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
