课件第二 钢轨

1、1/112第二章第二章 钢钢 轨轨姓名姓名道路与铁道工程专业道路与铁道工程专业2/1122.1 钢轨的功用和类型钢轨的功用和类型2.2 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状2.3 钢轨材质及其力学指标钢轨材质及其力学指标2.4 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求钢轨尺寸允许偏差及平直度要求2.5 钢轨损伤钢轨损伤 2.6 钢轨接头钢轨接头第二章第二章 钢轨钢轨3/1122.1 钢轨的功用和类型钢轨的功用和类型2.1.1 钢轨的功用钢轨的功用钢轨是铁路轨道的主要部件。钢轨与机车车辆的车轮钢轨是铁路轨道的主要部件。钢轨与机车车辆的车轮直接触，钢轨质量的好坏直接影响

2、到行车的安全性和平稳直接触，钢轨质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性。性。钢轨必须具备以下几个方面的功能：钢轨必须具备以下几个方面的功能：（1）引导机车车辆车轮前进；）引导机车车辆车轮前进；（2）承受并传布来自车轮的巨大垂向压力，还要承）承受并传布来自车轮的巨大垂向压力，还要承受横向力和纵向力；受横向力和纵向力； （3）兼做轨道电路。）兼做轨道电路。2.1 钢轨的功用和类型钢轨的功用和类型4/1122.1 钢轨的功用和类型钢轨的功用和类型2.1.2 钢轨的类型钢轨的类型（1）钢轨类型一般以）钢轨类型一般以取整后的每延米钢轨质量取整后的每延米钢轨质量（kg/m）来分类。）来分类。目前我国使用

3、的标准钢轨有目前我国使用的标准钢轨有75、60、50、43、38 kg/m。 60、50kg/m钢轨是目前我国铁路的钢轨是目前我国铁路的主型钢轨，铁路正线和新建的城市主型钢轨，铁路正线和新建的城市轨道大都采用轨道大都采用60kg/m钢轨。钢轨。5/112（2）按钢轨长度分）按钢轨长度分目前我国使用的标准轨长度有目前我国使用的标准轨长度有12.5m和和25m两两种，以及新近生产的种，以及新近生产的50m和和100m标准轨。标准轨。对于对于75kg/m钢轨，只有钢轨，只有25m一种。一种。在曲线上还需要使用标准缩短轨。在曲线上还需要使用标准缩短轨。2.1 钢轨的功用和类型钢轨的功用和类型6/112

4、（3）按钢轨使用分）按钢轨使用分目前世界各国铁路使用钢轨分目前世界各国铁路使用钢轨分重载高速铁路钢重载高速铁路钢轨轨和和普速铁路钢轨普速铁路钢轨。重载铁路：重载铁路： 俄罗斯俄罗斯 R75钢轨钢轨 美美 国国 136RE (65kg/m) 140RE(70kg/m)钢轨钢轨 中中 国国 CHN60钢轨钢轨高速铁路：高速铁路：60kg/m的钢轨的钢轨 如如 日本新干线、法国日本新干线、法国TGV和德国和德国ICE2.1 钢轨的功用和类型钢轨的功用和类型7/1122.2 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状第二章第二章 钢轨钢轨8/1122.2 钢轨截面设计

5、原则及我国主型钢轨截面形状钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状采用抵抗弯曲最佳的工字型采用抵抗弯曲最佳的工字型由轨头、轨腰和轨底三部分由轨头、轨腰和轨底三部分 组成组成圆弧连接圆弧连接 钢轨的三个主要尺寸：钢轨的三个主要尺寸：钢轨高度钢轨高度轨头宽度轨头宽度 轨底宽度轨底宽度 图图2-1 2-1 钢轨截面形状钢轨截面形状9/112 根据钢轨的受力特点，对轨头、轨腰和轨底根据钢轨的受力特点，对轨头、轨腰和轨底三部分的要求如下：三部分的要求如下：（1）轨头宜大而厚，并具有与车轮踏面相适应的外）轨头宜大而厚，并具有与车轮踏面相适应的外形，以改善轨接触条件，提高抵抗压陷的能力，形，以改善轨接触条件，

6、提高抵抗压陷的能力，同时具有足够的支承面积，以备磨耗。同时具有足够的支承面积，以备磨耗。（2）轨腰必须有足够的厚度和高度，具有较大的承）轨腰必须有足够的厚度和高度，具有较大的承载能力和抗弯能力。载能力和抗弯能力。 （3）轨底直接支承在轨枕顶面上，为保持钢轨稳定）轨底直接支承在轨枕顶面上，为保持钢轨稳定，应有足够的宽度和厚度，并具有必要的刚度和，应有足够的宽度和厚度，并具有必要的刚度和抗锈蚀能力。抗锈蚀能力。 2.2 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状10/1122.2 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状项项 目

7、目钢轨类型钢轨类型CHN 75CHN 60CHN 50CHN 45每米质量每米质量m(kg/m)74.41460.6451.51444.653截面面积截面面积F(cm2)95.07377.4565.857重心距轨底面的距离重心距轨底面的距离y1(mm)88817169对水平轴的惯性矩对水平轴的惯性矩Jx(cm4)4490321720371489对竖直轴的惯性矩对竖直轴的惯性矩Jy(cm4)665524377260底部截面系数底部截面系数W1(cm3)509396287217头部截面系数头部截面系数W2 (cm3)432339251208轨底横向挠曲截面系数轨底横向挠曲截面系数Wy (cm3)8

8、9705746钢轨高度钢轨高度H(mm)192176152140轨底宽度轨底宽度B(mm)150150132111轨头高度轨头高度h(mm)55.348.54242轨头宽度轨头宽度b(mm)75737070轨腰厚度轨腰厚度t(mm)2016.515.514.5表表2-1 钢轨截面尺寸及特性参数钢轨截面尺寸及特性参数11/1122.2 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状（a）CHN50钢轨（b）CHN60钢轨（b）CHN60钢轨（c）CHN75钢轨图图2-2 我国三种主要钢轨的截面尺寸我国三种主要钢轨的截面尺寸(mm)12/1122.3 钢轨材质及其力学

9、指标钢轨材质及其力学指标2.3.1 钢轨材质钢轨材质 钢轨钢的主要成分是铁和碳，并根据强度和硬度的需要增加其他化学元钢轨钢的主要成分是铁和碳，并根据强度和硬度的需要增加其他化学元素，同时限制磷和硫等有害元素的含量。素，同时限制磷和硫等有害元素的含量。 第二章第二章 钢轨钢轨13/1122.3.2 钢轨的力学指标钢轨的力学指标钢轨的机械性能用强度极限、屈服极限、疲劳钢轨的机械性能用强度极限、屈服极限、疲劳极限、延伸率、断面收缩率、冲击韧性及布氏硬极限、延伸率、断面收缩率、冲击韧性及布氏硬度指标度指标HB等来表示。这些指标对钢轨的承载能力等来表示。这些指标对钢轨的承载能力、磨耗、压溃、断裂及其他伤

10、损有很大的影响。、磨耗、压溃、断裂及其他伤损有很大的影响。 目前世界各国都致力于钢轨的纯净化、重型化目前世界各国都致力于钢轨的纯净化、重型化和强韧化。和强韧化。2.3 钢轨材质及其力学指标钢轨材质及其力学指标b14/1122.4 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求钢轨尺寸允许偏差及平直度要求第二章第二章 钢轨钢轨（1）为保证列车运行的平稳性，则要求轨道的几何形位稳定）为保证列车运行的平稳性，则要求轨道的几何形位稳定，轨头的轮轨接触光带位置及宽度稳定，而要达到这一点，高，轨头的轮轨接触光带位置及宽度稳定，而要达到这一点，高精度的外形尺寸和高平直度的钢轨是必不可少的。精度的外形尺寸和高平直度的钢轨是必不

11、可少的。 15/1122.4 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求钢轨尺寸允许偏差及平直度要求（2）钢轨焊接接头是无缝线路轨道单独不平顺的来）钢轨焊接接头是无缝线路轨道单独不平顺的来源之一。源之一。钢轨焊接接头分三种，接触焊、气压焊、铝热焊。钢轨焊接接头分三种，接触焊、气压焊、铝热焊。由于钢轨焊缝材质、金相组织、硬度、韧度等与钢由于钢轨焊缝材质、金相组织、硬度、韧度等与钢轨母材的差别，焊接设备的精度高低，操作工人的轨母材的差别，焊接设备的精度高低，操作工人的技术熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面技术熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。不平整。为保证高速列车的高速、平稳性地运行，并减少

12、轮为保证高速列车的高速、平稳性地运行，并减少轮轨之间的动力作用，对钢轨焊接接头的焊接质量、轨之间的动力作用，对钢轨焊接接头的焊接质量、平直度等提出了更高的要求。平直度等提出了更高的要求。 16/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损 我国根据钢轨的伤损种类，伤损位置及伤损我国根据钢轨的伤损种类，伤损位置及伤损原因进行分类，如下表。原因进行分类，如下表。第二章第二章 钢轨钢轨17/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损2.5.1 钢轨接头螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹钢轨接头螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹（1）螺栓孔裂纹）螺栓孔裂纹 在轮轨冲击荷载作用下，螺栓孔周围先产生肉眼看不在轮轨冲击荷载作用下，螺栓孔周围先产生肉眼看

13、不见的见的45斜向细微裂纹，进一步扩展并产生断裂。斜向细微裂纹，进一步扩展并产生断裂。一般措施：一般措施：提高钢轨接头区轨道结构的弹性；提高钢轨接头区轨道结构的弹性； 提高螺栓孔表面的加工光洁度提高螺栓孔表面的加工光洁度和在孔口倒棱；和在孔口倒棱；对螺栓孔表面进行硬化、防锈等对螺栓孔表面进行硬化、防锈等处理，提高螺栓表面的强度。处理，提高螺栓表面的强度。 18/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损（2）焊接接头裂纹）焊接接头裂纹由于焊缝材料与钢轨母材不一致，造成焊缝处钢轨的磨损与母材不一致由于焊缝材料与钢轨母材不一致，造成焊缝处钢轨的磨损与母材不一致而产生轨面不平顺，增大了轮轨冲击荷载，从而造成焊接

14、接头钢轨的断而产生轨面不平顺，增大了轮轨冲击荷载，从而造成焊接接头钢轨的断裂。裂。19/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损2.5.2 轨头核伤轨头核伤内因：由于钢轨在制造过程中，在钢轨中的非金属夹杂物内因：由于钢轨在制造过程中，在钢轨中的非金属夹杂物或微小气泡；或微小气泡；外因：在列车荷载作用下，产生巨大的接触应力，使钢轨外因：在列车荷载作用下，产生巨大的接触应力，使钢轨接触疲劳破坏。接触疲劳破坏。 减缓措施：提高钢轨的纯净度；提高钢轨的接触疲劳强度；减缓措施：提高钢轨的纯净度；提高钢轨的接触疲劳强度；提高轨道结构的弹性，减小轮轨冲击荷载。提高轨道结构的弹性，减小轮轨冲击荷载。 20/1122.5

15、 钢轨伤损钢轨伤损2.5.3 轨头剥离轨头剥离主要原因：轮轨接触应力过大，钢轨强度不足；主要原因：轮轨接触应力过大，钢轨强度不足；钢轨材质有缺陷；车轮和轨道的维修工作不良等钢轨材质有缺陷；车轮和轨道的维修工作不良等 轨头圆角处轨头圆角处45细微斜裂纹细微斜裂纹 钢轨表面的剥离掉块钢轨表面的剥离掉块 21/1122.5 钢轨损伤钢轨损伤2.5.4 钢轨磨耗钢轨磨耗钢轨磨耗分垂直磨耗、侧面磨耗和波浪形磨耗。钢轨磨耗分垂直磨耗、侧面磨耗和波浪形磨耗。 （1）垂直磨耗）垂直磨耗存在于所有线路，随轴重和总重的增加而增大，几何形位存在于所有线路，随轴重和总重的增加而增大，几何形位设置不当加快垂直磨耗。设置

16、不当加快垂直磨耗。（2）侧面磨耗）侧面磨耗 发生在曲线轨道的外股钢轨。发生在曲线轨道的外股钢轨。 主要原因是机车车辆通过曲线时，作用在主要原因是机车车辆通过曲线时，作用在 外股钢轨轨头内侧的轮缘力和轮轨冲击角。外股钢轨轨头内侧的轮缘力和轮轨冲击角。 减缓措施：合理调整轨道结构参数；减缓措施：合理调整轨道结构参数； 改善轨道结构的动力性能；改善轨道结构的动力性能； 钢轨侧面涂油等。钢轨侧面涂油等。 22/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损（3）波浪形磨耗）波浪形磨耗钢轨波浪形磨耗钢轨波浪形磨耗(Corrugation，简称波磨，简称波磨)是指钢轨投入运行后在钢轨表面上出现的是指钢轨投入运行后在钢轨表

17、面上出现的有一定规律的周期性磨损和塑性变形，如有一定规律的周期性磨损和塑性变形，如上图所示。上图所示。 产生原因产生原因内因：动力作用内因：动力作用外因：钢轨材质、性能，以及外因：钢轨材质、性能，以及 列车运行工况列车运行工况 根据波长分为波纹磨耗、长波磨根据波长分为波纹磨耗、长波磨耗耗。防止和减缓钢轨波磨的措施：防止和减缓钢轨波磨的措施： 提高轨道结构的弹性；提高轨道结构的弹性； 合理设置曲线轨道的参数；合理设置曲线轨道的参数； 钢轨表面打磨等。钢轨表面打磨等。23/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损2.5.5 钢轨探伤钢轨探伤根据钢轨探伤设备的工作原理，分电磁探伤和根据钢轨探伤设备的工作原理，

18、分电磁探伤和超声波探伤超声波探伤两大类。两大类。 超声波探头（钢轨探伤的主要元件）超声波探头（钢轨探伤的主要元件） 发现钢轨内部存在的伤痕发现钢轨内部存在的伤痕 判断伤痕的深度判断伤痕的深度24/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损探伤设备探伤设备线路上的探伤设备有手推式探伤小车和大型探伤车。线路上的探伤设备有手推式探伤小车和大型探伤车。 （1）探伤小车）探伤小车 效率低，劳动强度大。效率低，劳动强度大。25/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损（2）大型探伤车）大型探伤车大型钢轨探伤车通常是指能同时对两股钢轨进行快速大型钢轨探伤车通常是指能同时对两股钢轨进行快速探测，并能实时分析、处理和记录探测结果的钢

19、轨探伤设探测，并能实时分析、处理和记录探测结果的钢轨探伤设备。备。26/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损钢轨探伤车探测小车架共安装有四个结构完全相同的钢轨探伤车探测小车架共安装有四个结构完全相同的超声波轮探头，每股钢轨上两个。每个轮探头内有超声波轮探头，每股钢轨上两个。每个轮探头内有6个换个换能器：能器：1个个0，3个个70，1个个45，1个侧向个侧向45。 27/1122.5 钢轨伤损钢轨伤损45换能器的作用：换能器的作用：45横波声束横波声束(2.25MHz)主要主要用于探测轨腰部分缺陷，尤用于探测轨腰部分缺陷，尤其是螺孔裂纹其是螺孔裂纹 0换能器的作用：换能器的作用：检测伤损检测伤损 底波

20、监底波监视视 界面跟踪界面跟踪 70换能器的作用：换能器的作用：三束横波声束三束横波声束(2.25MHz)探探测轨头及轨腰上部缺陷测轨头及轨腰上部缺陷 45 声束在钢轨中覆盖区声束在钢轨中覆盖区0 声束在钢轨中覆盖区声束在钢轨中覆盖区70 声束在钢轨中覆盖区声束在钢轨中覆盖区侧打侧打45换能器：指向钢轨内侧或外侧的横波声束换能器：指向钢轨内侧或外侧的横波声束(2.25MHz)，目的是，目的是查钢轨颚部界限及其尺寸，主要用于探测轨头垂直劈裂缺陷。查钢轨颚部界限及其尺寸，主要用于探测轨头垂直劈裂缺陷。28/112第二章第二章 钢轨钢轨2.6 钢轨接头钢轨接头在两根定长的钢轨之间，用夹板连接成连续的

21、轨线在两根定长的钢轨之间，用夹板连接成连续的轨线，称为钢轨接头。，称为钢轨接头。接头处轮轨动力作用大，养护维修工作量大。接头处轮轨动力作用大，养护维修工作量大。29/1122.6 钢轨接头钢轨接头2.6.1接头联接零件接头联接零件 钢轨接头的联结零件由夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈组钢轨接头的联结零件由夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈组成。成。 接头夹板分斜坡支承型和圆弧支承型两种。接头夹板分斜坡支承型和圆弧支承型两种。 我国目前标准钢轨接头用斜坡支承型双头对称式夹板。我国目前标准钢轨接头用斜坡支承型双头对称式夹板。 30/1122.6 钢轨接头钢轨接头我国铁路使用的接头夹板和接头螺栓如图我国铁路使用的

22、接头夹板和接头螺栓如图2-19所示。所示。 31/1122.6 钢轨接头钢轨接头2.6.2 接头轨缝接头轨缝为了让钢轨能热胀冷缩，在普通线路的钢轨接头处要预为了让钢轨能热胀冷缩，在普通线路的钢轨接头处要预留轨缝。轨缝大小按铁道部颁发的留轨缝。轨缝大小按铁道部颁发的铁路线路维修规则铁路线路维修规则中中的预留轨缝公式计算：的预留轨缝公式计算：32/1122.6 钢轨接头钢轨接头2.6.3 接头布置接头布置（1）钢轨接头相对于轨枕的承垫形式可分为两种：）钢轨接头相对于轨枕的承垫形式可分为两种：悬空式和承垫式。悬空式和承垫式。 33/1122.6 钢轨接头钢轨接头（2）按两股钢轨接头的位置可分为相对式

23、和相错式。）按两股钢轨接头的位置可分为相对式和相错式。34/1122.6 钢轨接头钢轨接头2.6.4 接头类型接头类型按钢轨接头的功能可分按钢轨接头的功能可分普通接头、异形接头、导电接头、绝缘胶接接头、伸缩接头和焊接接头。普通接头、异形接头、导电接头、绝缘胶接接头、伸缩接头和焊接接头。（2）钢轨异形接头钢轨异形接头，用于连接两种不同型号的钢轨。，用于连接两种不同型号的钢轨。（1）普通接头普通接头，由夹板、螺栓、弹簧垫圈组成。，由夹板、螺栓、弹簧垫圈组成。35/1122.6 钢轨接头钢轨接头（3）导电接头）导电接头由于钢轨表面和夹板表面生锈，导致接头电阻较大，为了减少轨道电路的电由于钢轨表面和夹

24、板表面生锈，导致接头电阻较大，为了减少轨道电路的电流损失，在轨端钻孔连接导电线。由于在轨头钻孔影响钢轨的疲劳强度，现流损失，在轨端钻孔连接导电线。由于在轨头钻孔影响钢轨的疲劳强度，现在的在的导电接头导电接头一般用喷焊连接导电线。一般用喷焊连接导电线。 36/1122.6 钢轨接头钢轨接头（4）绝缘接头绝缘接头，用于自动闭塞区段闭塞分区两端的钢轨接头上，隔断电流。，用于自动闭塞区段闭塞分区两端的钢轨接头上，隔断电流。 37/1122.6 钢轨接头钢轨接头（5）伸缩接头又称钢轨伸缩调节器，钢轨伸缩接头分基本轨和尖轨，尖轨）伸缩接头又称钢轨伸缩调节器，钢轨伸缩接头分基本轨和尖轨，尖轨固定不动，基本轨

25、向轨道外侧伸缩，这样保证了基本伸缩时轨距保持不变。固定不动，基本轨向轨道外侧伸缩，这样保证了基本伸缩时轨距保持不变。我国一般在跨度大于我国一般在跨度大于100m的桥上使用伸缩接头。的桥上使用伸缩接头。38/1122.6 钢轨接头钢轨接头（6）温度应力无缝线路长钢轨使用）温度应力无缝线路长钢轨使用钢轨焊接头钢轨焊接头，焊接头有接触焊、气压焊和铝热焊焊接头有接触焊、气压焊和铝热焊 。39/1122.6 钢轨接头钢轨接头2.6.5 钢轨接头不平顺及受力钢轨接头不平顺及受力钢轨接头是轨道结构的薄弱环节之一钢轨接头是轨道结构的薄弱环节之一 ，接头虽然能保持轨道的几，接头虽然能保持轨道的几何形位，但在一定程度