高速铁路线路高平顺性.docx

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高速铁路线路高平顺性

妙詡文更兴；爭

高速铁路对不平顺的要求

学院名称：

土木工程

学生姓名：

周文杰

学生学号：

13011243

2014年6月

高速铁路对不平顺的要求

1、概述

高速、舒适和安全是高速铁路运输得以实现的三大要素。

就轮轨系统运输而言，由于列车与轨道的相互作用，势必会引起轨道几何形位的不断变化。

这种变化即轨道几何不平顺，反过来又会影响列车快速行驶的舒适性和安全性。

如果舒适度和安全性问题得不到保障，那么,高速铁路也就失去了它存在的价值。

由此可见,提供走行速度快、安全可靠及乘坐舒适性良好的轨道，无疑是轨道管理的基本目标，要充分把握轨道不平顺的特性，弄清轨道不平顺整修限度与列车摇动、安全性和经济性的关系，并在此基础上制订出相应与不同目的的目标值。

2、高速铁路轨道不平顺的种类及产生原因

轨道不平顺是指轨道几何形状、尺寸和空间位置的偏差。

广义而言，凡是直线轨道不平、不直,对中心线位置和轨道高度、宽度正确尺寸的偏离；曲线轨道不圆顺,偏离曲线中心位置和正确曲率、超高、轨距值，偏离顺坡变化尺寸等轨道几何偏差,通称轨道不平顺。

轨道不平顺的种类很多，可按其对机车车辆激扰作用的方向、不平顺的波长等进行分类。

按机车车辆激扰作用的方向可分为垂向轨道不平顺、横向轨道不平

顺、复合轨道不平顺。

按不平顺的波长可分为短波、中波、长波。

表1轨道不平顺种类及变化

变化

断面位移

变化率

二次变化率

三次变化率

绝对位移

垂向不平顺

绝对下沉量

坡度

高低

高低变化率

横向不平顺

绝对横移量

方向性

轨向

轨向变化率

相对位移

垂向不平顺

水平

水平变化率

横向不平顺

规矩

规矩变化率

运动形态

位移

度

加速度

加速度变化

垂向轨道不平顺包括高低、水平、扭曲、轨道短波不平顺和新轨垂向周期不平顺。

横向轨道不平顺包括轨道方向不平顺、轨距偏差造成的不平顺。

轨道同一位置上,垂向和横向不平顺共存形成的双向不平顺称为轨道复合不平顺。

危害较

大的复合不平顺有方向水平逆向复合不平顺、曲线头尾的几何偏差造成的不平顺。

（1）高低不平顺

高低不平顺是指轨道沿钢轨长度方向在垂向的凹凸不平。

它是由线路施工和大修作业的高程偏差，桥梁挠曲变形，道床和路基残余变形沉降不均匀，轨道各部件间的间隙不相等，存在暗坑、吊板，以及轨道垂向弹性不一致等造成的。

（2）水平不平顺

水平不平顺即轨道同一横断面上左右两轨面的高差。

在曲线上是指扣除正常超高的偏差部分，在直线上也是指扣除将一侧钢轨故意抬高形成的水平平均值后的偏差。

⑶扭曲不平顺

轨道平面扭曲（有些国家称为平面性，我国常称为三角坑）即左右两轨顶面相对于轨道平面的扭曲，用相隔一定距离的两个横断面水平幅值的代数差度量。

国际铁路联盟UICB55专门委员会将所谓“一定距离”定义为“作用距离”,指轴距、心盘距。

（4）轨道短波不平顺

即钢轨顶面小范围内的不平顺，它是由轨面不均匀磨耗、擦伤、剥离掉块、焊缝不平、接头错牙等形成的。

其中轨面擦伤、剥离掉块、焊缝不平、接头错牙等多是孤立的不具周期性，而波纹磨耗、波浪性磨耗具有周期性特征。

（5）新轨垂向周期不平顺

钢轨在轧制校直过程中，由于辊轮直径误差擦伤、剥离掉块、焊缝不平、接头错牙滚轧压力不均匀等因素，产生钢轨的周期性不平顺。

这种不平顺对高速铁路行车危害很大。

采用现代轧制校直工艺生产的钢轨，不具有这种周期性不平顺。

⑹轨道方向不平顺

轨道方向不平顺（常简称轨向不平顺或方向不平顺）指轨头内侧沿长度方向的横向凹凸不平顺，由铺轨施工、整道作业的钢轨中心线定位偏差，轨排横向残余变形积累和轨头侧面磨耗不均匀、扣件失效、轨道横向弹性不一致等原因造成。

（7）轨距偏差造成的不平顺

即在轨顶面以下16mm处量得的左右两轨内侧距离相对于标准轨距的偏差，通常由于扣件不良、轨枕挡肩失效、轨头侧面磨耗等造成。

从工务维修管理方面来看,轨距和水平是指钢轨的相对位置，坡度是在连续绝对下沉量的变化率，方向性是绝对横移量的变化率，平面是沿轨道纵向水平的变化率，轨距的变化率是沿轨道纵向轨距的变化率。

而高低和轨向因与轨道线形有关，从轨道作为平滑的走行轨路来看，与其说是空间位置，不如说是前后相对位置及空间频率（一定区间内的波数）特性更为重要。

至于高速铁路轨道不平顺的维修限度，一般是着眼于轨距的变化率,平面性同超高递减一样也规定的较严格。

此外,对高低、轨向不平顺的规定也很严格。

对于高速铁路轨道来说，波长数米至数十米的长波长钢轨不平顺对舒适度影响很大，而波长数厘米至数米的短波长轨面凹凸不平顺对轮载变动和噪声的影响特别显著。

这是高速铁路的重要特征。

3、轨道不平顺对列车运行性能的影响

铁路轨道直接承受车辆轮对传来的巨大作用力，导致其产生各种变形，影响列车的高速平稳运行。

轨道变形采用轨道不平顺进行描述。

轨道不平顺是指轨道的几何形状、尺寸和空间位置相对于其正常状态的偏差。

轨道不平顺是引起轮轨作用力增大的主要根源，也是列车产生振动的主要原因。

轨道不平顺的累积大大降低和削弱了轨道结构的强度和稳定性，直接影响行

车安全。

维护轨道状态良好是铁路工务的工作重点。

通过对既有线路的提速改造，列车运行时速已可以达到200km/h。

由于高速铁路的速度比较高，对轨道平顺性提出了更高的要求。

时速200公里及以上线路在高速动车组列车和重载火车的冲击下，轨道几何形状、尺寸劣化率明显加快。

特别是保持曲线、道岔的几何尺寸难度很大，一些新拨改地段的沉降量比较大，新竹低级、线桥过渡处的养护维修工作的工作量也比较大，轨道不平顺的检测与维护尤其重要。

在提速线路上，由于列车速度比较高，线路维修和养护存在一些不同于普通线路的特点，主要体现在长波不平顺的管理上。

特别是高速铁路的速度至少在200km/h以上，轨道长波不平顺成为影响列车运行安全和旅客舒适度的重要因素之一。

在普通线路上并不十分重要的长波不平顺，在高速铁路或既有线提速线路上纳入严格管理的内容。

狭义上的轨道不平顺指的是钢轨的不平顺，由7个轨道几何参数偏差（左高

低、右高低、左轨向、右轨向、规矩、水平、三角坑）进行评估。

铁路部门采用轨道不平顺质量指数（TOI）来综合衡量轨道不平顺质量状态。

动检车（或轨检车）以0.25m的采样间隔进行轨道几何参数测量。

以200m为评价单元，对测评区段内800个测量点的进行标准差运算。

各单元几何不平顺幅值的标准差称为单项指数。

7个单项指数之和作为轨道不平顺质量指数。

目前已有较为完善的轨道长波不平顺检测方法和养护手段。

广义上的轨道不平顺则应该包含线路空间位置相对于其正常状态的偏差所导致的不平顺，即线路不平顺。

线路不平顺有可能是平面偏差引起，如直线区段

不直,也有可能是纵断面偏差引起，如软土地基引起的线路沉降。

由于对线路的空间位置缺乏有效的检测手段，线路不平顺的管理尚未引起工务部门的重视。

4、高速铁路线路高平顺性的必要性

（1）轮轨相互作用的理论研究早在十年前就已指出，轨道不平顺是引起机车车辆

产生振动的主要原因。

根据国内外的计算机仿真和动测试验等研究，在120km/h

速度条件下，被认为是很小的大量存在的不平顺，在30km/h高速时会引起车体产生不能允许的振动。

（2）轨道不平顺是引起轮轨作用力增大的主要根源。

焊缝不平顺，轨面剥离、擦

伤、波形磨耗等短波不平顺幅值虽然很小，但在高速行车条件下也可能引起很大的轮轨作用力和冲击振动,例如一个0.2mm勺微小焊缝迎轮台阶形不平顺，30

km/h时引起的冲击性轮轨高频动作用力可达722kN,低频轮轨力达321kN,可加速道碴破碎、道床路基产生不均沉陷，从而形成较大的中长波不平顺，并能引起很大的噪音。

另一方面，轨面短波不平顺引起的巨大轮轨作用力，还可能引发钢轨、轮、轴断裂，导致恶性脱轨事故。

（3）轨道不平顺是线路方面直接限制行车速度的主要因素。

各国铁路根据在高速

行车条件下各种轨道不平顺对车辆振动、轮轨作用力的影响，与行车平稳舒适、

安全性的直接关系，都对高速铁路提出了高平顺性的要求。

并且还规定必须对轨

道的平顺性用轨检车等经常进行检查，若发现超限，立即整修,恢复平顺性，来不及整修时就发布降速命令，限制行车速度。

轨道不平顺便成了线路方面直接限制行车速度的主要因素。

5、高速铁路的轨道平顺性与钢轨平顺性

高速铁路线路区别于一般铁路或重载铁路最关键的特点是对轨道平顺性的严格要求,如轨道平顺性不良，将引起机车车辆剧烈振动，轮轨动作用力成倍增大，严重危害轨道和机车车辆部件，影响列车速度的提高，甚至引起列车脱轨倾覆，危及行车安全。

因此，各国对高速或快速铁路的长波长、中波长和短波长轨道不平顺均严格控制。

5.1长波长不平顺高速条件下,20m〜70m勺长波长不平顺，将使固有频率较低的车体发生激振，严重影响舒适性和安全性。

因此，高速铁路线路对长波长不平顺也严格控制，而一般铁路或重载铁路对此不作要求。

5.2中波长不平顺

一般铁路或重载铁路（速度80km/h〜120km/h）只对中波长（5m〜20m）不平顺加以限制，但不及高速铁路要求高。

5.3短波长不平顺

在w3m勺短波长不平顺状态下，高速列车或动车组产生的较高频率激振易与轨道形成共振，对轨道产生很大的破坏力并发出剧烈噪音。

因此，高速铁路特别重视对短波长不平顺的控制，而一般铁路或重载铁路通常对此不作要求。

众所周知，长波长和中波长不平顺多产生于路基、道床的残余变形，因此，

改善长、中波长不平顺的主要途径是提高路基、道床的质量。

短波长不平顺多产生于钢轨本身的不平顺，如尺寸偏差、平直度、表面平整度和扭曲等，同时,钢轨本身的局部微小不平顺可逐渐扩大，使路基、道床和其它轨道部件因超负荷产生残余变形，进一步发展成中波长和长波长不平顺。

所以，在钢轨的生产、焊接和打磨过程中，提高钢轨的轧制、矫直、焊接和打磨精度，减小钢轨的局部微小不平顺，是提高轨道平顺性的根本途径之一。

为保证高速铁路轨道的平顺性，尤其是提高轨道的短波长平顺性，高速铁路对钢轨平顺性提出了较高的要求，主要特点是轨端、小腰和轨身的局部不平顺（包括平直度、扭曲和表面缺陷）及焊接接头平直度与上述短波长不平顺控制标准相适应，全长弯曲和扭曲则与长波长和中波长不平顺控制标准相适应，如下所述。

此外,值得注意的是，速度级别不同的线路，其轨道不平顺控制标准和钢轨平顺性要求不同,如200km/h和300km/h线路的短波长不平顺控制标准分别为每米0.3mm和每米0.2mm,其钢轨（轨身）和焊接接头的平直度指标也分别为每米0.3mm和每米0.2mm

6高速行车条件下各种轨道不平顺性的影响

轨道不平顺是引起列车振动、轮轨作用力增大的主要根源，对行车平稳舒适和行车安全都有重要影响，是轨道方面直接限制行车速度的主要因素。

轮轨相互作用的理论研究和国外高速铁路的实践证明，在高平顺的轨道上，高速列车的振动和轮轨间的动作用力都不大，行车安全和平稳舒适度能够得到保证，轨道和车辆部件的寿命和维修周期也较长。

反之，即使轨道、路基、桥梁结构在强度方面完全满足要求，而轨道平顺性不良时，在高速条件下各种轨道不平顺引起的车辆振动、轮轨噪声和轮轨动作用力将大幅增加，使平稳、舒适、安全性严重恶化，

甚至导致列车脱轨。

6.1各种轨道不平顺的影响

国内外的研究试验均已查明，各种轨道不平顺对车辆振动、轮轨噪声、轮轮相互作用力、舒适度、安全性等都有直接影响，但不同种类的不平顺，其激扰方向，影响性质，影响程度又各不相同。

6.2按波长分各种轨道不平顺的影响

随机性轨道不平顺的波长范围很宽，0.01-200m波长的不平顺均常见。

Im以下的轨面短波不平顺幅值很小，多在0.02一1mm主要由钢轨接头焊缝、不均匀磨耗、轨头擦伤、剥离掉块、波浪和波纹磨耗以及轨枕间距等因素形成。

1一3.5m范围的波长成分，主要由钢轨在扎制过程中形成的周期性成分和波浪性磨耗。

3一30m波段主要由道床路基的不均匀沉降残余变形，各部件间的间隙不等，道床弹性和密实度不均，接头或焊头形成的以轨长为基波的复杂周期波成分，以及桥、涵洞等轨道刚度突变和桥梁挠度等形成。

30一200n波段多由道床、路基沉降不均，路基施工过程中形成的先天性不平，桥梁动挠度等构成。

更长的长波多为地形起伏，线路坡度变化等形成。

轨道不平顺不仅幅值和波长的变化范围大，而且其影响也各不相同。

按波长划分的不平顺及影响。

7高速铁路对钢轨平顺性的要求

高速铁路对轨道平顺性的严格控制，除体现在对钢轨及其焊接接头平直度的要求外,也体现在对其外形尺寸及精度、扭曲和表面质量的严格要求。

7.1尺寸精度

与普通线路用钢轨相比，高速铁路用钢轨的外形尺寸项目要求较多，精度要求更严，除通常所要求的轨高、头宽、腰厚、底宽等项目外，特别提出了对轨头顶部断面、轨底边缘厚度和轨底凹陷的要求。

7.2平直度和扭曲

与普通线路用钢轨相比，高速铁路用钢轨的平直度指标在内容上更为全面，包括轨端、轨身、小腰的平直度及全长弯曲，也包括轨端和全长扭曲等同时，其指标量值更为严格。

7.3表面质量

钢轨轧制过程中形成的凸出、裂纹、折叠、划痕、结疤、压痕等表面缺陷除影响钢轨的安全使用外，其本身或其修磨部位也是钢轨的不平顺因素，因此,高速铁路对钢轨的表面质量要求较严。

7.4焊接接头平直度

焊接接头是影响长钢轨平顺性的重要因素，高速铁路对钢轨焊接接头的平直度要求十分严格，即使对现场焊接接头也提出了很严的指标，以满足高速铁路轨道短波长不平顺的要求。

8提高高速铁路钢轨平顺性的措施

8.1高速铁路钢轨的高精度制造

为减小钢轨生产过程中产生的原始不平顺，以满足高速铁路钢轨平顺性的要求，日、法等国钢轨生产企业在采取多种先进冶炼技术保证轨钢高纯净度的同时，尤其重视保证钢轨断面尺寸、表面质量和平直度的高精度，主要措施是：

（1）采用连铸钢坯，由于避免了铸锭坯的二次氧化和模壁粗糙，连铸坯轧制的钢轨表面缺陷可减少55%

⑵米用咼压水除鳞，利用咼压水除去钢坯加热时形成的氧化皮，可有效提咼钢

轨的表面质量。

（3）采用万能轧机轧制，万能轧机可实现4个方向的对称轧制，并可调整轧辊和压下量,控制轧制温度和速度，从而提高钢轨的尺寸精度及其稳定性。

（4）采用水平一一垂直复合矫直,利用多个可变辊距的水平辊和垂直辊,辅之以激光测量和计算机控制，在水平和垂直两个方向进行复合矫直，使钢轨具有较高的平直度和尺寸精度以及较小的扭曲和较低的残余应力。

（5）采用四面液压机补充矫直，在水平一一垂直复合矫直的基础上，利用四面液压机对轨端和局部不平顺进行补充矫直，可进一步提高钢轨的轨端和全长平直度。

（6）采用先进检测技术，用激光对钢轨的几何尺寸和平直度进行自动检测，用涡流检测钢轨的表面质量。

8.2高速铁路钢轨的高精度焊接

为保证高速铁路钢轨焊接接头的平顺性，法、日、德等国在采用先进焊接设备和工艺的同时，对接头的矫直、精磨和检测尤为重视。

（1）厂内焊接：

长钢轨的厂内焊接通常为接触焊，上述高速铁路发达国家均采用

计算机控制的电阻式接触焊机焊接、半自动精磨机精磨，利用水平——垂直复合

矫直机进行双向矫直，此外,法国还在矫直和精磨设备上装备了激光检测器检测矫直和精磨精度，并通过反馈进行二次矫直、精磨和检测。

（2）现场焊接:

无缝线路钢轨的现场焊接主要为铝热焊和气压焊，其中,法国和德国主要采用铝热焊，日本主要采用气压焊。

法国推行的铝热焊对轨器、推瘤机、打磨机及手提式电子平直度测量仪，有效地实现了钢轨现场焊接的高精度对正、精磨和检测，日本则采用强迫成型电弧焊作为气压焊的补充来克服气压焊的平顺

性问题。

8.3高速铁路钢轨的波磨和打磨

高速铁路钢轨的波磨主要表现为3cm^10cm的波纹磨损,其特征是在踏面出现一系列亮色的波峰和暗色的波谷,波谷深0.01mmr^1mm微观分析表明，波峰为马氏体组织,硬度达HRC5以上,波谷为珠光体组织（基面）,硬度约HRC24金属沿纵向流动,其产生原因是车轮在钢轨上的滞滑效应造成轨面热损伤和冶金损伤。

与前述轨道短波长不平顺类似，钢轨波磨的直接效应是机车车辆振动加剧、轮轨间动作用力增加和噪音增大。

同时，引起轨道和机车车辆部件损伤，减小轨道和机车车辆的维修周期并增加其维修工作量和维修费用。

钢轨打磨是消除波磨和其它表面缺陷的有效途径，其主要效果是：

（1）消除钢轨制造过程中产生的表面缺陷，如线纹、结疤、压痕、划伤和脱碳层等。

（2）提高钢轨现场焊接接头精度。

⑶消除运营过程中产生的表面损伤，如波磨、塑性流变、擦伤等。

（4）改善列车走行条件，减少振动、动态超负荷和噪音等。

钢轨打磨主要有预防性打磨和整修性打磨，前者为新轨上线后，利用磨轨列车进行预防性全面打磨，以消除钢轨的原始不平顺和表面缺陷；后者为利用磨轨列车进行成段打磨，消除运营过程中出现的不平顺和表面缺陷。

打磨门槛值根据轨检车提供的数据制定，德国的经验是0.04mm勺波深值最适合打磨，打磨次数以钢轨损伤程度而定,一般关系式为:

N=P/3+K,其中,P为波深,K为钢轨的损伤系数。

9结论

高速铁路在世界范围内日益显示出它旺盛的生命力。

人们已经清楚的认识到,咼速铁路是诸多咼新技术的综合集成，是新一代的铁路。

咼速铁路标志着世界铁路的未来。

高速铁路技术集中反映了当今世界铁路机车车辆、通信信号、工务

工程、运输管理等方面的技术进步，它涉及机械、电子、信息、航空航天、材料、能源、环境保护等多种学科和技术领域,它体现了国家科学技术和工业发展的水平,也是衡量铁路技术水平的重要标志之一。

我国在高速铁路技术方面起步晚、技术落后,而现有的铁路又难以满足需要主要表现有：

（1）主要干线运输能力紧张；

（2）路网规模总量明显不足；（3）建设投人严重不足；（4）部分地区进出通道不畅；（5）季节运能紧张问题突出。

解决这些问题,需要具体了解问题关键，并同时借鉴各国经验。

世界高速铁路的发展给我们以下启示：

（1）加速建设客运专线和快速客运网；

（2）坚持技术标准，确保建设质量。

由此可见,我国高速铁路建设与管理任重道远。

参考文献

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[2]罗林.高速铁路轨道必须具有高平顺性[J].中国铁路.2000

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报.2007

[4]熊卫东，周清跃，穆恩生.高速铁路线路轨道平顺问题的探讨[J].中国铁道

科学.2007

⑸罗林.高速铁路的轨道平顺性问题[J].铁道建筑.2007