跨区间无缝线路设计及其养护维修毕业设计.docx

1、跨区间无缝线路设计及其养护维修毕业设计跨区间无缝线路设计及其养护维修毕业设计绪 论 中国地大物博人口众多，因此我国对运量大、速度快、能耗小、成本低、环境污染小、安全性高、舒适性高、可靠性高的铁路需求很高。而铁路作为连接我国的大动脉在拉动中国经济飞速发展方面又起到了决定性的作用。铁路线路设备是铁路运输业的基础设备。它常年裸露在大自然中，经受着风雨冻融和列车荷载的作用，当线路运营时间过长时，线路各项技术指标都会发生变化，线路的方向、高低、道床厚度等等轨道几何尺寸不断变化，路基及道床不断产生变形，钢轨、联结零件及轨枕不断磨损，因而使线路设备的技术状态不断地发生变化。这些情况的发生将威胁到铁路运行的安

2、全，必须及时根除。为满足运输要求，我们需要对线路进行维修,以使其恢复原设计运行能力。甚至提高铁路的运营能力。此外线路从铺设之初就应当对其进行必要的养护，对于线路我们应当始终坚持养护为主维修为辅的策略。无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著。无缝线路是将许多根标准长度钢轨焊接成相当长的轨条并铺布在轨枕上的线路。在普通线路上，由于采用的是标准长度钢轨，每公里线路上就要有160个（12.5m钢轨）或80个（25m钢轨）接头。钢轨接头是铁路线路的薄弱环节，由于轨缝的存在，列车通过时发生冲击和振动，其冲击力最大可达非接头区的3倍以上。这种冲击力影响列车的平顺和旅客的舒适，并促使道床硬结、溜坍、

3、混凝土轨枕损坏破裂，加速钢轨和联结零件的磨耗和伤损。接缝的存在也降低了钢轨和机车车辆的使用寿命，并增加它的养护维修费用。无缝线路由于消灭了大量的接头，因而冲击振动少，运行平稳，旅客舒适；降低轨道养护维修费用；延长钢轨和机车车辆使用寿命；减轻机车车辆冲击轨缝的噪声，有利于环境保护；是轨道结构的发展趋势，是铁路现代化的主要内容之一。跨区间无缝线路是轨条长度跨区间且轨条与道岔直接连接的无缝线路。它最大程度地减少了钢轨接头，实现了线路的无缝化，消除了缓冲区和伸缩区的影响，是当代无缝线路的重要发展。跨区间无缝线路用胶接绝缘接头替代了原有缓冲区的绝缘接头。整体性好、强度高、刚度大、绝缘性能好、寿命长、养护

4、少的胶接绝缘接头研制成功是跨区间无缝线路得以发展的重要保证。跨区间无缝线路在现场的焊接和施工。跨区间无缝线路由于施工技术条件和运营条件所限，不可能在一个天窗时间内一次铺设完成，只能把跨区间无缝线路分成若干单元轨条。通常把一次铺设的轨条叫单元轨条。道岔区及前后约200m的线路作为一单元。要求每单元长轨在焊联后的锁定轨温相同。为保证跨区间无缝线路锁定轨温一致，在铺设施工中，如何组织施工、安排施工程序，使得铺设、焊接、放散应力、锁定等工作有序进行，是一个关键问题。跨区间无线线路的维修养护方法：跨区间无缝线路的基本原理与普通无缝线路是一致的，因此原有的普通无缝线路维修养护方法仍然适用。但现有的普通无缝

5、线路存在缓冲区，如对无缝线路进行较长区段的破底清筛，或抽换轨枕作业，尤其进行大修作业或出现温度力不均匀等情况时，往往可以放散应力后施工。对于跨区间无缝线路，实施起来就比较困难，这时作业的轨温条件可能就会控制得很严，同时应配备有快速切割、换轨方便、焊接简便等相应的施工设备，便于处理各种应急情况。道岔区轨道受力情况：道岔里侧轨两端的受力状况不同，其一端承受巨大的温度力，而另一端近似为自由端（尖轨或可动心轨），相当于普通无缝线路的伸缩区。为了控制尖轨或可动心轨的位移以便保证转换要求，通常在尖轨及心轨跟端设置相应的传力部件，与岔枕等部件一起，使里侧轨的温度力向基本轨传递，基本轨承受附加温度力。因此无缝

6、道岔内各轨条间存在极为复杂的承力、传力和位移关系。第一章 跨区间无缝线路技术1.1 跨区间无缝线路的发展各种轨道结构的应用和发展，主要取决于运营的效果。现代铁路为实现重载、高速运输，而改善轨道结构的最佳措施，当属超长无缝线路的发展与应用。在二十世纪的5060年代，无缝线路开始在干线上大量应用，当时主要采用50kg/m级的钢轨，其中50%铺设在木枕和钢枕上。焊接和铺设技术都不够完善，因而长轨条的长度不可能很长。直至70年代以前，欧美等国无缝线路的长轨条长度如下图所示：70年代以前欧美等国无缝线路长轨条长度(m)国家德国美国澳大利亚加拿大匈牙利波兰长轨条长度440440600440600600国家

7、前苏联意大利英国法国比利时印度长轨条长度800600800800800800表 1-1-17080年代多使用60kg/m级钢轨焊接长轨条。高强度合金轨、耐磨轨的问世，提高了无缝线路在重载、高速铁路上的应用效果。世界各国基地焊接基本上以接触焊为主，焊接接头的各项机械性能和外观检查均能达到钢轨母材的检查标准。铺设与养护技术也日臻完善。这一时期，无缝线路的结构型式以温度应力式为主，长轨条长度等于自动闭塞分区的长度，约为10002000m，相邻长轨条之间设置缓冲区或伸缩调节器联接。80年代以来，高强度、高韧性、长寿命的胶接绝缘接头在国外铁路上广泛应用。同时，法国在巴黎东南高速铁路和大西洋沿岸高速铁路使

8、用感应式无绝缘轨道电路，德国在汉诺威维欠茨堡和曼海姆斯图加特两线使用音频式无绝缘轨道电路，为取消(或减少)缓冲轨，发展超长无缝线路创造了条件。目前欧洲铁路无缝线路的轨条设计，除了临近小半径曲线或桥隧建筑物，轨条不得不断开外，一般区间都焊联成一体。就文献资料介绍，英、法、德及日本的无缝线路最长长度如下：英国最长的一段无缝线路从尤斯敦至格拉斯哥645km;法国在巴黎里昂马赛，巴黎勒芒，巴黎莫城高速铁路上，大量无缝线路贯穿区间，其中最长的一段无缝线路长达50km;德国区间无缝线路与车站道岔焊接，与无缝线路直接焊联的道岔达11万组;日本在全长53.83km的青函隧道内12的坡度上，铺设了一段轨条长度达

9、53.78km的无缝线路。各国铁路铺设超长无缝线路大多是客运为主的铁路线上，俄罗斯铁路在货运密度110Mtkm/km货运为主的干线上也铺有超长无缝线路。 在国内，60年代曾在广深、胶济线试铺长度8km的无缝线路，1980一1981年北京铁路局在京山线试铺两段长度各为7.68km和7.64km的无缝线路，后因焊接接头折断数量太多，胶接绝缘接头短期失效，不得不终止试验。近年来，随着我国铁路现代化的发展，铁道部有关单位在经过较长时间技术准备的基础上，于1993年至1994年分别在京广、京山、大秦线上试铺了4段长达20余km的超长无缝线路，并于1995年10月在北京茶坞召开了“全路超长无缝线路学术研讨

10、会”，同时铁道部在制定铁路工务主要技术装备政策时，明确规定在继续扩大无缝线路铺设范围的同时，要“大力发展超长无缝线路，在京广、京哈、京沪等主要干线和广深、大秦等高速、重载线路要优先发展跨区间超长无缝线路”。从此，我国主要干线加快了铺设超长无缝线路的步伐。1.2 跨区间无缝线路的优点1、提高轨道结构强度由于跨区间无缝线路轨条长度贯通区间，并与车站道岔焊联，取消或减少了缓冲区，最大限度地消除了作为轨道薄弱环节的钢轨接头，减少了钢轨接头病害的发生和发展，同时又推动了无缝道岔技术的开发应用，从而全面提高了轨道的整体结构强度和平顺性。2、优化行车条件跨区间无缝线路由于大量消除了普通钢轨接头，尤其是道岔的

11、无缝化，进一步优化了列车运行的工况。据铁道科学研究院轨道结构室在京广、成昆线测得，旅客列车速度V=80100km/h通过不同的钢轨连接接头，车辆簧下质量的垂直振动加速度如下表所示。在跨区间无缝线路上，由于钢轨接头的消除，因而优化了列车运行条件。车辆簧下质量的垂直振动加速度接头类型焊接接头伸缩调节器有缝钢轨接头加速度（g）2.55.07.08.01020表 1-2-13、改善无缝线路工况由于跨区间无缝线路的长轨条在相当长距离内，没有伸缩区和缓冲区，轨条之间可以直接传递纵向力和位移，因此伸缩区和缓冲区的缺点自然不复存在。尤其是伸缩区与固定区交界处因温度循环而产生的温度力峰，以及由于道床的弹塑性特征

12、，而造成伸缩区因过量伸缩不能复位而产生的温度力峰，都由于伸缩区的消失而消失，从而有利于轨道的稳定。也由于轨条长度的延长，提高了轨道防爬能力，减少了引起纵向力分布不均的因素。锁定轨温比较容易保持，从而改善了无缝线路工作状态，提高了轨道的安全性和可靠性。4、减少养护维修材料和劳力消耗在运营线上的整段无缝线路中，缓冲区的轨料配件伤损和投入养护维修的劳力占了相当大的比例，铺设跨区间无缝线路，由于取消(或减少)了缓冲区，因而轨料消耗、养护维修工作量将显著减少，产生明显的经济效益。缓冲区的轨料消耗及养护维修用工统计铁路前苏联南乌拉尔日本山崎保线分区中国长大线统计项目钢轨伤损（P65型）轨枕破损橡胶垫层破

13、损养护维修用 工养护维修用 工占整段无缝 线路（%）6548284540表 1-2-21.3 发展跨区间无缝线路的有利条件我国铁路正大力发展重载、高速运输，与之相适应工务必须实现轨道结构现代化，加速发展无缝线路。为此，我国铁路科研、设计、施工、养护等部门经过艰苦努力，为在主要干线大量铺设跨区间无缝线路创造了极为有利的技术、物质条件。1.3.1 无缝线路四个难题的突破经过科技工作者的大量研究试验，在我国寒冷地区、小半径曲线、大坡道及桥上“四大禁区”铺设无缝线路，取得了突破性进展，扩大了无缝线路铺设范围，并为广泛应用跨区间无缝线路奠定了基础。1、允许铺设的最大轨温幅度19841986年铁科院的环行

14、试验基地进行了无缝线路动态稳定性试验及计算理论的研究，建立了稳定性计算公式，于1987年通过鉴定，并对我国铺设无缝线路允许轨温幅度进行了计算。按照我国轨道结构标准、行车及线路条件，经计算得到允许铺设无缝线路最大轨温幅度，扩大了无缝线路铺设范围。个别寒冷地区、小半径曲线及运行电力机车的线路，若当地最大轨温幅度超出了允许铺设范围，可采用极限强度等级等于或高于883MPa的钢轨，增加轨枕配置根数等技术措施。允许铺设无缝线路最大轨温幅度轨道结构类型机车类型列车最高速度/kmh-1混凝土枕配置根数kmcm-1钢轨允许铺设无缝线路最大轨温幅度/类型/kgcm-1极限强度级别/MPa直线及R2000m曲线曲

15、线半径/m800600400特重型东风9东风111401680757851161079581883韶山5韶山81401680757851069681728831201129788重型东风9东风11140168060785108998876883韶山5韶山8140168060785958776648831101029179次重型东风9东风11120168050785100918265883韶山5韶山8120168050785907869883101888065表 1-3-12、允许铺设的最小曲线半径铁科院通过理论计算及现场铺设试验，获得R=40Om曲线采用标准轨道结构及加强轨道结构铺设无缝线路的

16、允许轨温幅度，见下表。2R=400m曲线上铺设无缝线路允许轨温幅度钢轨混凝土轨枕道床肩宽cm轨道加强措施机车类型行车速度kmh-1允许温升允许温降允许铺设最大轨温幅度类型kmcm-1极限强度MPa类型根数50785型184045前进型东风48034436960785型168045前进型东风480325476883型192045安装防涨挡板前进型东风480416194表 1-3-2 根据上表所列铺设无缝线路的允许轨温幅度，在采用标准轨道结构的情况下，我国西南、华南、中南、华东等地区可在R=400m曲线上铺设无缝线路，在采取安装防胀挡板，增加轨枕配置根数的前提下，华北及东北、西北部分地区也可在R=

17、400m的曲线上铺设无缝线路。3、允许铺设的大坡道在大坡道上铺设无缝线路的关键是防止钢轨爬行，以及防止连续下坡的变坡点前后因累积爬行导致无缝线路纵向力分布不均。根据现场观测试验，我国的弹性扣件可以有效地控制钢轨爬行。因此，在保证道床阻力的前提下，允许铺设无缝线路的最大坡度不作限制。1.3.2 轨道结构的强化为适应铁路运输发展的需要，我国铁路在强化轨道结构及改进轨道材料方面下了很大功夫，并取得了很大进展。1、钢轨钢轨的发展方向是重型化、强韧化和纯净化。至1997年全路己铺设60kg/m及以上钢轨达3.4万公里，约占正线延展长度的45. 1%，在五大干线己全部铺设了60kg/m钢轨。与此同时钢轨材

18、质也发生了变化，更能适应重载、提速的需要。全长淬火钢轨正逐步在小半径曲线上铺设，全路己建成的十几条钢轨淬火生产线，在延长钢轨使用寿命方面发挥了重要作用。2、道岔为实现线路轨道等强匹配，寿命同步，在强化道岔结构方面己取得了突破性进展。近几年在主要干线大量铺设的提速道岔，及可动心轨道岔。不仅改善了道岔技术状态，而且为焊接无缝道岔，铺设跨区间无缝线路创造了条件。新研制的贝氏体、合金钢心轨组合辙叉己进入上道使用阶段，由于它的心轨和翼轨采用与线路相同的钢轨制作，因此可以直接焊联，这就为铺设跨区间无缝线路开辟了新的途径。3、轨下基础近些年来，在强化轨下基础结构、整治路基病害等方面都取得了新的进展。69型混

19、凝土轨枕已经淘汰，型混凝土轨枕已开始蓬勃发展，并己在主要干线大量铺设。特别是优质道砟的重要作用和良好效果已引起各有关部门的重视，在四大干线及提速道岔上优先使用了优质道砟，为改善道床状态发挥了良好的作用，应用新技术、新工艺、新材料加固路基和整治路基病害的工作，已逐步走向良性循环的轨道。轨下基础的优化组合，既提高了轨道整体结构的承载能力，又为大量铺设跨区间无缝线路提供了稳固的基础。1.3.3 胶接绝缘钢轨技术的应用为了消除缓冲区普通绝缘接头轨缝，延长无缝线路轨条铺设长度，目前已成功地应用了两项新技术：一项是采用“无绝缘轨道电路”技术，采用这种技术区间钢轨不再设置钢轨绝缘接头，可把钢轨连续焊接成需要

20、的长度;另一项是把绝缘接头胶接起来，使具有高强度、高韧性、长寿命的胶接绝缘接头直接传递钢轨纵向力，以尽量延伸无缝线路的长度，构成超长无缝线路。1.4 跨区间无缝线路的基本结构1.4.1 铺设范围一般来说跨区间无缝线路应铺设在直线及半径大于600m的曲线地段，理论上跨区间无缝线路可以铺设无限长。铺设范围也受当地最高温差影响。1.4.2 轨道结构标准1、钢轨由于跨区间无缝线路的长轨条要穿越桥隧，通过车站，除承受正常的列车荷载和温度力外，还要受桥梁、道岔等结构产生的附加作用力，在一些特殊地段(隧道、深路堑)，钢轨温度力还呈现不均匀现象。此外随着轨条的延伸，线路条件、气候环境、运营状况都将发生变化，从

21、而使跨区间无缝线路不但受力复杂，而且工作条件恶化。我国的重载运输干线具有高密度、高重量、大轴重并举;客货列车混跑，安全效益并重，行车速度相差悬殊;繁忙运煤干线多在山区，坡度大、曲线多且半径小，自然条件恶劣;内燃机车和电力机车大部分为三轴转向架，通过曲线的性能差;轨道结构加强、改造任务繁重的特点。这些因素的综合作用，使得我国的轨道破损、失效严重，恶性循环。为保证快速重载线路的正常运营，铺设的跨区间无缝线路就必须采用重型轨道结构，实现重型化、强韧化、钢轨材质纯净化，以增大轨道的刚度和线性阻力，提高无缝线路的强度和稳定性。目前，我国60kg/m钢轨己基本贯通全路的主要干线，根据我国的铁路现状及今后的

22、发展趋势，跨区间无缝线路宜须采用60kg/m及以上全长淬火钢轨或其它耐磨轨，同时各单元轨节的长度应尽可能延长。2、轨枕及扣件应采用、型混凝土枕或混凝土宽枕，有砟桥上采用混凝土桥枕。特殊情况允许使用I类木枕。混凝土轨枕应采用弹条、型扣件，木枕使用分开式扣件，岔枕使用分开式弹性扣件。3、绝缘接头我国早期铺设的无缝线路长度之所以只有12 km，原因之一是闭塞区间的轨道电路需要在如此长的距离内设置绝缘接头，因而必须把钢轨断开。如果要延长轨节长度，就需要在技术上采取一些措施。目前这些措施有两种：一是采用“无绝缘接头轨道电路”技术，采用这种技术区间钢轨将不需要设置钢轨绝缘接头，可把钢轨连续焊成需要的长度。

23、但在进站信号机前及道岔区仍需设置绝缘接头。如我国京广线当初引进的法国四显示技术，轨道电路在各闭塞区间不需断开，利用不同的频率来传递信号，理论上己可以取消区间地面信号机，整区间的轨道电路是贯通的，不需设绝缘，只要在进出站信号机处设置即可。另一种技术措施是把区间的绝缘接头胶接起来，从而把钢轨连成一个整体既隔开了轨道电路，又消除了轨缝，增加了列车运行的平稳性。绝缘接头采用胶接式，有两种形式：一种是采用厂制胶接轨，另一种是采用胶接绝缘夹板。4、道岔在技术上跨区间无缝线路是任意长的，穿越车站时钢轨必须和道岔焊接或胶接在一起。同时道岔内的接头也应该焊接起来，形成无缝道岔。因此，跨区间无缝线路的道岔应采用无

24、缝道岔，这是基本结构特征，也是跨区间无缝线路设计、施工与养护维修的重点。无缝道岔中彻底消除了钢轨接头，增加了列车运行的平稳性，以及道岔的结构强度，但同时由于其两端承受着巨大的温度力，且受力情况复杂，更换尖轨，辙叉时又非常麻烦，换前切开，换后焊接。因此，这就对无缝道岔结构的本身提出了较高的要求，如道岔主要部件，例如尖轨、辙叉等，要有较长的使用寿命;辙叉的材质要与前后钢轨相同，以便能够焊接。道床应采用I级道砟，且要饱满，有足够道床阻力，道岔扣件宜采用弹性扣件。5、道床作为道床的组成部分，道砟应具有以下一些性质：质地坚韧，有弹性，不宜压碎和捣碎;排水性能好，吸水性差，不易风化。用作道砟的材料有：碎石

25、、天然级配卵石、粗沙、中沙等。选用何种道砟材料，应根据铁路运量、机车车辆轴重、行车速度，结合成本和就地取材等条件来决定。我国道砟级配标准如下表1-4-1所示：方孔筛边长（mm）162535.5455663过筛质量百分比（%）0551525405575929797100表 1-4-1这一标准考虑了宽级配比低级配道砟有更好的强度和稳定性，可改善线路道床作业，也有利于采石场生产的成品度。碎石道床的技术参数有：反映道床材质的材质参数，如：抗磨耗、抗冲击、抗压碎、渗水、抗风化、抗大气腐蚀等材料指标、参数，为道砟材质的分级提供了法定依据;反映道砟加工质量的质量参数，如道砟粒径、级配、颗粒形状、表面状态、清

26、洁度等加工指标。道砟根据性能参数可分为一级道砟和二级道砟，对于特重型轨道、隧道内轨道及宽轨枕轨道应采用一级道砟，其它轨道使用二级道砟。花岗岩、玄武岩、片麻岩等火成岩、变质岩具有较好的抗磨耗、抗冲击、抗压碎、抗风化、大气腐蚀的能力，岩石破碎分化后，粘性小，具有较好的渗水性，因此道床的养护维修工作量小，清筛周期长，不易出现道床翻浆、板结等病害，这类道砟大多属于一级道砟;而石灰岩、白云岩等碳酸盐、沉积岩情况则相反，大部分属于二级道砟，甚至等外级。采用一级道砟具有最佳的技术、经济效益，这早己为国内外研究和使用经验所证实。因此，跨区间无缝线路应采用一级道砟，其优良的材质和特点可以使跨区间无缝线路的性能发

27、挥得更充分，效益更明显。6、长轨条两端的结构跨区间无缝线路理论上可任意长。其两端终结处一般有如下三种轨端结构形式可供选择：（1）锚固式若站端为尽头线，车站之间距离恰当且温差不大，可把长轨节钢轨直插两个车站的端部站台，长钢轨两端用钢筋混凝土锚固在站台内，形成两端固定的长轨结构形式。这是一种比较理想的结构形式。钢轨伸入混凝土站台的长度L可由下式计算：L=K(maxPt+Pe)/SC式中：maxPt钢轨可能承受的最大温度力;Pc 制动、启动等附加纵向力;S 钢轨断面周长，60kg/m轨S=69cm，75kg/m轨S=72cm;C 混凝土对钢轨的握裹力，C15C30混凝土C=80N/cm2;K 安全系

28、数，K=l.5。例如，若在郑州地区铺设60kg/m钢轨跨区间无缝线路，其锁定轨温范围为2535，最高轨温为61.4，最低轨温为-14.7，轨端采用锚固式固定，尽头站台混凝土标号为300号，则钢轨插入站台内的长度L为：maxPt=242.8(maxTF)=242.8(35+14.7)77.45=934602NPc=8000ON即钢轨插入站台2.76米长就可以了。这种型式的端部结构，简单实用，是比较理想的结构型式。（2）缓冲区式在长轨节两端铺设由短轨组成的“缓冲区”，形成与普通无缝线路相同的轨端结构形式。但这种轨端结构形式仍然存在缓冲区内的轨缝，对高速与重载列车不利。因此，要设法把跨区间无缝线路的

29、缓冲区放在列车需要停车或慢行的大站站内。（3）伸缩调节器式代替短轨组成的缓冲区，把钢轨伸缩调节器作为轨条之间的联结部件，如日本的高速铁路。当跨区间无缝线路与特大桥、不能焊连的岔区等特殊地段相连时，需设置钢轨伸缩调节器，把长轨节与这些区段连接起来。由于钢轨伸缩调节器具有伸缩尖轨这种结构上的薄弱环节，制造麻烦、造价较高，维修不便，所以应在必需情况下才适宜采用此种结构型式。1.5 跨区间无缝线路的基本原理1.5.1 钢轨的自由伸缩与温度力一根自由放置着的钢轨，当轨温变化时能自由伸缩。在夏天受热会伸长些，冬天受冷会有所缩短，也就是平时说的所谓“热胀冷缩”。将多根12.5m或25m长的钢轨联结成轨道，很

30、显然每隔12.5m或25m就会有一个接头。接头之间还有一道轨缝，大约为6mm。留轨缝的道理很简单，是为了防止钢轨在热胀冷缩时产生温度力。不要小看这个温度力，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。其伸缩量的计算公式为：自由伸缩量(m)=0.0000118温度变化量()钢轨长度(m)式中：0.0000118为钢的线膨胀系数。(这个系数是经试验得的，即1m长钢轨，当轨温变化1时，钢轨长度的伸缩量为0.0000118米)例如有一根1000米的长钢轨自由放着，当轨温变化40时，钢轨的自由伸缩量为：0.000018401000=0.472m=472mm如此巨大的力足以将钢轨顶得歪七八扭，造成轨道不平顺，影响列车快速安全运行。当然，在无缝线路上这样大的伸缩量是绝不允许的，必须用防爬设备将两端锁定，以防止其伸缩。物质不灭定律告诉我们，任何一种物质都不