轨道配件

目录：

第一节 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状

第二节 钢轨材质及其力学指标

第三节 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求

第一节 钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状

 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。可把钢轨看成是连续弹性地基梁，或连续点支承地基梁，在轮载的作用下，钢轨主要承受垂向弯曲，所以一般将钢轨截面设计成工字形，如图2-3所示。钢轨截面由轨头、轨腰和轨底三部分组成，相互之间用圆弧连接，以便安装钢轨接头夹板和减少截面突变引起的应力集中。钢轨的三个主要尺寸是钢轨高度、轨头宽度、和轨底宽度。根据钢轨的受力特点，对轨头、轨腰和轨底三部分的要求如下。

轨头宜大而厚，并具有与车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。钢轨顶面在具有足够宽度的同时，为使车轮传来的压力更为集中于钢轨中心轴，顶面形状为隆起的圆弧形。圆弧的半径不能太小，虽可使压力集中于钢轨中心轴，但又不致于轮轨间的接触面积太小造成过大的接触应力。实践表明，钢轨顶面被车轮长期滚压以后，顶面近似于200~300mm半径的圆弧。因此的我国铁路上，较轻型的钢轨顶面常用一个半径300mm圆弧组成，而较重型的钢轨顶面，则用三个半径分别为80-300-80或80-500-80mm的复合圆弧组成。轨头侧面型式在不增加轨顶面宽度而又能扩大轨头下部宽度，使夹板与钢轨之间有较大的接触面，并可使轨头下颚与轨腰之间用较大半径的圆弧连接起来，有利于改善该处的应力集中的前提下，宜采用向下扩大的型式。

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2~4mm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，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14~20mm。

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1:6~1:9，两斜面之间，用半径为15~40mm的圆弧连接。轨底的上下角也应作为圆角，半径一般为2~4mm。

  

              (b) CHN 60钢轨                                  (c) CHN 75钢轨

图2-4 我国三种主要钢轨的截面尺寸(mm)

 钢轨高度要保证有足够的惯性矩和截面系数来承受车轮的竖直压力，并要使钢轨在横水平力作用下具有足够的稳定性。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≈1.15~1.20。

为使钢轨轧制冷却均匀，轨头、轨腰及轨底的面积，应有一个最适当的比例。根据上述要求，我国的CHN 75、CHN 60、CHN 50钢轨标准截面尺寸如图2-4所示，其余部分的截面尺寸及特征如表2-1。

表2-1                           钢轨截面尺寸及特性参数

项    目	钢轨类型
	CHN 75	CHN 60	CHN 50	CHN 45
每米质量m(kg/m)	74.414	60.64	51.514	44.653
截面面积F(cm2)	95.073	77.45	65.8	57
重心距轨底面的距离y1(mm)	88	81	71	69
对水平轴的惯性矩Jx(cm4)	4490	3217	2037	1489
对竖直轴的惯性矩Jy(cm4)	665	524	377	260
底部截面系数W1(cm3)	509	396	287	217
头部截面系数W2 (cm3)	432	339	251	208
轨底横向挠曲截面系数Wy (cm3)	89	70	57	46
钢轨高度H(mm)	192	176	152	140
轨底宽度B(mm)	150	150	132	111
轨头高度h(mm)	55.3	48.5	42	42
轨头宽度b(mm)	75	73	70	70
轨腰厚度t(mm)	20	16.5	15.5	14.5

第二节 钢轨材质及其力学指标

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800~1200℃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。我国和世界各国主要钢轨的化学成分如表2-2所示。

表2-2                        中国和世界主要钢轨化学成分(％)               

项  目	C	Si	Mn	P	S	Al	V	(MPa)	(%)
京沪技术条件	0.65~0.75	0.10~0.50	0.80~1.30	≤0.025	0.008~0.025	0.004
U71Mn	0.65~0.76	0.15~0.35	1.10~1.40	≤0.025	≤0.04	－	0.03	883	8
U71MnSi	0.65~0.75	0.85~1.15	1.10~1.15	≤0.04	≤0.04	－	－	883	8
U75V(PD3)	0.71~0.78	0.50~0.70	0.75~1.05	≤0.025	0.008~0.025	0.004	0.04~0.08	900
UIC 900A	0.60~0.80	0.10~0.50	0.80~1.30	≤0.040	≤0.040	－	－	880~1030	10
TGV	0.60~0.80	0.10~0.50	0.80~1.30	≤0.035	≤0.030	≤0.004	－
EN规定(液) (固)	0.62~0.80 0.60~0.82	0.15~0.58 0.13~0.60	0.70~1.20 0.65~1.25	≤0.025 ≤0.030	≤0.025 ≤0.030	≤0.0004 ≤0.004	－
JISE1101	0.63~0.75	0.15~0.30	0.70~1.10	≤0.030	≤0.025	－	－

注： EN—欧洲标准协会，JISE1101—日本工业标准1101-1993；为抗拉强度；为伸长率；U75V轨Al一栏内的V代表钒。

表 2-3                          钢轨残留元素上限(%)                               

项   目		Cr(铬)	Mo(钼)	Ni(镍)	Cu(铜)	Sn(锡)	Sb(锑)	Ti(钛)	Nb(铌)	V(钒)	Cu+10Sn	Cr+Mo+Ni+Cu+V
京沪技术条件		0.15	0.02	0.10	0.15	0.040	0.020	0.025	0.01	0.03	0.35	0.35
TGV	平均值 偏 差	0.028 0.010	0.004 0.002	0.036 0.005	0.026 0.010	0.011 0.007	微量	微量	微量	微量	－	0.35
EN		0.15	0.15	0.10	0.15	0.04	0.02	0.025	0.01	0.03	0.35	0.35

表2-3列出了对残留元素上限值的规定。可以看出，为了提高钢轨材质的纯净度，在化学成分上对P、S﹑Al﹑H、O等有害元素的含量进行了更严格的限制，并对残留元素的含量作了规定。京沪技术条件中的化学成分主要是参考了法国TGV及德国ICE使用UIC900钢种的经验及TGV和EN标准对UIC900A标准的部分补充和修订，并考虑到提高焊接性能的需要而对碳的含量作了小量调整之后而提出的，它综合了国外高速铁路钢轨的经验，因而具有更优良的性能。为了提高国产钢轨的纯净度，在冶炼和轧制过程中必须引人铁水预处理、碱性氧气转炉或电弧冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、高压水除磷等先进技术。

钢轨的力学性能也是钢轨的主要特性，包括强度极限、屈服极限、疲劳极限、延伸率、断面收缩率、冲击韧性及布氏硬度指标HB等。这些指标对钢轨的承载能力、磨耗、压溃、断裂及其他伤损有很大的影响。高速铁路钢轨还对裂纹扩展速度、残余应力、落锤性能等提出了比常速铁路更高的要求。

近几年来，我国的钢轨制造技术和工艺都有较大的进步。京沪高速铁路根据世界各国高速铁路对钢轨的力学性能要求，提出了相应的技术条件，如表2-4。表中的各项指标值大体是参照UIC900A和EN标准制订的。

  

表2-4                           钢轨的力学指标                            

参数	(MPa)	(%)	硬度(HB)	疲劳寿命(次) (r=-1,应变幅1350Hz)	K1c(MPam1/2)		da/dN(m/GC)		残余应力(MPa)	落锤 (1t,高9.1m)
							△K(MPam1/2)
					最小值	平均值	10	13.5
指标	≥880	≥10	260~300	5×106	26	29	17	≤250	1	－

钢轨的硬度是一项重要指标，高硬度的钢轨一般较耐磨(要与车轮的硬度相匹配)，其使用寿命也相应提高。对于普通的高碳钢钢轨，一般布氏硬度为280~300HB，但低的也有260HB。对于有些特殊要求的钢轨，如曲线钢轨，当钢轨在800°C以上时，采用水雾冷却，使钢轨的硬度达355~390HB。目前对钢轨的热处理分两种，一种是铁路工务部门对钢轨轨头淬火，一种是钢铁厂在钢轨出厂前根据铁路工务部门的要求对钢轨进行淬火等热处理，一般钢铁厂对钢轨淬火的质量较好。工厂热处理的钢轨大大减小了钢体中珠光体薄片的间距，钢轨的最高硬度可达400HB。

第三节 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求

钢轨截面尺寸偏差和平直度也是钢轨质量的一个重要指标。如采用截面尺寸偏差过大，平直度不良的钢轨，则也就很难铺设高质量的铁路轨道。为保证列车运行的平稳性，则要求轨道的几何形位稳定，轨头的轮轨接触光带位置及宽度稳定，而要达到这一点，高精度的外形尺寸和高平直度的钢轨是必不可少的。表2-5列出了我国京沪高速铁路技术条件﹑国外高速铁路UIC860、JISE1011(日本工业标准1101-1993)、TGV、EN(欧洲标准协会)、及我国的GB2585和TB/T2344各项标准所规定的钢轨尺寸允许偏差。表2-6列出了上述各项标准对钢轨平直度所作出的规定。

项    目	京沪技术条件	UIC860	JISE1011		TGV	EN(A)	EN(B)	GB2585	TB/T2344
钢轨高度	±0.5	±0.6	±1.0		±0.5	±0.6	±0.6	+0.8,－0.5	±0.5
轨头宽度	±0.5	±0.5	±0.8,－0.5		±0.5	±0.5	±0.5	0.5	—
轨腰厚度	－0.5~+1.0	－0.5~+1.0	－0.5~+1.0		－0.5~+1.0	－0.5~+1.0	－0.5~+1.0	－0.5~+1.0	－0.5~+1.0
鱼尾板支撑表面	±0.35	±1.0,－0.5	间隙	外侧≤1.5	±0.35	±0.35		腰高 ±0.5	腰高 ±0.5
鱼尾板安装高度	±0.6	±0.6		内侧≤0.5	±0.6	±0.6
轨底宽度	±1.0	－0.5~+1.0	±0.8		±0.8	±1.0	±1.0	+1.0,-2.0	+1.0,-2.0
轨底边缘厚度	﹢0.75, －0.5	—	—		—	﹢0.75,－0.5	+0.75,－0.5	—	—
轨底平整度	凹陷≤0.3	—	不平≤0.4		—	凹陷≤0.3	凹陷≤0.3	凸出≤0.5	凸出≤0.5
断面不对称	头≤0.5 底≤1.0	±1.5	头对底偏移 ≤0.5		±1.5	±1.2	±1.2	头≤0.5 底≤1.0	头≤0.5 底≤1.0
端面垂直度	≤0.6	≤0.6	≤0.5		≤0.6	≤0.6	≤0.6	≤1.0	≤1.0

表2-5                     世界主要高速铁路钢轨尺寸允许偏差(mm)           

注：GB—中国国家标准；TB—中国铁路标准

表2-6                      世界主要高速铁路钢轨平直度规定(mm)                     

部 位	项   目	京沪技术条件	UIC860	JISE1101	TGV	EN(A)	EN(B)	GB2585	TB/T2344
轨 端	垂直平直度(向上)	0.4/2,0.3/1	0.7/1.5	1.7/1.5	0.4/2,0.3/1	0.4/2,0.3/1	0.5/1.5	0.8/1	0.5/1
	垂直平直度(向下)	0.2/2	0	0	0.2/2	0.2/2	0.2/1.5	0.2/1	0.2/1
	水平平直度	0.5/2, 0.4/1	0.7/1.5	0.5/1.5	0.5/2,0.4/1	0.6/2,0.4/1	0.7/1.5	0.8/1	0.5/1
轨 身	垂直平直度	0.3/3,0.2/1	—	—	0.3/3,0.2/1	0.3/30.2/1	0.4/3, 0.3/1	—	—
	水平平直度	0.45/1.5	—	—	0.45/1.5	0.45/1.5	0.6/1.5	—	—
重 叠 部 位	垂直平直度	0.3/2	—	—	—	0.3/2	0.4/1.5	—	—
	水平平直度	0.6/2	—	—	—	0.6/2	0.6/1.5	—	—
全 长	上弯曲和下弯曲	≤5mm	—	10/10	≤5mm	≤5mm	≤5mm	0.5%	0.5%
	侧弯曲	R>1500m	—	10/10	R>1500m	R>1500m	R>1500m
端 部	扭  曲	0.455/1	0.4/1	—	—	0.455/1	0.455/1	—	—
全 长	扭  曲	2.5m	—	1.0m	—	2.5m	2.5m	0.1%	0.1%

从总体看，EN标准的项目检查，其指标值EN(A)与TGV大体相近，可作为V=250~300km/h时的参考；EN(B)与UIC860，JISE大体相近，可作为200km/h≤V≤250km/h时之参考。我国GB2585和TB/T2344标准与高速铁路的要求尚有很大差距，必须在钢轨轧制，冷却，校直等生产环节引入先进技术，如万能法轧制、立卧复合矫直、压力机补矫等，才能逐步缩小差距，满足高速铁路对钢轨几何尺寸的偏差要求。

  表2-7                         高速铁路焊接接头平直度标准 (mm)                

部位	项 目	京沪技术条件	TGV	日本新干线	TB/T1632-91
顶 面	接触焊	+0.2/1m ,  -0/1m	+0.2/1m,  -0/1m	+0.3/1m,  -0/1m	+0.3/1m,  -0/1m
	铝热焊,气压焊	+0.2/1m,  -0/1m	+0.2/1m,  -0/1m	+0.3/1m,  -0/1m	+0.3/1m, -0/1m
内侧工 作面	接触焊	+0.2/1m,  -0/1m	+0.2/1m,  -0/1m	+0.3/1m,  -0/1m	+0.3/1m, -0/1m
	铝热焊,气压焊	±0.3/1m	±0.3/1m	±0.3/1m	±0.3/1m

由于钢轨焊缝材质、金相组织、硬度、韧度等与钢轨母材的差别，焊接设备的精度高低，操作工人的技术熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。钢轨焊接接头分三种，接触焊、气压焊和铝热焊。三种焊接方法的焊接接头质量也有差异，铝热焊钢轨接头的质量最差。所以钢轨焊接接头是无缝线路轨道单独不平顺的来源之一。为保证高速列车的高速、平稳性地运行，并减少轮轨之间的动力作用，对钢轨焊接接头的焊接质量、平直度等提出了更高的要求。所以钢轨焊接接头也是轨面不平直的控制部位。表2-7列出了中国和世界主要高速铁路焊接接头的平直度标准。