（道路与铁道工程专业论文）小半径曲线铺设冻结元缝线路研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 无缝线路作为现代轨道结构已经给世界各国带来了巨大的经济效益和社 会效益，但在小半径曲线上，严重的钢轨磨耗导致频繁换轨，造成养护维修 工作量、维修费用的增加，给行车的安全性和平稳性造成极大的影响，同时 给工务部门的维修工作带来不便。 把小半径曲线地段设置成冻结无缝线路，可以尽可能发挥无缝线路的优 越性，增加列车运行的安全性和平稳性，又便于及时更换磨耗到限的钢轨； 减少维修工作量。成都铁路局管辖线路地处山区，小半径噱线居多。在此类 条件下铺设冻结无缝线路可以克服上述矛盾。为此，本论文做了如下工作： l 、 通过对试验数据的分析整理，为冻结无缝线路稳定性分析提供了道 床横向阻力和纵向阻力等计算参数。 2 、通过理论分析和现场试验，从接头的实际出发，建立了接头臌曲模 型，得出了不同扭矩下的扭转刚度系数，进一步完善了小半径曲线铺设冻结 无缝线路的参数。 3 、 用现场试验参数和所得出的接头扭转刚度分析了接头阻力、预留轨 缝、曲线半径等因素对冻结无缝线路稳定性的影响，得出了冻结无缝线路的 合理铺设范围，冻结接头处轨缝大小的合理设置。 4 、 根据上述分析，总结了适合冻结无缝线路的合理维修方法和维修中 需注意的问题，为工务部门的养护维修提供了依据。 关键词稳定；维修；曲线；无缝线路：冻结接头 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s r a c t a sam o d e ms t r u c t u r eo ft h et r a c k ，t h ej o i n t l e s st r a c kh a sb r o u s a tg r e a t s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t st om a n yc o u n t r i e si nt h ew o r l d h o w e v e r , i nt h ec a s e o f s h o r tc u r v e s ，b e c a u s eo f s e r i o u sw e a l o f r a i l s ，t h ew o r k l o a da n dm a i n t e n a n c eo f w a ye x p e n d i t u r e sw i l lb ei n c r e a s e df o rt h a tr a i l sh a v et ob ec h a n g e df r e q u e n t l y t h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo fr u n n i n gc a nb ea f f e c t e dw i t hm a n yi n c o n v e n i e n c e s b r o u g h t t ot h et r a c km a i n t e n a n c ed e v i s i o n b y c o n s t r u c tt h es h o r tc u r v es e c t i o na st h ef r o z e n j o i n t l e s st r a c k ，w e c a l lt a k e t h ea d v a n t a g eo ft h ej o i n t l e s st r a c k ，i n c r e a s et h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo f r u n n i n g ， a n dr e p l a c et h ew o r n o u tr a i l si nt i m ew i t ht h em i n i m u mm a i n t e n a n c ew o r k l o a d r a i l w a yl i n e s i nt h es o v e r i g no fc h e n g d ur a i l w a yb u r e a ul o c a t ei nt h e m o u n t a i n o u sr e 百o n s ，a m o n gw h i c hs h o r tc u i w e sa r ep r e d o m i n a n t f r o z e n j o i n t l e s s t r a c k sc a nb ea d o p t e dt om e e ts u c h p r o b l e m s s ot h i st h e s i sf o c u s e so nt h e s em a i n p o i n t s ： 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed a t a , ip r o v i d eb a l l a s t sl o n g i t u d ea n dl a t e r a l p a r a m e t e rf o rt h es t a b i l i t ya n a l y s i so ff r o z e nj o i n t l e s st r a c k 2 b y t h ew a yo ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n di n s i t ut e s ta n do nc o n d i t i o no ft h e j o i n ta sw e l l ，is e tu pt h eb u c k i n gm o d l eo fj o i n t o b t a i nt h ef l e x t u r er i g i d i t y c o e f f i c i e n tu n d e rd i f f e r e n t t o r s i o n s i m p r o v e t h e p a r a m e t e r f o r l a y i n g f r o z e n j o i n t l e s st r a c k si ns h o r tc u r v e s 3 t h r o u g ht h es t u d yo fi n - s i t ut e s td a t aa n dt h ej o i n tf l e x t u r a lr i g i d i t y , i a n a l y s i st h ee f f e c t so f t h ej o i n tr e s i s t a n c e ，i n s t a l l e dr a i l g a p s ，c n r v er a d i u ma n d o t h e rf a c t o r so nt h es t a b i l i t yo ft h ef r o z e n j o i n t l e s st r a c k s ia l s oo b t a i nt h er a t i o n a l l a yr a n g eo f t h ef r o z e nj o i n t l e s st r a c k s ，a n dt h er a t i o n a li n s t a l l m e n td i m e n s i o no f t r a c k j o i n t 4 b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，t h ec o n c l u s i o na r e b r i n g i n go u tt h er a t i o n a l m a i n t e n a n c em e t h o d s a d a p tt ot h ef r o z e nj o i n t l e s st r a c ka n dr e l a t e dn o t i c e s ，w h i c h p r o d u c e st h eb a s e m e n tf o rt h ew o r ku n d e r t a k e nb yt h et r a c km a i n t e n a n c ed i v i s i o n k e yw o r d s ：s t a b i l i t y ；m a i n t e n a n c e ：c u r v e ；j o i n t l e s st r a c k s ；f r o z e n j o i n t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 无缝线路是轨道结构的一个重大变革，在高速、重载运输条件下，无缝 线路轨道结构在经济和技术方面显示出巨大的优越性，它已经得到世界各国 铁路的承认。几十年来，世界各国非常重视无缝线路的推广与铺设，它的推 广使用给世界各国带来了巨大的经济效益和社会效益。 我国自1 9 5 7 年铺设无缝线路以来，在无缝线路的各个方面都取得了巨大 的成绩。如在七八十年代，我国在桥上、小半径曲线、大坡道和寒冷地区四 大禁区都铺设了无缝线路，取得了突破性的进展，扩大了无缝线路的铺设范 围、最大可能地发挥了其优越性，使无缝线路的延展长度有了较大的增长。 在我国，无缝线路铺设总长度已经超过全路铁路延展长度的1 3 ，近几年更是 每年净增无缝线路1 0 0 0k m 以上。现在已经向全区间和跨区间超长无缝线路 技术发展。 1 1 问题的提出 随着国民经济的迅速发展，市场对铁路提出的要求越来越多，越来越苛 刻，特别是在我国国民经济体制由计划经济体制转向社会主义市场经济体制 的过程中，人们的观念开始转变，要求越来越高。旅客不仅要求能坐上车， 而且要求速度高、服务质量好。货主不仅要求能运上货，而且要求速度快、 服务好m 。我国山区占很大比重，铁路曲线所占比例较大，约占线路总长的1 3 ， 面其中半径r = 3 0 0 4 0 0 m 的曲线又占相当比重m ，轮孰磨损非常严重。 如何开发、利用好山区铁路带动我国整体国民经济的发展，如何使山区 铁路不再是制约铁路提速的瓶颈，一直是我国铁路工作者的关注重点。山区 小半径曲线铁路轨道历来是国内外铁路运营的薄弱环节，它制约既有线的提 速，影响列车运行的安全性和平稳性，同时还缩短了设备的使用寿命，增大 了线路养护维修费用，频繁更换钢轨会影响行车的连续性。 例如：成都铁路局管辖线路地处山区，桥隧相连特别是小半径曲线居多， 正线轨道延长4 4 0 9 k m ，其中曲线轨道延长1 9 9 7 k m ，约占正线轨道的4 5 3 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 长期运营实践表明，钢轨磨耗严重、轨道几何尺寸难以保持、部件寿命缩短、 运营开支过大，给安全行车造成极大的隐患。 虽然普通无缝线路轨道对减少轮轨冲击、增加列车运行的平稳性十分有 利，由于小半径曲线地段的钢轨磨耗较为严重、受力过程比直线地段复杂， 如果仍然把小半径地段铺设成普通无缝线路，就会产生由于经常更换磨耗到 限钢轨而将无缝线路切割开，造成无缝线路缺乏连续性，锁定轨温不准，维 修工作量增加，列车运行的中断；同时在小半径曲线铺设普通无缝线路也会 增加发生胀轨跑道的几率，给列车运行的安全性造成较大的威胁：如果在小 半径曲线上铺设准轨铁路，会制约列车的速度，同时也会增加养护维修的工 作量及其维修费用。 把小半径曲线地段设黉成冻结准无缝线路，可以解决维修方面的不便： 便于及时、快速地更换磨耗到限的钢轨，还可以尽可能地发挥无缝线路的优 越性，使得在小半径曲线地段的无缝线路可以得到延续。冻结准无缝线路即 是把小半径曲线地段的钢轨接头用“施必牢”螺栓或高强螺栓将钢轨接头锁 定冻结，使钢轨接头不能够自由伸缩，预留较小的轨缝( 甚至为o m m ) ，形成准 无缝线路。 冻结准无缝线路不同于普通无缝线路之处在于：冻结准无缝线路在一根 长轨条中存在一个或多个轨缝；普通无缝线路在长轨条中不存在轨缝。既然 有轨缝的存在就会产生一些问题，诸如轮轨冲击、轨头压溃、低接头、马鞍 型磨耗等。冻结准无缝线路不同于一般准轨铁路之处在于：冻结准无缝线路 的轨缝是不能自由伸缩的，而是通过技术手段冻结；而一般准轨铁路的轨缝 是可以相对自由伸缩的。一般准轨铁路在寒冷的冬季很容易产生夹板拉断， 同时其接头的几何状态、接头下的受力状态也不好保持，因此冻结准无缝线 路比一般准轨铁路更能适应铁路高速、重载的要求。 既然形成了冻结准无缝线路，其内部就不可避免地产生巨大的温度力， 在温度力大到足以克服轨道框架的抵抗能力后，就会向外臌曲而丧失稳定。 曲线上钢轨内部的温度力将产生径向分力，温度力越大，径向分力越大：半 径越小，丧失稳定的几率就越大。因此通过理论分析并结合现场的实际对冻 结无缝线路进行稳定性分析，解决在小半径曲线上铺设冻结无缝线路的条件 及其相应的维修方法。 在温度力和列车动载共同作用下，轨道的平衡稳定状态不仅取决于平面 内不平顺而且取决于立面内轨道几何状态，当线路状态恶化时，则有可能从 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 稳定平衡直接进入不稳定平衡状态，而不经过临界状态。因此对冻结无缝线 路稳定性的研究不只局限于静态稳定，还要把动态作用考虑进去”1 。 1 2 国内外的发展及研究现状 近些年来，国内外的无缝线路都在向跨区间和超长无缝线路方向发展。例 如：德国8 0 年代在伊拉克修建了一条跨区间无缝线路，法国在非洲的沙漠里 同样修建了一条跨区间无缝线路。同样，我国的无缝线路也取得了长足的发 展，跨区间无缝线路、超长无缝线路已经在我国的主大干线上得以实施，并 且取得了很好的经济效益。在四大禁区铺设无缝线路的技术也日臻完善，在 焊接技术和质量上也有了较大的进步，在大修施工中普及移动式气压焊，改 善铝热焊剂质量、改进铝热焊工艺以及提高铝热焊缝质量，提高胶接绝缘接 头使用寿命“1 。 秦沈客运专线是我国第一条铁路客运专线，也是我国目前技术含量最高 的铁路，其开通时速达到1 6 0 k m 。运营时速达到2 0 0 k m ，最高时速达到3 2 1 k m ， 采用了一次铺设跨区间无缝线路施工技术，最长达1 8 8k m ，采用了高质量路 基填筑技术和桥上无砟轨道技术，有效保证了线路的平顺性：研制铺设了高 速大号码道岔，使列车能够安全、快速、平稳地通过。 新建铁路铺设无缝线路是铁路建设的发展方向。它不但节约了运营投入， 又提高了运营质量。 冻结无缝线路主要是现场冻结，在现场冻结的形式中，其实施方式虽然 不尽相同，但是基本原理却是一致的，即通过一定技术措施提高接头夹板、 螺栓和钢轨之间的正压力，从而提高夹板与钢轨之间的摩阻力，以达到提高 接头阻力的目的n ，。目前冻结接头、冻结技术在固定型提速辙叉、绝缘接头上 应用的比较多，它可以实现无缝线路在固定型辙叉地段跨区间铺设。 1 。2 1 冻结的形式 1 、栓胶冻结接头 栓胶冻结钢轨接头是采用螺栓联接和胶接剂相结合来使两根钢轨联接 在一起，达到冻结的目的。从其测试结果看由于栓胶冻结后，轨缝不再发生 变化，近似一条无缝线路，使得由于轨缝或低接头等造成的车轮对钢轨的撞 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 击、震动均减小，钢轨底部的受力也减小。轨底应力减小1 3 ；垂直力减小 1 5 ；挠度减小2 3 ，震动加速度降低。 2 、旌必牢螺栓( s p i r a l o c k ) 紧固件 它具有抗横向振动的异常能力，减少疲劳破坏、有更匀的负荷分布、降 低综合成本等优越性。施必牢不需任何其它种螺纹锁紧方法，如加锁紧垫片， 螺纹胶或垫入物等。其所以能有锁紧的作用，完全是依赖其内螺纹的几何形 状，旌必牢的螺纹形状是在它的牙根上有一种独特的3 0 度楔形斜面，这种斜 面是用特别的施必牢工具制作完成的。 3 、啥克紧固件和本克拉绝缘接头 哈克紧固件m 是一种由哈克先生于1 9 4 0 年所发明的，代替铆接、螺栓联 结、焊接的防震、非拆卸连接技术，特别适用于强振动场所与需要高可靠、 防松、防震时机械联结结构。目前全世界每架飞机组装所需的哈克紧固件占 所有航空紧固件的4 0 以上，在其他运用项目如铁路车辆、轨道联接、道岔组 装、重型汽车、桥梁、机器设备、船舶工业。 哈克紧固件的紧固力为传统同等级紧固件的1 5 倍以上，以国内1 0 9 级 高强螺杆为例：在施以扭力9 0 0 n m 时国内1 0 9 级高强螺杆可以承受2 1 吨的 紧固力，同等级哈克紧固件在紧固后可达到3 1 5 吨的紧固力。目前在美国、 英国、法国、加拿大、澳大利亚等国，拼装式道岔的组装有7 0 以上是采用哈 克紧固件。 哈克紧固件用于无缝线路缓冲区钢轨接头的联接，可以将普通无缝线路 改造为全区间和跨区间无缝线路。用哈克螺栓冻结的小半径曲线可以比照普 通无缝线路进行管理。哈克紧固件和本克拉绝缘接头相结合可以将提速道岔 锁定成超长无缝线路。在1 9 9 5 年到1 9 9 8 年的三年时间里，郑州及柳州铁路 局所管辖的1 2 0 0 组提速道岔采用哈克紧固件及哈克本克拉绝缘接头来组装， 根据反馈信息，使用的9 6 0 0 个哈克紧固件轨道接头及2 5 0 0 个哈克本克拉绝 缘接头均处于完美的状态。兰州铁路局在9 9 年于兰新线上铺设了一段8 3 公 里长的哈克无缝线路；郑州铁路局更是在达县、油房沟等山区铺设了数段8 一l o 公里不等的无缝线路，测试状态良好。 哈克紧固件是世界上唯一不需要复紧而能保持永久性紧固力的紧固件， 目前每一个哈克紧固件在轨道接头的成本大约在3 0 0 元人民币左右，另外改 造后的接头不需要涂油、不需要复紧。大大缓解接头瘸害的发展速度，大量 节约了人力、物力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 哈克本克拉绝缘接头见图卜l 、哈克紧固件原理及工艺见图卜2 所示。 图卜1 哈克本克拉绝缘接头 图卜2哈克紧固件原理及安装工艺 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 4 、m g 接头 m g 接尖w ”是摩擦钢轨接头的简称。这种接头是用提高摩擦阻力的方法实 现冻结钢轨接头的。m g 接头能使钢轨接头阻力从普通接头阻力3 0 0 6 0 0 k n 提高到i 7 0 0 1 9 0 0 k n ，是原来的3 4 倍。其特点是：不改变现行接头的结构， 不使用胶粘剂，也不使用附加机械零件：接头阻力高，足以在大多数地区的 铁路轨道上冻结钢轨接头。嫣接头使用的是经过磷化处理的高强度螺栓，弹 簧垫圈改用高强度弹性平垫，夹板和钢轨接触部位经过打蘑清洁处理。 5 、高强度冻结接头 郑铁工务科技咨询服务部在m g 接头和哈克螺栓的基础上n 1 ，开发了高强 度冻结接头。高强度冻结接头，对接头各部件全面加强，构成了强度均衡的 接头结构。经过几处试验段的检验，工作状态正常，效果良好。这种接头的 摩擦阻力在1 5 0 0 k n 以上，比以往的试验值高出一倍以上，足以平衡钢轨纵向 温度力，使轨缝不随冬夏轨温之变化而改变。 郑铁工务科技咨询服务部开发的冻结接头所用夹板的设计适当提高了刚 度，。提高了5 4 ：，。提高了5 7 ；重量提高了4 6 。同时还提高了夹板的材 质，选用了b ，或5 5 号钢扎制，且扎后全断面淬火，表面布氏硬度达到3 8 0 ， 淬火层深达6 s m m 。 6 、冻结接头夹板 北京铁路局榆次工务器材厂研究的钢轨冻结接头是在总结国内外铁路钢 轨冻结技术基础上研制的新产品，它是利用钢轨轨腔上下颚两个张口斜面， 将夹板上下面也加工成同样斜度的斜面，然后使用1 0 9 级高强度专用大六角 螺栓，利用1 3 l _ 4 k n m 紧固扭矩，产生较大的接头阻力，实现钢轨的有效 冻结。经过北京铁路局保定工务段在京广线铺设钢轨冻结接头的试验，历经 1 8 个月，通过总重1 0 2 0 m t k m k ，轨缝未发生变化，接头处的钢轨和夹板没 有任何问题，依然保持良好的使用性能。 1 2 2 冻结接头研究现状 1 、兰州交通大学的段固敏教授在对小半径曲线的冻结研究中m ，对哈克 紧固件在小半径曲线的应用进行了分析。认为用哈克紧固件连接钢轨、代替 焊接铺设准无缝线路，从理论和实际操作上都是可行的。这种准无缝线路应 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 按照无缝线路进行管理，在设计、施工、维修中严格掌握温度的要求，以确 保安全。钢轨连接时要尽可能消除轨缝，若因条件所限，也力求将轨缝控制 在1 2 m m 之内，否则就失去了准无缝线路的意义。曲线半径r = 3 0 0 m 时，也 能满足强度和稳定性的要求。但是为稳妥起见，可先在r = 3 5 0 m 以上的曲线上 进行铺设，通过运营阶段考验后，再确定最小铺设半径。 2 、上海铁道大学的练松良通过对钢轨冻结接头进行的受力分析一，得出： 轨缝小于0 i m m 以及提高接头螺栓拉力和夹板的截面惯性矩可以提高接头传 递弯矩的能力和减小接头的动态平顺。在对钢轨冻结接头的受力分析中，他 把接头受力模型简化为图卜3 、夹板受力假设为三角形分布。为了方便计算， 把三角形荷载作为集中荷载处理，如图l 一4 所示。 图i - 3 接头受力分析模型 图卜4 夹板受力分析简图 l 一6i 。+ 6f 。一6 6 。百；三l2 丁4 2 丁。口1 2 4 + 6 如果考虑夹板是支承在b 、c 两点上的简支梁，则夹板中点a 的位移为： l ：出生刿+ e ) (11)48e “ rl 一2 ， 、11 ， 式中 ，。一两块夹板的截面惯性矩。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 对夹板进行强度分析后，得出夹板所受的最大弯曲应力在1 2 0 m p a ，小于 夹板的允许应力，因此上述分析是合理的。 3 、西南交通大学的王平教授和刘学毅教授在对冻结准无缝线路进行的稳 定性分析中，把钢轨接头简化为扭簧n ，通过求出扭簧的等效抗扭刚度和普通 钢轨的等效抗扭刚度之比，来推导出冻结无缝线路稳定性分析的公式，来分 析冻结无缝线路的稳定性。通过“统一公式”首先求出不同接头阻力、不同 预留轨缝时的临界温度力，然后求出强度和稳定条件下的容许温升幅度，最 后确定不同曲线半径时的加强措施、不同工况下的预留轨缝。得出通过建立 冻结接头扭簧模型后计算出的线路是稳定的。接头的存在削弱了钢轨抵抗横 向变形的能力。因而提高接头阻力、增大预留轨缝将有助于提高冻结无缝线 路的临界温度压力。 1 3 本文研究的主要内容 以上的研究与分析虽然较好地分析了冻结无缝线路的稳定性问题，也较好 地解决了铺设冻结无缝线路的可行性，但是有必要从接头臌曲现场的实际来 分析小半径曲线上冻结无缝线路的稳定性与可行性，为小半径曲线上铺设冻 结无缝线路提供理论依据，更好地发挥无缝线路的优越性。 本文将从接头的实际出发，通过建立模型来分析冻结准无缝线路的稳定 性，得出不同扭矩下的扭转刚度系数；通过对实验数据的分析得出型枕比 i i 型轨枕有哪些优越性；同时实验数据可以为冻结准无缝线路的稳定性分析 提供道床横向阻力和纵向阻力等计算参数；本文的稳定性分析是采用西南交 通大学王平教授和刘学毅教授对冻结无缝线路稳定性分析的方法对接头进行 分析；通过对各种工况下临界温度力的分析，得出冻结准无缝线路的合理铺 设范围、合理锁定轨温：冻结接头处轨缝大小的合理设置；根据上述的分析 来确定适合冻结准无缝线路的合理养护维修方法及维修中需注意的问题，为 工务部门的养护维修提供一定的依据。 本文的数据是基于2 0 0 3 年4 月在成渝线k 7 0 + 0 0 4 6 6 一k 7 0 十3 9 2 6 7 ( 半径 r 为3 0 5 m ，曲线全长3 8 8 0 0 7 m ，其中缓和曲线长9 0r r l ，外轨实设超高1 2 0 m m ) 曲线上铺设长度为2 5 m 的一b 型轨枕和i i 型轨枕的实验数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章模型的建立 每一种工程结构问题的分析、解决都依赖于对其所建立的模型，建立的 模型不可能把工程结构中的各个细节全部反映出来，因此只能通过建立一个 简化的模型使复杂的、无法或很难用理论分析的结构得以科学地简化，进而 用相关理论对它进行分析，得到我们预期的结果。冻结准无缝线路的冻结接 头内部的受力情况也是较为复杂的，在分析其稳定性时也要通过科学的简化 来建立相应的模型，支持分析理论，得到令人满意的结果。例如：西南交通 大学的王平教授和刘学毅教授对冻结接头建立的扭簧模型；上海铁道大学的 练松良教授对冻结接头建立的基于弹性地基上的半无限长梁的接头受力模型 等等，他们都是通过使接头的受力状况简化为一个简单的模型，进而进行理 论分析的。 在本论文中，根据现场的实际情况和冻结钢轨接头失稳过程，对冻结钢 轨接头建立了一个扭簧模型，通过对模型的各个阶段的分析，来得出冻结无 缝线路的接头扭转刚度，进而对冻结接头的稳定性进行分析。 2 1 模型说明 i 、 6 0 k g m 钢轨螺栓孔直径为3 1 m m ，相应的6 0 k g m 夹板螺栓孔直径 为中2 6 r a m ，而接头螺栓直径为中2 4 r a m m ，由此分析钢轨向外臌曲的最不利位 置时，钢轨接头处最大可容许有1 8 r a m 的移动量( 因为我国接头螺栓禁止受剪) 。 假设接头两端钢轨的受力均匀，则接头端两侧钢轨接头处的移动量应该各为 9 m m 。 2 、扭簧示意图见图2 1 。 图2 一l 扭簧示意图 3 、在计算中，假设接头两端的道床及钢轨受力状态均相同且均匀，接 头两端的六个螺栓受力均匀。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 4 、分析接头处钢轨和夹板在温度升高的过程中由稳定到失稳的受力过 程，可以将整个受力过程划分为三个阶段。 第一阶段为抵消轨缝阶段：随着轨温的升高，钢轨将逐渐伸长，其内部 的钢轨温度力也将逐渐增大，因此接头两端的钢轨会克服接头阻力和道床纵 向阻力而逐渐抵消接头端预留的轨缝，在此过程中钢轨和夹板之间处于滑动 阶段，钢轨与夹板之间的摩擦力f 将起到抵抗滑动作用。 假设在接头处作用一个弯矩( 实际上是由扭簧所产生的) ，在彬的作用 下，接头两端钢轨外侧a ( 或a ) 点将绕底部中性轴旋转而向外部滑动，直 至b 点顶死，在此过程中夹板没有参与，因此钢轨没有受到夹板附加力的作 用。b 点未接触时的计算模型见图2 - 2 。 外一+ 外 图2 2b 点未接触时的接头计算模型 第二阶段为b 点顶死，a ( 或a ) 点继续向外滑动阶段：b 端顶死后，伴 随着轨温的进一步升高，钢轨内部温度力也将进一步增大，同时钢轨向外臌 曲的趋势也会越来越强，致使a ( 或a ) 点继续向外滑动。 在此过程中可以假设认为在接头处作用一个弯矩m ，b 点有一铰将两根钢 轨的b 点相连，在村的作用下，a ( 或a ) 和b 两点在一侧夹板上投影的相对 距离将逐渐变大，在a ( 或a ) 和b 两点在夹板上投影的相对距离9 m m 时， 钢轨仍然不受夹板的附加力作用。b 点接触后的作用示意图见图2 3 。 图2 3b 点接触后的接头计算模型 第三阶段为接头两端钢轨绕b 点旋转阶段：当a ( 或a ) 和b 两点在夹板 上投影的相对距离等于9 m m 时，接头两端钢轨的滑动已经被限制( 我国的接头 螺栓禁止受剪) ，随着钢轨内部温度力的继续增大，两端钢轨将绕b 点开始向 外臌曲。 当a ( 或a ) 和b 两点在夹板上投影的相对距离 9 r a m 时，夹板开始承受附 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 加弯矩，此时接头两侧钢轨承受弯矩膨作用，在埘的作用下，a 和a 间的距 离越来越大，接头夹板处结构失稳的趋势越来越大。b 点接触后接头两端钢轨 绕b 点旋转图如图2 4 所示。 图2 4b 点接触后接头两端钢轨绕b 点旋转图 2 。2 计算参数 1 、采用6 0 k g m 钢轨及其相应的夹板，6 0 k g m 钢轨的截面积为7 7 4 5 c ， 底宽为1 5 0 c m ，对垂直中性轴的惯性力矩为5 2 4 o c m ，对应的6 0 k g m 夹板的截 面积为3 7 2 6 c m 2 ，其对垂直中性轴的惯性力矩为4 1 9 c m 4 ；计算中考虑钢轨磨 耗6 舢时的状态：钢轨对水平中性轴的惯性矩，为2 8 7 9 c m 4 ；钢轨头部对水平 中性轴的截面模量w 。为2 9 1 c m 3 ；钢轨底部对水平中性轴的截面模量w 。为 3 7 5 c m 3 。i 2 、 计算中考虑钢轨为普通碳素新轨，取i 盯i ：3 1 2 m p an - ，假定钢轨内部 的受力均匀，不考虑钢轨中残余应力的影响。 3 、螺栓扭矩系数，取k = 0 2 0 n i i ； 4 、钢轨与夹板间的摩擦系数，为安全起见，取口= o ，2 n 5 、 在偏载系数计算中，采用未被平衡超高的容许值l 幽| _ 7 5 i n i i i m ，： 6 、钢轨支座刚度庐3 0 0 0 0n m m 1 ； 7 、 在钢轨的动弯矩m 。的计算中，采用连续弹性基础梁理论n - ，； 8 、选用两种机车类型：矾和s s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3m 的表达形式 2 3 1 抵消轨缝阶段 夹板受力图“t 见图2 5 。 由图2 2 和图2 3 可以看出在b 点接触前的计算式为： m = 2 ，d2 2 2 d 式中 ，一钢轨与夹板之间的摩擦力( 这里假设下颚两端与轨底两端的摩擦 力相等，夹板与钢轨 有四个接触面，因此是2 口) ： d 一摩擦力作用点距钢轨中性轴的距离： 一钢轨与夹板之问的摩擦系数； 图2 5 中各符号的意义如下： 昂一螺栓拉力( k n ) d 丁一r 的水平分力，r = 半； z v 一尺的法向分力，垂直于夹板 与钢轨下颚的接触面； n n r 一，与的合力； 一 图2 - 5 夹板受力图 咖一摩擦角，只与的夹角。取b = a r c t a n ( 1 5 ) 一般地，钢与钢之间的摩擦系数为l 5 1 3 ，若取1 4 则 中= a r c c a n ( 1 4 ) 。t 与的夹角d 同接触面斜度j 有关。c o ta = j ， q = a r c t a n ( 1 i ) ，对于6 0 k g m 钢轨，i = 1 3 ，水平力丁与合力r 的夹角 9 = a 一书。 由图2 5 分析得：n = r c o s d = 三c o s 接头阻力的计算式“1 为： 岛。至型- 三( 2 - 1 kc o s ok d ) 1 ， 式中r 一拧紧螺母时的扭力矩( n m ) k 一动载影响系数，由于扭矩选用大于6 0 0 n m ，因此选用足i - 1 o 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 在弯矩达到某一i 临界m ( 由r 决定) 时，自由滑动将结束。此时接头两端 钢轨的端部转角均为办。破= 5 ( 2 1 5 0 ) ，6 为轨缝。 2 3 2 b 点顶死，a ( a ) 点向外滑动阶段 当a ( 或a ) 、b 两点在夹板上投影问的相对距离大于6 2 时，b 点顶死， 但是在m 的作用下a 和a 点继续向外滑动，直至a ( 或a ) 和b 点在一侧夹 板上的投影间的距离等于9 m ，此时所产生的转角为九，在此过程中仍然是夹 板与钢轨间的摩擦力起作用。 2 3 3 1 3 点顶死，接头两端钢轨绕b 点旋转阶段 当a ( 或a ) 和b 两点在夹板一侧投影间的相对距离达到9 m m 时，夹板螺 栓孔、钢轨螺栓孔与接头螺栓均已经完全贴靠，如果轨温继续升高，钢轨内 部的温度力也将继续升高，夹板将开始对钢轨产生一个抵抗力矩m ；。此时钢 轨两端的转角为，夹板中储存的应变能为蜀，钢轨中储存的应变能为e ， 扭簧中储存的应变能为e 3 ，其中e ，= e 1 + e ：。等效抗扭刚度k 。= 2 e ，庐2 。1 由材料力学“”的相关知识可以得上述三个阶段在不同扭矩情况下接头处 等效抗扭剐度磁及夹板接头的抗扭刚度与普通钢轨的抗扭刚度之比口。其中 普通钢轨的等效抗扭刚度e 为2 6 9 8 k n m r a d t m 。 例：扭矩为1 0 0 0n m 时，通过有限元分析m m ，可以得到： k 口= 2 2 2 0k n m t a d ，因此有口= o 8 2 3 。 随着螺栓扭矩的逐渐增大，接头阻力也会逐渐增大，k 。也会增大，口也 会随之增大。图2 - 6 是以螺栓扭矩为1 0 0 0 n m 、轨缝为l m m 的冻结接头为例得 出的扭簧扭矩与钢轨接头处的转角之间的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 00 0 0 70 0 6 70 1 2 7 钢轨接头转角( r a d ) 图2 - 6 扭矩与接头转角的关系曲线 图2 6 中的三段线段分别代表上述的三个阶段。第三阶段的斜率即为扭 簧的扭转刚度k 。 轨缝为o m m 、2 m m 、3 m m 对的图形与轨缝为l 册时的图2 - 6 相似，由图2 - 5 可以看出和转角西的关系成线性变化，各种轨缝下的曲线形状是一样的，只 是在第二阶段的长度不同、第三阶段的斜率不同。 在实际稳定性分析计算中只有第三阶段起决定性的作用，在第一阶段会 随着温度应力的增加而消失，而第二个阶段是冻结无缝线路的失稳储备阶段， 第三阶段是冻结接头与夹板开始向外臌曲阶段。冻结接头的稳定性实际上就 是分析第三阶段的稳定性。 2 4 基本假定 当弹性铰的抗扭刚度为零时，设轨道变形曲线为三角形，其最大变形矢 度为石，即有 参考文献l o ： 2 z 手 2 f 生 j l o z 三 2 二工， 式中卜一轨道稳定计算中的轨道长度； x 一距变形始点的距离。 当弹性铰的抗扭刚度与钢轨抗扭剐度相等时，轨道的变形曲线设为正弦 如 加 0 冒喜聚硅淑 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 形，其最大变形矢度为厂2 ，即有： 瓜 f i ) 1s i n _ 当弹性铰的抗扭刚度大于钢轨的抗扭刚度时，为安全计，认为与钢轨抗 扭刚度相等。当弹性铰的抗扭刚度与钢轨的抗扭刚度相等时，按普通无缝线 路检算其稳定性。 接头刚度有削弱时，可认为轨道变形由上述三角形和正弦形曲线组成， 其中各曲线矢度所占比例为 = 可，五= ( 1 一口) 厂，即： y ，= 可i 军+ 2 ( 1 一口) 厂车(：2sin 一2 ) ，2 呵了一+ 2 l l 一口 ( ：一2 ) 在半径为r 的曲线上，其矢度方程为 d x 、r y 一2 t f ( 2 3 ) 原始塑性变形假设为圆曲线型，则： n r l r 2 苛( 2 - 4 ) 其中塑性弯曲曲率寺通常为常值。i 12 孚。 原始弹性变形假设与变形曲线形式相同，即： y o = a f 。s i n - 腐f + 2 ( 1 一口城车( 2 - 5 ) 2 5 公式推导 由稳定原理“”中的能量法来推导无缝线路稳定性计算的公式。主要是利 用势能驻值原理，即结构物处于平衡状态的充分必要条件是势能取驻值， d a2 0 ，也就是静力平衡与势能驻值这两个条件是等价的。设轨道处于平衡状 态，总势能为a ，则当轨道由于受到任何于扰而产生微小虚位移对，按照势 能驻值原理“w u 应有： 删2 d a l + d a 2 + d a 】+ d a 4 = 0 式中 彳，一钢轨压缩形变能； a ：一轨道框架弯曲彤变能； 一_ _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 一，一接头中储存的形变能： 一。一道床形变能。 形变能为变形曲线长度f 和变形矢度，的函数，故应有： 枷= 等妒+ 詈删 ( 2 - 6 ) 研。越 统一公式n j 中由于假设曲线在变形过程中弦长，是不变的，即攫= o ，l 没 有虚位移，故式( 2 - 6 ) 可以变成为： 、d a ：丝酽：0 可 由于驴为任意不为零的微小值，故必须有： 塑：0 可 由此可求p 和1 之间的函数关系。 求p 的最小值可利用譬= o 的条件，推导无缝线路稳定性的基本公式为： 删 婴：一塑+ 丝+ 堕+ 丝：o ( 2 - 7 ) 芍影茸弩 i 0 p ：0 ( 2 8 ) 刮 、 式中p 一温度力； l 一变形曲线长 2 5 1 钢轨轴向压缩变形能4 钢轨在温度压力的作用下，会产生轴向的变形，变形曲线见图2 7 ，因此 有 参考文献1 0 ： a l = 2 ( e 刖t + f 只，出1 ( 2 9 ) ” 式中尸一固定区内的温度力： ，。一变形曲线范围中固定区内钢轨弧长变化量： 只一缓冲区内某点的温度力； 0 一缓冲区内玉段钢轨弧长变化量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 x 一伸缩区内任意一点至伸缩区起点的距离。 变形曲线“的计算图示见图2 7 所示。 图2 7 变形曲线计算图示 1 、 求式( 2 - 9 ) 右边中的第一项 由图2 7 可以看出： “。= f 陋一出) = f d s f 出 f 出= f 。5 丽= f 。正r + 三f ( y ：) 2 正r + 可以得到：，0 2 互1f ( y ：) 2 出 同理有：，2 圭f 。( y ：) 2 出 式中只2 叮s i l l 芋+ 2 ( 1 一a 驴子+ 叽s i n 芋+ 2 0 一口战手 + 亿；上 垃+ f 土；上1 垃 l r 1 r j 2 y 。2 叽s i n 芋十2 ( 1 一口扳手+ b + 古 堕2 遮 l y ：2 可c 。s 芋+ z ( 1 一口) 手+ 叽c 。s 芋+ z ( 1 一口) 争+ b + 忐 竿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 小咖。s 芋z m ) 争+ 爿竿 因此得： 妙秒+ ：尻 学- r c ：2 a 2 ( ：1 絮l i n 剀 + 墨! ! q 二竺堑：! 塑羔2s i n 竺+ 墨垒二竺垣! 垒二! ! ff尺， +只盖l等s恤孚一2u-2r7 t s 血孚+ 等( h 。s 竽 l c z - 。工l 打 ，厅2i，j | 其中：i i2 i 1 + i 1 式中r 一曲线半径： r 。，一原始塑性曲线半径； 兀。一原始弹性变形矢度。 2 、承瓦( 2 9 ) 石边甲酮第二i 贝 只= 只一r x ( o 一l ，) 小务杪2 + z 尻) c o s 2 掣+ 罴( f 划乙z 蜘s 掣 f r = 华( ，2 + ：尻) + 等驴2 + z 尻) c o s 2 掣 + 掣口2 + 2 尻) c o s 掣 + q f z ( 1 - 2 l - 2 x ) c o s 捌+ ( 1 - a ) f ( 1 - 2 1 - 2 x ) 贼心舭彬+ z 以簪陪去( 咖掣痂孚) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 + p 嘲c f r cl | _ i 才2 ( t n 掣“n 期 2 l ( 1 + 1 1 ) s i n 三幽+ 一2 1 1 s i l l 竺 aiz i + c 景降孵i s 掣 + 只与些f s 2 + z 以) + 只警“川叫) + p 掣n z 尻卜掣“n 升 字n z 尻： 等+ 石l l is m 掣+ 4 i _ _ c l 。s t 2 z r ( 1 + 1 1 ) 杀c o s 丁2 m i ：柳f r l r ( 1 - 2 l ) 1 l t 劬三毕- ! + 乓。至幽一了1 2 。- 硝7 2 r l 石 ，2石 石2 。一f l + 謇r 肛捌l + 粤t c o s 掣 l 石 2 ， l 一2afil=li。in掣“n讣毕口：+2fror 。) 庀l ， ，i，2 v 一 叫 一萼空0 2 吼g o 净n 掣1 2 。s 掣 一：1 2 。c o s 皿丌i 1 ( 1 - 肌a ) f r 【_ - ( 1 1 2 啊粤 一：zf 1 一肌l2 - j y i 一亍f ( 2 - 1 1 ) 3 、求钢轨压缩变形功a ， 由前面的推导可以得到a 的表达式为式( 2 一l o ) 与式( 2 1 1 ) 的和的2 倍。 2 5 2 轨道框架弯曲变形能爿： 钢轨的初始弯曲由两部分组成，塑性初始弯曲和弹性初始弯曲，1 7 7 1 j b 弹 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 住干刀始芎衄征芎衄范围冈仔征看分币例媚驾把m 。，以及仕父彤也程甲凼耕瑁 加的内力矩，而储存的形变能 分似”扣= 等( 等吼 式中口轨道框架刚的换算系数。且有： 呜= y ；出= 簪s 呼出( 2 - 1 3 ) m 。融_ y 二= 慨等s i i l 芋 ( 2 _ 1 4 ) m f = - f l e i , j ，j 2 飒等s i n - 瓜t ( 2 - 1 5 ) 把式( 2 - 1 3 ) 、式( 2 - 1 4 ) 、式( 2 - 1 5 ) 代入到式( 2 - 1 2 ) 中，整理得： 舻孚( 譬+ 尻 c z 一 2 5 3 接头夹板变形能a ： 4 = 圭局妒2 式中k 。为接头扭转刚度，伊：4 ( 1 - - a ) f ，则 4 = 局掣厂2 2 。5 4 道床形变能爿。 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 道床在抵抗轨道框架位移中所做的功a 。“1 ( 这里把道床纵向分布阻 力抵抗轨道框架位移所做的功忽略掉，因为相对于道床横向分布阻力抵抗轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 逼框架位移所做日可功米况，。e 是很刈、明) o 4 2 f f q d y d x 道床横向分布阻力一般用式( 2 - 2 0 ) 的非线性函数来表示： q = 一c l y + c 2 y 4 式中q 。，c l ，c 2 ，h 一参数，n ( 1 。 因此有 舻l ( q o