鋼軌及其聯(lián)結(jié)（高鐵軌道構(gòu)造與施工課件）

第1章鋼軌及其聯(lián)結(jié)主要內(nèi)容一、鋼軌的功用與類型二、鋼軌截面設(shè)計(jì)原則三、鋼軌材質(zhì)及其力學(xué)性能四、鋼軌的傷損五、鋼軌的聯(lián)結(jié)六、預(yù)留軌縫及鋪軌溫度計(jì)算七、縮短軌計(jì)算一、鋼軌的功用與類型1、鋼軌的功用（*）鋼軌是軌道最重要的組成部件。

支撐與導(dǎo)向：為車輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動(dòng)表面，引導(dǎo)列車運(yùn)行方向。

承力與傳力：直接承受車輪的巨大壓力，并傳布到軌枕、道床及路基。

軌道電路：在電氣化鐵道或自動(dòng)閉塞區(qū)段，還兼做軌道電路之用。2、鋼軌類型（*）

75kg/m：大秦線重載鐵路60kg/m：主型鋼軌50kg/m：低速線路43kg/m：過去常用軌，現(xiàn)基本已淘汰按每延米大致質(zhì)量kg分：一、鋼軌的功用與類型2、鋼軌類型（*）按鋼軌標(biāo)準(zhǔn)長度分：12.5m：過去標(biāo)準(zhǔn)鋼軌長度25m：鋼軌標(biāo)準(zhǔn)主型長度50m/100m：高速長定尺鋼軌對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)軌的縮短軌，用于有縫線路曲線內(nèi)側(cè)按材質(zhì)的不同可分為：碳素軌、合金軌、熱處理軌按強(qiáng)度的不同可分為五級：850、900、1000、1200、1300MPa按貨源可分為：國產(chǎn)軌、進(jìn)口軌、試驗(yàn)軌一、鋼軌的功用與類型3、鋼軌的基本要求（*）鋼軌三要素：質(zhì)量、斷面、材質(zhì)足夠的強(qiáng)度和耐磨性較高的抗疲勞強(qiáng)度和韌性一定的彈性足夠光滑的頂面良好的可焊性高速鋼軌的高平直度CHN60鋼軌一、鋼軌的功用與類型1、鋼軌截面設(shè)計(jì)（*）“工”字型，軌頭、軌腰、軌底三部分組成

頭大：宜大而厚、寬度足夠、外形匹配、中部起弧腰長：宜高而厚、兩側(cè)曲線、支承面寬底寬：宜寬而厚、剛度足夠、抗銹蝕強(qiáng)設(shè)計(jì)參數(shù)：軌頭大、軌腰厚、鋼軌高、軌底寬保持鋼軌穩(wěn)定：鋼軌高:軌底寬=1.15～1.20扎制冷卻均勻：要求各部比例合理二、鋼軌截面設(shè)計(jì)原則2、我國主型鋼軌截面形狀CHN75鋼軌CHN50鋼軌二、鋼軌截面設(shè)計(jì)原則

鋼軌的材質(zhì)和力學(xué)性能取決于化學(xué)成分、金屬組織及熱處理工藝。C↑，強(qiáng)度及耐磨性↑，韌性↓，≤0.82%Mn↑，強(qiáng)度和韌性↑，對焊接不利，一般0.6%~1.0%Si↑，致密度和耐磨性↑，一般0.15%~0.3%P↑，冷脆易斷，有害元素，≤0.1%S↑，晶析廢品，有害元素三、鋼軌材質(zhì)及其力學(xué)性能1、鋼軌化學(xué)成分

鋼軌中均含有：鐵、碳、錳、硅、磷、硫等合金鋼軌中還含有：鉻、鎳、鉬、鈮、釩、鈦、銅等2、鋼軌力學(xué)性能

鋼軌的物理力學(xué)性能包括強(qiáng)度極限、屈服極限、疲勞極限、伸長率、斷面收縮率、沖擊韌性及硬度等。這些指標(biāo)對鋼軌承載能力、磨損、壓潰、斷裂和其他傷損有很大影響?？估瓘?qiáng)度屈服強(qiáng)度伸長率三、鋼軌材質(zhì)及其力學(xué)性能1.鋼軌傷損的定義

鋼軌傷損是指鋼軌在使用過程中發(fā)生鋼軌折斷、裂紋以及其他影響和限制鋼軌使用性能的傷損。主要包括：（1）鋼軌磨耗（2）軌頭核傷（3）鋼軌接觸疲勞傷損（4）軌腰螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋四、鋼軌的傷損

鋼軌折斷標(biāo)準(zhǔn)鋼軌全截面斷裂裂紋貫通整個(gè)軌頭截面裂紋貫通整個(gè)軌底截面≤160km/h有長度大于50mm，且深度大于10mm的掉塊，＞160km/h有長度大于30mm，且深度大于5mm的掉塊四、鋼軌的傷損

鋼軌全截面斷裂鋼軌急救器四、鋼軌的傷損

鋼軌掉塊四、鋼軌的傷損2.鋼軌傷損分類

為便于統(tǒng)計(jì)和分析鋼軌傷損，需對鋼軌傷損進(jìn)行分類。分類用兩位數(shù)編號，十位數(shù)表示傷損在鋼軌斷面的位置和傷損狀態(tài)，個(gè)位數(shù)表示造成傷損的原因，鋼軌傷損共有9類32種。四、鋼軌的傷損四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(1)鋼軌磨耗：鋼軌與車輪接觸面表層發(fā)生磨損

分類：波浪形磨耗(簡稱波磨)和側(cè)面磨耗(簡稱側(cè)磨)?？偰ズ?垂直磨耗+1/2側(cè)面磨耗測量方法：垂直磨耗在鋼軌頂面寬1/3處(距標(biāo)準(zhǔn)工作邊)測量，側(cè)面磨耗在鋼軌踏面(按標(biāo)準(zhǔn)斷面)下16mm處量取。四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損四、鋼軌的傷損(1)鋼軌磨耗：鋼軌與車輪接觸面表層發(fā)生磨損。1)波磨：鋼軌踏面出現(xiàn)規(guī)律性高低不平的類似波浪形狀的一種不平順現(xiàn)象。波磨按波長分：短波(或稱波紋)和長波(或稱波浪)。波磨兩類成因理論:動(dòng)力類成因理論、非動(dòng)力類成因。短波波長約50～100mm,波幅0.1～0.4mm的周期性不平順。長波波長100～3000mm,波幅2mm以內(nèi)的周期性不平順。3.典型鋼軌傷損

(1)鋼軌磨耗

2)側(cè)磨：曲線側(cè)磨和直線區(qū)間鋼軌交替不均勻側(cè)磨。四、鋼軌的傷損鋼軌側(cè)磨曲線鋼軌側(cè)面磨耗

（1）成因：輪緣與鋼軌側(cè)面之間的滑動(dòng)摩擦。（2）影響因素：曲線半徑、外軌超高、曲線軌距加寬、輪軌間的摩擦系數(shù)、輪軌游間以及曲線軌道狀態(tài)的好壞等。（3）減緩措施：設(shè)置合理的軌底坡、超高、軌距和科學(xué)的涂油潤滑。四、鋼軌的傷損直線區(qū)間鋼軌交替不均勻側(cè)磨

（1）成因：重車在直線區(qū)段容易發(fā)生蛇行失穩(wěn)，同時(shí)線路存在幅值大于8mm的方向不平順會對車輪起到相位整理作用（2）減緩措施：道床采用優(yōu)質(zhì)道砟;采用III型軌枕;采用超長無縫線路;換軌大修早期鋼軌維修保養(yǎng)應(yīng)特別注意鋼軌的硬彎處理，以弱化軌道激擾源;應(yīng)特別對軌向、軌距和軌距遞減率進(jìn)行重點(diǎn)檢查。四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(2)軌頭核傷

軌頭核傷是對行車威脅最大的一種鋼軌傷損，是最危險(xiǎn)的鋼軌傷損。①核傷成因：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，鋼軌就會發(fā)生突然脆斷。②減緩措施：加強(qiáng)軌道及機(jī)車車輛的養(yǎng)護(hù)，能減少核傷的發(fā)展，但無法完全消滅。四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(2)軌頭核傷四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(3)軌頭表面接觸疲勞傷損

軌頭表面接觸疲勞傷損類型主要表現(xiàn)為軌距角處的魚鱗狀剝離裂紋和剝離掉塊、斜線狀剝離裂紋、踏面剝離裂紋和淺層掉塊以及踏面輾寬或局部壓潰凹陷，甚至鋼軌因此而斷裂等。由于高速鐵路列車運(yùn)行速度高、動(dòng)車組軸重輕、鋼軌垂直和側(cè)面磨耗都比較小，鋼軌表面的接觸疲勞傷損成為主要傷損。產(chǎn)生原因：輪軌接觸應(yīng)力過大。四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(3)軌頭表面接觸疲勞傷損曲線上股軌距角剝離裂紋和淺層剝離掉塊

四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(3)軌頭表面接觸疲勞傷損曲線上股鋼軌的斜裂紋及斷裂形貌

四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(3)軌頭表面接觸疲勞傷損由斜裂紋產(chǎn)生的鋼軌橫向斷裂四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(3)軌頭表面接觸疲勞傷損曲線下股踏面剝離裂紋及掉塊四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(3)軌頭表面接觸疲勞傷損曲線下股踏面輾寬和淺層狀剝離掉塊

四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損(4)軌腰螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋軌腰螺栓孔裂紋：鋼軌端部軌腰鉆孔后，強(qiáng)度削弱，螺栓孔周圍產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，在列車沖擊荷載作用下，螺栓孔裂紋開始產(chǎn)生和發(fā)展，并出現(xiàn)疲勞傷損。螺栓孔裂紋主要來自鉆孔時(shí)產(chǎn)生的微小裂紋，加上養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或基礎(chǔ)彈性不夠，在接頭處產(chǎn)生很大的瞬時(shí)沖擊力以及集中在鋼軌長度中部的所有低頻準(zhǔn)靜態(tài)力。四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(4)軌腰螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋軌腰螺栓孔裂紋四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(4)軌腰螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋焊接接頭裂紋：鋼軌焊接接頭的軌面平順性較普通螺栓接頭好得多，但由于焊縫(主要是鋁熱焊接頭)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。四、鋼軌的傷損3.典型鋼軌傷損

(4)軌腰螺栓孔裂紋和焊接接頭裂紋鋼軌焊接接頭的斷裂

四、鋼軌的傷損

按鋼軌探傷車檢測原理可分為電磁鋼軌探傷車和超聲波鋼軌探傷車兩類。

四、鋼軌的傷損4.鋼軌探傷鋼軌探傷小車四、鋼軌的傷損電磁鋼軌探傷車是根據(jù)非接觸通磁法檢測鋼軌傷損的，其最佳檢測速度為每小時(shí)30～70公里(最高可達(dá)100公里)這種車輛不能檢測鋼軌腰部和鋼軌接頭附近的鋼軌傷損。檢測核傷的最佳靈敏度僅為軌頭斷面積的20%～25%，所以已逐步被超聲波鋼軌探傷車所代替。四、鋼軌的傷損超聲波鋼軌探傷車是聯(lián)邦德國克勞特克萊默公司于1956年試制成功的。這種車輛利用超聲波法進(jìn)行鋼軌傷損探測，能夠探測鋼軌的軌頭和軌腰范圍內(nèi)（包括接頭附近）的疲勞缺陷和焊接缺陷，有的還能檢測擦傷、軌頭壓潰和波浪形磨耗，以及軌底銹蝕和月牙掉塊。

四、鋼軌的傷損

作用保持軌道整體性提供連續(xù)滾動(dòng)面承受列車動(dòng)荷載滿足鋼軌伸縮要求夾板接頭聯(lián)結(jié)

焊接接頭聯(lián)結(jié)夾板聯(lián)結(jié)1、鋼軌聯(lián)結(jié)的作用與分類（*）

分類焊接聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)

鋼軌夾板接頭聯(lián)結(jié)鋼軌與鋼軌之間用夾板和螺栓聯(lián)結(jié)鋼軌夾板接頭聯(lián)結(jié)是軌道薄弱之一軌縫，軌面不連續(xù)臺階，迎輪送輪沖擊錯(cuò)牙，軌距不連續(xù)低凹，豎向沖擊2、鋼軌夾板接頭聯(lián)結(jié)（*）動(dòng)力作用大，維修工作量大臺階五、鋼軌的聯(lián)結(jié)

按相對軌枕位置分類

懸空式：接頭在軌枕中間，有一定彈性

承墊式：接頭在軌枕上，軌枕受力較大

相對式：作用力集中一處

相錯(cuò)式：相當(dāng)于兩個(gè)接頭，兩鋼軌均有兩處損傷我國一般采用相對懸空式

普通夾板接頭特種夾板接頭歐洲鐵路置于雙枕 上的鋼軌接頭懸空式承墊式按性能分類按兩鋼軌相對位置分類五、鋼軌的聯(lián)結(jié)

組成

夾板、螺栓、螺母、彈簧墊圈組成接頭夾板——具有一定剛度及足夠強(qiáng)度

承受彎矩、傳遞縱向力、阻止鋼軌伸縮斜坡支承雙頭對稱型夾板（雙頭式夾板，俗稱魚尾板） 斜坡——楔入貼緊軌腰，磨耗后可再次擰緊使之貼緊 螺栓孔——圓形與長圓形相間，實(shí)現(xiàn)軌縫3、普通夾板接頭（*）五、鋼軌的聯(lián)結(jié)

組成夾板、螺栓、螺母、彈簧墊圈組成3、普通夾板接頭（*）五、鋼軌的聯(lián)結(jié)要求（1）夾緊夾板與鋼軌；（2）互穿，提供摩擦阻力；（3）扭矩400-700N.m，不得低于100N.m；（4）8.8級和10.9級，抗拉強(qiáng)度830MPa和1040MPa。3、普通夾板接頭（*）五、鋼軌的聯(lián)結(jié)異型鋼軌特殊接頭：聯(lián)結(jié)兩種不同類型的鋼軌*4、特殊夾板接頭五、鋼軌的聯(lián)結(jié)異型夾板43導(dǎo)電接頭：連通軌道電路五、鋼軌的聯(lián)結(jié)4、特殊夾板接頭承墊式導(dǎo)電鋼軌接頭4、特殊夾板接頭五、鋼軌的聯(lián)結(jié)普通高強(qiáng)絕緣接頭膠接絕緣接頭絕緣接頭：閉塞分區(qū)處隔斷軌道電路五、鋼軌的聯(lián)結(jié)4、特殊夾板接頭伸縮接頭：釋放溫度應(yīng)力4、特殊夾板接頭五、鋼軌的聯(lián)結(jié)伸縮接頭：釋放溫度應(yīng)力4、特殊夾板接頭五、鋼軌的聯(lián)結(jié)普通凍結(jié)接頭哈克緊固件4、特殊夾板接頭五、鋼軌的聯(lián)結(jié)

鋼軌焊接方法主要有四種：閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和窄間隙電弧焊。按焊接場地又分為廠焊和現(xiàn)場焊。歐洲采用閃光焊、鋁熱焊和窄間隙電弧焊，不采用氣壓焊；日本新干線采用閃光焊、氣壓焊和窄間隙電弧焊；我國主要采用閃光焊、氣壓焊和鋁熱焊。5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)我國三種鋼軌焊接方法所占的接頭數(shù)量比例為：閃光焊約占87％，氣壓焊占10％，鋁熱焊占3％。從焊接質(zhì)量看，閃光焊的質(zhì)量最穩(wěn)定，統(tǒng)計(jì)的折損率僅為0.007%，鋁熱焊最差，折損率為0.5%。5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)可見閃光焊是最主要且為最可靠的鋼軌焊接方法。鋼軌閃光焊：將待焊鋼軌分別上下夾緊，鋼軌兩端相互接近直至接觸，電流通過待焊鋼軌端部產(chǎn)生的熱量，不斷形成金屬過梁，隨著過梁爆破產(chǎn)生閃光、飛濺使被焊端面加熱至表面熔化狀態(tài)，隨后加壓頂鍛，在壓力下兩端金屬相互結(jié)晶，使兩節(jié)鋼軌焊接在一起。5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)頂鍛力夾緊力電極鉗口+-頂鍛力夾緊力夾緊力夾緊力鋼軌閃光焊5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)K922型移動(dòng)式閃光接觸焊軌機(jī)鋼軌氣壓焊：將需焊接的鋼軌端面對準(zhǔn)并緊密貼合，用火焰加熱端面周圍到塑性狀態(tài)，然后對貼合面加壓頂鍛。鋼軌氣壓焊的焊接溫度較低，只加熱到1250℃左右，且為固相結(jié)合，故具有焊接強(qiáng)度高等一般壓接法所具有的優(yōu)點(diǎn)。5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)加熱器火焰燃?xì)饫鋮s水

(a)示意圖(b)焊接作業(yè)鋼軌氣壓焊示意圖5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)YH型小型氣壓焊軌機(jī)

鋁熱焊是熱劑焊的一種。鋁熱焊是在待焊件之間留出一定的間隙，周圍用模具圍上，然后點(diǎn)燃坩堝中的焊劑，通過氧化還原反應(yīng)，放熱生成液態(tài)金屬，將液態(tài)金屬注入焊件之間的間隙，完成金屬的焊接。5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)焊藥自熔塞分流塞砂側(cè)模鋼軌底模(a)焊接斷面圖(b)焊接作業(yè)鋁熱焊5、鋼軌焊接接頭聯(lián)結(jié)五、鋼軌的聯(lián)結(jié)鋁熱焊的示意圖鋁熱焊作業(yè)鋁熱焊主要耗材及相關(guān)設(shè)備液壓推瘤機(jī)

原則最高軌溫時(shí)不形成瞎縫

最低軌溫時(shí)不超過構(gòu)造軌縫18mm

計(jì)算公式

取值：年軌溫差小于

85

C

的地區(qū),再減小1～2mm。算例：成都地區(qū)，最高軌溫60.1

C，最低軌溫-5.9

C，鋼軌長25m，線膨脹系數(shù)0.011

8mm/(m·

C),鋪設(shè)時(shí)軌溫25

C。計(jì)算步驟：(1)中間軌溫tz=27.1

C(2)計(jì)算軌縫δ0=9.6mm(3)設(shè)置軌縫δ=8mm

中間軌溫時(shí)按構(gòu)造軌縫一半設(shè)置

鋼軌按自由伸縮考慮，兩軌各取一半升溫時(shí)鋼軌伸長，軌縫減?。?）預(yù)留軌縫計(jì)算（2）容許鋪設(shè)的年軌溫差

確定原則

tmax時(shí)軌縫δmin=0；

tmin時(shí)軌縫δmax=δg；考慮接頭阻力對鋼軌伸縮的限制值C，2～6mm。

公式推導(dǎo)（2）tmin時(shí)（3）兩式相減而得：（1）tmax時(shí)C——接頭阻力和道床阻力限制鋼軌的伸縮量（mm）。鋼軌類型25m鋼軌12.5m鋼軌最高、最低軌溫差＞85℃最高、最低軌溫差≤85℃C值（mm）642接頭阻力和道床阻力限制鋼軌的伸縮量12.5m鋼軌：容許鋪設(shè)的年軌溫差[△T]=149.1℃；25m鋼軌：年軌溫差＞85℃，容許鋪設(shè)的年軌溫差[△T]=101.7℃；年軌溫差≤85℃，容許鋪設(shè)的年軌溫差[△T]=88.1℃。

不是所有地區(qū)均可鋪設(shè)軌道，年軌溫差大于100℃地區(qū)，需單獨(dú)設(shè)計(jì)。（3）容許鋪軌溫度范圍

原則

避免tmax時(shí)軌縫為0；避免tmin時(shí)軌縫為δg；不考慮接頭阻力對鋼軌伸縮的限制。計(jì)算公式容許鋪軌軌溫上限容許鋪軌軌溫下限

公式推導(dǎo)（1）t0s時(shí)（2）t0x時(shí)特別提示：（1）計(jì)算中按最不利情況考慮；（2）鋪設(shè)與軌縫調(diào)整作業(yè)相同；（3）25m鋼軌鋪軌上下限為中間軌溫±30℃。（1）縮短軌的目的和要求我國的接頭型式：相對懸空式接頭規(guī)定接頭相錯(cuò)量：正線和到發(fā)線上，不大于40mm+縮短軌縮短量/2其他站線、次要線路上，容許再增加20mm標(biāo)準(zhǔn)縮短軌縮短量：