任務(wù)1　鋼軌認(rèn)知

1.1.1　工作任務(wù)

通過(guò)鋼軌認(rèn)知的學(xué)習(xí)，主要能夠掌握以下工作任務(wù)：

1.掌握鋼軌的作用和形式；

2.掌握鋼軌傷損的類(lèi)型和特征。

1.1.2　相關(guān)配套知識(shí)

1.鋼軌的作用和基本要求

1）鋼軌的作用

鋼軌是軌道的主要組成部件，鋼軌的功用在于引導(dǎo)機(jī)車(chē)車(chē)輛的車(chē)輪前進(jìn)，直接承受來(lái)自車(chē)輪和其他方面的各種力，且傳遞給軌下基礎(chǔ)，并為車(chē)輪的滾動(dòng)提供連續(xù)平順和阻力最小的表面。在電氣化鐵路或自動(dòng)閉塞區(qū)段，鋼軌還可兼供軌道電路之用。

2）鋼軌的基本要求

（1）足夠的強(qiáng)度和耐磨性

鋼軌的工作條件十分復(fù)雜。首先，車(chē)輪施加于鋼軌上的作用力具有很強(qiáng)的隨機(jī)性；其次，氣候及其他因素對(duì)鋼軌受力也有影響。鋼軌是作為一根支撐在彈性基礎(chǔ)上的無(wú)限長(zhǎng)梁進(jìn)行工作的，它主要承受輪載作用下的彎曲應(yīng)力，但是也必須有能力承擔(dān)輪軌接觸應(yīng)力，以及軌腰和軌頭或軌底連接處可能產(chǎn)生的局部應(yīng)力和溫度變化下的溫度應(yīng)力。在輪載和溫度應(yīng)力的作用下，鋼軌產(chǎn)生復(fù)雜的變形：壓縮、伸長(zhǎng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓潰、磨耗等。為使列車(chē)能夠安全、平穩(wěn)和不間斷地運(yùn)行，鋼軌必須保證在輪載和溫度力作用下，應(yīng)力和變形均不超過(guò)規(guī)定的限值，這就要求鋼軌具有足夠的強(qiáng)度、韌性和耐磨性能。

（2）較高的抗疲勞強(qiáng)度和韌性

鋼軌長(zhǎng)期在列車(chē)重復(fù)荷載作用下工作，隨著軸重增加和鋼軌重型化，軌頭部分的疲勞傷損成為鋼軌傷損的主要形式之一。為防止軌頭內(nèi)側(cè)剝離及由此可能引起的鋼軌橫向折斷，鋼軌應(yīng)具有較高的抗疲勞強(qiáng)度和較好的沖擊韌性。

（3）一定的彈性

鋼軌依靠本身的剛度抵抗輪載作用下的彈性彎曲，就要求鋼軌應(yīng)具有足夠的剛度，但為了減輕車(chē)輪對(duì)鋼軌的動(dòng)力沖擊作用，防止機(jī)車(chē)車(chē)輛走行部分及鋼軌的折損，又要求鋼軌具有必要的彈性。

（4）足夠光滑的頂面

對(duì)車(chē)輛來(lái)說(shuō)，車(chē)輪與鋼軌頂面之間的摩擦阻力太大會(huì)使行車(chē)阻力增加，這就要求鋼軌有一個(gè)光滑的滾動(dòng)表面，而機(jī)車(chē)依靠其動(dòng)輪與鋼軌頂面之間的摩擦作用牽引列車(chē)前進(jìn)，則要求鋼軌頂面具有一定粗糙度，以使車(chē)輪與鋼軌之間產(chǎn)生足夠的摩擦力。從這一矛盾的主要方面出發(fā)，鋼軌仍應(yīng)維持其光滑的表面，必要時(shí)，可用向軌面撒砂的方法提高機(jī)車(chē)動(dòng)輪與鋼軌之間的黏著力。

（5）良好的可焊性

隨著無(wú)縫線路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，要求鋼軌應(yīng)具有良好的可焊性。

（6）高速鐵路鋼軌的高平直度

鋼軌的平直性對(duì)軌道平順性有重要影響，同時(shí)軌端平直度、對(duì)稱(chēng)性對(duì)鋼軌焊接也有很大影響。高速鐵路對(duì)鋼軌平直性的要求比一般線路更高更嚴(yán)，控制指標(biāo)也更多更全面。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理原則，鋼軌還應(yīng)做到斷面設(shè)計(jì)合理，價(jià)格低廉，輕重齊備，自成系列。

2.鋼軌的形式

1）鋼軌的類(lèi)型

鋼軌類(lèi)型習(xí)慣上用單位長(zhǎng)度鋼軌大致質(zhì)量（kg/m）表示。我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)鋼軌有75kg/m、60kg/m、50kg/m、43kg/m、38kg/m等。

線路上的鋼軌類(lèi)型應(yīng)與運(yùn)量、允許速度和軸重相適應(yīng)。鋼軌類(lèi)型的選擇要根據(jù)運(yùn)輸條件綜合考慮。在技術(shù)上，要能保證足夠的強(qiáng)度、韌性、耐磨性和穩(wěn)定性；在經(jīng)濟(jì)上，要能保證合理的大修周期，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。決定鋼軌質(zhì)（重）量最主要的因素：一是鋼軌質(zhì)量與機(jī)車(chē)車(chē)輛軸重必須匹配，輪軸比一般在2.75以上較為合理，鋼軌質(zhì)量提高要與軸重增加相適應(yīng)；二是在一定的行車(chē)速度條件下，車(chē)輪對(duì)鋼軌的沖擊作用、軌道各部件及道床振動(dòng)加速度和鋼軌質(zhì)量成反比，要提高行車(chē)速度，又要保證良好的線路質(zhì)量，就必須提高鋼軌質(zhì)量；三是年通過(guò)總質(zhì)量愈大，愈容易引起軌道部件的疲勞折損，加劇軌道幾何位置的變化，為此必須根據(jù)年通過(guò)總質(zhì)量合理選用與之匹配的鋼軌，這樣才不致影響鋼軌使用壽命、縮短線路大修換軌周期。

2）鋼軌的長(zhǎng)度

我國(guó)鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度有12.5m和25.0m兩種。對(duì)于75kg/m鋼軌只有25.0m標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼軌。曲線內(nèi)股縮短軌長(zhǎng)度，對(duì)于12.5m標(biāo)準(zhǔn)軌系列縮短量有40mm、80mm、120mm三種，對(duì)于25.0m標(biāo)準(zhǔn)軌系列縮短量有40mm、80mm、160mm的三種。

無(wú)縫線路技術(shù)使用長(zhǎng)鋼軌可以減少鋼軌焊接接頭，提高鋼軌使用的安全性和平順性。另外，鋼軌長(zhǎng)尺生產(chǎn)便于對(duì)鋼軌進(jìn)行熱預(yù)彎，消除鋼軌矯直前的彎曲度，減少鋼軌的殘余應(yīng)力。同時(shí)由于長(zhǎng)尺鋼軌兩端可以鋸掉0.8～1.5m，可以消除原標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼軌兩端的矯直和探傷盲區(qū)，在提高生產(chǎn)率的同時(shí)可充分保證鋼軌的平直度和內(nèi)部質(zhì)量。因此鋼軌長(zhǎng)尺生產(chǎn)成為一種趨勢(shì)，如法國(guó)鋼軌定尺長(zhǎng)度可達(dá)80m，德國(guó)可達(dá)120m。我國(guó)長(zhǎng)定尺鋼軌長(zhǎng)度有50m和100m長(zhǎng)兩種，無(wú)縫線路應(yīng)優(yōu)先采用100m長(zhǎng)定尺鋼軌。

3）鋼軌斷面設(shè)計(jì)

在直線地段，鋼軌所受的力主要是豎直力，其結(jié)果是使鋼軌產(chǎn)生撓曲。由于鋼軌被視為支撐在連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的無(wú)限長(zhǎng)梁，而梁抵抗撓曲的最佳斷面形式為“工”字形。因此，鋼軌采用工字形斷面，由軌頭、軌腰和軌底三部分組成。其斷面尺寸應(yīng)滿足下列要求：

（1）鋼軌頭部

鋼軌頭部是直接和車(chē)輪接觸的部分，為改善輪軌接觸條件，提高其抵抗壓陷和耐磨的能力，軌頭宜大而厚，具有和輪箍踏面相適應(yīng)的外形，并具有足夠的面積，以備磨耗。鋼軌頭部頂面應(yīng)軋制成隆起的圓弧形，使由車(chē)輪傳來(lái)的壓力能集中于鋼軌中部。

（2）鋼軌腰部

為使鋼軌有較大的承載能力和抗彎能力，鋼軌腰部必須有足夠的厚度和高度，軌腰的兩側(cè)為曲線。

（3）鋼軌底部

鋼軌底部直接支撐在軌枕頂面上，為保持鋼軌穩(wěn)定，軌底應(yīng)有足夠的厚度和寬度，并有必要的剛度和抵抗銹蝕的能力。

鋼軌的頭部頂面寬度（b）、軌腰厚度（t）、鋼軌高度（H）及軌底寬度（B）是鋼軌斷面的四個(gè)主要參數(shù)。鋼軌高度應(yīng)盡可能大一些，以保證有足夠的慣性矩及斷面系數(shù)來(lái)承受豎直輪載的動(dòng)力作用。但鋼軌愈高，其在橫向水平力作用下的穩(wěn)定性愈差。鋼軌高度與軌底寬度間應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤话阋箐撥壐叨扰c軌底寬度之比為1.15～1.20。為使鋼軌軋制冷卻均勻，要求軌頭、軌腰及軌底的面積分配有一個(gè)較合適的比例。

我國(guó)主要的幾種鋼軌標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸及特征見(jiàn)表1.1。

60kg/m鋼軌斷面尺寸如圖1.1所示，尺寸單位為：mm。本書(shū)無(wú)特別說(shuō)明處，尺寸單位皆為mm。

3.鋼軌的化學(xué)成分

鋼軌鋼的化學(xué)成分主要為鐵（Fe），還含有碳（C）、錳（Mn）、硅（Si）及磷（P）、硫（S）等其他元素。

碳對(duì)鋼軌的性質(zhì)影響最大。提高鋼軌的含碳量，其抗拉強(qiáng)度、耐磨性及硬度都迅速增加。但含碳量過(guò)高，會(huì)使鋼軌的伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊韌性顯著下降。因此，一般含碳量不超過(guò)0.82％。

錳可以提高鋼軌的強(qiáng)度和韌性，去除有害的氧化鐵和硫夾雜物，其含量一般為0.6％～1.0％。錳含量超過(guò)1.2％者稱(chēng)中錳鋼，其耐磨性能較好。

硅易與氧化合，故能去除鋼中氣泡，增加密度，使鋼質(zhì)密實(shí)細(xì)致。在碳素鋼中，硅含量一般為0.15％～0.30％。提高鋼軌的含硅量，也能提高鋼軌的耐磨性能。

磷與硫在鋼中均屬有害成分。磷含量超過(guò)0.1％，會(huì)使鋼軌具有冷脆性，在冬季嚴(yán)寒地區(qū)，易突然斷裂。硫不溶于鐵，不論含量多少均生成硫化鐵，在985℃時(shí)，呈晶態(tài)結(jié)晶析出。這種晶體性脆易溶，使金屬在800～1200℃時(shí)發(fā)脆，在鋼軌軋制或熱加工過(guò)程中易出現(xiàn)大量廢品。所以，磷、硫的含量必須嚴(yán)格加以控制。

另外，在鋼軌的化學(xué)成分中適當(dāng)增加鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、鈮（Nb）、釩（V）、鈦（Ti）和銅（Cu）等元素，制成合金鋼軌，可有效提高鋼軌的抗拉、抗疲勞強(qiáng)度以及耐磨和耐腐蝕的性能。

4.鋼軌軌縫及設(shè)置

普通線路上鋼軌與鋼軌之間留有一定的縫隙，稱(chēng)為軌縫。每節(jié)鋼軌通過(guò)夾板和接頭螺絲將其連接起來(lái)。隨著軌溫變化，鋼軌將發(fā)生伸縮，這個(gè)伸縮量由鋼軌螺栓孔、夾板螺栓孔與螺栓桿之間的間隙來(lái)提供，我們將它們之間在構(gòu)造上能實(shí)現(xiàn)的軌端最大縫隙稱(chēng)為構(gòu)造軌縫。如果軌縫超過(guò)構(gòu)造軌縫，接頭螺栓就要承受剪力。在鋪軌施工時(shí)，如需要預(yù)留一定的軌縫（稱(chēng)為預(yù)留軌縫），預(yù)留軌縫大小也要適當(dāng)。預(yù)留軌縫的原則是：當(dāng)軌溫達(dá)到當(dāng)?shù)刈罡哕墱豑max時(shí)，軌縫大于或等于零，即軌縫不頂嚴(yán)，以避免軌端受頂力和過(guò)大的溫度應(yīng)力引起線路脹軌跑道；當(dāng)軌溫達(dá)到當(dāng)?shù)刈畹蛙墱豑min時(shí)，軌縫不超過(guò)構(gòu)造軌縫，以保證接頭螺栓不受剪力，并防止大軌縫造成過(guò)大的沖擊力。

《鐵路線路維修規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《修規(guī)》）規(guī)定，普通線路預(yù)留軌縫值為：

式中　a0——鋪設(shè)、更換鋼軌或調(diào)整軌縫時(shí)的預(yù)留軌縫值（mm）；

α——鋼軌的線膨脹系數(shù)，為0.0118mm/（m·℃）；

t0——鋪設(shè)或調(diào)整軌縫時(shí)的軌溫（℃）；

L——鋼軌長(zhǎng)度（m）；

ag——構(gòu)造軌縫，38kg/m、43kg/m、50kg/m、60kg/m、75kg/m鋼軌均采用18mm。

tz——更換鋼軌或調(diào)整軌縫地區(qū)的中間軌溫（℃），其值為：

其中　Tmax，Tmin——當(dāng)?shù)貧v史最高和最低軌溫（℃），各地區(qū)（或區(qū)段）采用的最高、最低軌溫，由鐵路局規(guī)定。

由于ag、接頭阻力和基礎(chǔ)阻力的限制，不是所有地區(qū)都能鋪設(shè)25m長(zhǎng)的鋼軌。根據(jù)軌溫和軌縫的變化規(guī)律，在確定的ag和C值情況下，以Tmax時(shí)軌縫amin=0，Tmin時(shí)軌縫amax=ag為條件，可以得到允許鋪軌的年軌溫差[ΔT]為：

式中　[ΔT]——允許鋪軌的年軌溫差（℃）；

C——接頭阻力和基礎(chǔ)阻力限制的鋼軌伸縮量（mm），可參看表1.2。

由式（1.3）計(jì)算可知，對(duì)于12.5m長(zhǎng)鋼軌，在我國(guó)任何地區(qū)都可鋪設(shè)；對(duì)于25m鋼軌，[ΔT]=101.7℃，近似地只能在年軌溫差100℃以下地區(qū)鋪設(shè)，大于100℃的地區(qū)應(yīng)做個(gè)別設(shè)計(jì)。

在允許鋪軌的最大年軌溫差[ΔT]范圍內(nèi)，并不是在所有的軌溫下都能鋪設(shè)，在年軌溫差ΔT大的地區(qū)，在接近Tmax（或Tmin）的軌溫下鋪軌后，軌溫達(dá)到Tmax（或Tmin）時(shí)，軌縫就不能滿足amax≤ag（或amin≥0），因此必須限制其鋪軌軌溫。另外，用式（1.1）中a0作為預(yù)留軌縫，并在鋪軌后為檢查軌縫計(jì)算方便，將鋪軌時(shí)允許鋪軌的軌溫上、下限定為：

允許鋪軌軌溫的上限：[t0s]=tz+

允許鋪軌軌溫的下限：[t0x]=tz-

25m長(zhǎng)的普通線路，ag=18mm，可以求得ag/2αL=30.5℃，因此，《修規(guī)》規(guī)定應(yīng)當(dāng)在（tz-30℃）～（tz+30℃）內(nèi)鋪設(shè)或調(diào)整軌縫。

軌縫應(yīng)設(shè)置均勻。每千米線路軌縫總誤差，25m鋼軌地段不得超過(guò)±80mm，12.5m鋼軌地段不得超過(guò)±160mm。絕緣接頭軌縫不得小于6mm。

算例：蘭州地區(qū)最高軌溫為59.1℃，最低軌溫為-23.3℃，若鋪設(shè)25m長(zhǎng)的60kg/m鋼軌，采用10.9級(jí)螺栓，試計(jì)算在20℃鋪設(shè)時(shí)的預(yù)留軌縫。

解：中間軌溫tz

預(yù)留軌縫a0

取a0=8mm

5.鋼軌傷損

鋼軌傷損是指鋼軌在使用過(guò)程中發(fā)生鋼軌折斷、裂紋及其他影響和限制鋼軌使用性能的傷損。

為便于統(tǒng)計(jì)和分析鋼軌傷損，需對(duì)鋼軌傷損進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)傷損在鋼軌斷面上的位置、傷損外貌及傷損原因等分為9類(lèi)32種傷損，采用兩位數(shù)字編號(hào)分類(lèi)，個(gè)位數(shù)表示造成傷損的原因，十位數(shù)表示傷損的部位和狀態(tài)。鋼軌傷損分類(lèi)具體內(nèi)容可見(jiàn)《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)（軌道）》。

1）鋼軌折斷

鋼軌折斷是指發(fā)生下列情況之一者：

（1）鋼軌全截面斷裂；

（2）裂紋貫通整個(gè)軌頭截面；

（3）裂紋貫通整個(gè)軌底截面；

（4）允許速度不大于160km/h區(qū)段鋼軌頂面上有長(zhǎng)度大于50mm且深大于10mm的掉塊，允許速度大于160km/h區(qū)段鋼軌頂面上有長(zhǎng)度大于30mm且深度大于5mm的掉塊。

鋼軌折斷直接威脅行車(chē)安全，應(yīng)及時(shí)處理。

2）鋼軌磨耗

鋼軌磨耗主要是指鋼軌的側(cè)面磨耗和波浪形磨耗。至于垂直磨耗一般情況下是正常的，隨著軸重和通過(guò)總重的增加而增大。軌道幾何形位設(shè)置不當(dāng)，會(huì)使垂直磨耗速率加快，這是要防止的，可通過(guò)調(diào)整軌道幾何尺寸解決。

（1）側(cè)面磨耗

側(cè)面磨耗主要發(fā)生在小半徑曲線的外股鋼軌上，是目前曲線鋼軌傷損的主要類(lèi)型之一。列車(chē)在曲線上運(yùn)行時(shí)，輪軌的摩擦與滑動(dòng)是造成外軌側(cè)磨的根本原因。列車(chē)通過(guò)小半徑曲線時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)輪軌兩點(diǎn)接觸的情況，這時(shí)發(fā)生的側(cè)磨最大。改善列車(chē)通過(guò)曲線的條件，如采用磨耗型車(chē)輪踏面會(huì)降低側(cè)磨的速率。

近年來(lái)，在我國(guó)鐵路提速線路中，直線鋼軌出現(xiàn)左右股交替?zhèn)饶ィ纬芍芷谛凿撥壊黄巾槪Q(chēng)直線鋼軌不均勻側(cè)磨。該現(xiàn)象導(dǎo)致提速機(jī)車(chē)車(chē)輛劇烈搖晃。

從工務(wù)角度講，應(yīng)改善鋼軌材質(zhì)，采用耐磨鋼軌，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)維修，設(shè)置合理的軌距、外軌超高及軌底坡，增加線路的彈性，在鋼軌側(cè)面適當(dāng)涂油等，都可減小鋼軌側(cè)面磨耗。

（2）波形磨耗

鋼軌波形磨耗是指鋼軌頂面上出現(xiàn)的波狀不均勻磨耗，如圖1.2所示。輪軌接觸的黏滑現(xiàn)象是解釋鋼軌波浪形磨耗的典型理論。當(dāng)輪軌接觸時(shí)，產(chǎn)生黏著和滑動(dòng)交替、往而復(fù)始的過(guò)程，在這過(guò)程中表面摩擦力也出現(xiàn)大小交替變化，從而磨損量在此過(guò)程中也不一樣，波形磨耗也就出現(xiàn)了。

波形磨耗按其波長(zhǎng)分為短波（波紋形磨耗）和長(zhǎng)波（波浪形磨耗）兩種。波紋形磨耗為波長(zhǎng)約50～100mm，波幅0.1～0.4mm的周期性不平順；波浪形磨耗為波長(zhǎng)100mm以上，3000mm以下，波幅2mm以內(nèi)的周期不平順。

波紋多發(fā)生于直線線路上，短波波浪常發(fā)生在鐵路的曲線下股鋼軌上，長(zhǎng)波波浪通常是由于線路上只有單一型號(hào)的車(chē)輛運(yùn)行造成的。在現(xiàn)場(chǎng)，往往幾種波長(zhǎng)波浪同時(shí)出現(xiàn)在鋼軌同一部位。

3）鋼軌接觸疲勞傷損

鋼軌接觸疲勞傷損的形成主要是由于金屬接觸疲勞強(qiáng)度不足和車(chē)輪的重復(fù)作用，導(dǎo)致鋼軌頂面金屬冷作硬化，最終形成接觸疲勞傷損。其形式有接觸疲勞裂紋和軌頭剝離等。列車(chē)速度及軸重的提高、鐵路運(yùn)量的增加、鋼軌材質(zhì)和軌型的不適應(yīng)，將加速接觸疲勞傷損的萌生和發(fā)展。

4）軌頭核傷

軌頭核傷是最危險(xiǎn)的一種鋼軌傷損形式。鋼軌在列車(chē)作用下會(huì)突然斷裂，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。軌頭核傷產(chǎn)生的主要原因是軌頭內(nèi)部存在微小裂紋或缺陷（如非金屬夾雜物及白點(diǎn)等），在重復(fù)動(dòng)荷載作用下，在鋼軌走行面以下的軌頭內(nèi)部出現(xiàn)極為復(fù)雜的應(yīng)力組合，使細(xì)小裂紋先是成核，然后向軌頭四周發(fā)展，直到核傷周?chē)匿摿喜蛔阋蕴峁┳銐虻牡挚梗撥壴跓o(wú)預(yù)兆的情況下猝然折斷。所以鋼軌內(nèi)部材質(zhì)的缺陷是形成核傷的內(nèi)因，而外部荷載的作用是外因，促使核傷的發(fā)展。核傷的發(fā)展與運(yùn)量、軸重及行車(chē)速度、線路平面狀態(tài)有關(guān)。為確保行車(chē)安全，要定期進(jìn)行鋼軌探傷檢查。

5）軌腰螺栓孔裂紋

鋼軌端部軌腰鉆孔后，強(qiáng)度削弱，螺栓孔周?chē)a(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，在列車(chē)沖擊荷載作用下，螺栓孔裂紋開(kāi)始產(chǎn)生和發(fā)展。螺栓孔裂紋主要來(lái)自鉆孔時(shí)產(chǎn)生的微小裂紋，而養(yǎng)護(hù)不當(dāng)又促進(jìn)了裂紋的形成和發(fā)展。鋼軌接頭養(yǎng)護(hù)維修的狀態(tài)，對(duì)螺孔應(yīng)力的影響極大，特別是高低錯(cuò)牙、軌端低塌、鞍形磨耗及道床板結(jié)影響最大。為防止螺孔周邊應(yīng)力集中，采用把螺孔周邊鏜光的方法效果非常顯著。

減緩鋼軌傷損的措施有：凈化軌鋼，控制雜質(zhì)的形態(tài)；采用淬火鋼軌，發(fā)展優(yōu)質(zhì)重軌，改進(jìn)軌鋼力學(xué)性質(zhì)；改革舊軌再用制度，合理使用鋼軌；鋼軌打磨；按鋼軌材質(zhì)分類(lèi)鋪軌等。