轨道工程课程设计

1、目录一、设计任务1二、设计目的和意义1三、设计理论依据1（1）确定设计锁定轨温2（2）无缝线路结构设计4四、设计参数5五、设计计算书8（1）轨道结构静力计算8（2）轨道强度检算9（3）确定锁定轨温 12（4）伸缩区长度 13（5）预留轨缝 14六、设计总结 16七、参考文献 17附录 17路基上无缝线路课程设计中和轨温及预留轨缝设计1、 设计任务1）收集资料，综合分析。通过专业书籍及相关学术期刊的学习，了解无缝线路铺设的意义及国内外发展的现状。并对路基上无缝线路设计的基本原理、方法及步骤有较清楚的了解。2）通过计算，确定路基上无缝线路的允许降温幅度。3）通过计算，确定路基上无缝线路的允许升温幅

2、度。4）通过计算，确定中和轨温（即无缝线路设计锁定轨温）。5）通过计算，确定路基上无缝线路的伸长区长度。6）通过计算，确定路基上无缝线路的预留轨缝长度。中和轨温确定是无缝线路设计的关键问题，涉及铁路轨道这门课的主要理论。该设计的目的是通过实际设计，更深入地掌握铁路轨道的基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论）。2、 设计目的和意义 中和轨温确定是无缝线路设计的关键问题，涉及铁路轨道这门课的主要理论。本设计目的是通过实际设计，对无缝线路设计的主要原理、方法及步骤有更清楚的了解，更深入地掌握铁路轨道的基本理论与其实际应用（尤其是强度计算和温度力计算理论）。在普通线路上，钢轨接头是轨道的薄弱环节之

3、一，由于钢轨接头的存在，列车通过时发生震动和冲击，并伴随有击打噪声，所产生的冲击荷载最大可达非接头区3倍以上。接头冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适，并促使道床破坏、线路状态恶化、钢轨及联接零件的使用寿命缩短、养护维修费用增加。线路接头区养护维修占总经费的1/3以上；钢轨因轨端损坏而抽换的数量较其他地方大23倍；重伤钢轨60%发生在接头区。无缝线路由于消灭了大量的钢轨接头，因而具有行车平稳、旅客乘坐舒适、机车车辆和轨道的维修费用少、使用寿命长等一系列优点。大量的研究资料表明，从节约劳动力和延长设备寿命方面计算，无缝线路比普通有缝线路可节约养护维修费用35%75%。3、 设计理论依据普通无缝线路设

4、计，主要指区间内的无缝线路设计，其主要内容为确定设计锁定轨温和无缝线路结构设计两部分。（1） 确定设计锁定轨温由于长轨条在锁定施工过程中轨温是不断变化的，因而锁定轨温应该是一个范围，通常为设计锁定轨温5摄氏度，困难条件下取3摄氏度。锁定轨温（）设计计算原则为“夏天不涨轨，冬天不断轨”，所以应根据当地的轨温条件和轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。如下图所示：1） 根据强度条件确定允许的降温幅度无缝线路应该具有足够的强度，以保证在动弯盈利、温度应力及其他附加应力共同作用下不被破坏，能够正常工作。因此，要求钢轨承受的各种应力总和不超过规定的容许值，即式中 钢轨最大动弯力，（MPa）；钢轨温度应力，

5、（MPa）；钢轨承受的附加应力，（MPa）如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等；本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取；钢轨允许应力，它等于刚轨的屈服强度除以安全系数K， 。因此允许的降温幅度可由下式计算：（1）式中：钢轨底部下缘动弯应力（MPa）。2） 根据稳定条件确定允许的升温幅度根据稳定条件球的允许温度压力后，按下式计算允许温升幅度：式中： 附加压力，本设计可取为零（N）。轨道允许的最大温度压力；根据无缝线路稳定性理论计算，采用“统一公式”教材和参考文献1。3） 根据钢轨稳定条件确定允许的降温幅度无缝线路钢轨折断后，轨缝不能超过一定限值，否

6、则将引起轮轨间过大的作用力，严重时还会危及行车安全。所以根据固定区内钢轨折断后的断缝值可确定允许降温幅度。 （2）式中：为允许断缝值； r为线路纵向阻力。允许降温幅度应取式（1）和式（2）中计算出的较小值。（2） 无缝线路结构计算1） 伸缩区长度2） 预留轨缝按冬季轨缝不超过构造轨缝的条件，可算得预留轨缝上限为：按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为：式中 、从锁定轨温至当地最低轨温时，长轨、短轨一端的伸缩量：、从锁定轨温至当地最高轨温时，长轨、短轨一端的伸缩量。无缝线路缓冲区预留轨缝为：3） 防爬设备的设置线路爬行是造成轨道病害的主要原因之一。在无缝线路伸缩区和缓冲区上，因钢轨可能有伸缩，必

7、须布置足够的防爬设备，保证无相对于轨枕的纵向移动。为此，要求钢轨与轨枕间的扣件阻力大于轨枕与道床间的纵向阻力，即：式中：一对防爬器提供的阻力，N；一根轨枕上扣件的阻力，N；R一根轨枕提供的道床纵向阻力，N；n配置一对防爬器的轨枕数。缓冲区的防爬设备与伸缩区相同。缓冲区为木枕时，一般应增加防爬器；而为混凝土轨枕时，则不需要。4） 轨条长度无缝线路长轨条长度从理论上讲。可以无限长，这是发展跨区间无缝线路和全区间无缝线路的理论基础。但轨节长度常因考虑线路平纵面条件、道岔、道口、桥梁、隧道所在位置，按闭塞区间长度设计，长度为10002000m，最短不小于200m。4、 设计参数一、参数选取如下：钢轨屈

8、服强度s457MPa标准轨长度取25m钢轨允许应力352Mpa附加压力本设计可取为0（N）轨枕间距钢轨附加应力（Mpa）10MPa路基填料沙粘土临界温升tk0钢轨支座刚度D检算钢轨301000（N/cm）变形曲线弦长l04m检算轨下基础720000（N/cm）允许未被平衡超高h75cm曲线最小半径R800m钢的弹性模量E2.1×105Mpa机车类型东风11内燃机车钢轨的线膨胀系数11.8×10-6/设计最大速度Vmax160km/h.接头阻力PH490KN构造轨缝18mm表（1）二、具体参数如下各表：1、取正线轨道类型如下：（见轨道工程-绪论 表1-1）项目单位重型运营条件

9、年通过总质量Mt40列车设计最高速度km/h160轨道结构钢轨Kg/m60混凝土枕型号-铺枕根数根/km1667岩石、渗水土路基单层道渣cm35表（2）2、钢轨断面尺寸特征如下：（见轨道工程- 表2-1）钢轨类型kg/m60钢轨类型kg/m60每米质量M/kg60.64轨头所占面积Ah/%37.47断面积A/cm277.45轨腰所占面积Aw/%25.29重心距轨底距离y1/mm81轨底所占面积Ab/%37.24对水平轴的惯性矩Ix/cm43217钢轨高度H/mm176对竖直轴的惯性矩Iy/cm4524钢轨宽度B/mm150下部截面系数W1/cm3396轨头高度h/mm48.5上部截面系数W2/

10、cm3339轨头宽度b/mm73轨底横向挠曲断面系数Wy/cm370轨腰厚度t/mm16.5表（3）3、钢轨头部磨耗轻伤标准如下（V=140km/h）：（见轨道工程- 表2-9）钢轨kg/m总磨耗/mm垂直磨耗/mm侧面磨耗/mm6012912表（4）4、混凝土枕尺寸如下：（见轨道工程- 表212）轨枕类型主筋数量混凝土等级截面高度/mm截面宽度/cm底面积/cm2质量/kg长度/cm轨下中间端部轨下中间7720320260107C6023.018.530.028表（5）5、轨枕扣件技术性能如下: （见轨道工程- 表2-17）扣件性能弹条型扣件性能弹条型每个弹条初始扣压力/KN10弹条变形量/

11、mm10扣压节点静刚度/KN/m60-80调轨距量/mm-8+12纵向防爬阻力/KN60调高量/mm10表（6）6、附加速度系数如下：（见轨道工程- 表5-4）附加速度系数和速度范围 km/h内燃机车120<V160160<V200表（7）7、横向水平力系数f如下：（见轨道工程- 表5-5）线路平面曲线半径/m直线800横向水平力系数f1.451.25表（8）8、最高最、低及中间轨温如下：（见轨道工程- 表7-2）地区最高轨温最低轨温中间轨温长沙63.0-11.325.9表（9）9、等效道床阻力Q如下（线路容许弯曲矢度f=0.2cm）：（见轨道工程- 表7-10） 线路条件每千米轨

12、枕根数碎石道床、混凝土枕混凝土轨枕肩宽40cm1760 Q=84N/cm表（10）10、混凝土枕线路的初始弯曲如下：（见轨道结构课程设计资料附表2）初始弯曲60kg/m钢轨弹性初弯（mm）2.5塑性初弯（mm）2.5表（11）11、机车类型为: 东风11内燃机车，设计速度取：Vmax=160km/h，机车参数如下：（见轨道结构课程设计资料附表3）机车型号轮轴名称轮重kN轮距cm构造速度km/h东风11（DF11）第一转向架I112.8200客150II112.8200III112.8826.7第二转向架I112.8II112.8200III112.8200表（12）12、道床状态参数指标如下：

13、（见轨道设计规范规表3.0.14）指标轨枕类型速度km/h道床横向阻力q(KN/枕)道床纵向阻力q(KN/枕)道床支承刚度(KN/mm)道床密度(g/cm3)III16010121001.7表（13）东风11轮轴重示意图5、 设计计算书（1） 轨道结构静力计算1. 计算静弯矩东风11轮轴重示意图如上图所示。,转向架间距离超过5m，故不考虑个转向架的相互影响。各轮载及转向架各轴间距均相同，故只需取第1转向架进行计算。取第1转向架第2轮位进行计算，其他各轮位的轮下计算截面计算值与之相同。各轮位均为最不利轮位。（2） 轨道强度检算1) 计算最、用程序计算Md2) 检算钢轨强度；则动弯拉应力为：3)

14、轨枕检算 a.轨下截面正弯矩检算：根据轨下截面正弯矩检算公式：式中：-轨枕设计系数，取1.0； -荷载作用点至枕端距离，取； -一股钢轨下轨枕的全支承长度，取； -轨底宽，15cm； -轨下截面允许弯矩，对III型混凝土枕取18kNm。b轨枕跨中截面负弯矩检算根据轨枕跨中截面负弯矩检算公式：式中：-轨枕长度； -中间截面允许负弯矩，对III型混凝土枕取14kN.m。4) 道床顶面应力检算根据道床顶面压应力检算公式：式中：-轨枕平均底宽，取27.5cm； -有效支承长度，取117.5cm； -应力分布不均匀系数，取1.6； -道床允许承压应力，对碎石道床取其为 。5) 路基基床表面压应力检算根据

15、路基基床表面压应力检算公式有：道床厚度，故有：6) 根据稳定性计算允许温度压力式中： Q-等效道床阻力，取8.4N/mm； -变形曲线矢度，取2mm； -弹性原始弯曲矢度，取2.5mm； -变形曲线弦长； -圆曲线同塑性原始弯曲的合成曲率。式中： Q-等效道床阻力； -变形曲线矢度； -弹性原始弯曲矢度； -变形曲线弦长； -圆曲线同塑性原始弯曲的合成曲率。 式中： -圆曲线同塑性原始弯曲的合成曲率； -塑性原始弯曲半径。 式中： -弹性原始弯曲矢度，通常取为4m； -塑性原始弯曲矢度，取2.5mm。（3） 确定锁定轨温1） 根据强度条件确定允许的降温幅度2） 根据钢轨折断是的断缝值确定的允许

16、降温幅度时速200Km以下的路基上无缝线路设计中，过去未考虑钢轨断缝限值，只在桥上无缝线路设计中考虑了该限值。所以，此处不予考虑。3） 根据稳定条件确定允许温升幅度4） 确定设计锁定轨温式中： -铺轨地区的历史最高温，历史最低温； -设计锁定轨温修正值，可根据当地具体情况取 0-5，本设计取0。锁定轨温上限：锁定轨温下限：5） 绘制轨温图（4） 伸缩区长度根据铁路轨道设计规范（TB100822005）中11.10.1伸缩区长度的计算方法，计算伸缩区长度可按下面公式进行计算： 式中：-钢轨温度拉力或压力的最大值（N）,可以按下面公式进行计算：钢轨最大温度拉力；钢轨最大温度压力；为设计锁定轨温上限

17、；为设计锁定轨温下限； - 接头阻力（N），取490kN。 - 有砟道床路基上一股钢轨下线路的纵向阻力，取12KN/枕。 由程序计算的伸缩区长度为45.23m。（5） 算长轨和缓冲轨间预留缝a1和缓冲轨与缓冲轨间的预留缝a2 （如下图） （1）长钢轨与短钢轨间预留轨缝的计算 根设计要求，预留轨缝的计算方法如下： 式中：-锁定轨温。 长轨条端部伸缩量 标准轨端部伸缩量 式中：-为从锁定轨温到最低或最高轨温时所产生的温度力。 预留轨缝的计算为：按冬季轨缝不超过构造轨缝的条件，可算得预留轨缝上限为： 按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为： 式中： -从锁定轨温到当地最低轨温时，长轨，短轨一端的缩短

18、量； -从锁定轨温到当地最高轨温时，长轨，短轨一端的伸长量。则无缝线路缓冲区预留轨缝为：（2）短钢轨与短钢轨间预留轨缝的计算按冬季轨缝不超过构造轨缝的条件，可算得预留轨缝上限为：按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为：式中： -从锁定轨温到当地最低轨温时，短轨一端的缩短量； -从锁定轨温到当地最高轨温时，短轨一端的伸长量。 则无缝线路缓冲区预留轨缝为：锁定轨温值值锁定轨温值值37.84.09305.474842.82.03993.999838.83.68245.179843.81.62933.704839.83.27184.884844.81.21873.409840.82.86124.589

19、845.80.80803.118441.82.45054.294846.80.39742.81986、 设计总结7、 参考文献1铁道部经济规划研究所.铁路轨道设计规范（TB100822005）S.北京:中国铁道出版社,2005.2高亮.轨道工程M.北京:北京交通大学出版社,2010.3谷爱军.铁路轨道M.北京: 中国铁道出版社,2005.4广钟岩. 铁路无缝线路M.北京: 中国铁道出版社,20055 郝瀛. 铁道工程M.北京: 中国铁道出版社,2004附件：计算程序与计算结果程序1，计算动弯矩>> D1=input('请输入较大钢轨基础刚度D1=');D2=inpu

20、t('请输入较小钢轨基础刚度D2=');E=input('请输入钢轨弹性模量E =');Ix=input('请输入钢轨截面惯性矩Ix ='); P=input('请输入轮重P=');a=input('请输入轨枕间距a=');b=input('请输入机车轴距b=');v=input('请输入计算速度v=');h=input('请输入未被平衡超高h=');f=input('请输入横向分布系数f=');U1=D1/aU2=D2/ax1=U1/(4*E*Ix)

21、;x2=U2/(4*E*Ix);K=sqrt(sqrt(x1)k=sqrt(sqrt(x2)M01=1/(4*k)*P*(1+2*exp(-k*b)*(cos(k*b)-sin(k*b);M02=1/(4*k)*P*(1+exp(-k*b)*(cos(k*b)-sin(k*b)+exp(-k*2*b)*(cos(k*2*b)-sin(k*2*b);if M01> M02 M= M01;else M= M02;end;y01=k/2/U2*P*(1+2*exp(-k*b)*(cos(k*b)+sin(k*b);y02=k/2/U2*P*(1+exp(-k*b)*(cos(k*b)+sin(

22、k*b)+exp(-k*2*b)*(cos(k*2*b)+sin(k*2*b);if y01> y02 y0= y01;else y0= y02;end;R01=a*K/2*P*(1+2*exp(-K*b)*(cos(K*b)+sin(K*b);R02=a*K/2*P*(1+exp(-K*b)*(cos(K*b)+sin(K*b)+exp(-K*2*b)*(cos(K*2*b)+sin(K*2*b);if R01> R02 R0= R01;else R0= R02;end;a0=0.4*120/100a1=0.3*(v-120)/100b0=0.002*hdisp(M);disp(

23、y0);disp(R0);Md=M*f *( b0 +(1+a0)*(1+a1)yd=( b0 +(1+a0)*(1+a1)*y0Rd=( b0 +(1+a0)*(1+a1)*R0请输入较大钢轨基础刚度D1=72000请输入较小钢轨基础刚度D2=30100请输入钢轨弹性模量E =210000请输入钢轨截面惯性矩Ix = 32170000请输入轮重P=112800请输入轨枕间距a=600请输入机车轴距b= 2000请输入计算速度v=160请输入未被平衡超高h=75请输入横向分布系数f=1.45U1 = 120U2 = 50.1667K = 0.0015k = 0.0012a0 = 0.4800a

24、1 = 0.1200b0 = 0.1500 2.1067e+007 1.3201 4.7205e+004Md = 5.5218e+007yd = 2.3862Rd = 8.5329e+004程序2，钢轨动应力>> %钢轨强度检算Md=input('请输入动弯矩Md=');Wdi=input('请输入轨底截面模量Wdi=');Wtou=input('请输入轨头截面模量Wtou=');sigdi=Md/Wdisigtou=Md/Wtou请输入动弯矩Md=55218000请输入轨底截面模量Wdi=396000请输入轨头截面模量Wtou=33

25、9400sigdi = 139.4394sigtou = 162.6930程序3，轨枕检算>> %轨枕检算>> Ks=input('请输入轨枕设计系数Ks=');a1=input('请输入荷载作用点至轨枕距离a1=');e=input('请输入一股钢轨下轨枕的全支撑长度e=');b1=input('请输入轨底宽b1=');l=input('请输入轨枕长度l=');Rd=input('请输入枕上反力Rd=');Mgmax=input('请输入轨下截面允许弯矩Mgmax=

26、');Mcmax=input('请输入中间断面负弯矩检算Mcmax=');Mg=Ks*Rd*(a12/2/e-b1/8);Mc=-Ks*Rd*(3*l2+4*e2-8*a1*e-12*a1*l)/(12*l+8*e);if (Mg<Mgmax)&(Mc<Mcmax) input('轨枕检算合格'),disp(Mg),disp(Mc);else input('轨枕检算不合格');end请输入轨枕设计系数Ks=1请输入荷载作用点至轨枕距离a1=500请输入一股钢轨下轨枕的全支撑长度e=950请输入轨底宽b1=150请输入轨

27、枕长度l=2600请输入枕上反力Rd=85329请输入轨下截面允许弯矩Mgmax=18000000请输入中间断面负弯矩检算Mcmax=14000000轨枕检算合格 9.6276e+006 -9.8744e+006程序4，道床顶面压应力检算>> %道床顶面压应力检算Rd=input('请输入枕上反力Rd=');b=input('请输入枕底宽度b=');e1=input('请输入有效支撑长度e1=');m=input('请输入应力分布不均匀系数m=');sigzmax=input('请输入道床允许承压应力sigzm

28、ax=');sigz=Rd*m/b/e1;if sigz<sigzmax input('道床顶面压应力检算合格'),disp(sigz);else input('道床顶面压应力检算不合格');end请输入枕上反力Rd=85329请输入枕底宽度b=300请输入有效支撑长度e1=1175请输入应力分布不均匀系数m= 1.6请输入道床允许承压应力sigzmax=0.5道床顶面压应力检算合格0.3873程序5 ， 路基基床表面压应力检算>> b=input('请输入轨枕底宽b=');e1=input('请输入有效支撑长度

29、e1=');h=input('请输入道床厚度h=');Rd=input('请输入枕反力Rd=');siglmax=input('请输入路基允许承压应力siglmax=');h1=b/2*cot(0.61);h2=e1/2*cot(0.61);if (0<=h)&(h<=h1) sigl=Rd/b/e1;elseif (h1<h)&(h<=h2) sigl=Rd/2/h/e1/tan(0.61);else sigl=Rd/4/h2/(tan(0.61)2;end;if sigl<siglmax

30、input('基床表面压应力满足要求'),disp(sigl);else input('基床表面压应力不合格');end请输入轨枕底宽b=300请输入有效支撑长度e1=>> 1175请输入道床厚度h=450请输入枕反力Rd=85329请输入路基允许承压应力siglmax=0.15基床表面压应力满足要求 0.1154程序6，计算最大温度应力>> %弦长l的迭代计算与【P】的计算>> f=input('请输入变形曲线矢度f=');foe=input('请输入弹性初矢弯曲矢度foe=');fop=in

31、put('请输入塑性初矢弯曲矢度fop=');R=input('请输入曲线半径R=');Q=input('请输入等效道床阻力Q=');E=input('请输入弹性模量E=');Iy=input('请输入钢轨y轴惯性矩Iy=');l0=input('请输入弹性初矢弯曲半波长l0=');R0=l02/8/fop;R1=R*R0/(R0+R);n=3;for i=1:nl=sqrt(2*E*Iy*pi2/R1+sqrt(2*E*Iy*pi2/R1)2+E*Iy*pi5/2*(f+foe)*Q)/Q);fo

32、e=l2*foe/ l02;l0=l;end;l=sqrt(2*E*Iy*pi2/R1+sqrt(2*E*Iy*pi2/R1)2+E*Iy*pi5/2*(f+foe)*Q)/Q);disp(foe);disp(l);disp(l0);P=(E*Iy*pi5*(f+foe)/2/l4+Q)/(f+foe)*pi3/4/l2+1/R1);Pyun=P/1.3请输入变形曲线矢度f=2请输入弹性初矢弯曲矢度foe=2.5请输入塑性初矢弯曲矢度fop=2.5请输入曲线半径R=800000请输入等效道床阻力Q=8.4请输入弹性模量E=210000请输入钢轨y轴惯性矩Iy=5240000请输入弹性初矢弯曲半

33、波长l0=4000 2.8518 4.2727e+003 4.2722e+003Pyun = 1.8304e+006程序7，计算锁定轨温>> %确定锁定轨温>> sigdi=input('请输入轨底弯应力sigdi=');sigs=input('请输入钢轨屈服强度sigs=');sigc=input('请输入钢轨承受附加应力sigc=');E=input('请输入弹性模量E=');alfa=input('请输入膨胀系数alfa=');F=input('请输入钢轨断面面积F='

34、);Pyun=input('请输入允许温度力Pyun=');Tmax=input('请输入该地最高轨温Tmax=');Tmin=input('请输入该地最低轨温Tmin=');tk=input('请输入设计轨温修正值tk=');sigy=sigs/1.3;ts=(sigy-sigdi-sigc)/E/alfa,tc=Pyun/2/E/alfa/F,te=(Tmax+Tmin)/2+(ts-tc)/2+tk,tm=te+5,tn=te-5请输入轨底弯应力sigdi=139.4394请输入钢轨屈服强度sigs=457请输入钢轨承受附加应力sigc=10请输入弹性模量E=210000请输入膨胀系数alfa=0.0000118请输入钢轨断面面积F=7745请输入允许温度力Pyun=1830400请输入该地最高轨温Tmax=63请输入该地最低轨温Tmin=-11.3请输入设计轨温修正值tk=0ts = 81.5573tc = 47.6863te = 42.7855tm = 47.7855tn = 37.7855程序8，计算预留轨缝，和伸缩区长度>> %预留轨缝计算E=input('请输入弹性模量E=');alfa