设计锁定轨温与预留轨缝设计方案.docx
《设计锁定轨温与预留轨缝设计方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《设计锁定轨温与预留轨缝设计方案.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
设计锁定轨温与预留轨缝设计方案
设计锁定轨温及预留轨缝设计方案
二、基本要求
●对设计从全局上把握，思路清晰，将个人的独立见解在设计说明书中完整地表达出来；
●有关计算建议上机完成，语言不限，但程序要具有通用性，即对各种参数条件都适用；并将源程序及计算结果附在课程设计书中。
●独立完成，有自己的特色；
●设计时间1周。
●设计书内容主要包括：
设计任务、设计目的和意义、设计理论依据、设计参数、计算过程、设计总结（设计方案的评述、收获及建议）、参考文献。
●课程设计报告的文字部分要求详细完整、章节清晰、计算过程详尽、结论合理可靠。
同时要求字迹工整、书面整洁。
三、设计思路
无缝线路中和轨温计算的主要思路如图：
图中揭示了该设计的主要思路。
中和轨温应根据当地的轨温条件（
）和轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。
因此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。
应根据无缝线路的设计原则来确定。
主要计算如下：
1、无缝线路钢轨强度检算（确定允许降温幅度）
强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力[
]：
式中：
——钢轨动弯应力（Mpa），计算方法参见“轨道结构力学分析”一章；
——钢轨温度应力（Mpa）；
——钢轨附加应力（Mpa），如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等。
本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取
；
——钢轨允许应力。
因此允许的降温幅度
可由下式计算
（4-）
式中：
——钢轨动弯应力（Mpa），取拉应力计算值。
2、据稳定性条件确定允许的升温幅度
根据稳定性计算求得的允许温度压力
后，可计算出允许的升温幅度
：
（4-）
式中：
——附加压力，本设计可取为零（N）。
——轨道允许的最大温度压力；根据无缝线路稳定性理论计算，采用“统一公式”[教材和参考文献1]。
2、中和轨温确定
根据图，中和轨温
计算如下：
四、设计参数（自己选取、组合）
根据自己家乡选取当地最低和最高轨温（见资料“轨温”）。
其他参数按设计要求，参见有关规范和图书资料合理选取（一些参数附件已给出），并说明理由。
五、其他设计相关规定无缝线路钢轨的抗拉强度不应低于880Mpa。
半径不大于800m的曲线地段及大坡道地段，宜采用热处理钢轨或高强度钢轨。
允许铺设无缝线路的最小曲线半径为300m。
主要参考文献：
1、教材
2、《铁路轨道》谷爱军主编中国铁道出版社
3、《铁路无缝线路》广钟岩等，中国铁道出版社。
4、铁道工程，郝瀛主编，西南交通大学出版社。
计算相关的其他问题
附加速度系数
附加速度系数
和
速度范围
km/h
电力
机车
120V≤160
160V≤200
混凝土枕线路的初始弯曲
初始弯曲
50kg/m钢轨
60kg/m钢轨
75kg/m钢轨
弹性初弯
（mm）
3.0
2.5
2.0
塑性初弯
（mm）
3.0
2.5
2.0
我国常用机车类型的计算参数
机车种类
机车型号
轮轴名称
轮重（kN）
轮距（cm）
构造速度（km/h）
内
燃
机
车
ND5
第一转向架
I
106
255
118
II
106
180
III
106
820
第二转向架
I
106
II
106
180
III
106
250
东风4
（DF4）
第一转向架
I
112.8
180
客120
货100
II
112.8
180
III
112.8
840
第二转向架
I
112.8
II
112.8
180
III
112.8
180
东风11
（DF11）
第一转向架
I
112.8
200
客160
II
112.8
200
III
112.8
826.7
第二转向架
I
112.8
II
112.8
200
III
112.8
200
电
力
机
车
韶山1
（SS1）
第一转向架
I
112.8
230
90
II
112.8
230
III
112.8
580
第二转向架
I
112.8
II
112.8
230
III
112.8
230
韶山3
（SS3）
第一转向架
I
112.8
230
100
II
112.8
200
III
112.8
720
第二转向架
I
112.8
II
112.8
230
III
112.8
200
韶山4
（SS4）
第一转向架
I
112.8
300
100
II
112.8
520
第二转向架
I
112.8
300
II
112.8
520
第三转向架
I
112.8
II
112.8
300
第四转向架
I
112.8
520
II
112.8
300
韶山8
（SS8）
第一转向架
I
107.8
290
160
II
107.8
610
第二转向架
I
107.8
II
107.8
290
当V≤120km/h时：
当120km/h＜V≤160km/h时：
当160km/h＜V≤200km/h时：
设计锁定轨温及预留轨缝设计报告书
无缝线路简介
无缝线路是把标准长度的钢轨焊连而成的长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路。
普通列车通轨缝时产生冲击和振动，并伴随打击噪声，接头冲击力影响行车的平稳和旅客的舒适，促使道床的破坏、线路状态恶化、钢轨及联结零件使用寿命缩短、维修劳动费用增加，并且接头区轨端损害比其他部位打2~3倍，很大部分的重伤钢轨发生在接头区。
而无缝线路本质上解决了普通线路的这些特点。
无缝线路消灭了大量的接头，使行车平稳、旅客舒适，同时机车车辆和轨道维修费用减少，使用寿命长。
因此，铺设无缝线路意义重大。
从国内外无缝线路发展简况来看，早在1926年，无缝线路有德国最先发展，开始试铺。
在50年代，把无缝线路作为国家的标准线路，经过10多年的发展，开始把无缝线路和道岔焊接在一起。
70年代，美国开始迅速发展，到1979年底超过12km。
日本50年代开始发展，现在已达5000余公里。
我国于1957年开始试铺，目前京广、京沪、京沈、陇海等主要干线均铺设无缝线路。
至今已铺设2.46万km。
90年代开始对超长无缝线路的研究和试铺工作，目前已铺设超长无缝线路近千公里。
我国无缝线路从发展初期就基本确定为温度应力式无缝线路，但1979年在寒冷地区铺设无缝线路时，曾在长大、哈长、平齐等线试铺自动放散、定期放散应力式无缝线路18km，每段无缝线路的两端或一端设置伸缩调节器。
约经三年试验，发现放散应力耗费大量劳力且需封锁区间，因而自1983年逐渐改为温度应力式。
目前，除特大桥还使用温度调节器外，路网无缝线路全部为温度应力式。
无缝线路是当今轨道结构的一项重要新技术，世界各国竞相发展。
一、设计任务
无缝线路的钢轨温度力大小和分布与轨温变化幅度有直接的关系，而它又是影响无缝线路的强度和稳定性的主要因素，所以钢轨的温度变化幅度就成为无缝线路设计、铺设和维修养护的重要条件。
一般取当地历年最高气温＋20C作为当地最高轨温，当地历年最低气温作为最低轨温。
在工作中还经常使用的钢轨温度名词还有中间轨温、锁定轨温、设计锁定轨温范围。
锁定轨温在无缝线路设计时按照强度和稳定条件并考虑施工、养护、管理等因素来选择一个铺设长轨的轨温范围，叫做设计锁定轨温范围。
在设计锁定轨温范围内上紧钢轨接头扣件和拧紧中间扣件，把钢轨锁定，此时的轨温叫做锁定轨温。
锁定轨温下，钢轨温度力为零。
这样可以保证焊接长钢轨在最低轨温时各种应力共同作用下不破坏，在最高轨温时线路不胀轨跑道，使线路能正常运行。
这个锁定轨温非常重要，它是管理和维修保养无缝线路的依据。
如果不在设计锁定轨温范围进行铺轨，则必须按照设计要求进行调整钢轨内力或放散温度力后重新锁定。
因此锁定轨温确定是无缝线路设计的关键问题，涉及《轨道工程》这门课的主要理论。
该设计的任务是通过实际设计，更深入地掌握《轨道工程》的基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论），通过专业书籍及相关学术期刊的学习，了解无缝线路铺设的意义及国内外发展的现状。
并对路基上无缝线路设计的基本原理、方法及步骤有较清楚的了解。
1）通过计算，确定路基上无缝线路的允许降温幅度。
2）通过计算，确定路基上无缝线路的允许升温幅度。
3）通过计算，确定无缝线路设计锁定轨温。
4）通过计算，确定长轨条与标准轨之间预留轨缝值
5）通过计算，确定标准轨与标准轨之间预留轨缝值
重点、难点：
1．无缝线路强度及稳定性计算
2．设计锁定轨温范围的合理确定
3.通过计算，确定长轨条与标准轨之间预留轨缝值
4.通过计算，确定标准轨与标准轨之间预留轨缝
二、设计目的和意义
在普通线路上，钢轨接头是轨道的薄弱环节之一，无缝线路消灭了大量的接头，具有行车平稳、旅客舒适，同时机车车辆和轨道维修费用的减少，使用寿命延长等一系列优点。
然而铺设无缝线路是有条件的，主要是考虑气候温度的影响，因为万物都有热胀冷缩的特点，对于无缝钢轨，温度的影响更为明显，钢轨温度每改变1℃，每根钢轨就会承受1.645吨的压力或拉力。
轨温变化幅度为50℃时，一根钢轨则要承受高达82.25吨的压力或拉力。
为防止钢轨断裂，无缝线路应具有足够的强度。
无缝线路强度计算要满足在列车动力作用下，焊接长钢轨所受的弯曲应力、温度应力及制动力的总和应不超过钢轨钢料的容许应力。
无缝线路除满足强度要求外，还必须满足稳定性要求。
实践和理论表明，无缝线路在垂直面上臌曲的可能性是很小的，胀轨跑道总是在水平面上发生，首先在轨道的原始弯曲处开始。
当轨温不高,温度压力不大时,轨道的臌曲变形极小;随着轨温及温度压力的继续增大,轨道变形将随之逐渐增加，但不会引起突然破坏；一旦温度压力升高到某一临界值后,如压力稍有增大或受外力干扰时，轨道变形就会突然急剧增加，终于导致稳定性的完全丧失。
因此，要满足强度和稳定性的要求，锁定轨温的确定无疑是无缝线路设计的关键问题。
所以我们锁定钢轨时必须正确、合理地选定锁定轨温，以保证无缝线路钢轨冬天不被拉断，夏天不致胀轨跑道，危及行车安全。
无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著。
无缝线路由于消灭了大量的接头，因而具有行车平稳、旅客舒适，延长设备使用寿命，减少养护维修工作量，这些优点在行车速度提高时尤为显著。
无缝线路的这些优点卓越，而设计锁定轨温就是其中的关键问题，本课程设计基于课本中的知识，从实际出发布置设计题目，让同学们掌握无缝线路的核心问题，掌握钢轨的强度、刚度、稳定性以及受力特征，进而根据当地实际条件来确定锁定轨温、确定轨条之间的预留轨缝，具有实际意义。
三、设计理论依据
无缝线路中和轨温计算的主要思路如右图。
图中揭示了该设计的主要思路。
锁定轨温应根据当地的轨温条件（）和轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。
因此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。
应根据无缝线路的设计原则来确定。
主要计算如下：
1、无缝线路钢轨强度检算（确定允许降温幅度）
强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力[
]：
式中：
——钢轨动弯应力（Mpa），计算方法参见“轨道结构力学分析”一章；
——钢轨温度应力（Mpa）；
——钢轨附加应力（Mpa），如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等。
本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取
；
——钢轨允许应力。
因此允许的降温幅度
可由下式计算
式中：
——钢轨动弯应力（Mpa），取拉应力计算值。
2、据稳定性条件确定允许的升温幅度
根据稳定性计算求得的允许温度压力
后，可计算出允许的升温幅度
：
式中：
——附加压力，本设计可取为零（N）。
——轨道允许的最大温度压力；根据无缝线路稳定性理论计算，采用“统一公式”[教材和参考文献1]。
中和轨温确定
根据图，中和轨温
计算如下：
3、预留轨缝的计算
轨端伸缩量计算
长轨一端的伸缩量
===
标准轨一端的伸缩量
=-=-
图5长轨条轨端伸缩量计算图图6标准轨轨端伸缩量计算图
缓冲区中标准轨之间的预留轨缝与普通线路相同。
长轨与标准轨之间的预留轨缝计算方法如下：
按冬季轨缝不超过构造轨缝ag的条件，
可算得预留轨缝上限a上为：
a上＝ag－（l长＋l短）
按夏季轨缝不顶严的条件，可计算其下限为：
=+
则预留轨缝为
=
缩区长度可按下式计算：
钢轨温度力可按下式计算：
符号规定如下：
ag—钢轨接头构造轨缝，取18mm
r—每股钢轨单位长度线路纵向阻力N/cm
r2—每枕纵向阻力（KN）
a—轨枕间距（cm）
Pj—接头阻力（N）
Ptmax—最大温度力（N）
L—缓冲轨长度（m）
E—钢轨弹性模量，取210GPa
F—钢轨断面面积（mm2）
四、设计参数
1.轨道条件
钢轨：
60kg/m，标准轨长度25m，垂直磨耗6mm，屈服强度457Mpa，钢轨断面面积A=77.45，底宽=15cm，对水平轴的惯性矩=2879，=375，=291；
钢轨支座刚度D：
检算钢轨D=300000（N/cm），检算轨下基础D=700000（N/cm）
轨枕：
III型混凝土枕，1667根/km，轨枕间距a=60cm，长度l=250cm；
道床：
道碴为一级道碴，道床顶面宽度3.4m（根据《铁路轨道设计规范TB10082-2005》表7.0.2取），面碴厚25cm，底碴厚20cm；
路基填料：
沙粘土；
曲线最小半径为R=800m
2.运营条件
SS4电力机车，Vmax=100km/h
主要技术指标：
吉林延边地区某段线路铺设无缝线路。
基本参数选取如下：
钢轨屈服强度
s
457MPa
标准轨长度取
25m
钢轨允许应力[
]
352Mpa
附加压力
本设计可取为0（N）
轨枕间距
钢轨附加应力（Mpa）
10MPa
路基填料
沙粘土
临界温升Δtk
0
钢轨支座刚度D
检算钢轨
300000（N/cm）
变形曲线弦长l0
4m
检算轨下基础
700000（N/cm）
允许未被平衡超高Δh
75cm
曲线最小半径R
800m
钢的弹性模量E
2.1×105Mpa
机车类型
SS4电力机车
钢轨的线膨胀系数α
11.8×10-6/℃
设计最大速度Vmax
100km/h
接头阻力PH
490KN
相邻标准轨间预留轨缝ag
18mm
表
（1）
二、具体参数如下各表：
1、取正线轨道类型如下：
（见《轨道》-绪论）
项目
单位
重型
运营
条件
年通过总质量
Mt
25～50
列车设计最高速度
km/h
100
轨
道
结
构
钢轨
Kg/m
60
混凝
土枕
型号
-----
Ⅲ
铺枕根数
根/km
1667
岩石、渗水
土路基
双层
道渣
cm
面渣25低渣20
表
（2）
2、钢轨断面尺寸特征如下：
（见《轨道》-表2.1，P25）
钢轨类型kg/m
60
钢轨类型kg/m
60
每米质量M/kg
60.64
轨头所占面积Ah/%
37.47
断面积A/cm2
77.45
轨腰所占面积Aw/%
25.29
重心距轨底距离y1/mm
81
轨底所占面积Ab/%
37.24
对水平轴的惯性矩Ix/cm4
3217
钢轨高度H/mm
176
对竖直轴的惯性矩Iy/cm4
524
钢轨宽度B/mm
150
下部截面系数W1/cm3
396
轨头高度h/mm
48.5
下部截面系数W2/cm3
339
轨头宽度b/mm
73
轨底横向挠曲断面系数Wy/cm3
70
轨腰厚度t/mm
16.5
表（3）
3、钢轨头部磨耗轻伤标准如下（Vmax=100km/h）：
（见《轨道》-表2-9p38）
钢轨kg/m
总磨耗/mm
垂直磨耗/mm
侧面磨耗/mm
60
14
9
14
表（4）
4、混凝土枕尺寸如下：
（见《轨道》-表2.2P45）
轨枕
类型
主筋
数量
混凝土
等级
截面高度/mm
截面宽度/cm
底面积
/cm2
质量
/kg
长度
/cm
轨下
中间
端部
轨下
中间
7720
320
260
Ⅲ
10Ф7
C60
23.0
18.5
30.0
28
表（5）
5、轨枕扣件技术性能如下:
（见《轨道》-表2.20P65）
扣件性能
弹条Ⅱ型
扣件性能
弹条Ⅱ型
每个弹条初始扣压力/KN
≥10
弹条变形量/mm
10
扣压节点垂直静刚度/KN/m
60-80
调轨距量/mm
-8～12
纵向防爬阻力/KN
16
调高量/mm
≤10
表（6）
6、附加速度系数如下：
（见《轨道》-表5.4P157）
附加速度系数α
速度范围km/h
电力机车
α
V≤120
0.6V/100
表（7）
7、横向水平力系数f如下（取曲线半径R=1000）：
（见《轨道》-表5.5P159）
线路平面
曲线半径/m
800
横向水平力系数f
1.45
表（8）
注：
本设计中取每千米轨枕数目为1667,肩宽设为30cm,等效道床阻力通过查表内插取得：
Q=7.25N/mm
8、延边最高最、低及中间轨温如下：
地区
最高轨温
最低轨温
中间轨温
吉林延边
60.3
-37.1
11.6
表（9）
9、等效道床阻力Q如下（线路容许弯曲矢度f=0.2cm）：
（见《轨道》-表7.1）
线路条件
每千米轨枕根数
碎石道床、混凝土枕
混凝土轨枕肩宽30cm
1667
Q=72.5N/cm
表（10）
10、混凝土枕线路的初始弯曲如下：
（见《轨道结构课程设计资料》附表）
初始弯曲
60kg/m钢轨
弹性初弯
（mm）
2.5
塑性初弯
（mm）
2.5
路容许弯曲矢度
f（mm）
2
表（11）
11、机车类型为:
SS4内燃机车，设计速度取：
Vmax=100km/h
韶山4
（SS4）
第一转向架
I
112.8
300
100
II
112.8
520
第二转向架
I
112.8
300
II
112.8
520
第三转向架
I
112.8
II
112.8
300
第四转向架
I
112.8
520
II
112.8
300
表（12）
12、道床状态参数指标如下：
（见《轨道》-表7.5》）
指标
轨枕类型
铁路特征
单枕道床纵向阻力r2（KN）
一股钢轨单位道床阻力r（N/cm）
III
1667根/km
18.3kN
152
表（13）
13、SS4轴重图如下图所示
图a
五、计算过程
SS4轮轴重示意图如上页图a所示
车轮荷载采用当量静荷载最大可能值。
考虑速度及偏载的因素，车辆垂直当量荷载的最大可能值为：
v≤120km/hPd1=P0（1+α+β）
因为钢轨弯矩M0与车轮垂直静荷载P0成正比，因此，在垂直当量静荷载的最大可能值Pd作用下钢轨动弯矩Md为：
v≤120km/hMd1=（1+α+β）f
轮载群作用下Y,M,R的计算：
弹性位移曲线：
当量荷载：
弯矩：
轨枕反力：
其中影响线函数：
具体公式如下：
=
=
=
1.轨道结构静力计算：
刚比系数：
则最大动弯矩为：
速度系数：
电力机车α=0.6*80/100=0.48
偏载系数：
β=0.002△h,△h采用75mm（考虑最不利情况）；
曲线半径：
R=800m
可得曲线上横向水平力系数：
f=1.45
1.计算刚度相对比值K
当验算钢轨D=30000N/mm，a=600mm时，u===50Mpa，
K===0.0011663mm；
当检算轨下基础D=70000N/mm，a=600mm时，u===116.67Mpa,
K===0.0014415mm。
2.计算最大静位移、弯矩和枕上压力
=
=]}
=1.2644mm
=
=]}
=23749912N﹒mm
==
]}
=47936.906N
3.计算
电力机车运行速度V=80km/h是；
检算钢轨==0.48
检算钢轨下沉及轨下基础各部件==0.36
曲线半径R=800m，取其未被平衡欠超高最大值=75mm，故偏载系数为：
=0.002=0.002x75=0.15
故有：
=23749912x[1+0.48+0.15]x1.45=56132918.18Nmm=1.2644x1.91mm
=47936.906x=72384.73N
用程序验算轮群荷载作用下的钢轨弯矩M0和动弯矩Md
#include
#include
voidmain（）
{
doubleD,a,u,k,E,Ix,y0,M0,R0,P0i,xi,x1;
doubleV,ho,ao,bo,Md;
printf（"请输入钢轨支座刚度D:
\n"）;
scanf（"%lf",&D）;
printf（"请输入钢轨轨枕间距a:
\n"）;
scanf（"%lf",&a）;
printf（"请输入钢轨弹性模量E:
\n"）;
scanf（"%lf",&E）;
printf（"请输入钢轨截面惯性矩Ix:
\n"）;
scanf（"%lf",&Ix）;
printf（"请输入机车的轮重P0i:
\n"）;
scanf（"%lf",&P0i）;
printf（"请输入机车的轴距xi:
\n"）;
scanf（"%lf",&xi）;
u=D/a;
x1=u/（4*E*Ix）;
k=sqrt（sqrt（x1））;
M0=1/（4*k）*P0i*（1+exp（-k*xi）*（cos（k*xi）-sin（k*xi）））;
printf（"钢轨基础弹性模量u=%7.2lf\n",u）;
printf（"刚比系数k=%7.8lf\n",k）;
printf（"静弯矩M0=%10.2lf\n",M0）;
printf（"请输入SS4电力机车运行速度V:
\n"）;
scanf（"%lf",&V）;
printf（"请输入轨道的未被平衡超高值ho:
\n"）;
scanf（"%lf",&ho）;
升级会员 