轨道结构理论及轨道力学(钢轨)

轨道结构理论与轨道力学第三章钢轨第一节钢轨重型化钢轨断面的设计原则钢轨断面形状的发展趋势钢轨重型化后轨道的受力特点(1)抗弯功能，工字钢的变形头大：加厚头部以提供更多的可磨耗面积，延长寿命腰长：加高轨腰提高抗弯能力底宽：加宽轨底提高抗弯稳定性1.轮载断面形状及其设计原则(2)减小局部应力各局部连接圆弧：R2-5mm轨头圆弧：２段或５段R13-300-13R13-80-300-80-13R15-80-500-80-15轨头圆弧：R350-450+15-25mm(3)减小残余应力残余应力：轨腰受压、轨头轨底受拉钢轨热轧冷却过程中形成残余应力冷却顺序：轨腰、轨底、轨头相对合理面积：轨腰35%、轨腰25%、轨底35%(1)轨高增加较快，底宽增加到一定程度不再增加型号75605043轨高(mm)192176152140比例1.261.1610.92底宽(mm)150150132114比例1.141.1410.862.钢轨重型化中断面的发展趋势型号75605043垂向4490321720371489横向661524377260垂/横比值6.86.15.45.7垂向比例2.21.5810.73(2)垂向及横向抗弯刚度均有增加，但垂向抗弯增加更大型号75605043轨头面积比例37.4437.4738.6842.83轨底面积比例36.0337.2437.5535.86轨头宽度75737070轨腰厚度2016.515.514.5(4)轨头宽度和轨腰厚度略有增加(3)轨头轨底面积逐渐增加，但所占比例减小型号轨头圆弧7515-80-500-80-156013-80-300-80-135013-300-134313-300-13(5)轨头半径增加，圆弧段数增加，且向磨耗型踏面发展磨耗型踏面的概念：轨头经磨耗后，能够长期保持的形状轨头顶部半径大与小的优缺点：半径大：轮轨接触应力小；但轨头圆弧很快变平，轮轨接触点不易控制，R80及R13容易接触到车轮；曲线地段调整内外轨长度差的能力较低半径小：轮轨接触应力大；但轨头圆弧不易变平，轮轨接触点易控制，R80及R13不易接触到车轮；曲线地段调整内外轨长度差的能力较低重载线路上的钢轨不对称打磨型号下颚圆弧半径轨腰圆弧半径7525500602540050173504315300(6)轨头下颚及轨腰圆弧半径逐渐增大型号轨头下颚接触面斜度轨底接触面斜度751/301/30601/301/30501/401/40431/401/40(7)与接头夹板接触的斜面变陡钢轨与接头夹板接触斜面陡与缓的问题接触斜面陡：轨腰所受垂向拉力降低，有利于减小轨腰螺栓孔开裂和轨头下颚纵向裂纹，但因接头螺栓所需拉力更大，对接触螺栓的要求更高。接触斜面缓：正好相反型号轨头侧面751/20601/2050垂直43垂直轨头宽度增加后，钢轨侧面磨耗明显加快，因此宜控制轨头宽度(8)为减小轨头宽度，重型轨轨头侧面呈斜面型号垂磨限(mm)侧磨限(mm)75122160111950101743915(9)轨头垂磨限增加较多，而侧磨限增加不大轨头磨耗限的确定依据轨头磨耗后的形状：接近车轮踏面形状1/20斜面R48正弯面R48反弯面原则１：钢轨抗弯强度，轨头磨耗面积可达到40-50%，一般不起控制作用原则2：车轮轮缘不与夹板接触，轨头磨耗面积一般只能达到20-25%，对垂磨限起控制作用提高轨头垂磨限的高净空夹板原则3：钢轨侧面磨耗（轨顶以下16mm处取量），不能超过扣件对轨距的高速能力，此项对钢轨侧磨限值起控制作用。大多数扣件（同一枕上的两组扣件同时调整）对轨距的高速能力在16-25mm，所以一般钢轨侧磨限确定在20-25mm间。类型大修周期（亿吨）比例75无缝91.6475普通71.5660无缝71.2760普通61.3350无缝5.5150普通4.51432.50.56类型重量比751.46601.18501430.83大修周期增加的比例比重量增加的比例大，说明钢轨重型化后钢材的利用率在增加。(10)轨道大修周期显著延长3.钢轨重型化后轨道的受力特点

重型化后增加的参量：

轮轨间垂向力

轮轨间横向力

轮轨接触应力

钢轨磨耗速率

钢轨伤损速率

重型化后减小的参量：

轨道平平顺

钢轨弯矩

钢轨应力

枕上压力

道床应力与道床病害

路基应力与路基病害钢轨重型化的实质：以增加钢轨负担为代价，以达到显著减小轨下基础（道床及路基）的受力和变形，从而延缓轨道的变形积累及质量劣化。由于重型化后钢轨负担明显加重，所以单纯地提高钢轨重量是不行的，钢轨重型化的过程必须伴随着钢轨材质的强韧化。第二节钢轨强韧化钢轨材质的机械性能钢轨材料杂质钢轨热处理合金轨1.钢轨材料的化学性能铁＋碳＋硅＋锰＋（铜）＋[磷＋硫]亚共析钢碳含量小于0.82%，0.62-0.8%0.13-0.3%，硅合金钢0.7-1.15%0.6-1.0%，锰合金钢0.8-1.5%无，铜合金钢0.1-0.4%杂质，应尽可能少，小于0.05%(1)化学成份非金属夹杂物的危害：夹杂物的硬度不可能与钢材一样，非软即硬。硬的夹杂物如流水中的石头，在金属发生塑性变形时会在其周边形成微裂纹。软的夹杂物如空洞，其周边产生应力集中，也会出现微裂纹。夹杂物较多时严重影响钢材的疲劳寿命。(2)非金属夹杂物钢中夹杂物分为四类：氧化物（铁、锰、铝、铬、硅）：氧化亚铁软脆，三氧化二铝质硬

硫化物：热脆，液态铁中溶解性大，冷却会析于金属晶粒周边硅酸盐：质软氮化物：质硬、脆性大(3)金相组织片状珠光体＋少量铁素体极薄较硬的碳化铁（渗碳体）＋较软且韧性较好的纯铁（铁素体）单独出现的铁素体在珠光体间宜均匀分布，不能呈大块状（质软），也不能呈网状（脆性）。不允许出现因轧制温度过高、冷却速度过快造成的马氏体或贝氏体2.物理力学性能强度：硬度（布氏硬度，表征耐磨性）：220－230韧性：小试件延伸率：冲击韧性：落锤试验落锤高度：506075轨7.49.811.2m落锤后测试：跨中残余挠度不大于5.5cm，无裂纹。3.钢轨热处理轨头中频加热至850度左右骤冷至300度左右普通碳素轨奥氏体的相变温度钢轨热经处理后显著提高了耐磨性能重型轨和特重型轨必须经过全长淬火才能上道使用。其他钢轨用于曲线半径小于600m地段外轨时，须经全长淬火。我国目前钢轨淬火中的问题：淬火设备、质量控制技术4.合金轨除淬火外，合金强化是另一强化途径。钢中加入合金元素Si、Mn、Cr、Nb、V等，除了固溶强化基体外，相同冷速下可获得片间距更加细小的珠光体组织，以提高其强度和韧性。

合金轨的可焊性问题钢轨强度等级5.钢轨材料发展的新趋势(1)过共析钢钢轨含碳量增加引起的韧性降低采用进一步细化晶粒弥补。CSiMnPSCr0.890.480.610.0140.0090.25(2)马氏体及贝氏体钢轨英钢联开发了轨头硬度445HB的马氏体钢轨钢。德国研究的轨头硬度425HB的贝氏体钢轨已经在挪威的重载线路上进行铺设试验。日本研制的轨头硬度420HB的贝氏体钢轨正在美国FAST环形试验线上进行试验。美国也开发了硬度430HB的贝氏体钢轨。(2)稀土钢轨我国1960～70年代曾开展过稀土轨的研究工作，小半经曲线上铺设试验表明其耐磨性很好。1991年恢复稀土轨的研制，投入生产。包钢铌稀土钢轨的代号为BNbRE,是在碳素轨的基础之上加入了少量Nb、RE合金元素。在小半径曲线上使用寿命比U74钢轨有显著提高。BNbRE钢轨热处理强化后，比U74热轧轨使用寿命提高3-5倍。第三节钢轨接触应力计算计算模型计算公式轨头应力分布钢轨承载能力

1.轮轨接触应力的计算理论车轮踏面与轨顶的接触符合Hertz接触假定，轮轨接触区域为一椭园，接触应力分布为一椭球。abpp0长短半轴的方向取决于车轮半径与轨顶园弧半径的相对大小，当轨顶园弧半径小于车轮滚动园半径时，长轴沿钢轨方向，反之，长轴沿轮轴方向。最大接触应力为平均接触应力的1.5倍，即：轮轨接触可简化为两个椭球体的接触。定义常数：对于锥形踏面，忽略钢轨弯曲，忽略轮轨间的冲角，简化成为两个垂直圆柱的接触。轮轨接触椭园的长短半轴计算公式为：2.轨头内的应力分布3.钢轨的承载能力钢轨的承载能力由轮轨接触应力大小进行计算，以轨头亚表层剪应力是否超限进行衡量。钢轨的承载能力有2个指标，即弹性极限和安定极限。弹性极限是指不使轨头产生塑性变形的最大应力限值。安定极限是指，虽使轨头产生了塑性变形，但因钢轨材料发生塑性变形后的加工硬化和残余应力效应，钢轨最终能够恢复到弹性工作状态的最大应力限值。依据前述对轨头内部应力分布的讨论，当轮轨切向力为0时，最大剪应力不超过限值即为弹性极限应力：安定极限的计算须考虑材料加工硬化和残余应力，比较复杂，依据研究资料，满足安定极限的轮轨接触应力为：当轮轨存在切向力时，钢轨的承载能力明显下降。普通碳素钢轨一般不大可能在弹性区工作，在钢轨上道初期，轨头产生塑性变形，经过多次车轮辗压，轨头内产生残余应力，抵销了部分的荷载应力，同时，轨头材料经过塑性变形后产生加工硬化，强度有一定程度的提高，钢轨经过一段时间的塑性工作状态后可转化为弹性工作状态。高强度的合金轨或淬火轨有可能在弹性区工作。普碳轨的安定极限轮载第四节钢轨弯矩及轨枕反力的有限单元法求解垂向受力计算横向受力计算1.垂向受力计算计算模型。由于轨道垂向受力的对称性，可取单根钢轨计算，因忽略轨枕的弯曲效应，扣件弹性与道床弹性可按串联弹簧进行简化，钢轨被视为弹性点支承上的梁。单元节点划分。每一轨枕和力作用点处为1个节点。按节点顺序将节点和单元编号。上图所示为6节点、5单元单元节点变量及其排序单元节挠曲、弯矩、枕上压力及形函数型函数的表达式单元刚度矩阵组建总刚度矩阵[K]组建总荷载列阵求解受力平衡方程得到所有节点位移2.横向受力计算计算模型。由于轨道横向受力没有象垂向那样的对称性，所以计算时要复杂一些。严格地讲，轨道横向计算应当考虑两根钢轨及轨枕组成的轨排受力。但在横向力不大时，作为简化计算，也可只取一根钢轨进行。简化计算。计算模型与垂向相同，只是以横向受力、钢轨横向抗弯刚度、扣件与道床形成的横向串联刚度代替相关的参数即可。横向计算模型钢轨为梁单元，轨枕为质量块即点单元未知量的排列受力钢轨节点变量另一侧钢轨节点变量轨枕横向位移变量钢轨单元刚度矩阵写出系统总应变能对系统应变能求一阶分并组建总刚度矩阵[K]对系统应变能求一阶分并组建总刚度矩阵[K]组建荷载列阵：只有第3节点上作用有集中力，所以荷载列阵中只有第3个元素为P，其余元素均为0。求解受力方程，得到各节点位移。第四节

钢轨接头冲击力特性及其简化计算接头受力特性接头受力简化计算1.接头冲击力的特性高频冲击力：主要影响钢轨受力与变形，造成轨头打塌、螺栓孔裂纹、低接头（夹板死弯）、剧烈振动。低频冲击力：轨枕和道床剧烈振动、石碴粉化、道床翻浆、路基翻浆接头冲击力的限值2.接头冲击力的简化计算采用集总含量模型，将轨道简化为质量块、弹簧系统，考虑车辆簧下质量与轮轨接触弹簧，进行计算得到：静轮载轮轨接触弹簧刚度100kN/mm簧下质量，货车0.5t，货动机车1.5t，高速动车1t接头总折角车速轨道参振质量轨道低频参振质量轨道等效刚度轨道等效阻尼第五节钢轨病害及合理使用磨耗剥离波磨打磨1.钢轨侧面磨耗形成机理：轮轨两点接触及超前距超前距与轮轨冲角成正比。B点发生轮缘在轨侧的快速滑动。磨耗成份：粘着、切削、塑性流动磨耗因子：表达磨耗速率与各主要力学参数的关系磨耗的阶段性：早期剧烈磨耗期、中期稳定磨耗期及晚期快速磨耗期影响磨耗的因素及减磨措施（1）钢轨材质（2）涂油润滑（3）轨道几何参数：超高、轨距、轨底坡2.剥离形成机理：影响因素及减缓措施（1）钢轨材质的抗剥离性能：杂质含量（2）钢轨受力过大，产生塑性变形（3）钢轨磨耗偏慢3.波磨现象：短波30-80mm；长波150－500mm危害：短波引起剧烈振动，长波引起剧烈振动的同时，危害行车安全。出现地段：（1）重载线路、高速线路；（2）曲线外轨；（3）制动地段。形成原因（即波磨成因理论）：（1）接触共振理论；（2）轮轴扭转张驰振动理论；（3）轮对粘滑振动理论；（4）轮对横向张驰振动理论；（5）超声波驻波理论；（6）轮轨系统振动理论。减缓波磨的措施：（1）提高钢轨耐磨及抗塑性变形性能；（2）减小轨道不平顺；（3）增加轨道弹性；（4）适当离散车速；（5）适当离散车型；