軌道結構理論及軌道力學(鋼軌)

軌道結構理論與軌道力學第三章鋼軌第一節(jié)鋼軌重型化鋼軌斷面的設計原則鋼軌斷面形狀的發(fā)展趨勢鋼軌重型化后軌道的受力特點(1)抗彎功能，工字鋼的變形頭大：加厚頭部以提供更多的可磨耗面積，延長壽命腰長：加高軌腰提高抗彎能力底寬：加寬軌底提高抗彎穩(wěn)定性1.輪載斷面形狀及其設計原則(2)減小局部應力各局部連接圓弧：R2-5mm軌頭圓?。海捕位颍刀蜶13-300-13R13-80-300-80-13R15-80-500-80-15軌頭圓弧：R350-450+15-25mm(3)減小殘余應力殘余應力：軌腰受壓、軌頭軌底受拉鋼軌熱軋冷卻過程中形成殘余應力冷卻順序：軌腰、軌底、軌頭相對合理面積：軌腰35%、軌腰25%、軌底35%(1)軌高增加較快，底寬增加到一定程度不再增加型號75605043軌高(mm)192176152140比例1.261.1610.92底寬(mm)150150132114比例1.141.1410.862.鋼軌重型化中斷面的發(fā)展趨勢型號75605043垂向4490321720371489橫向661524377260垂/橫比值6.86.15.45.7垂向比例2.21.5810.73(2)垂向及橫向抗彎剛度均有增加，但垂向抗彎增加更大型號75605043軌頭面積比例37.4437.4738.6842.83軌底面積比例36.0337.2437.5535.86軌頭寬度75737070軌腰厚度2016.515.514.5(4)軌頭寬度和軌腰厚度略有增加(3)軌頭軌底面積逐漸增加，但所占比例減小型號軌頭圓弧7515-80-500-80-156013-80-300-80-135013-300-134313-300-13(5)軌頭半徑增加，圓弧段數(shù)增加，且向磨耗型踏面發(fā)展磨耗型踏面的概念：軌頭經(jīng)磨耗后，能夠長期保持的形狀軌頭頂部半徑大與小的優(yōu)缺點：半徑大：輪軌接觸應力?。坏夘^圓弧很快變平，輪軌接觸點不易控制，R80及R13容易接觸到車輪；曲線地段調整內外軌長度差的能力較低半徑?。狠嗆壗佑|應力大；但軌頭圓弧不易變平，輪軌接觸點易控制，R80及R13不易接觸到車輪；曲線地段調整內外軌長度差的能力較低重載線路上的鋼軌不對稱打磨型號下顎圓弧半徑軌腰圓弧半徑7525500602540050173504315300(6)軌頭下顎及軌腰圓弧半徑逐漸增大型號軌頭下顎接觸面斜度軌底接觸面斜度751/301/30601/301/30501/401/40431/401/40(7)與接頭夾板接觸的斜面變陡鋼軌與接頭夾板接觸斜面陡與緩的問題接觸斜面陡：軌腰所受垂向拉力降低，有利于減小軌腰螺栓孔開裂和軌頭下顎縱向裂紋，但因接頭螺栓所需拉力更大，對接觸螺栓的要求更高。接觸斜面緩：正好相反型號軌頭側面751/20601/2050垂直43垂直軌頭寬度增加后，鋼軌側面磨耗明顯加快，因此宜控制軌頭寬度(8)為減小軌頭寬度，重型軌軌頭側面呈斜面型號垂磨限(mm)側磨限(mm)75122160111950101743915(9)軌頭垂磨限增加較多，而側磨限增加不大軌頭磨耗限的確定依據(jù)軌頭磨耗后的形狀：接近車輪踏面形狀1/20斜面R48正彎面R48反彎面原則１：鋼軌抗彎強度，軌頭磨耗面積可達到40-50%，一般不起控制作用原則2：車輪輪緣不與夾板接觸，軌頭磨耗面積一般只能達到20-25%，對垂磨限起控制作用提高軌頭垂磨限的高凈空夾板原則3：鋼軌側面磨耗（軌頂以下16mm處取量），不能超過扣件對軌距的高速能力，此項對鋼軌側磨限值起控制作用。大多數(shù)扣件（同一枕上的兩組扣件同時調整）對軌距的高速能力在16-25mm，所以一般鋼軌側磨限確定在20-25mm間。類型大修周期（億噸）比例75無縫91.6475普通71.5660無縫71.2760普通61.3350無縫5.5150普通4.51432.50.56類型重量比751.46601.18501430.83大修周期增加的比例比重量增加的比例大，說明鋼軌重型化后鋼材的利用率在增加。(10)軌道大修周期顯著延長3.鋼軌重型化后軌道的受力特點

重型化后增加的參量：

輪軌間垂向力

輪軌間橫向力

輪軌接觸應力

鋼軌磨耗速率

鋼軌傷損速率

重型化后減小的參量：

軌道平平順

鋼軌彎矩

鋼軌應力

枕上壓力

道床應力與道床病害

路基應力與路基病害鋼軌重型化的實質：以增加鋼軌負擔為代價，以達到顯著減小軌下基礎（道床及路基）的受力和變形，從而延緩軌道的變形積累及質量劣化。由于重型化后鋼軌負擔明顯加重，所以單純地提高鋼軌重量是不行的，鋼軌重型化的過程必須伴隨著鋼軌材質的強韌化。第二節(jié)鋼軌強韌化鋼軌材質的機械性能鋼軌材料雜質鋼軌熱處理合金軌1.鋼軌材料的化學性能鐵＋碳＋硅＋錳＋（銅）＋[磷＋硫]亞共析鋼碳含量小于0.82%，0.62-0.8%0.13-0.3%，硅合金鋼0.7-1.15%0.6-1.0%，錳合金鋼0.8-1.5%無，銅合金鋼0.1-0.4%雜質，應盡可能少，小于0.05%(1)化學成份非金屬夾雜物的危害：夾雜物的硬度不可能與鋼材一樣，非軟即硬。硬的夾雜物如流水中的石頭，在金屬發(fā)生塑性變形時會在其周邊形成微裂紋。軟的夾雜物如空洞，其周邊產(chǎn)生應力集中，也會出現(xiàn)微裂紋。夾雜物較多時嚴重影響鋼材的疲勞壽命。(2)非金屬夾雜物鋼中夾雜物分為四類：氧化物（鐵、錳、鋁、鉻、硅）：氧化亞鐵軟脆，三氧化二鋁質硬

硫化物：熱脆，液態(tài)鐵中溶解性大，冷卻會析于金屬晶粒周邊硅酸鹽：質軟氮化物：質硬、脆性大(3)金相組織片狀珠光體＋少量鐵素體極薄較硬的碳化鐵（滲碳體）＋較軟且韌性較好的純鐵（鐵素體）單獨出現(xiàn)的鐵素體在珠光體間宜均勻分布，不能呈大塊狀（質軟），也不能呈網(wǎng)狀（脆性）。不允許出現(xiàn)因軋制溫度過高、冷卻速度過快造成的馬氏體或貝氏體2.物理力學性能強度：硬度（布氏硬度，表征耐磨性）：220－230韌性：小試件延伸率：沖擊韌性：落錘試驗落錘高度：506075軌7.49.811.2m落錘后測試：跨中殘余撓度不大于5.5cm，無裂紋。3.鋼軌熱處理軌頭中頻加熱至850度左右驟冷至300度左右普通碳素軌奧氏體的相變溫度鋼軌熱經(jīng)處理后顯著提高了耐磨性能重型軌和特重型軌必須經(jīng)過全長淬火才能上道使用。其他鋼軌用于曲線半徑小于600m地段外軌時，須經(jīng)全長淬火。我國目前鋼軌淬火中的問題：淬火設備、質量控制技術4.合金軌除淬火外，合金強化是另一強化途徑。鋼中加入合金元素Si、Mn、Cr、Nb、V等，除了固溶強化基體外，相同冷速下可獲得片間距更加細小的珠光體組織，以提高其強度和韌性。

合金軌的可焊性問題鋼軌強度等級5.鋼軌材料發(fā)展的新趨勢(1)過共析鋼鋼軌含碳量增加引起的韌性降低采用進一步細化晶粒彌補。CSiMnPSCr0.890.480.610.0140.0090.25(2)馬氏體及貝氏體鋼軌英鋼聯(lián)開發(fā)了軌頭硬度445HB的馬氏體鋼軌鋼。德國研究的軌頭硬度425HB的貝氏體鋼軌已經(jīng)在挪威的重載線路上進行鋪設試驗。日本研制的軌頭硬度420HB的貝氏體鋼軌正在美國FAST環(huán)形試驗線上進行試驗。美國也開發(fā)了硬度430HB的貝氏體鋼軌。(2)稀土鋼軌我國1960～70年代曾開展過稀土軌的研究工作，小半經(jīng)曲線上鋪設試驗表明其耐磨性很好。1991年恢復稀土軌的研制，投入生產(chǎn)。包鋼鈮稀土鋼軌的代號為BNbRE,是在碳素軌的基礎之上加入了少量Nb、RE合金元素。在小半徑曲線上使用壽命比U74鋼軌有顯著提高。BNbRE鋼軌熱處理強化后，比U74熱軋軌使用壽命提高3-5倍。第三節(jié)鋼軌接觸應力計算計算模型計算公式軌頭應力分布鋼軌承載能力

1.輪軌接觸應力的計算理論車輪踏面與軌頂?shù)慕佑|符合Hertz接觸假定，輪軌接觸區(qū)域為一橢園，接觸應力分布為一橢球。abpp0長短半軸的方向取決于車輪半徑與軌頂園弧半徑的相對大小，當軌頂園弧半徑小于車輪滾動園半徑時，長軸沿鋼軌方向，反之，長軸沿輪軸方向。最大接觸應力為平均接觸應力的1.5倍，即：輪軌接觸可簡化為兩個橢球體的接觸。定義常數(shù)：對于錐形踏面，忽略鋼軌彎曲，忽略輪軌間的沖角，簡化成為兩個垂直圓柱的接觸。輪軌接觸橢園的長短半軸計算公式為：2.軌頭內的應力分布3.鋼軌的承載能力鋼軌的承載能力由輪軌接觸應力大小進行計算，以軌頭亞表層剪應力是否超限進行衡量。鋼軌的承載能力有2個指標，即彈性極限和安定極限。彈性極限是指不使軌頭產(chǎn)生塑性變形的最大應力限值。安定極限是指，雖使軌頭產(chǎn)生了塑性變形，但因鋼軌材料發(fā)生塑性變形后的加工硬化和殘余應力效應，鋼軌最終能夠恢復到彈性工作狀態(tài)的最大應力限值。依據(jù)前述對軌頭內部應力分布的討論，當輪軌切向力為0時，最大剪應力不超過限值即為彈性極限應力：安定極限的計算須考慮材料加工硬化和殘余應力，比較復雜，依據(jù)研究資料，滿足安定極限的輪軌接觸應力為：當輪軌存在切向力時，鋼軌的承載能力明顯下降。普通碳素鋼軌一般不大可能在彈性區(qū)工作，在鋼軌上道初期，軌頭產(chǎn)生塑性變形，經(jīng)過多次車輪輾壓，軌頭內產(chǎn)生殘余應力，抵銷了部分的荷載應力，同時，軌頭材料經(jīng)過塑性變形后產(chǎn)生加工硬化，強度有一定程度的提高，鋼軌經(jīng)過一段時間的塑性工作狀態(tài)后可轉化為彈性工作狀態(tài)。高強度的合金軌或淬火軌有可能在彈性區(qū)工作。普碳軌的安定極限輪載第四節(jié)鋼軌彎矩及軌枕反力的有限單元法求解垂向受力計算橫向受力計算1.垂向受力計算計算模型。由于軌道垂向受力的對稱性，可取單根鋼軌計算，因忽略軌枕的彎曲效應，扣件彈性與道床彈性可按串聯(lián)彈簧進行簡化，鋼軌被視為彈性點支承上的梁。單元節(jié)點劃分。每一軌枕和力作用點處為1個節(jié)點。按節(jié)點順序將節(jié)點和單元編號。上圖所示為6節(jié)點、5單元單元節(jié)點變量及其排序單元節(jié)撓曲、彎矩、枕上壓力及形函數(shù)型函數(shù)的表達式單元剛度矩陣組建總剛度矩陣[K]組建總荷載列陣求解受力平衡方程得到所有節(jié)點位移2.橫向受力計算計算模型。由于軌道橫向受力沒有象垂向那樣的對稱性，所以計算時要復雜一些。嚴格地講，軌道橫向計算應當考慮兩根鋼軌及軌枕組成的軌排受力。但在橫向力不大時，作為簡化計算，也可只取一根鋼軌進行。簡化計算。計算模型與垂向相同，只是以橫向受力、鋼軌橫向抗彎剛度、扣件與道床形成的橫向串聯(lián)剛度代替相關的參數(shù)即可。橫向計算模型鋼軌為梁單元，軌枕為質量塊即點單元未知量的排列受力鋼軌節(jié)點變量另一側鋼軌節(jié)點變量軌枕橫向位移變量鋼軌單元剛度矩陣寫出系統(tǒng)總應變能對系統(tǒng)應變能求一階分并組建總剛度矩陣[K]對系統(tǒng)應變能求一階分并組建總剛度矩陣[K]組建荷載列陣：只有第3節(jié)點上作用有集中力，所以荷載列陣中只有第3個元素為P，其余元素均為0。求解受力方程，得到各節(jié)點位移。第四節(jié)

鋼軌接頭沖擊力特性及其簡化計算接頭受力特性接頭受力簡化計算1.接頭沖擊力的特性高頻沖擊力：主要影響鋼軌受力與變形，造成軌頭打塌、螺栓孔裂紋、低接頭（夾板死彎）、劇烈振動。低頻沖擊力：軌枕和道床劇烈振動、石碴粉化、道床翻漿、路基翻漿接頭沖擊力的限值2.接頭沖擊力的簡化計算采用集總含量模型，將軌道簡化為質量塊、彈簧系統(tǒng)，考慮車輛簧下質量與輪軌接觸彈簧，進行計算得到：靜輪載輪軌接觸彈簧剛度100kN/mm簧下質量，貨車0.5t，貨動機車1.5t，高速動車1t接頭總折角車速軌道參振質量軌道低頻參振質量軌道等效剛度軌道等效阻尼第五節(jié)鋼軌病害及合理使用磨耗剝離波磨打磨1.鋼軌側面磨耗形成機理：輪軌兩點接觸及超前距超前距與輪軌沖角成正比。B點發(fā)生輪緣在軌側的快速滑動。磨耗成份：粘著、切削、塑性流動磨耗因子：表達磨耗速率與各主要力學參數(shù)的關系磨耗的階段性：早期劇烈磨耗期、中期穩(wěn)定磨耗期及晚期快速磨耗期影響磨耗的因素及減磨措施（1）鋼軌材質（2）涂油潤滑（3）軌道幾何參數(shù)：超高、軌距、軌底坡2.剝離形成機理：影響因素及減緩措施（1）鋼軌材質的抗剝離性能：雜質含量（2）鋼軌受力過大，產(chǎn)生塑性變形（3）鋼軌磨耗偏慢3.波磨現(xiàn)象：短波30-80mm；長波150－500mm危害：短波引起劇烈振動，長波引起劇烈振動的同時，危害行車安全。出現(xiàn)地段：（1）重載線路、高速線路；（2）曲線外軌；（3）制動地段。形成原因（即波磨成因理論）：（1）接觸共振理論；（2）輪軸扭轉張馳振動理論；（3）輪對粘滑振動理論；（4）輪對橫向張馳振動理論；（5）超聲波駐波理論；（6）輪軌系統(tǒng)振動理論。減緩波磨的措施：（1）提高鋼軌耐磨及抗塑性變形性能；（2）減小軌道不平順；（3）增加軌道彈性；（4）適當離散車速；（5）適當離散車型；