軌道結(jié)構(gòu)理論與軌道力學(xué)第三章鋼軌第一節(jié)鋼軌重型化鋼軌斷面的設(shè)計(jì)原則鋼軌斷面形狀的發(fā)展趨勢(shì)鋼軌重型化后軌道的受力特點(diǎn)(1)抗彎功能，工字鋼的變形頭大：加厚頭部以提供更多的可磨耗面積，延長(zhǎng)壽命腰長(zhǎng)：加高軌腰提高抗彎能力底寬：加寬軌底提高抗彎穩(wěn)定性1.輪載斷面形狀及其設(shè)計(jì)原則(2)減小局部應(yīng)力各局部連接圓?。篟2-5mm軌頭圓弧：２段或５段R13-300-13R13-80-300-80-13R15-80-500-80-15軌頭圓?。篟350-450+15-25mm(3)減小殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力：軌腰受壓、軌頭軌底受拉鋼軌熱軋冷卻過(guò)程中形成殘余應(yīng)力冷卻順序：軌腰、軌底、軌頭相對(duì)合理面積：軌腰35%、軌腰25%、軌底35%(1)軌高增加較快，底寬增加到一定程度不再增加型號(hào)75605043軌高(mm)192176152140比例1.261.1610.92底寬(mm)150150132114比例1.141.1410.862.鋼軌重型化中斷面的發(fā)展趨勢(shì)型號(hào)75605043垂向4490321720371489橫向661524377260垂/橫比值6.86.15.45.7垂向比例2.21.5810.73(2)垂向及橫向抗彎剛度均有增加，但垂向抗彎增加更大型號(hào)75605043軌頭面積比例37.4437.4738.6842.83軌底面積比例36.0337.2437.5535.86軌頭寬度75737070軌腰厚度2016.515.514.5(4)軌頭寬度和軌腰厚度略有增加(3)軌頭軌底面積逐漸增加，但所占比例減小型號(hào)軌頭圓弧7515-80-500-80-156013-80-300-80-135013-300-134313-300-13(5)軌頭半徑增加，圓弧段數(shù)增加，且向磨耗型踏面發(fā)展磨耗型踏面的概念：軌頭經(jīng)磨耗后，能夠長(zhǎng)期保持的形狀軌頭頂部半徑大與小的優(yōu)缺點(diǎn)：半徑大：輪軌接觸應(yīng)力??；但軌頭圓弧很快變平，輪軌接觸點(diǎn)不易控制，R80及R13容易接觸到車(chē)輪；曲線地段調(diào)整內(nèi)外軌長(zhǎng)度差的能力較低半徑小：輪軌接觸應(yīng)力大；但軌頭圓弧不易變平，輪軌接觸點(diǎn)易控制，R80及R13不易接觸到車(chē)輪；曲線地段調(diào)整內(nèi)外軌長(zhǎng)度差的能力較低重載線路上的鋼軌不對(duì)稱打磨型號(hào)下顎圓弧半徑軌腰圓弧半徑7525500602540050173504315300(6)軌頭下顎及軌腰圓弧半徑逐漸增大型號(hào)軌頭下顎接觸面斜度軌底接觸面斜度751/301/30601/301/30501/401/40431/401/40(7)與接頭夾板接觸的斜面變陡鋼軌與接頭夾板接觸斜面陡與緩的問(wèn)題接觸斜面陡：軌腰所受垂向拉力降低，有利于減小軌腰螺栓孔開(kāi)裂和軌頭下顎縱向裂紋，但因接頭螺栓所需拉力更大，對(duì)接觸螺栓的要求更高。接觸斜面緩：正好相反型號(hào)軌頭側(cè)面751/20601/2050垂直43垂直軌頭寬度增加后，鋼軌側(cè)面磨耗明顯加快，因此宜控制軌頭寬度(8)為減小軌頭寬度，重型軌軌頭側(cè)面呈斜面型號(hào)垂磨限(mm)側(cè)磨限(mm)75122160111950101743915(9)軌頭垂磨限增加較多，而側(cè)磨限增加不大軌頭磨耗限的確定依據(jù)軌頭磨耗后的形狀：接近車(chē)輪踏面形狀1/20斜面R48正彎面R48反彎面原則１：鋼軌抗彎強(qiáng)度，軌頭磨耗面積可達(dá)到40-50%，一般不起控制作用原則2：車(chē)輪輪緣不與夾板接觸，軌頭磨耗面積一般只能達(dá)到20-25%，對(duì)垂磨限起控制作用提高軌頭垂磨限的高凈空夾板原則3：鋼軌側(cè)面磨耗（軌頂以下16mm處取量），不能超過(guò)扣件對(duì)軌距的高速能力，此項(xiàng)對(duì)鋼軌側(cè)磨限值起控制作用。大多數(shù)扣件（同一枕上的兩組扣件同時(shí)調(diào)整）對(duì)軌距的高速能力在16-25mm，所以一般鋼軌側(cè)磨限確定在20-25mm間。類(lèi)型大修周期（億噸）比例75無(wú)縫91.6475普通71.5660無(wú)縫71.2760普通61.3350無(wú)縫5.5150普通4.51432.50.56類(lèi)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，說(shuō)明鋼軌重型化后鋼材的利用率在增加。(10)軌道大修周期顯著延長(zhǎng)3.鋼軌重型化后軌道的受力特點(diǎn)

重型化后增加的參量：

輪軌間垂向力

輪軌間橫向力

輪軌接觸應(yīng)力

鋼軌磨耗速率

鋼軌傷損速率

重型化后減小的參量：

軌道平平順

鋼軌彎矩

鋼軌應(yīng)力

枕上壓力

道床應(yīng)力與道床病害

路基應(yīng)力與路基病害鋼軌重型化的實(shí)質(zhì)：以增加鋼軌負(fù)擔(dān)為代價(jià)，以達(dá)到顯著減小軌下基礎(chǔ)（道床及路基）的受力和變形，從而延緩軌道的變形積累及質(zhì)量劣化。由于重型化后鋼軌負(fù)擔(dān)明顯加重，所以單純地提高鋼軌重量是不行的，鋼軌重型化的過(guò)程必須伴隨著鋼軌材質(zhì)的強(qiáng)韌化。第二節(jié)鋼軌強(qiáng)韌化鋼軌材質(zhì)的機(jī)械性能鋼軌材料雜質(zhì)鋼軌熱處理合金軌1.鋼軌材料的化學(xué)性能鐵＋碳＋硅＋錳＋（銅）＋[磷＋硫]亞共析鋼碳含量小于0.82%，0.62-0.8%0.13-0.3%，硅合金鋼0.7-1.15%0.6-1.0%，錳合金鋼0.8-1.5%無(wú)，銅合金鋼0.1-0.4%雜質(zhì)，應(yīng)盡可能少，小于0.05%(1)化學(xué)成份非金屬夾雜物的危害：夾雜物的硬度不可能與鋼材一樣，非軟即硬。硬的夾雜物如流水中的石頭，在金屬發(fā)生塑性變形時(shí)會(huì)在其周邊形成微裂紋。軟的夾雜物如空洞，其周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，也會(huì)出現(xiàn)微裂紋。夾雜物較多時(shí)嚴(yán)重影響鋼材的疲勞壽命。(2)非金屬夾雜物鋼中夾雜物分為四類(lèi)：氧化物（鐵、錳、鋁、鉻、硅）：氧化亞鐵軟脆，三氧化二鋁質(zhì)硬

硫化物：熱脆，液態(tài)鐵中溶解性大，冷卻會(huì)析于金屬晶粒周邊硅酸鹽：質(zhì)軟氮化物：質(zhì)硬、脆性大(3)金相組織片狀珠光體＋少量鐵素體極薄較硬的碳化鐵（滲碳體）＋較軟且韌性較好的純鐵（鐵素體）單獨(dú)出現(xiàn)的鐵素體在珠光體間宜均勻分布，不能呈大塊狀（質(zhì)軟），也不能呈網(wǎng)狀（脆性）。不允許出現(xiàn)因軋制溫度過(guò)高、冷卻速度過(guò)快造成的馬氏體或貝氏體2.物理力學(xué)性能強(qiáng)度：硬度（布氏硬度，表征耐磨性）：220－230韌性：小試件延伸率：沖擊韌性：落錘試驗(yàn)落錘高度：506075軌7.49.811.2m落錘后測(cè)試：跨中殘余撓度不大于5.5cm，無(wú)裂紋。3.鋼軌熱處理軌頭中頻加熱至850度左右驟冷至300度左右普通碳素軌奧氏體的相變溫度鋼軌熱經(jīng)處理后顯著提高了耐磨性能重型軌和特重型軌必須經(jīng)過(guò)全長(zhǎng)淬火才能上道使用。其他鋼軌用于曲線半徑小于600m地段外軌時(shí)，須經(jīng)全長(zhǎng)淬火。我國(guó)目前鋼軌淬火中的問(wèn)題：淬火設(shè)備、質(zhì)量控制技術(shù)4.合金軌除淬火外，合金強(qiáng)化是另一強(qiáng)化途徑。鋼中加入合金元素Si、Mn、Cr、Nb、V等，除了固溶強(qiáng)化基體外，相同冷速下可獲得片間距更加細(xì)小的珠光體組織，以提高其強(qiáng)度和韌性。

合金軌的可焊性問(wèn)題鋼軌強(qiáng)度等級(jí)5.鋼軌材料發(fā)展的新趨勢(shì)(1)過(guò)共析鋼鋼軌含碳量增加引起的韌性降低采用進(jìn)一步細(xì)化晶粒彌補(bǔ)。CSiMnPSCr0.890.480.610.0140.0090.25(2)馬氏體及貝氏體鋼軌英鋼聯(lián)開(kāi)發(fā)了軌頭硬度445HB的馬氏體鋼軌鋼。德國(guó)研究的軌頭硬度425HB的貝氏體鋼軌已經(jīng)在挪威的重載線路上進(jìn)行鋪設(shè)試驗(yàn)。日本研制的軌頭硬度420HB的貝氏體鋼軌正在美國(guó)FAST環(huán)形試驗(yàn)線上進(jìn)行試驗(yàn)。美國(guó)也開(kāi)發(fā)了硬度430HB的貝氏體鋼軌。(2)稀土鋼軌我國(guó)1960～70年代曾開(kāi)展過(guò)稀土軌的研究工作，小半經(jīng)曲線上鋪設(shè)試驗(yàn)表明其耐磨性很好。1991年恢復(fù)稀土軌的研制，投入生產(chǎn)。包鋼鈮稀土鋼軌的代號(hào)為BNbRE,是在碳素軌的基礎(chǔ)之上加入了少量Nb、RE合金元素。在小半徑曲線上使用壽命比U74鋼軌有顯著提高。BNbRE鋼軌熱處理強(qiáng)化后，比U74熱軋軌使用壽命提高3-5倍。第三節(jié)鋼軌接觸應(yīng)力計(jì)算計(jì)算模型計(jì)算公式軌頭應(yīng)力分布鋼軌承載能力

1.輪軌接觸應(yīng)力的計(jì)算理論車(chē)輪踏面與軌頂?shù)慕佑|符合Hertz接觸假定，輪軌接觸區(qū)域?yàn)橐粰E園，接觸應(yīng)力分布為一橢球。abpp0長(zhǎng)短半軸的方向取決于車(chē)輪半徑與軌頂園弧半徑的相對(duì)大小，當(dāng)軌頂園弧半徑小于車(chē)輪滾動(dòng)園半徑時(shí)，長(zhǎng)軸沿鋼軌方向，反之，長(zhǎng)軸沿輪軸方向。最大接觸應(yīng)力為平均接觸應(yīng)力的1.5倍，即：輪軌接觸可簡(jiǎn)化為兩個(gè)橢球體的接觸。定義常數(shù)：對(duì)于錐形踏面，忽略鋼軌彎曲，忽略輪軌間的沖角，簡(jiǎn)化成為兩個(gè)垂直圓柱的接觸。輪軌接觸橢園的長(zhǎng)短半軸計(jì)算公式為：2.軌頭內(nèi)的應(yīng)力分布3.鋼軌的承載能力鋼軌的承載能力由輪軌接觸應(yīng)力大小進(jìn)行計(jì)算，以軌頭亞表層剪應(yīng)力是否超限進(jìn)行衡量。鋼軌的承載能力有2個(gè)指標(biāo)，即彈性極限和安定極限。彈性極限是指不使軌頭產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力限值。安定極限是指，雖使軌頭產(chǎn)生了塑性變形，但因鋼軌材料發(fā)生塑性變形后的加工硬化和殘余應(yīng)力效應(yīng)，鋼軌最終能夠恢復(fù)到彈性工作狀態(tài)的最大應(yīng)力限值。依據(jù)前述對(duì)軌頭內(nèi)部應(yīng)力分布的討論，當(dāng)輪軌切向力為0時(shí)，最大剪應(yīng)力不超過(guò)限值即為彈性極限應(yīng)力：安定極限的計(jì)算須考慮材料加工硬化和殘余應(yīng)力，比較復(fù)雜，依據(jù)研究資料，滿足安定極限的輪軌接觸應(yīng)力為：當(dāng)輪軌存在切向力時(shí)，鋼軌的承載能力明顯下降。普通碳素鋼軌一般不大可能在彈性區(qū)工作，在鋼軌上道初期，軌頭產(chǎn)生塑性變形，經(jīng)過(guò)多次車(chē)輪輾壓，軌頭內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，抵銷(xiāo)了部分的荷載應(yīng)力，同時(shí)，軌頭材料經(jīng)過(guò)塑性變形后產(chǎn)生加工硬化，強(qiáng)度有一定程度的提高，鋼軌經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的塑性工作狀態(tài)后可轉(zhuǎn)化為彈性工作狀態(tài)。高強(qiáng)度的合金軌或淬火軌有可能在彈性區(qū)工作。普碳軌的安定極限輪載第四節(jié)鋼軌彎矩及軌枕反力的有限單元法求解垂向受力計(jì)算橫向受力計(jì)算1.垂向受力計(jì)算計(jì)算模型。由于軌道垂向受力的對(duì)稱性，可取單根鋼軌計(jì)算，因忽略軌枕的彎曲效應(yīng)，扣件彈性與道床彈性可按串聯(lián)彈簧進(jìn)行簡(jiǎn)化，鋼軌被視為彈性點(diǎn)支承上的梁。單元節(jié)點(diǎn)劃分。每一軌枕和力作用點(diǎn)處為1個(gè)節(jié)點(diǎn)。按節(jié)點(diǎn)順序?qū)⒐?jié)點(diǎn)和單元編號(hào)。上圖所示為6節(jié)點(diǎn)、5單元單元節(jié)點(diǎn)變量及其排序單元節(jié)撓曲、彎矩、枕上壓力及形函數(shù)型函數(shù)的表達(dá)式單元?jiǎng)偠染仃嚱M建總剛度矩陣[K]組建總荷載列陣求解受力平衡方程得到所有節(jié)點(diǎn)位移2.橫向受力計(jì)算計(jì)算模型。由于軌道橫向受力沒(méi)有象垂向那樣的對(duì)稱性，所以計(jì)算時(shí)要復(fù)雜一些。嚴(yán)格地講，軌道橫向計(jì)算應(yīng)當(dāng)考慮兩根鋼軌及軌枕組成的軌排受力。但在橫向力不大時(shí)，作為簡(jiǎn)化計(jì)算，也可只取一根鋼軌進(jìn)行。簡(jiǎn)化計(jì)算。計(jì)算模型與垂向相同，只是以橫向受力、鋼軌橫向抗彎剛度、扣件與道床形成的橫向串聯(lián)剛度代替相關(guān)的參數(shù)即可。橫向計(jì)算模型鋼軌為梁?jiǎn)卧?，軌枕為質(zhì)量塊即點(diǎn)單元未知量的排列受力鋼軌節(jié)點(diǎn)變量另一側(cè)鋼軌節(jié)點(diǎn)變量軌枕橫向位移變量鋼軌單元?jiǎng)偠染仃噷?xiě)出系統(tǒng)總應(yīng)變能對(duì)系統(tǒng)應(yīng)變能求一階分并組建總剛度矩陣[K]對(duì)系統(tǒng)應(yīng)變能求一階分并組建總剛度矩陣[K]組建荷載列陣：只有第3節(jié)點(diǎn)上作用有集中力，所以荷載列陣中只有第3個(gè)元素為P，其余元素均為0。求解受力方程，得到各節(jié)點(diǎn)位移。第四節(jié)

鋼軌接頭沖擊力特性及其簡(jiǎn)化計(jì)算接頭受力特性接頭受力簡(jiǎn)化計(jì)算1.接頭沖擊力的特性高頻沖擊力：主要影響鋼軌受力與變形，造成軌頭打塌、螺栓孔裂紋、低接頭（夾板死彎）、劇烈振動(dòng)。低頻沖擊力：軌枕和道床劇烈振動(dòng)、石碴粉化、道床翻漿、路基翻漿接頭沖擊力的限值2.接頭沖擊力的簡(jiǎn)化計(jì)算采用集總含量模型，將軌道簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)，考慮車(chē)輛簧下質(zhì)量與輪軌接觸彈簧，進(jìn)行計(jì)算得到：靜輪載輪軌接觸彈簧剛度100kN/mm簧下質(zhì)量，貨車(chē)0.5t，貨動(dòng)機(jī)車(chē)1.5t，高速動(dòng)車(chē)1t接頭總折角車(chē)速軌道參振質(zhì)量軌道低頻參振質(zhì)量軌道等效剛度軌道等效阻尼第五節(jié)鋼軌病害及合理使用磨耗剝離波磨打磨1.鋼軌側(cè)面磨耗形成機(jī)理：輪軌兩點(diǎn)接觸及超前距超前距與輪軌沖角成正比。B點(diǎn)發(fā)生輪緣在軌側(cè)的快速滑動(dòng)。磨耗成份：粘著、切削、塑性流動(dòng)磨耗因子：表達(dá)磨耗速率與各主要力學(xué)參數(shù)的關(guān)系磨耗的階段性：早期劇烈磨耗期、中期穩(wěn)定磨耗期及晚期快速磨耗期影響磨耗的因素及減磨措施（1）鋼軌材質(zhì)（2）涂油潤(rùn)滑（3）軌道幾何參數(shù)：超高、軌距、軌底坡2.剝離形成機(jī)理：影響因素及減緩措施（1）鋼軌材質(zhì)的抗剝離性能：雜質(zhì)含量（2）鋼軌受力過(guò)大，產(chǎn)生塑性變形（3）鋼軌磨耗偏慢3.波磨現(xiàn)象：短波30-80mm；長(zhǎng)波150－500mm危害：短波引起劇烈振動(dòng)，長(zhǎng)波引起劇烈振動(dòng)的同時(shí)，危害行車(chē)安全。出現(xiàn)地段：（1）重載線路、高速線路；（2）曲線外軌；（3）制動(dòng)地段。形成原因（即波磨成因理論）：（1）接觸共振理論；（2）輪軸扭轉(zhuǎn)張馳振動(dòng)理論；（3）輪對(duì)粘滑振動(dòng)理論；（4）輪對(duì)橫向張馳振動(dòng)理論；（5）超聲波駐波理論；（6）輪軌系統(tǒng)振動(dòng)理論。減緩波磨的措施：（1）提高鋼軌耐磨及抗塑性變形性能；（2）減小軌道不平順；（3）增加軌道彈性；（4）適當(dāng)離散車(chē)速；（5）適當(dāng)離散車(chē)型；