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    钢轨与联结零件.docx

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    钢轨与联结零件.docx

    1、钢轨与联结零件第 2 章 钢轨与联结零件2.1 钢轨1.钢轨的作用与性能(1)钢轨的作用 为了使线路能按照设计速度保证列车运行,钢轨必须具备以 下几个方面的功能: (1) 为车轮提供连续、平顺和阻力最小 的滚动面,引导机车车辆前进。车辆要求钢轨表面光滑,以 减小轮轨阻力;而机车要求轮轨之间有较大的摩擦力,以发 挥机车的牵引力; (2) 钢轨要承受来自车轮的巨大垂向压 力,并将以分散形式传给轨枕。在轨面要承受极大的接触应 力。除垂向力外,钢轨还要承受横向力和纵向力。在这些力 的作用下,钢轨要产生弯曲、扭转、爬行等变形,轨头的钢 材还要产生塑性流动,磨损等; (3) 为轨道电路提供导体。 (2)钢

    2、轨的性质要求 1.按每米质量分类 世界铁路所用钢轨的类型通常按每延米质量来分,在轴重 大、运量大和速度高的重要线路上采用质量大的钢轨,在一 般次要线路上使用的钢轨质量相对要小一些。我国铁路所使 用的钢轨重量有 43、45、 50、60 和 75kg/m。随着高速、重载运输的要求,钢轨正向重型化发展,目 前世界上最重型的钢轨已达到 77.5kg/m ,线路上逐步铺设75kg/m 钢轨。目前世界各国铁路使用钢轨分重载高速铁路钢轨和普速铁路钢轨,如俄罗斯的重载铁路使用 R75 钢轨;美国使用 136RE (65kg/m) 和 140RE(70kg/m) 型钢轨;我国铁路干线也 都使用 CHN60 钢

    3、轨。世界各国高速铁路基本上都采用了 60kg/m 的钢轨,如日本新干线、法国 TGV 和德国 ICE 高速 铁路所采用的钢轨均为 60kg/m 级。我国 CHN 60( 实际重量 为 60.64kg/m) 钢轨截面与 UIC60( 实际重量为 60.34kg/m) 钢轨 截面相似,特别是轨顶面均为 R=13-80-300-80-13 五段式弧 线。2.按单根钢轨的长度分类(1)标准钢轨的长度 我国目前的钢轨定长为 12.5m 和 25m 两种,世界各国的钢轨 定尺长也有长有短。由于高速重载铁路都采用无缝线路,钢 轨定尺长越短,钢轨焊接接头越多,所以世界各国都大力发 展长定尺长钢轨,我国用于新建

    4、客运专线的长定尺钢轨的长 度为 50m 或 100m 。(2)标准缩短轨的长度 用于曲线内股的缩短轨,对于 12.5m 标准系列的缩短轨有短 40mm 、 80mm、 120mm 三种;对于 25m 轨的有短 40mm 、 80mm、 160mm 三种。我国钢轨标准长度为 12.5m 和 25m 两种,对于 75kg/m 钢轨 只有 25m 长一种。 最近又出厂了 50m 和 100m 的两种, 用于 铺设无缝线路。还有用于曲线内股的缩短轨,对于 12.5m 标 准系列的缩短轨有短 40mm 、80mm、120mm 三种;对于 25m 轨的有短 40mm、 80mm、 160mm 三种。3.按

    5、钢轨的化学成分分类钢轨截面形状的发展也经过了相当长的时间。从构件截面的 力学特性可知,工字型截面的构件具有较好的抗弯曲性能。 。钢轨截面由轨头、轨腰和轨底三部分组成,相互之间用圆轮踏面相适应的外形,以改善轨接触条件,提高抵抗压陷的 能力,同时具有足够的支承面积,以备磨耗。 轨顶面与侧面的连接圆弧半径为 13mm(CHN 75 钢轨为 15mm) 。这比机车车辆轮的轮缘内圆角的半径 16mm 和 18mm 略小些。如此值再大,轮缘就有爬上钢轨的危险,若再小, 将加速轮缘的磨耗。轨头底面称轨头的下颚,是和夹板顶面 相接触的部分,其斜坡常用 1:2.75,1:3,1:4 。这个斜坡不宜 过于平缓也不

    6、过于陡峻。过缓则使夹板受到过大的动力作 用,加速了夹板螺栓的松动和磨耗;过陡则螺栓所受的拉力 过大而容易折断。轨头下角亦应作成圆弧,以免应力过分集 中,但又不使夹板的支承宽度减小过多,一般圆弧的半径在 24mm 之间。轨腰必须有足够的厚度和高度,具有较大的承载能力和抗弯 能力。轨腰的两侧或为直线,或为曲线,而以曲线最常用, 以有利于传递车轮对钢轨的冲击动力作用和减少钢轨轧制 后因冷却而产生的残余应力。 我国设计的标准 CHN 50 、CHN 60 和 CHN 75 钢轨的轨腰圆弧半径分别采用 350mm、400mm 和 500mm 。轨腰与钢轨头部及底部的连接, 必须保证夹板能 有足够的支承面

    7、,并使截面的变化不致过分突然,以免产生 过大的应力集中。为此,轨腰与轨头之间可采用复曲线的连 接方式,如我国 CHN60 标准钢轨采用了 25mm 和 8mm。轨 腰与轨底之间的连接曲线,一般采用单曲线,半径为 1420mm。轨底直接支承在轨枕顶面上中,为保持钢轨稳定,应有足够 的宽度和厚度,并具有必要的刚度和抗锈蚀能力。轨底顶面 可以作成单坡或折线坡的斜坡。如为单坡,则要求与轨头下 颚的斜坡相同。如为折线坡,则支托夹板部分要求与轨头下 颚同, 其余部分可采用较平缓的斜坡, 如 1:61:9,两斜面之 间,用半径为 1540mm 的圆弧连接。轨底的上下角也应作 为圆角,半径一般为 24mm 。

    8、根据多种类型钢轨几何尺寸的设计资料,钢轨截面的四个主 要尺按经验公式为,轨头顶面宽度: b=0.34M+51.70(mm) ; 轨 腰 厚 度 : t=0.16M+7.08(mm) ; 轨 身 高 度 : H=1.92M+54.16(mm) ;轨底宽度: B=1.25M+69.25(mm)(M 为 每米钢轨的质量 (kg) 。轨身高与轨底宽之间应有一个适当的 比例。一般为 H/B 1.151.20。钢轨的头部顶面宽 (b)、轨腰厚(t)、轨身高 (H)及轨底宽 (B) 是钢轨断面的四个主要参数。钢轨高度应尽可能大一些,以 保证有足够的惯性矩及断面系数来承受竖直轮载的动力作 用。但钢轨愈高,其在

    9、横向水平力作用下的稳定性愈差。轨 身高与轨底宽之间应有一个适当的比例。一般要求轨高与轨 底宽之比为 1.151.20 。为使钢轨轧制冷却均匀,要求轨头、 轨腰及轨底的面积分配,有一个较合适的比例。 钢轨钢的物理力学性能包括强度极限 b、屈服极限 s、疲 劳极限 r、伸长率 5、断面收缩率 、冲击韧性 (落锤试验 ) h 及硬度等。这些指标对钢轨的承载能力、磨损、压溃、 断裂和其他伤损有很大的影响。 钢轨接头处轮轨冲击力 很大, 为加强接头处钢轨的抗磨能力, 在钢轨两端 3070mm 范围内进行轨顶淬火, 淬火深度达 8-12 mm 。 为提高钢轨 耐磨和抗压性能,还应对钢轨进行全长淬火处理。它

    10、是采用 电感应加热的方法,以局部改变轨头钢的组织,从而提高钢 轨的强度和韧性。重型钢轨的强化有两种技术路线:一是钢轨合金化,它生 产工艺简单,投资少,能源消耗少,钢轨整体强化,表层硬 度均匀,可焊性好;二是碳素钢热处理,这种方法也可获得 同样的高强度和表面硬度,同时韧性好,节省合金,适于大 批量生产。冶金学原理及冶金工业生产实践认为:如不改变 钢种,单凭碳素钢热处理,很难再大幅度地提高强度,唯有 微合金与热处理相结合,二者相辅相成,才可得到既有更高 强度,并有相应韧性、硬度和可焊性的优质钢轨。钢轨钢的主要元素是碳和铁,并根据强度和硬度的需要 增加其他化学元素,同时限制磷和硫等有害元素的含量。同

    11、 一种类型的钢轨中,不同炉号和生产批次,其化学元素也有 一些差别,所以钢轨中的化学元素含量是一个范围。 碳 (C) 是钢轨抗拉强度的主要来源,一般含量为 0.65% ,但一般小于 0.82% ,如含碳量过大,则会使钢轨的伸长率、断面收缩 率和冲击韧性下降。 锰(Mn) 可提高钢轨强度和韧性,并去 除有害的氧化铁和硫类夹杂物,如钢材中的含锰量超过 1.2%,则称为高锰钢,钢材的硬度,抗冲击性,耐磨性能能 得到较大的提高,但锰对钢轨的焊接有不利影响。 硅 (Si) 易与氧结合,除去钢中的气泡,增加钢的致密度,如在钢轨中 的含硅量较高,则也能提高钢轨的耐磨性能,如钢中 SiO2以非金属夹杂物存在,则

    12、往往是钢轨的疲劳伤损源。 磷(P)是有害成分,如钢轨中含磷过多,则就会出现冷脆性,在严寒地区,易造成钢轨断裂。 硫 (S)也是有害成分,如钢材中 含硫过多, 则当钢轨温度达到 8001200 时出现热脆性, 造 成钢轨轧制或热加工过程中钢轨断裂,出现大量废品。一般 要求磷和硫的含量都小于 0.04% ,但国外有些钢轨磷和硫的 含量达到或小于 0.015% 。 此外,目前世界各国也生产合金 轨,即在钢轨中加入钒 (V) 、铬(Cr)、钼(Mo)等,以提高钢轨 的材质,满足高速铁路的要求。 钢轨伤损是指钢轨在使用过程中,发生折断、裂纹及其它影 响和限制钢轨使用性能的伤损。 为便于统计和分析钢轨 伤

    13、损,需对钢轨伤损进行分类。根据伤损在钢轨断面上的位 置、伤损外貌及伤损原因等分为九类 32 种伤损,用两位数 编号分类,十位数表示伤损的部位和状态,个位数表示造成 伤损的原因。钢轨伤损分类具体内容可见“铁道工务技术手 册(轨道)”。 钢轨折断是指有下列情况之一者:钢轨全截面至少断成两部 分;裂缝已经贯通整个轨头截面或轨底截面;钢轨顶面上有 长大于 50mm、深大于 10mm 的掉块。钢轨折断直接威胁行 车安全,应及时更换。钢轨裂纹是指除钢轨折断之外,钢轨 部分材料发生分离,形成裂纹。 钢轨伤损种类很多,常 见的有磨耗、剥离及轨头核伤、轨腰螺栓孔裂纹等。下面介 绍几种常见的钢轨伤损情况。 1钢轨

    14、磨耗 钢轨磨耗主要是指小半径曲线上钢轨的侧面磨耗和波浪磨耗。至于垂直 磨耗一般情况下是正常的,随着轴重和通过总重的增加而增 大。轨道几何形位设置不当,会使垂直磨耗速率加快,这是 要防止的,可通过调整轨道几何尺寸解决。 (1) 侧面磨耗 侧面磨耗发生在小半径曲线的外股钢轨上,是目前曲线上伤 损的主要类型之一。列车在曲线上运行时,轮轨的磨擦与滑 动是造成外轨侧磨的根本原因。列车通过小半径曲线时,通 常会出现轮轨两点接触的情况,这时发生的侧磨最大。侧磨 的大小可用导身力与冲击角的乘积,即磨耗因子来表示。改 善列车通过曲线的条件,如采用磨耗型车轮踏面,采用径向 转向架等会降低侧磨的速率。 从工务角度来

    15、讲,应改善 钢轨材质,采用耐磨轨,例如高硬稀土轨其耐磨性是普通轨 的 2 倍左右,淬火轨为 1 倍以上。 加强养护维修,设置 合适的轨距、外轨超高及轨底坡,增加线路的弹性,在钢轨 侧面涂油等,都可以减小侧面磨耗的效果。(2)波浪形磨耗 波浪形磨耗是指钢轨顶面上出现的波浪状 不均匀磨耗,实质上是波浪形压溃。波磨会引起很高的轮轨 动力作用,加速机车车辆及轨道部件的损坏,增加养护维修 费用;此外列车的剧烈振动,会使旅客不适,严重时还会威 胁到行车安全; 波磨也是噪音的来源。 我国一些货运干线上, 出现了严重的波磨。其发展速度比侧磨还快,成为换轨的主 要原因。 波磨可以其波长分为短波(或称波纹)和长波

    16、 (或称波浪)两种。波纹为波长约 50100mm ,波幅 0.10.4mm 的周期性不平顺;长波为波长 100m 以上, 3000mm 以下,波幅 2mm 以内的周期性不平顺。 波磨主要出现在 重载运输线上,尤其是运煤运矿线上特别严重,在高速高客 运线上也有不同程度的发生,城市地铁上也较普遍。列车速 度较高的铁路上,主要发生波纹磨耗,且主要出现在直线和 制动地段。在车速较低的重载运输线上主要发波浪磨耗,且 一般出现在曲线地段。影响钢轨波磨发生发展的因素很多, 涉及到钢轨材质、线路及机车辆条件等多个方面。世界各国 都在致力于钢轨波形磨耗成因理论研究。目前,关于波磨成 因的理论有数十种,大致可分为两类:动力类成因理论和非 动力类成因理论。总的来说,动力作用是钢轨波磨形成的外 因,钢轨材质性能是波磨的内因。事实上单靠某一方面的分 析来概括钢轨波磨的所有成因是相当困难的,而必须把车辆 和轨道作为一个系统,研究多种振动形成,从整体


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