，為使車輪傳來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大的接觸應(yīng)力。第11頁(yè)/共50頁(yè)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。而較重型的鋼軌頂面，則用三個(gè)半徑分別為80mm300mm80mm或80mm500mm80mm的復(fù)合圓弧組成。第12頁(yè)/共50頁(yè)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。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，并使截面的變化不致過分突然，以免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。為此，軌腰和軌頭之間可采用復(fù)曲線的連接方式，如我國(guó)CHN60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌采用了半徑為25mm和8mm復(fù)曲線進(jìn)行連接。軌腰和軌底之間的連接曲線，一般采用單曲線，半徑為14~20mm。第13頁(yè)/共50頁(yè)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。第14頁(yè)/共50頁(yè)2.2.2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)來承受車輪的豎直壓力，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+54.16(mm)

軌底寬度B=1.25M+69.25(mm)[M為每米鋼軌的質(zhì)量(kg)]第15頁(yè)/共50頁(yè)2.3鋼軌的材質(zhì)及其力學(xué)指標(biāo)2.3.1鋼軌的材質(zhì)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)）。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。第16頁(yè)/共50頁(yè)鋼軌出現(xiàn)質(zhì)量問題主要是由于鋼軌的內(nèi)部夾雜、缺陷所引起的疲勞折損。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。第17頁(yè)/共50頁(yè)鋼軌主要成分是碳和鐵。C—抗拉強(qiáng)度Mn—強(qiáng)度和韌性Si—增加致密度有害成分：P—冷脆性S—熱脆性第18頁(yè)/共50頁(yè)2.3.2鋼軌的力學(xué)性能強(qiáng)度極限σb、屈服極限σs、疲勞極限σr、延伸率δs、斷面收縮率ψ、沖擊韌性αk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。第19頁(yè)/共50頁(yè)布氏硬度（HB）以一定的載荷（一般3000kg）把一定大小（直徑一般為10mm）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)。測(cè)定布氏硬度較準(zhǔn)確可靠，布氏硬度范圍為8~650HB。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d來表示該材料的硬度，既直觀，又方便。第20頁(yè)/共50頁(yè)2.4鋼軌尺寸允許偏差及平直度要求2.4.1保證列車運(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。第21頁(yè)/共50頁(yè)2.4.2鋼軌焊接接頭是無(wú)縫線路軌道單獨(dú)不平順的來源之一。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。第22頁(yè)/共50頁(yè)鋼軌焊接接頭分三種：接觸焊、氣壓焊和鋁熱焊。為保證高速列車的高速、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。所以鋼軌焊接接頭也是軌面不平直的控制部位。第23頁(yè)/共50頁(yè)2.5鋼軌損傷常見損傷類型：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、鋼軌磨耗第24頁(yè)/共50頁(yè)2.5.1鋼軌接頭螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋在普通線路上，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)力傳遞過程中，在螺栓孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)由于車輪通過接頭時(shí)產(chǎn)生沖擊，螺栓孔周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重。圖2-5鋼軌接頭螺栓孔裂紋圖2-6鋼軌焊接接頭的斷裂

第25頁(yè)/共50頁(yè)在輪軌沖擊荷載作用下，螺栓孔周圍產(chǎn)生肉眼看不到的45度斜向細(xì)微裂紋，在列車荷載作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并產(chǎn)生斷裂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第26頁(yè)/共50頁(yè)2.5.2軌頭核傷

軌頭核傷是對(duì)行車威脅最大的一種鋼損傷。在列車荷載的反復(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，直至核傷周圍的鋼材強(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軌頭核傷第27頁(yè)/共50頁(yè)產(chǎn)生原因：內(nèi)因：由于鋼軌在制造過程中，在鋼軌中的非金屬夾雜物或微小氣泡。外因：在列車荷載作用下，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；提高鋼軌結(jié)構(gòu)彈性，減小輪軌沖擊荷載。第28頁(yè)/共50頁(yè)圖2-8軌頭圓角處45o細(xì)微斜裂紋圖2-9鋼軌表面的剝離掉塊

2.5.3軌頭剝離第29頁(yè)/共50頁(yè)2.5.3軌頭剝離軌頭剝離是當(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。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。第30頁(yè)/共50頁(yè)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，裂紋方向與行車方向相反。當(dāng)裂紋面積達(dá)到一定程度后，裂紋頂層在列車車輪碾壓下產(chǎn)生塑性變形，最后斷裂，軌面出現(xiàn)凹坑。第31頁(yè)/共50頁(yè)2.5.4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。

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)，隨著線路通過總質(zhì)量的增大，垂直磨耗也相應(yīng)增大。

第32頁(yè)/共50頁(yè)

側(cè)面磨耗主要發(fā)生在曲線軌道的外股鋼軌。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)面核傷第33頁(yè)/共50頁(yè)我國(guó)把鋼軌磨耗分為輕傷和重傷兩類

第34頁(yè)/共50頁(yè)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)在曲線地段，列車制動(dòng)地段的波磨出現(xiàn)概率和磨耗速率都較大。

圖2-12鋼軌的波浪形磨耗第35頁(yè)/共50頁(yè)2.5.5鋼軌探傷根據(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。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。第36頁(yè)/共50頁(yè)2.6鋼軌接頭在兩根定長(zhǎng)的鋼軌之間，用夾板連接成連續(xù)的軌線，稱為鋼軌接頭。2.6.1接頭聯(lián)接零件

鋼軌接頭的聯(lián)結(jié)零件由夾板、螺栓、螺母、彈簧墊圈組成。第37頁(yè)/共50頁(yè)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)圓弧支承型第38頁(yè)/共50頁(yè)2.6.2接頭軌縫為了讓鋼軌能熱脹冷縮，在普通線路的鋼軌接頭處要預(yù)留軌縫。軌縫大小按鐵道部頒發(fā)的《鐵路線路維修規(guī)則》中的預(yù)留軌縫公式計(jì)算：δ0=αL(tz-t0)+0.5δg

式中，α為鋼軌線膨脹系數(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；δg為鋼軌的構(gòu)造軌縫(18mm)。

第39頁(yè)/共50頁(yè)2.6.3接頭布置鋼軌接頭相對(duì)于軌枕的承墊形式可分為兩種：懸空式和承墊式

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)雙枕承墊式第40頁(yè)/共50頁(yè)按兩股鋼軌接頭的位置可分為相對(duì)式和相錯(cuò)式

相錯(cuò)式的缺點(diǎn)是車輪輪流沖擊接頭，如果軌道狀態(tài)不良，會(huì)加劇車輛的搖晃。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)式鋼軌接頭第41頁(yè)/共50頁(yè)2.6.4接頭類型按鋼軌接頭的功能可分普通接頭、異形接頭、導(dǎo)電接頭、絕緣膠接接頭、伸縮接頭和焊接接頭。

鋼軌異形接頭是用于連接兩種不同型號(hào)的鋼軌

第42頁(yè)/共50頁(yè)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。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。第43頁(yè)/共50頁(yè)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