钢轨和钢轨附件

铁路工务   2015-10-12 22:01:31  298浏览 作者:图19-9

钢轨提供了三种功能。它必须抵抗来自车轮的接触压力,它必须能够在沿着轨道的几 个轨枕上分配车轮荷载,并且它必须重复地这样做而不被破坏。为了完成这个,钢轨必须 坚硬且具有足够的刚度、抗弯强度和疲劳强度。

图19-10 钢轨的主要尺寸

为了提供弯曲刚度和强度,钢轨定形为稍微类似I梁的截 面。但是轨头制作得比普通I梁更窄且更深,以更好地抵抗来 自带凸缘轮的接触压力和磨损。 表19-2和图19-10显示了已 经在真实的钢轨吨位中轧制或现今在美国轧制的截面的主要 尺寸和物理性能。更加巨大的截面用于繁忙交通和高速线路中。

在美国和加拿大,钢轨的标准长度是39ft。

在轨腰一侧以凸起的文字轧制的商标给出了轨道每码以 磅计的重量、截面编号、制造厂、轧制的年月以及制造的方法。一个典型的商标如下:

表19-2 钢轨截面的物理特性

在轨腰的相反侧,火印钢轨以显示熔炼炉号、钢轨字母 (锭铁的状态) 以及锭铁 编号。

当前,仅仅制造每码重115lb或更重的钢轨,除非依据特殊的定制。可以在美国铁道 工程和线路养护协会的《铁道工程手册》 中得到钢轨规范。典型的钢轨的化学成分示于表 19-3。为标准钢轨规定的最低布氏硬度是300。在高强钢轨 (合金或热处理的) 中的布氏 硬度通常是340~380。对内部缺陷进行超声波试验,超过39ft的长度的钢轨必须满足对 侧弯和向上弯曲的规定尺寸容差要求。

表19-3 钢轨的化学成分限制,重量百分比

钢轨的名义重量/(lb/yd)≥115钢轨的名义重量/(lb/yd)≥115

0.72~0.82

0.80~1.1

0.10~0.60

磷,最多

硫,最多

0.035

0.037

钢轨的控制冷却 (在控制的条件下减缓冷却速率) 在防止微细龟裂方面是有效的。这 些可能导致使用中横向裂纹的发展,因此控制冷却包含在钢轨规范中,除了钢轨是由真空 脱气钢制成之外。

在曲线上,很多铁道使用使轨头上面部分热处理的充分热处理钢轨,或者合金钢钢 轨,以更好地经受住发生在曲线外轨的凸缘磨损以及发生在低轨上的金属变形和起皱。

1 钢轨中的应力和应变

由异乎寻常的重荷载产生的钢轨应力和降低,可以通过将钢轨认为是一个在弹性支承 上的连续梁来计算 (美国铁路工程学会论文集,第19卷,pp.878-896)。对于通常使用中 的轨枕间隔,钢轨是连续支承的这个假定不会引起重大的误差。轨座的弹性模量u是使钢 轨压低1in时所必需的均布线荷载 (lb/in)。进一步假定,在任一点,钢轨在其支座上的 压力 (lb/in) 是

p=uy (19.15)

式中 y——钢轨降低量,单位为in。

另一个重要的术语是从施加轮载的点到由此荷载引起的弯矩变成0然后反向的点之间 的距离X1 (in)。

(19.16)

式中 E——钢轨钢的弹性模量 (30000ksi);

I——钢轨的惯性矩 (in4)。

对于单轮重,沿着钢轨的弯矩和钢轨降低可以按照M0和Y0从图19-11中确定。

M0=0.318PX1 (19.17)

(19.18)

式中 P——轮重 (lb);

M0——轮重产生的弯矩 (in · lb);

Y0——在轮重下钢轨的降低 (in)。

因为总是多于一个轮重,通过一次施加一个车轮并代数组合这些作用,控制图表可以 用于确定对于所有车轮钢轨中任一点处的弯矩和降低。那么,在该点轨底的最大弯曲应力 可以通过将总弯矩除以轨道对底部的截面模量来确定。通过计算相对于轨枕间隔的平均钢 轨降低量并乘以轨枕间隔和模量u,可以确定轨枕荷载或反作用力。

u的数值必须通过在轨道中的实际测量来确定。这个数值从对于带有很少道碴和压实 不好的道床的轨道上的500变化到对带有足够的道碴和压实良好的道床的轨道上的2000或更大。u的数值在计算钢轨应力中不是关键的,但是对于钢轨降低是重要的。

图19-11 用于计算钢轨在单个轮重下的弯矩和降低的图表

(ASCE-AREA铁路轨道应力特别委员会)

因为在不同铁路中的条件的可变性,没有确定的冲击作用或钢轨中的容许工作应力。 以下可以用作一个参考: 将静载荷应力乘以百分比冲击系数33V/D,其中V是速度 (mi/ h),D是车轮直径 (in)。如此,对直径36in以60mi/h运转的车轮,冲击系数是55%。 在有缝线路的轨底最外层纤维容许的弯曲应力,对于低于35mi/h的速度是35ksi,对更高 的速度是30ksi; 在无缝钢轨中是25ksi。

图19-12显示了对带有四轮转向架的100t货运车辆由这种方法计算的弯曲应力。对 于其他重量的近似应力值可以通过乘以用钢轨上的轮上配重比率显示的数值来确定。

图19-12 由典型的100t能力 (毛重263000) 的漏斗车产生的钢轨应力的计算图表

(a) 支线上速度低于35mi/h的有接缝钢轨; (b) 干线上的有接缝钢轨; (c) 干线上的无缝钢轨

注: 推荐的工作应力。

2 无缝钢轨

对于新钢轨,大部分铁道使用无缝钢轨 (CWR)。它通常以0.25mi的长度来放置, 用专列运送到施工现常当在轨道上的合适位置时,钢轨通过铝热焊法首尾相连地进行焊 接。另一种焊接方法是使用机械在现场以与车间相同的方式对接焊。用螺栓固定的旧钢轨 被修剪以除去磨损和打扁的端部和螺栓孔,然后在铺设在轨道中之前进行对接焊。不过, 400ft或更长的任意长度连续钢轨被认为是CWR。

无缝钢轨的膨胀和收缩受到钢轨接头和钢轨扣件或轨卡的控制。这种限制会对钢轨施 加应力。1℉温降在钢轨中产生195psi的拉应力。例如,如果无缝钢轨在70℉时铺筑,钢 轨稳定下降到-30℉,因为它被约束不能缩短,在钢轨中就形成了19500psi的拉应力。

当钢轨温度增大到高于铺筑温度,由于钢轨带的端部约束,在钢轨中形成压应力。由 这些应力形成的力将引起钢轨侧向移动,除非这个力受到约束,否则钢轨和轨道将弯曲。 可以通过使用钢轨防爬器以及充足的道碴路肩来防止这个移动。钢轨防爬器把侧向钢轨力 相对均匀地分配到轨枕,而道碴路肩对轨枕横向移动提供了阻力。推荐的道碴路肩最小顶 宽是12in。当钢轨温度下降到低于铺筑温度时,钢轨设法收缩,因而在钢轨接头处引起拉 力。在钢轨接头由于轨道螺栓剪切强度的约束以及钢轨接头摩擦,可能不足以维持接头的 完整性并且会发生拉开。附加的钢轨防爬器用于阻止钢轨在接头位置的移动 (见第 5节)。

尝试大约在平均温度时铺筑无缝钢轨,这可能需要加热或冷却钢轨。这未必总是切实 可行的。因此,如果出现轨道弯曲或接头拉开,在稍后调整钢轨长度可能是理想的。

3 有缝钢轨

有缝钢轨是由短长度轨 (33~39ft) 组成,用带有轨道螺栓的钢轨连接板连接到一 起。在无缝钢轨应用之前,这是轨道的标准类型,不过使用依然广泛。在主线中的有缝钢 轨要求比CWR更高的维护水准。在接头处的车轮冲击可能导致轨道末端内倾,使螺栓松 散或断开以及轨道表面几何形状恶化。

钢轨连接鱼尾板用于将对接的钢轨结合到一起。作为一个备选方案,钢轨在铺筑到轨 道中之前应对接焊成较长的长度。焊接的轨道线用钢轨连接鱼尾板或铝热剂焊接连接 起来。

在有缝线路中,大部分轨道每个轨道使用两个带有6个螺栓的36in连接板和弹性垫 圈 (图19-13)。每英里有缝线路中有271个钢轨接头。

在过去的几年中,钢轨连接板成形稍微类似于角钢截面,并被称作角材。自从1930 年左右,大部分角材定形为差不多接近Ⅰ梁,并被称作鱼尾板或有时称作短趾鱼尾板,以 将它们区别于长趾鱼尾板。将自由头部夹板放进轨腰和轨头之间上部的圆角内,在轨底就 提供了对接触表面 (鱼尾板安装面) 磨损的收缩松紧装置; 头部接触压板在顶部和底部都 有一个斜面以匹配钢轨的鱼尾板安装面,在顶部和底部均提供磨损收缩松紧装置。在实用 试验中,两种类型的夹板产生的效果相等。美国铁道工程和线路养护协会的《铁道和线路 养护工程手册》 给出了用于115RE,119RE,132RE,133RE,136RE和140RE钢轨的 连接板设计。轧制连接板的钢铁公司能够提供它们装配轧制的板的设计图。

大多数钢轨连接板由油淬火碳素钢造成,依照AREMA手册给出的技术要求或者 ASTM标准进行制造。规定碳为0.35%~0.60%; 锰不超过1.2%; 磷不超过0.04%。最低要求是,抗拉强度100ksi,屈服点70ksi,2in的延长率12%,面积收缩率25%。弯 曲试验也是必要的。没有规定布氏硬度,但是通常为225~275。

图19-13 六孔钢轨接头

钢轨连接板冲孔为交替的卵形和圆形孔。因此,夹板可以用在钢轨的任一侧,并且常 常带有一个卵形和圆形孔以匹配轨道螺栓。用于115RE、119RE和133RE钢轨的轨道螺 栓直径是1in,用于132RE、136RE和140RE钢轨的轨道螺栓直径是1.125in。夹板冲孔 间隔6-6-71/8-6-6in/ (AREMA手册)。

4 轨道螺栓

这些用于将一对连接板用螺栓固定到位。大多数铁道购置与AREMA手册或ASTM 标准相一致的热处理碳钢轨道螺栓和碳钢螺母。轨道螺栓具有一个带有卵形或椭圆颈的锻 造纽扣型头部,以防止连接板中的翻转。螺纹是辊压的。螺栓螺母设计与美国国家标准研 究所标准B18.2相一致。规定碳最少0.30%,磷最多0.04%,硫最多0.06%。最低要 求,抗拉强度110ksi,屈服点80ksi,2in延长率12%,面积收缩率25%。弯曲试验是指 定的,最低张拉负荷是完全结合的螺栓和螺母必须经受住而不使螺母剥离或螺栓中断。对 于名义直径1in的螺栓,最低张拉荷载是665601b; 直径11/6in,张拉荷载76360lb; 直径 11/8in,张拉荷载83900lb; 推荐轨道中螺栓的初张力是20000~30000lb。更大直径的螺栓 在抵抗寒冷天气下钢轨中的摩擦力产生的弯曲方面有一些价值。

弹簧垫圈用于维持螺栓张力并减少所需的螺栓绷紧。试验显示轨道螺栓变松是由于使 得连接板更近地移到一起的鱼尾板安装面的磨损不是由于振动而产生。在AMEMA手册 中的弹簧垫圈技术规格要求,在初始20000lb的压力下松弛0.03in,弹簧垫圈将至少维持 5000lb的反作用力。这个松弛量对于不考虑交通发生在一年的使用中的鱼尾板磨损是足 够的,并且5000lb的螺栓拉力对于确保钢轨接头的合适功能是充足的。

高的初始张力考虑了连接板的正确就位和后来使用中张力的一些松弛。使用中螺栓的 张力应当是15000~25000lb。 必须每隔一定间隔对螺栓的合适张力进行检查。

5 钢轨防爬器

钢轨防爬器是用于约束钢轨纵向运动的装置。使用中有很多不同的类型,大多数类型 通过弹簧夹作用啮合轨底并对枕木或垫板的侧面施加压力以约束钢轨运动。防爬器应有足 够的支撑力量去移动道碴中的轨枕而不允许钢 轨经由防爬器滑移。图19-14显示了用这种防 爬器锚固有缝线路的良好方法 (AREMA手 册)。

对于无缝钢轨,每隔一个轨枕应当在两个 钢轨上轨枕两侧应用钢轨防爬器,这被称作盒 状锚固。盒状锚固将对钢轨中来自温度变化和 列车运动的纵向应力提供有效的阻力。在 CWR中发生中断的地方,例如在道岔或交叉 处,在中断的200ft之内,每根钢轨在两个方 向都应当盒状锚固。

6 垫板

轧制钢板用在钢轨和轨枕之间以分配钢轨 荷载、减少轨枕磨损并更好地保持轨距。趋势 是朝向更大的垫板以及使用双侧翼代替仅用单 个侧翼来约束轨底的外边缘。轧制成要求的横 断面的钢板,修剪成通常7.75in或8in的宽度。在轨座上提供1:40的斜面以使钢轨稍微向内倾斜。在美国长度12~14in的垫板通 常用于底宽5.5in的钢轨,13~16in的长度用于底宽6in的钢轨。在钢轨的外侧比在内侧 垫板长度更大 (0.5~1.5in) 以更好地抵抗曲线上作用在钢轨上的向外横向力。

图19-14 锚固有缝线路的方法

(a) 用于基本上单向运行的干线。在一般条件下,用 任何类型的道碴,每39ft的钢轨长度使用八个顺向和 两个逆向防爬器; (b) 用于两方向运行的干线。在一 般条件,用任何类型的道碴,在每个方向每39ft的钢 轨长度使用八个防爬器以抵抗运动,总计16个

通常,垫板具有4个3/4in的正方形孔,适合于道钉穿透侧翼冲孔,以将钢轨保持在 一条支线上。钢板也具有4个11/16in的正方形孔,适合于垫板扣件或压紧道钉在角落附 近冲孔(图19-9)。在直线轨道中,通常对每块垫板在交错的孔中使用两个线状道钉。有 时,两个压紧道钉用于相对的交错孔中。在曲线上,每块板使用两个线状道钉和两个压紧道 钉。在具有繁忙的交通密度的6°或更大的曲线上,在轨底的内缘使用一个额外的线状道钉。 设计用于与弹性轨卡一起使用的一些垫板可能具有特殊的形状以允许轨卡附着于钢板上。

图19-9 切线上典型的标准轨距双轨轨道

垫板通过各种各样的工艺制成,通常是用平炉或氧气顶吹转炉制成。含碳量从用于低 碳钢板的最小值0.15%变化到用于高碳钢板的最大值0.85%。低碳钢可以是冷制作的, 高碳钢必须是热加工的。设计和技术规格可以在ASTM标准和AREMA手册中得到。

7 钢轨紧固件

钢轨紧固件包括用于固定钢轨到轨枕或其他支承上的任何装置或组件系统。现今使用 中的有很多不同类型的钢轨紧固件。使用最广泛的是钢制大方钉,不过,也使用弹性或刚 性钢夹以及钻钉或螺丝钉。钢轨紧固件提供了对钢轨垂直、横向和旋转运动的抗力,它们 也用于锚固垫板到轨枕上。有些紧固件,例如弹性夹子还可以提供对钢轨纵向运动的一些 约束。

大方钉通常用于将轨道固定到枕木上。它们带有楔形的尖端用于刺穿枕木纤维并防止 分裂,头部在顶面呈圆形以便于打进,其外形是卵形的且柄是偏心的,以提供一个11/ 16in的长度来啮合轨底的顶面。另见第19.11.2节。

用于保持轨距的线状道钉普遍是5/8in的正方形且头部以下有6in长。用于紧固垫板 到轨枕上的压紧道钉通常是9/16in的正方形,且头部以下有5.5in长。有时规定含铜量 0.20%以提供耐蚀性。关于设计和技术规格,参见ASTM标准和AREMA手册。

轨卡设计为既接触轨底的顶面又接触轨枕或轨座。弹性夹子设计成在荷载下适度地变 形,而卸载时恢复到初始状态。刚性夹子在荷载下不会适度地变形。夹子可以放入特殊的 狭槽内或者用螺栓或螺钉锚固到轨座上。

钻钉,也称作螺丝钉,是带有方形头部的钢螺钉,可以用于垫板夹板、铺板道口夹板 和其他木材应用中。钻钉具有类似于大方钉的材料性能,直径是1/2~3/4in。

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