轨道工程 第二章 钢轨解析

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1、1/16 轨道结构理论 第二章 钢轨 2/16 二、钢轨 第一节 钢轨的功用和类型 具有以下的功能 （1）为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动面，引 导车辆前进。 （2）承力传力 钢轨要求承受来自车轮的巨大垂向压力，并将以分散 形式传给轨枕。 （3）导电 在电气化铁道和自动闭塞区间还兼做轨道电路之用 3/16 二、钢轨 钢轨截面演变 4/16 一、钢轨 5/16 二、钢轨 钢轨的分类： 通常做法是按每延米质量来分类 我国铁路所用钢轨的重量有43kg/m、50kg/m、 60kg/m和75kg/m。 6/16 二、钢轨 钢轨的分类： 按轨底不同 分为平底对称和平底非对称钢轨 区间线路均采用平底对

2、称钢轨； 如我国50、60、75kg/m钢轨； 欧洲UIC60; 美国136RE； 英国BS113Ib； 俄罗斯P50、P65、P75钢轨等。 7/16 二、钢轨 平底非对称钢轨用于城市电车轨道 8/16 二、钢轨 按断面不同 平底非对称断面钢轨，主要用于制造道岔尖轨或岔 心轨， 如我国50AT、60AT(矮型特种断面钢轨)； 法国60D40； 德国60Zul； 还有用于护轨的槽型轨。 9/16 二、钢轨 按轨型分类 分为重轨和轻轨。 从国内铁道应用而言，50/m及以上钢轨均称之为重 轨。 目前使用的钢轨主要是50/m及以上的钢轨。 在高速铁路和繁忙干线上主要使用60kg/m钢轨，在重 载铁路

3、上使用75kg/m钢轨。 10/16 二、钢轨 按轨钢的化学成分分类 分为碳素钢轨，如U71Mn（钢中无其他合金元素，又 称普通轨钢）； 微合金轨钢（钢中加入微量合金元素，如U75V）； 低合金轨钢 （如钢中加入0.801.20Cr的EN320Cr）。 11/16 二、钢轨 按轨钢的按交货状态分类 分为热轧和热处理钢轨。 不论钢轨强度多少，凡是以热轧状 态交货，均称之为热轧钢轨。 热处理钢轨依其工艺条件分为： 离线热处理钢轨（钢轨轧制冷却后再重新加热）； 在线热处理钢轨（利用轧制余热对其进行热处理，不 再二次加热） 12/16 二、钢轨 随着铁路发展世界各国修建高速和重载铁路对钢轨的性 能提出

4、了更高的要求。我国目前的钢轨定长为12.5m和 25m两种，世界各国的钢轨定长也不相同。 我国用于新建客运专线的定长钢轨长度为50m或100m。 13/16 二、钢轨 第二节 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状 钢轨的三要素：质量 断面 材质 钢轨的六点基本要求： 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 足够光滑顶面 良好的可焊性 高速铁路的高平直性 14/16 二、钢轨 钢轨的断面设计 “工”字型，轨头、轨腰、轨底 三部分组成。 记住下边三句话： 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、 支撑面宽 底宽：宜宽而厚、刚度足够、 腐蚀性强 设

5、计参数：轨头宽、轨腰厚、 钢轨高、轨底宽 15/16 二、钢轨 设计原则： 保持稳定 钢轨高：轨底宽=1.151.20 轧制冷却均匀各部轧制合理 16/16 二、钢轨 钢轨截面的主要尺寸： 50轨 17/16 二、钢轨 60轨 18/16 二、钢轨 75轨 19/16 二、钢轨 第三节 钢轨材质及其力学指标 钢轨的材质和机械性能取决于化学成分、金属组织和热 处理工艺。 20/16 二、钢轨 钢轨的材质是指钢轨的化学成分及其金相组织，要 使得钢轨具有可靠性的前提是钢轨材质具有较高的 纯净度和合理的化学成分。钢轨主要出现问题是由 于钢轨的内部夹杂、缺陷引起的疲劳折损。所以提 高钢轨材质的纯净度是减

6、少钢轨疲劳折损、提高钢 轨可靠性、延长使用寿命的有效途径。 21/16 二 钢轨 钢轨的化学成分： 铁、碳、锰、硅、磷、硫等 合金钢轨中含有： 铬、镍、钼、铌、钒、钛、铜等 在我国四川地区生产钒钛稀土材质的地区，攀枝花 钢厂生产出中国国产的特种合金钢轨PD3钢轨 。其中U75V钢轨钒的含量很高。 22/16 二、钢轨 C ，强度和耐磨性 ，韧性 ，一般含量0.65%， 0.82% Mn ，强度和韧性 ，一般0.6%1.0%，1.2%以上 则成为高锰钢 Si ，致密性和耐磨性 ，一般0.15%0.3% P ，冷脆性，有害元素 S ，晶析废品，有害元素 一般磷和硫的含量0.04% 23/16 二、

7、钢轨 钢轨的力学性能也是钢轨的主要特征，包括强度极限 b、屈服极限s、疲劳极限r 、伸长率、断面收缩率、 冲击韧性k 和布氏硬度指标HB等。这些指标对钢轨的 承载能力、磨损、压溃、断裂及其他损伤有很大影响， 高速铁路钢轨还对裂纹扩展速度、残余应力、落锤性能 等提出了比常规铁路更高的要求。 24/16 二、钢轨 抗拉强度： s=227+803%C+87%Si+115%Mr+133%Cr+891%P+614 %V19 屈服强度： y=101+469%C+36%Si+85%Mn16+116%Cr+0%P+634 %V21 伸长率： 0=30.8-22.6%C-1.7%Si+0%Mn-2.3%Cr+0

8、%P+ 4%V0.9 25/16 二、钢轨 第四节 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求 钢轨截面尺寸偏差和平直度也是钢轨质量的一个重要指 标。为保证列车运行的平稳性，则要求轨道的几何形位 稳定，而达到这一点，高精度的外形尺寸和高平直度的 钢轨是必不可少的。 矫直机 26/16 二、钢轨 平直度检测仪： 27/16 二、钢轨 28/16 二、钢轨 29/16 二、钢轨 我国的GB25852007和TB/T23442003 与高速铁路的 要求尚有很大的差距，必须在轧制、冷却、较直等生产 环节引入先进技术，如万能法轧制、立卧复合矫直、压 力机补矫等，才能逐步缩小差距，满足高速铁路对钢轨 几何尺寸的偏差要求

9、。 30/16 二、钢轨 焊接质量与平直度 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，操作工人的熟练程 度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。 为保证高速列车高速、平稳地运行，并减少轮轨之间的 动力作用，对 钢轨焊接接头的焊接质量、平直度等提出 了更高的要求，所以钢轨焊接接头也是轨面不平直的控 制 部位。 31/16 二、钢轨 铝热焊： 32/16 二、钢轨 工人对焊接接头检测： 33/16 二、钢轨 34/16 二、钢轨 钢轨焊接质量和平直度： 35/16 二、钢轨 第五节 钢轨损伤 钢轨是轨道结构的重要部件。机车车辆的动 力作用、自然环境和钢轨本

10、身质量等原因，钢轨 经常发生裂纹、折断和磨耗等现象。钢轨损伤是 铁路上一个比较突出的问题，并严重影响行车安 全。 36/16 二、钢轨 37/16 二、钢轨 常见钢轨伤损 螺栓孔裂纹，焊接接头裂纹 轨头核伤 轨头剥离 钢轨磨耗 轨顶磨耗 侧面磨耗 钢轨波磨 鞍形磨耗 38/16 螺栓孔裂纹，焊接接头裂纹 螺栓孔裂纹原因： 钻孔削弱钢轨断面，并产 生较高局部应力，列车冲 击。 焊接接头裂纹原因：焊缝材料 与钢轨母材不一致，造成磨损 不一致，形成不平顺，增大轮 轨力 二、钢轨 39/16 二、钢轨 一般措施有：提高钢轨接头区轨道结构的弹性，降低轮 轨冲击荷载；提高螺栓表面的光洁度和在孔口倒棱；对

11、螺栓表面进行硬化、防锈处理，提高螺栓表面强度。 倒棱 40/16 二、钢轨 轨头核伤 轨头核伤是最危险的一种伤损形式，会在列车作用下突 然断裂，严重影响行车安全。 形成的内因：钢轨内部材质的缺陷。 形成的外因：外部荷载的作用。 41/16 二、钢轨 防止和减缓核伤的发生和发展的有效措施有：提高钢轨 的纯净度，减少钢轨中的非金属夹杂物 ；提高钢轨的接 触疲劳强度；提高轨道结构的弹性，减少轮轨冲击荷载 。 42/16 轨头剥离 主要发生在轨距角处，原因：轮轨接触应力较大 二、钢轨 43/16 磨耗 磨耗测量位置 垂直磨耗：轨顶面距 工作边1/3处（标准断 面） 侧面磨耗：在钢轨踏面 （按标准断面）

12、下16mm 处测量 二、钢轨 44/16 二、钢轨 45/16 鞍形磨耗原因： 轨端淬火工艺不良， 淬火区与非淬火区硬 度过渡不均，在车轮 作用下，该部分产生 压陷，形成钢轨接头 中间凸出，两侧凹下 的鞍形磨耗。 二、钢轨 46/16 二、钢轨 总之减少钢轨损伤的措施有： 净化钢轨，消除杂质，强韧化，提高强度 钢轨打磨消除疲劳层，合理使用，运营匹配 钢轨发展的方向： 重型化 强韧化和纯净化 47/16 二、钢轨 钢轨探伤 根据钢轨探伤设备的工作原理，分电磁探伤和超声波 探伤两大类。 电磁探伤 电磁探伤是利用电磁原理来发现金属缺陷的检查 方法。这种探伤方法是利用电磁材料的零件磁化，零 件缺陷处的

13、磁阻就会增大，利用漏磁来发现缺陷。 电磁探伤的不足之处：对于金属内部较深的裂纹与 缺陷，采用电磁探伤是不大容易被发现的。 48/16 二、钢轨 超声波探伤 超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处 ，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生 反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。 49/16 二、钢轨 超声波探伤的工作原理：超声波在不同材料中 传播声速和波长不同，当超声波由一种介质倾斜 入射到另外一种介质上时，如果两种介质不同， 则在界面上发生不同的反射、折射和透射。 当超声波射入钢轨核伤、裂纹或其他损伤时， 在钢与空气的界面上受阻，产生反射波，经过电 子仪器的接受并显示，就能发现钢轨内部存在的

14、 伤痕，还可以根据超声波发射与反射的时间间隔 及其在钢轨内的传播速度，判断伤痕的深度。 50/16 二、钢轨 超声波探伤法的主要优点： 穿透能力强，探测深度可达数米； 灵敏度高，可发现与直径约十分之几毫米的空气 隙反射能力相当的反射体； 在确定内部反射体的位向、大小、形状及性质等 方面较为准确； 仅须从一面接近被检验的物体； 可立即提供缺陷检验结果; 操作安全,设备轻便。 51/16 二、钢轨 超声波探伤法的主要缺点： 要由有经验的人员谨慎操作； 对粗糙、形状不规则、小、薄或非均质材料难以 检查； 对所发现缺陷作十分准确的定性、定量表征仍有 困难。 对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受

15、到主、客观因素的影响，以及探伤结果不便保存 等，使超声波探伤也有其局限性 52/16 二、钢轨 探伤元件：超声波探头 探头是一个能量转换装置，它可以将电能转换 为声能，也可以把声能转换为电能。在每一探头 盒内装有两片压电换能器，一片发射超声波，一 片接受。探头有各种角度的发射晶片，不同的探 伤仪使用不同声波角度的探头，一般有0、30、 35、50、70探头角度。 53/16 二、钢轨 线路上的探头设备有手推 式探伤小车和大型探伤车。 钢轨探伤小车 钢轨探伤小车由车架、仪 器、水箱及其他一些附件组 成。水箱是给轨面刷水，使 得探头与轨面接触良好，减 少杂波的产生。 缺点：探伤小车的效率较 低，工人劳动强度大。 54/16 二、钢轨 大型钢轨探伤车 大型钢轨探伤车通常是指能同时对两股钢轨进 行快速探伤测，并能实时分析、处理和记录探测 结果的钢轨探伤设备。 钢轨探伤车主要由动力、供电、车辆行走、制 动等系统以及钢轨探伤检测系统和生活设施等部 分组成。 55/16 二、钢轨 钢轨大型探伤车