钢轨及其联结（高铁轨道构造与施工课件）

第1章钢轨及其联结主要内容一、钢轨的功用与类型二、钢轨截面设计原则三、钢轨材质及其力学性能四、钢轨的伤损五、钢轨的联结六、预留轨缝及铺轨温度计算七、缩短轨计算一、钢轨的功用与类型1、钢轨的功用（*）钢轨是轨道最重要的组成部件。

支撑与导向：为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，引导列车运行方向。

承力与传力：直接承受车轮的巨大压力，并传布到轨枕、道床及路基。

轨道电路：在电气化铁道或自动闭塞区段，还兼做轨道电路之用。2、钢轨类型（*）

75kg/m：大秦线重载铁路60kg/m：主型钢轨50kg/m：低速线路43kg/m：过去常用轨，现基本已淘汰按每延米大致质量kg分：一、钢轨的功用与类型2、钢轨类型（*）按钢轨标准长度分：12.5m：过去标准钢轨长度25m：钢轨标准主型长度50m/100m：高速长定尺钢轨对应于标准轨的缩短轨，用于有缝线路曲线内侧按材质的不同可分为：碳素轨、合金轨、热处理轨按强度的不同可分为五级：850、900、1000、1200、1300MPa按货源可分为：国产轨、进口轨、试验轨一、钢轨的功用与类型3、钢轨的基本要求（*）钢轨三要素：质量、断面、材质足够的强度和耐磨性较高的抗疲劳强度和韧性一定的弹性足够光滑的顶面良好的可焊性高速钢轨的高平直度CHN60钢轨一、钢轨的功用与类型1、钢轨截面设计（*）“工”字型，轨头、轨腰、轨底三部分组成

头大：宜大而厚、宽度足够、外形匹配、中部起弧腰长：宜高而厚、两侧曲线、支承面宽底宽：宜宽而厚、刚度足够、抗锈蚀强设计参数：轨头大、轨腰厚、钢轨高、轨底宽保持钢轨稳定：钢轨高:轨底宽=1.15～1.20扎制冷却均匀：要求各部比例合理二、钢轨截面设计原则2、我国主型钢轨截面形状CHN75钢轨CHN50钢轨二、钢轨截面设计原则

钢轨的材质和力学性能取决于化学成分、金属组织及热处理工艺。C↑，强度及耐磨性↑，韧性↓，≤0.82%Mn↑，强度和韧性↑，对焊接不利，一般0.6%~1.0%Si↑，致密度和耐磨性↑，一般0.15%~0.3%P↑，冷脆易断，有害元素，≤0.1%S↑，晶析废品，有害元素三、钢轨材质及其力学性能1、钢轨化学成分

钢轨中均含有：铁、碳、锰、硅、磷、硫等合金钢轨中还含有：铬、镍、钼、铌、钒、钛、铜等2、钢轨力学性能

钢轨的物理力学性能包括强度极限、屈服极限、疲劳极限、伸长率、断面收缩率、冲击韧性及硬度等。这些指标对钢轨承载能力、磨损、压溃、断裂和其他伤损有很大影响。抗拉强度屈服强度伸长率三、钢轨材质及其力学性能1.钢轨伤损的定义

钢轨伤损是指钢轨在使用过程中发生钢轨折断、裂纹以及其他影响和限制钢轨使用性能的伤损。主要包括：（1）钢轨磨耗（2）轨头核伤（3）钢轨接触疲劳伤损（4）轨腰螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹四、钢轨的伤损

钢轨折断标准钢轨全截面断裂裂纹贯通整个轨头截面裂纹贯通整个轨底截面≤160km/h有长度大于50mm，且深度大于10mm的掉块，＞160km/h有长度大于30mm，且深度大于5mm的掉块四、钢轨的伤损

钢轨全截面断裂钢轨急救器四、钢轨的伤损

钢轨掉块四、钢轨的伤损2.钢轨伤损分类

为便于统计和分析钢轨伤损，需对钢轨伤损进行分类。分类用两位数编号，十位数表示伤损在钢轨断面的位置和伤损状态，个位数表示造成伤损的原因，钢轨伤损共有9类32种。四、钢轨的伤损四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(1)钢轨磨耗：钢轨与车轮接触面表层发生磨损

分类：波浪形磨耗(简称波磨)和侧面磨耗(简称侧磨)。总磨耗=垂直磨耗+1/2侧面磨耗测量方法：垂直磨耗在钢轨顶面宽1/3处(距标准工作边)测量，侧面磨耗在钢轨踏面(按标准断面)下16mm处量取。四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损四、钢轨的伤损(1)钢轨磨耗：钢轨与车轮接触面表层发生磨损。1)波磨：钢轨踏面出现规律性高低不平的类似波浪形状的一种不平顺现象。波磨按波长分：短波(或称波纹)和长波(或称波浪)。波磨两类成因理论:动力类成因理论、非动力类成因。短波波长约50～100mm,波幅0.1～0.4mm的周期性不平顺。长波波长100～3000mm,波幅2mm以内的周期性不平顺。3.典型钢轨伤损

(1)钢轨磨耗

2)侧磨：曲线侧磨和直线区间钢轨交替不均匀侧磨。四、钢轨的伤损钢轨侧磨曲线钢轨侧面磨耗

（1）成因：轮缘与钢轨侧面之间的滑动摩擦。（2）影响因素：曲线半径、外轨超高、曲线轨距加宽、轮轨间的摩擦系数、轮轨游间以及曲线轨道状态的好坏等。（3）减缓措施：设置合理的轨底坡、超高、轨距和科学的涂油润滑。四、钢轨的伤损直线区间钢轨交替不均匀侧磨

（1）成因：重车在直线区段容易发生蛇行失稳，同时线路存在幅值大于8mm的方向不平顺会对车轮起到相位整理作用（2）减缓措施：道床采用优质道砟;采用III型轨枕;采用超长无缝线路;换轨大修早期钢轨维修保养应特别注意钢轨的硬弯处理，以弱化轨道激扰源;应特别对轨向、轨距和轨距递减率进行重点检查。四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(2)轨头核伤

轨头核伤是对行车威胁最大的一种钢轨伤损，是最危险的钢轨伤损。①核伤成因：在列车荷载的反复作用下，在轨头内部出现极为复杂的应力分布和应力状态，使细小裂纹横向扩展成核伤，直至核伤周围的钢材强度不足以抵抗轮载作用下的应力，钢轨就会发生突然脆断。②减缓措施：加强轨道及机车车辆的养护，能减少核伤的发展，但无法完全消灭。四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(2)轨头核伤四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(3)轨头表面接触疲劳伤损

轨头表面接触疲劳伤损类型主要表现为轨距角处的鱼鳞状剥离裂纹和剥离掉块、斜线状剥离裂纹、踏面剥离裂纹和浅层掉块以及踏面辗宽或局部压溃凹陷，甚至钢轨因此而断裂等。由于高速铁路列车运行速度高、动车组轴重轻、钢轨垂直和侧面磨耗都比较小，钢轨表面的接触疲劳伤损成为主要伤损。产生原因：轮轨接触应力过大。四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(3)轨头表面接触疲劳伤损曲线上股轨距角剥离裂纹和浅层剥离掉块

四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(3)轨头表面接触疲劳伤损曲线上股钢轨的斜裂纹及断裂形貌

四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(3)轨头表面接触疲劳伤损由斜裂纹产生的钢轨横向断裂四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(3)轨头表面接触疲劳伤损曲线下股踏面剥离裂纹及掉块四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(3)轨头表面接触疲劳伤损曲线下股踏面辗宽和浅层状剥离掉块

四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损(4)轨腰螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹轨腰螺栓孔裂纹：钢轨端部轨腰钻孔后，强度削弱，螺栓孔周围产生较高的局部应力，在列车冲击荷载作用下，螺栓孔裂纹开始产生和发展，并出现疲劳伤损。螺栓孔裂纹主要来自钻孔时产生的微小裂纹，加上养护不当或基础弹性不够，在接头处产生很大的瞬时冲击力以及集中在钢轨长度中部的所有低频准静态力。四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(4)轨腰螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹轨腰螺栓孔裂纹四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(4)轨腰螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹焊接接头裂纹：钢轨焊接接头的轨面平顺性较普通螺栓接头好得多，但由于焊缝(主要是铝热焊接头)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，从而造成焊接接头钢轨的断裂。四、钢轨的伤损3.典型钢轨伤损

(4)轨腰螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹钢轨焊接接头的断裂

四、钢轨的伤损

按钢轨探伤车检测原理可分为电磁钢轨探伤车和超声波钢轨探伤车两类。

四、钢轨的伤损4.钢轨探伤钢轨探伤小车四、钢轨的伤损电磁钢轨探伤车是根据非接触通磁法检测钢轨伤损的，其最佳检测速度为每小时30～70公里(最高可达100公里)这种车辆不能检测钢轨腰部和钢轨接头附近的钢轨伤损。检测核伤的最佳灵敏度仅为轨头断面积的20%～25%，所以已逐步被超声波钢轨探伤车所代替。四、钢轨的伤损超声波钢轨探伤车是联邦德国克劳特克莱默公司于1956年试制成功的。这种车辆利用超声波法进行钢轨伤损探测，能够探测钢轨的轨头和轨腰范围内（包括接头附近）的疲劳缺陷和焊接缺陷，有的还能检测擦伤、轨头压溃和波浪形磨耗，以及轨底锈蚀和月牙掉块。

四、钢轨的伤损

作用保持轨道整体性提供连续滚动面承受列车动荷载满足钢轨伸缩要求夹板接头联结

焊接接头联结夹板联结1、钢轨联结的作用与分类（*）

分类焊接联结五、钢轨的联结

钢轨夹板接头联结钢轨与钢轨之间用夹板和螺栓联结钢轨夹板接头联结是轨道薄弱之一轨缝，轨面不连续台阶，迎轮送轮冲击错牙，轨距不连续低凹，竖向冲击2、钢轨夹板接头联结（*）动力作用大，维修工作量大台阶五、钢轨的联结

按相对轨枕位置分类

悬空式：接头在轨枕中间，有一定弹性

承垫式：接头在轨枕上，轨枕受力较大

相对式：作用力集中一处

相错式：相当于两个接头，两钢轨均有两处损伤我国一般采用相对悬空式

普通夹板接头特种夹板接头欧洲铁路置于双枕 上的钢轨接头悬空式承垫式按性能分类按两钢轨相对位置分类五、钢轨的联结

组成

夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈组成接头夹板——具有一定刚度及足够强度

承受弯矩、传递纵向力、阻止钢轨伸缩斜坡支承双头对称型夹板（双头式夹板，俗称鱼尾板） 斜坡——楔入贴紧轨腰，磨耗后可再次拧紧使之贴紧 螺栓孔——圆形与长圆形相间，实现轨缝3、普通夹板接头（*）五、钢轨的联结

组成夹板、螺栓、螺母、弹簧垫圈组成3、普通夹板接头（*）五、钢轨的联结要求（1）夹紧夹板与钢轨；（2）互穿，提供摩擦阻力；（3）扭矩400-700N.m，不得低于100N.m；（4）8.8级和10.9级，抗拉强度830MPa和1040MPa。3、普通夹板接头（*）五、钢轨的联结异型钢轨特殊接头：联结两种不同类型的钢轨*4、特殊夹板接头五、钢轨的联结异型夹板43导电接头：连通轨道电路五、钢轨的联结4、特殊夹板接头承垫式导电钢轨接头4、特殊夹板接头五、钢轨的联结普通高强绝缘接头胶接绝缘接头绝缘接头：闭塞分区处隔断轨道电路五、钢轨的联结4、特殊夹板接头伸缩接头：释放温度应力4、特殊夹板接头五、钢轨的联结伸缩接头：释放温度应力4、特殊夹板接头五、钢轨的联结普通冻结接头哈克紧固件4、特殊夹板接头五、钢轨的联结

钢轨焊接方法主要有四种：闪光焊、气压焊、铝热焊和窄间隙电弧焊。按焊接场地又分为厂焊和现场焊。欧洲采用闪光焊、铝热焊和窄间隙电弧焊，不采用气压焊；日本新干线采用闪光焊、气压焊和窄间隙电弧焊；我国主要采用闪光焊、气压焊和铝热焊。5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结我国三种钢轨焊接方法所占的接头数量比例为：闪光焊约占87％，气压焊占10％，铝热焊占3％。从焊接质量看，闪光焊的质量最稳定，统计的折损率仅为0.007%，铝热焊最差，折损率为0.5%。5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结可见闪光焊是最主要且为最可靠的钢轨焊接方法。钢轨闪光焊：将待焊钢轨分别上下夹紧，钢轨两端相互接近直至接触，电流通过待焊钢轨端部产生的热量，不断形成金属过梁，随着过梁爆破产生闪光、飞溅使被焊端面加热至表面熔化状态，随后加压顶锻，在压力下两端金属相互结晶，使两节钢轨焊接在一起。5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结顶锻力夹紧力电极钳口+-顶锻力夹紧力夹紧力夹紧力钢轨闪光焊5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结K922型移动式闪光接触焊轨机钢轨气压焊：将需焊接的钢轨端面对准并紧密贴合，用火焰加热端面周围到塑性状态，然后对贴合面加压顶锻。钢轨气压焊的焊接温度较低，只加热到1250℃左右，且为固相结合，故具有焊接强度高等一般压接法所具有的优点。5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结加热器火焰燃气冷却水

(a)示意图(b)焊接作业钢轨气压焊示意图5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结YH型小型气压焊轨机

铝热焊是热剂焊的一种。铝热焊是在待焊件之间留出一定的间隙，周围用模具围上，然后点燃坩埚中的焊剂，通过氧化还原反应，放热生成液态金属，将液态金属注入焊件之间的间隙，完成金属的焊接。5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结焊药自熔塞分流塞砂侧模钢轨底模(a)焊接断面图(b)焊接作业铝热焊5、钢轨焊接接头联结五、钢轨的联结铝热焊的示意图铝热焊作业铝热焊主要耗材及相关设备液压推瘤机

原则最高轨温时不形成瞎缝

最低轨温时不超过构造轨缝18mm

计算公式

取值：年轨温差小于

85

C

的地区,再减小1～2mm。算例：成都地区，最高轨温60.1

C，最低轨温-5.9

C，钢轨长25m，线膨胀系数0.011

8mm/(m·

C),铺设时轨温25

C。计算步骤：(1)中间轨温tz=27.1

C(2)计算轨缝δ0=9.6mm(3)设置轨缝δ=8mm

中间轨温时按构造轨缝一半设置

钢轨按自由伸缩考虑，两轨各取一半升温时钢轨伸长，轨缝减小（1）预留轨缝计算（2）容许铺设的年轨温差

确定原则

tmax时轨缝δmin=0；

tmin时轨缝δmax=δg；考虑接头阻力对钢轨伸缩的限制值C，2～6mm。

公式推导（2）tmin时（3）两式相减而得：（1）tmax时C——接头阻力和道床阻力限制钢轨的伸缩量（mm）。钢轨类型25m钢轨12.5m钢轨最高、最低轨温差＞85℃最高、最低轨温差≤85℃C值（mm）642接头阻力和道床阻力限制钢轨的伸缩量12.5m钢轨：容许铺设的年轨温差[△T]=149.1℃；25m钢轨：年轨温差＞85℃，容许铺设的年轨温差[△T]=101.7℃；年轨温差≤85℃，容许铺设的年轨温差[△T]=88.1℃。

不是所有地区均可铺设轨道，年轨温差大于100℃地区，需单独设计。（3）容许铺轨温度范围

原则

避免tmax时轨缝为0；避免tmin时轨缝为δg；不考虑接头阻力对钢轨伸缩的限制。计算公式容许铺轨轨温上限容许铺轨轨温下限

公式推导（1）t0s时（2）t0x时特别提示：（1）计算中按最不利情况考虑；（2）铺设与轨缝调整作业相同；（3）25m钢轨铺轨上下限为中间轨温±30℃。（1）缩短轨的目的和要求我国的接头型式：相对悬空式接头规定接头相错量：正线和到发线上，不大于40mm+缩短轨缩短量/2其他站线、次要线路上，容许再增加20mm标准缩短轨缩短量：