轨道课程设计——无缝轨道设计

1、目录第一章 简介21.1 设计目的和意义21.2 设计内容2第二章 设计理论依据32.1 无缝线路锁定轨温计算图32.2 无缝线路钢轨强度检算32.3 稳定性条件42.4 锁定轨温确定42.5 预留轨缝确定4第三章 设计参数53.1 基本参数53.2 个人条件参数9第四章 计算设计过程104.1 SS8型机车轮载图式104.2 无缝线路强度条件检算104.3 稳定性条件124.4 中和轨温确定144.5 预留轨缝确定14第五章 编程与软件计算175.1 利用MIDAS软件估算静弯矩最大值175.2 利用C语言程序计算动弯矩最大值175.3 利用C语言程序计算长、短钢轨间轨缝185.4 利用C语

2、言程序计算短钢轨间轨缝19第六章 总结与收获21第七章 附录227.1 附录1 最大动弯矩计算程序227.2 附录2 长、短轨缝计算237.3 附录3 短轨缝计算25第一章 简介1.1设计目的和意义无缝线路设计应根据线路、运营、气候条件及轨道类型等因素进行轨道强度、稳定性等检算，并确定设计锁定轨温。设计锁定轨温是无缝线路设计的关键问题，涉及轨道工程这门课的主要理论。该设计目的是使学生更深入地掌握轨道工程基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论）和设计方法。1.2设计内容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

3、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，确定预留轨缝大小。6）给出路基上无缝线路结构设计方案。第二章 设计理论依据2.1 无缝线路锁定轨温计算图图中揭示了该无缝线路设计的主要思路。中和轨温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。此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。应根据无缝线路的设计原则来确定。2.2无缝线路钢轨强度检算确定允许降温幅度强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力：式中：钢轨

4、动弯应力（Mpa），计算方法参见“轨道结构力学分析”一章；钢轨温度应力（Mpa）；钢轨附加应力（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。因此允许的降温幅度可由下式计算：式中：钢轨动弯应力（Mpa），取拉应力计算值。2.3稳定性条件确定允许的升温幅度根据稳定性计算求得的允许温度压力后，可计算出允许的升温幅度：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”。最后，与强度确定的允许升温幅度比较，取最小值。2.4锁定轨温确定根据图，

5、锁定轨温计算如下：2.5预留轨缝的确定符号与下标表示：1长轨2短轨夏天伸长量冬天缩短量长轨和短轨间：120（12）短轨和短轨间：22022第三章 设计参数3.1基本参数设计背景：郑州地区南水北调与京广铁路交叉改线工程3.1.1线路专业(部分)铁路等级：国铁级牵引种类：电气化机车类型：SS8最小曲线半径：1200m设计时速：160km/h实际行车速度：120km/h3.1.2轨道专业 改线铺设有砟轨道，按重型轨道标准设计，铺设区间无缝线路。为保证不中断行车，采用换铺法铺设无缝线路。钢轨：60Kg/m U71Mn百米定尺钢轨，其标准符合TB/T2344-200343Kg/m75

6、Kg/m热轧钢轨订货技术条件。屈服强度，钢轨断面对水平轴的惯性矩。轨枕：型有挡肩混凝土枕（2.6m）,铺设1667根/Km。 扣件：弹条型扣件。道床：路基为双层碎石道床，面砟厚30cm,底砟20cm；桥上道床厚35cm。主要参考文献：1、轨道工程高亮主编，中国铁道出版社；2、铁路轨道 谷爱军主编，中国铁道出版社；3、铁路无缝线路 广钟岩等，中国铁道出版社；3.1.3计算相关的其他问题表3-1 附加速度系数附加速度系数和速度范围km/h电力机车120<V160160<V200表3-2 混凝土枕线路的初始弯曲初始弯曲50kg/m钢轨60kg/m钢轨75kg/m钢轨弹性初弯（m

7、m）3.02.52.0塑性初弯（mm）3.02.52.0表3-3 我国常用机车类型的计算参数机车种类机车型号轮轴名称轮重（kN）轮距（cm）构造速度（km/h）内燃机车ND5第一转向架I106255118II106180III106820第二转向架I106II106180III106250东风4（DF4）第一转向架I112.8180客120货100II112.8180III112.8840第二转向架I112.8II112.8180III112.8180东风11（DF11）第一转向架I112.8200客160II112.8200III112.8826.7第二转向架I112.8II112.8200

8、III112.8200电力机车韶山1（SS1）第一转向架I112.823090II112.8230III112.8580第二转向架I112.8II112.8230III112.8230韶山3（SS3）第一转向架I112.8230100II112.8200III112.8720第二转向架I112.8II112.8230III112.8200韶山4（SS4）第一转向架I112.8300100II112.8520第二转向架I112.8300II112.8520第三转向架I112.8II112.8300第四转向架I112.8520II112.8300韶山8（SS8）第一转向架I107.8290160I

9、I107.8610第二转向架I107.8II107.8290表3-4 横向水平力系数f直线曲线半径R(m)8006005004003001.251.451.601.701.802.00表3-5 等效道床横向阻力（kN/m）轨枕类型道床横向阻力新型混凝土轨枕1760根/km8.51840根/km8.9型混凝土轨枕1667根/km11.5表3-6 我国主要钢种屈服强度（MPa）钢种U71Mn、U71MnGU75V、U75VG、U76CrRE、U77MnCr、U78CrVs457472表3-7 有砟轨道钢轨支座D值轨枕类型轨下胶垫刚度（kN/mm）D（kN/mm）型混凝土轨枕110308027.2型

10、混凝土轨枕8033表3-8 道床纵向阻力表线路特征单枕的道床纵向阻力(kN)一根钢轨下单位道床纵向阻力(N/cm)1667根/km1760根/km1840根/km木枕线路7.06164混凝土枕线路型10.08791型12.5109115型18.3152160动弯矩计算公式：当V120km/h时： 当120km/hV160km/h时： 当160km/hV200km/h时：3.2个人条件参数轨温根据学生所在地区选择:以郑州计算，最高轨温63.0°C，最低轨温-17.9°C，中间轨温22.6°C。已知所用钢轨为60kg/m。其基本数据为钢轨类型kg/m60钢轨屈服强度s

11、/Mpa457断面积F/77.45钢轨允许应力/Mpa352重心距轨底距离y1/mm81钢轨附加应力f/Mpa10对水平轴的惯性矩Ix/cm43217附加压力Pf本设计取0对竖直轴的惯性矩Iy/cm4524接头阻力Ph/KN490下部截面系数W1/cm3396钢的弹性模量E/ Mpa2.1×105下部截面系数W2/cm3339钢轨的线膨胀系数/11.8×10-6钢轨高度H/mm176临界温升tk0钢轨宽度B/mm150标准轨长度/m25轨头高度h/mm48.5变形曲线弦长l0/m4轨头宽度b/mm73钢轨支座刚度D检算钢轨N/cm33000轨腰厚度t/mm16.5检算轨下基

12、础N/cm80000设计速度160km/h，实际运行速度120km/h。故采用SS8型机车，参数如下：机车型号轮轴名称轮重（kN）轮距（cm）构造速度（km/h）韶山8（SS8）第一转向架I107.8290160II107.8610第二转向架I107.8II107.8290第四章 计算设计过程4.1 SS8型机车轮载图式4.2无缝线路钢轨强度检算（确定允许降温幅度）4.2.1计算思路首先计算d=MdW，参照轨道工程课本166167页算例。首先计算静载下钢轨内最大弯矩M0=14ki=12poi-kxicoski-sink。而后通过计算速度系数，偏载系数，横向水平力系数f，计算 。4.2.2 计算

13、刚比系数k根据表3-7查得D值（1）当D=33000N/mm、a=600mm时，（2）当D=80000N/mm、a=600mm时，4.2.3 计算最大静弯矩当机车的一个车轮压在钢轨计算截面上，除了该车轮对计算截面产生应力、挠度外，还应考虑邻轮的影响。一般的将，当车轮计算截面5m以上时，这种影响可以略去不计。对于SS8电力机车，转向架间距离为6.1m，超过5m，故不考虑各转向架的相互影响。各轮载及转向架各轴间距均相等，故只需取第一转向架进行计算。 4.2.4 计算最大动弯矩SS8电力机车运行速度，查表3-1知：速度系数曲线半径，取其未被平衡欠超高最大值，偏载系数为曲线半径，查表3-4知，f=1.

14、45。 4.2.5 确定强度条件允许降温幅度其中，对于新轨4.2.6 根据钢轨折断时的断缝确定允许降温幅度查表3-8得，道床纵向阻力r=152N/cm。钢轨断缝限值为70mm。4.3 稳定性条件（确定允许升温幅度）4.3.1 计算思路参照轨道工程课本253页算例，首先计算各项系数，后经过与的反复迭代，最终确定与，计算出，并依据安全系数K，得出4.3.2计算过程（1）参数选取：选用型混凝土轨枕，1667根/km，查表3-5知，道床等效阻力Q为115N/cm。线路容许弯曲矢度，（2）换算曲率塑形初始弯曲半径，（3）， a.第一次试算 b.第二次试算 c.第三次试算 d.第四次试算 (4)计算P(4

15、)计算允许升温幅度4.4 中和轨温确定最大允许升温幅度最大允许降温幅度，取最不利情况4.5 预留轨缝的确定轨枕选用型混凝土轨枕,1667根/km；接头阻力PH取400kN，查表3-8知，单枕的道床纵向阻力为18.3kN。4.5.1 伸缩区长度计算4.5.2 预留轨缝计算利用excel表格计算较方便，详见表4-1、4-2。26 表4-1 长钢轨与短钢轨间设计轨缝计算表 长度单位:mm温度()1718192021222324252627Pt1=2.48F(Ti-Tmin) (N)670345689553708760727968747176766383785591804798824006843214

16、862421长=(Pt1-PH)2/(2EFr) (mm)1.473 1.690 1.922 2.168 2.430 2.706 2.997 3.303 3.624 3.960 4.311 短=(Pt1-PH)l/(2EF)-rl2/(8EF) (mm)0.002 0.002 0.002 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.004 a上=ag-（长+短）(mm)17 16 16 16 16 15 15 15 14 14 14 Pt2=2.48F(Tmax-Ti) (N)8835508643428451348259278067197875127

17、68304749096729889710681691474'长=(Pt2-PH)2/(2EFr) (mm)4.713 4.346 3.994 3.657 3.335 3.027 2.734 2.457 2.194 1.946 1.713 '短=(Pt2-PH)2l/(2EF)-rl2/(8EF) (mm)0.004 0.004 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.002 0.002 a下='长+'短 (mm)5 4 4 4 3 3 3 2 2 2 2 a0=(a上+a下)/2 (mm)11 10 10 10 9

18、 9 9 9 8 8 8 表4-2 短钢轨间设计轨缝计算表 长度单位:mm温度()1718192021222324252627Pt1=2.48F(Ti-Tmin) (N)670345689553708760727968747176766383785591804798824006843214862421短=(Pt1-PH)l/(2EF)-rl2/(8EF) (mm)0.002 0.002 0.002 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.004 短=(Pt1-PH)l/(2EF)-rl2/(8EF) (mm)0.002 0.002 0.002 0

19、.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.004 a上=ag-（长+短）(mm)18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 Pt2=2.48F(Tmax-Ti) (N)883550864342845134825927806719787512768304749096729889710681691474'短=(Pt2-PH)2l/(2EF)-rl2/(8EF) (mm)0.004 0.004 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.002 0.002 '短=(Pt2-P

20、H)2l/(2EF)-rl2/(8EF) (mm)0.004 0.004 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.002 0.002 a下='长+'短 (mm)0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a0=(a上+a下)/2 (mm)9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 第五章 编程与软件计算以上各章通过手算与excel表格计算进行了设计，本章将通过有限元软件MIDAS与C语言编程进行设计计算，经过实践验证，可以大大提高计算效率。5.1 通过MIDAS软件估算最大静弯矩M0由于MIDAS中没有现成的60轨断面，因此截面尺

21、寸取近似值。 建模1建模2可以得到：与手算值误差在5%以内。5.2 利用C语言程序计算最大动弯矩Md（程序见附件）由程序算出的静弯矩和动弯矩分别为：手算得到的静弯矩和动弯矩分别为：二者的误差极小约为0.03%，是由取值精度引起的。5.3长短钢轨间轨缝计算输入各项参数值：当温度为17°C是，缓冲区轨缝为11mm当温度为18°C是，缓冲区轨缝为10mm当温度为19°C是，缓冲区轨缝为10mm当温度为20°C是，缓冲区轨缝为10mm当温度为21°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为22°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为23°C是，缓冲

22、区轨缝为9mm当温度为24°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为25°C是，缓冲区轨缝为8mm当温度为26°C是，缓冲区轨缝为8mm当温度为27°C是，缓冲区轨缝为8mm与excel表格的计算结果完全一致。5.4短钢轨间轨缝计算输入各项参数值：当温度为17°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为18°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为19°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为20°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为21°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为22°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为23°C是，缓

23、冲区轨缝为9mm当温度为24°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为25°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为26°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为27°C是，缓冲区轨缝为9mm当温度为28°C是，缓冲区轨缝为9mm。第六章 总结与收获本次轨道工程课程设计，主要应用章节为第五章、第七章，其中第五章部分应用主要在于轨道轮载组合下动弯矩的计算，其余主要在第七章，但是整个课设综合运用了整本轨道工程的知识，各个章节都有涉猎，在完成过程中，需要不断查找之前学习过的知识，每个环节的计算、分析都需要大量的时间，这与之前轨道工程课程的学习不够认真有直接关系，课程设计是对

24、整个课程的一个总结，也是一个查漏补缺的过程，通过此次课设，在轨道工程这门课程上也有了更加深刻的认识。课设的编程参考了C语言程序设计的一些计算实例，但是参数较多，如果只是用于一组参数的计算，显得比较拖沓，但是如果应用于多组参数，则能较快完成任务。课程设计的检查还需要经过多次的比对，其中手算结果与程序计算结果相对应，显示了较高的可靠性。希望在以后的学习中，自己能再认真一些，不止为高效完成课设，也为了以后能多一些知识储备。另外，在课程设计的过程中也发现了课本上的小错误或者表述不明确的地方，导致自己在课程设计的过程中花费了很多时间，但最终搞明白之后还是很满足的。例如课本167页算例，其中cos(kx)

25、中kx是弧度制，但是课本上并未表述，导致手算的时候用的角度，程序计算时用的弧度，使两个结果出现了不一致，后来发现问题原因之后进行了改正，结果十分吻合。第七章 附录7.1 附录1 最大动弯矩计算#include<stdio.h>#include<math.h>void main()double D1,D2,a,u,u1,u2,k,k1,k2,E,Ix,M0,P0i,xi,x1,x2;printf("请输入检算钢轨时钢轨支座刚度D1(N/mm):n");scanf("%lf",&D1);printf("请输入检算轨下

26、基础时钢轨支座刚度D2(N/mm):n");scanf("%lf",&D2);printf("请输入钢轨轨枕间距a(mm):n");scanf("%lf",&a);printf("请输入钢轨弹性模量E(MPa):n");scanf("%lf",&E);printf("请输入钢轨截面惯性矩Ix(mm4):n");scanf("%lf",&Ix);printf("请输入机车的轮重P0i(N):n")

27、;scanf("%lf",&P0i);printf("请输入机车的轮距(mm)xi:n");scanf("%lf",&xi);u1=D1/a;x1=u1/(4*E*Ix);k1=sqrt(sqrt(x1);u2=D2/a;x2=u2/(4*E*Ix);k2=sqrt(sqrt(x2);if (u1<u2) u=u1;else u=u2;if (k1<k2) k=k1;else k=k2;M0=1/(4*k)*P0i*(1+exp(-k*xi)*(cos(k*xi)-sin(k*xi); printf(&qu

28、ot;钢轨基础弹性模量u1=%7.2lfMPan",u1);printf("刚比系数k1=%7.8lfmm-1n",k1);printf("钢轨基础弹性模量u2=%7.2lfMPan",u2);printf("刚比系数k2=%7.8lfmm-1n",k2);printf("静弯矩最大值M0=%10.2lfN*mmn",M0);double Vmax, ho,ao1,bo,Md,Rd,yd;printf("请输入轨道允许的最高速度Vmax(km/h):n");scanf("%l

29、f",&Vmax);printf("请输入轨道的未被平衡超高值ho(mm):n");scanf("%lf",&ho);ao1=0.6*Vmax/100; bo=0.002*ho;Md=M0*(1+ao1+bo)*1.45;printf("钢轨上的动弯矩为Md=%lfN*mmn",Md);7.2附录2 长短轨缝计算#include<stdio.h>#include<math.h>void main()double T11= 17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27

30、,doublea,r,r2,E,F,w,pt1,pt2,pH,lc1,ld1,lc2,ld2,l1,l2,lg,Tmax,Tmin ,L;int i; printf("请输入钢轨截面面积F(mm2):n");scanf("%lf",&F);printf("请输入钢轨轨枕间距a(mm):n");scanf("%lf",&a);printf("请输入钢轨弹性模量E(MPa):n");scanf("%lf",&E);printf("请输入单根轨枕纵

31、向阻力r2(N):n");scanf("%lf",&r2);printf("请输入钢轨的线膨胀系数:n");scanf("%lf",&w);printf("构造轨缝ag(mm):n");scanf("%lf",&lg);printf("请输入钢轨接头阻力pH(N):n");scanf("%lf",&pH);printf("请输入最高轨温Tmax():n");scanf("%lf&quo

32、t;,&Tmax);printf("请输入最低轨温Tmin():n");scanf("%lf",&Tmin);printf("请输入标准轨的长度L(m):n");scanf("%lf",&L); r=r2/(2*a);for(i=0;i<11;i+)pt1=F*E*w*(Ti-Tmin);lc1=(pt1-pH)*(pt1-pH)/(2*E*F*r);ld1=(pt1-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);pt2=F*E*w*(Tmax-Ti);lc2=(pt2-pH)*(pt2-pH)/(2*E*F*r);ld2=(pt2-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);l1=lg-lc1-ld1;l2=lc2+ld2;printf("当温度为%.0f钢轨预留轨缝上限为%.0fmmn",Ti,l1);printf("当温度为%.0f钢轨预留轨缝下限为%.0fmmn",Ti,l2);7.3附录3 短轨缝计算#include<stdio.h>#include<math.h>void main()double T11= 17,18,19,20