第六章_軌道幾何形位.

1、第六章第六章 軌道幾何形位軌道幾何形位蘭州交通大學土木工程學院道路與鐵道工程系本章重點1、直線軌道幾何形位2、曲線超高設置3、緩和曲線設置 軌道幾何形位是指軌道各部分的幾何形狀、相對位置和基本尺寸。 軌道平面位置包括直線、圓曲線、緩和曲線。軌道的方向必須正確，直線部分應保持筆直，曲線部分應具有與曲率相適應的圓順度。 從軌道橫斷面上來看，軌道的幾何形位包括軌距、水平、外軌超高和軌底坡。一、簡介1、輪對 機車的走行部分由車架、輪對、軸箱、彈簧裝置、轉向架及其它部件組成。 車輛的走行部分是轉向架，由側架、軸箱、彈性懸掛裝置、制動裝置、輪對以及其它部件組成。 輪對是機車車輛走行部分的基本部件，由一根車

2、軸和兩個相同的車輪組成。二、機車車輛走行部分構造車輪踏面（錐形踏面）車輪踏面（磨耗型踏面） 車輪踏面有錐形踏面和磨耗型踏面兩種形式。 錐形踏面的母線是直線，由1:20和1:10兩段斜坡組成。其中1:20的一段經(jīng)常與鋼軌頂面相接觸，1:10的一段僅在小半徑曲線上才與鋼軌頂面相接觸。車輪踏面形成圓錐面，可以減少車輪在鋼軌上的縱、橫向滑行，保證踏面磨耗沿寬度方向比較均勻。另外，直線地段上行駛的車輛，當其偏向軌道一側時，由于左右車輪滾動半徑的不同，可自動返回到軌道中線。這樣，雖然車輪的軌跡成蛇行運動，但不會在車輪踏面上形成凹槽形磨損，從而避免車輪通過道岔轍叉時，發(fā)生劇烈的沖擊和振動。 磨耗型車輪踏面是

3、曲線型踏面，將踏面制成與鋼軌頂面基本吻合的曲線形狀，增大了輪軌接觸面積，可以減輕輪軌磨耗、降低輪軌接觸應力并可改善通過曲線的轉向性能。 為防止車輪脫軌，在踏面內(nèi)側制成凸緣如圖中左側突起部分所示，稱為輪緣。 車輪位于兩股鋼軌內(nèi)側的豎直面，稱為車輪內(nèi)側面，車輪另一側的豎直面稱為車輪外側面。車輪內(nèi)側面與外側面之間的距離稱為車輪寬度(輪幅寬)。 通過踏面上距車輪內(nèi)側面一定距離的一點，劃一水平線，稱為踏面的測量線。由測量線至輪緣頂點的距離稱為輪緣高度。由測量線向下10mm處量得的輪緣厚度，稱為車輪的輪緣厚度(d)。 輪對上左右兩車輪內(nèi)側面之間的距離，稱為輪對的輪背內(nèi)側距離（T）。這個距離再加上二個輪緣厚

4、度稱為輪對寬度（q）如圖所示。 qT+2d2、轉向架 為使車體能順利通過半徑較小的曲線，可把全部車軸分別安裝在幾個車架上。為防止車輪由于輪對歪斜而陷落于軌道中間，通常將兩個或三個輪對用一剛性構架安裝在一起，稱為轉向架。 車體放在轉向架的心盤上。安裝在同一個車架或轉向架上的車軸，須保持相互之間的平行位置。 應當注意，固定軸距和車輛定距是兩個不同的概念，固定軸距是機車車輛能否順利通過小半徑曲線的控制因素，車輛定距是轉向架中心間距，除長大車外，多在18m之內(nèi)。 同一車體最前位和最后位的車軸中心間水平距離，稱為全軸距。 同一車架或轉向架上始終保持平行的最前位和最后位車軸中心間水平距離，稱為固定軸距。

5、車輛前后兩走行部分上車體支承間的距離稱為車輛定距。1 1、軌距、軌距 軌距是鋼軌頂面下16mm范圍內(nèi)兩股鋼軌作用邊之間的最小距離。三、三、 直線軌道的幾何形位直線軌道的幾何形位 目前世界上的鐵路軌距，分為標淮軌距、寬軌距和窄軌距三種。標準軌距尺寸為l435mm。大于標準軌距的稱為寬軌距，小于標準軌距的稱為窄軌距。 軌距用道尺測量，容許偏差值為+6mm和-2mm，即寬不能超過l441mm，窄不能小于1433mm。 軌距變化應和緩平順，其變化率：正線、到發(fā)線不應超過2(規(guī)定遞減部分除外)，站線和專用線不得超過3，即在lm長度內(nèi)的軌距變化值：正線、到發(fā)線不得超過2mm，站線和專用線不得超過3mm。2

6、 2、水平、水平 水平是指線路左右兩股鋼軌頂面的相對高差。 在直線地段，兩股鋼軌頂面應位于同一水平面上，使兩股鋼軌所受荷載均勻，以保持列車平穩(wěn)運行。水平用道尺或其它工具測量。線路維修時，兩股鋼軌頂面水平誤差不得超過規(guī)定值。 鐵路線路維修規(guī)則規(guī)定：兩股鋼軌頂面水平的容許偏差，正線及到發(fā)線不得大于4mm，其它站線不得大于5mm。 兩股鋼軌頂面的水平偏差值，沿線路方向的變化率不可太大。在lm距離內(nèi)，這個變化不可超過lmm，否則即使兩股鋼軌的水平偏差不超過允許范圍，也將引起機車車輛的劇烈搖晃。 實踐中有二種性質不同的鋼軌水平偏差，對行車的危害程度也不相同。 一種偏差稱為水平差，這就是在一段規(guī)定的距離內(nèi)

7、，一股鋼軌的頂面始終比另一股高，高差值超過容許偏差值。 另一種稱為三角坑，其含義是在一段規(guī)定的距離內(nèi)，先是左股鋼軌高于右股，后是右股高于左股，高差值超過容許偏差值，而且兩個最大水平誤差點之間的距離，不足18m。 軌向是指軌道中心線在水平面上的平順性。 若直線不直則必然引起列車的蛇行運動。在行駛快速列車的線路上，線路方向對行車的平穩(wěn)性具有特別重要的影響。 在無縫線路地段，若軌道方向不良，還可能在高溫季節(jié)引發(fā)脹軌跑道事件(軌道發(fā)生明顯的不規(guī)則橫向位移)，嚴重威脅行車安全。 鐵路線路維修規(guī)則規(guī)定：直線方向必須目視平順，用10m弦測量，正線上正矢不超過4mm；站線及專用線，不得超過5mm。3 3、軌向

8、、軌向 軌道沿線路方向的豎向平順性稱為前后高低。 新鋪或經(jīng)過大修后的線路，即使其軌面是平順的，但是經(jīng)過一段時間列車運行后，由于路基不均勻沉陷、道床搗固密實程度、扣件松緊、枕木腐朽和鋼軌磨耗的不一致性，就會產(chǎn)生不均勻下沉，造成軌面前后高低不平，即在有些地段(往往在鋼軌接頭附近)下沉較多，出現(xiàn)坑洼，這種不平順，稱為靜態(tài)不平順；4 4、前后高低、前后高低 有些地段，從表面上看，軌面是平順的，但實際上軌底與鐵墊板或軌枕之間存在間隙(間隙超過2mm時稱為吊板)，或軌枕底與道碴之間存在空隙(空隙超過2mm時稱為空板或暗坑)，或軌道基礎彈性的不均勻(路基填筑的不均勻，道床彈性的不均勻等)，當列車通過時，這些

9、地段的軌道下沉不一致，也會產(chǎn)生不平順，這種不平順稱為動態(tài)不平順，隨著高速鐵路的發(fā)展，動態(tài)不平順已廣泛受到關注。 經(jīng)過維修或大修的軌道，要求目視平順，前后高低偏差用l0m弦量測的最大矢度值不應超過4mm。 由于車輪踏面與鋼軌頂面主要接觸部分是1:20的斜坡，為了使鋼軌軸心受力，鋼軌也應有一個向內(nèi)的傾斜度，因此軌底與軌道平面之間應形成一個橫向坡度，稱之為軌底坡。5、軌底坡 我國鐵路在1965年以前，軌底坡定為1:20。1965年以后，我國鐵路的軌底坡統(tǒng)一改為1:40。 軌底坡設置是否正確，可根據(jù)鋼軌頂面上由車輪碾磨形成的光帶位置來判定。 如光帶偏離軌頂中心向內(nèi)，說明軌底坡不足；如光帶偏離軌頂中心向

10、外，說明軌底坡過大；如光帶居中，說明軌底坡合適。 線路養(yǎng)護工作中，可根據(jù)光帶位置調整軌底坡的大小。1 1、外軌超高的作用及其設置方法、外軌超高的作用及其設置方法 作用：作用：機車車輛在曲線上行駛時，由于慣性離機車車輛在曲線上行駛時，由于慣性離心力作用，將機車車輛推向外股鋼軌，加大了外心力作用，將機車車輛推向外股鋼軌，加大了外股鋼軌的壓力，使旅客產(chǎn)生不適，貨物移位等。股鋼軌的壓力，使旅客產(chǎn)生不適，貨物移位等。因此需要把曲線外軌適當抬高，使機車車輛的自因此需要把曲線外軌適當抬高，使機車車輛的自身重力產(chǎn)生一個向心的水平分力，以抵消離心慣身重力產(chǎn)生一個向心的水平分力，以抵消離心慣性力，達到內(nèi)外兩股鋼軌

11、受力均勻和垂直磨耗均性力，達到內(nèi)外兩股鋼軌受力均勻和垂直磨耗均等，滿足旅客舒適感，提高線路的穩(wěn)定性和安全等，滿足旅客舒適感，提高線路的穩(wěn)定性和安全性。性。 四、四、 曲線軌道外軌超高曲線軌道外軌超高 外軌超高外軌超高是指曲線外軌頂面與內(nèi)軌頂面水平高度是指曲線外軌頂面與內(nèi)軌頂面水平高度之差。之差。 在設置外軌超高時，主要有外軌提高法和線路中在設置外軌超高時，主要有外軌提高法和線路中心高度不變法兩種方法。外軌提高法是保持內(nèi)軌標高心高度不變法兩種方法。外軌提高法是保持內(nèi)軌標高不變而只抬高外軌的方法。線路中心高度不變法是內(nèi)不變而只抬高外軌的方法。線路中心高度不變法是內(nèi)外軌分別各降低和抬高超高值一半而保

12、證線路中心標外軌分別各降低和抬高超高值一半而保證線路中心標高不變的方法。前者使用較普遍，后者僅在建筑限界高不變的方法。前者使用較普遍，后者僅在建筑限界受到限制時才采用。受到限制時才采用。gRGvRvmF22 如圖所示，為使內(nèi)外股鋼軌所受的垂直壓力相等，應使離心力與車體重力的合力作用于軌道中心點O，相應的外軌超高為h。1ShGFsintgGFSh1gRvSgRGvGSGFSh21211將 S1 =1500mm，g=9.8m/ s2 代入上式，并將速度單位m/s換算成km/h，則計算超高的公式為：離心力大?。篟Vh28.11(mm)2 2、外軌超高的計算、外軌超高的計算RVhJF208.11JFV

13、 均衡速度的計算 前式是按某列車以速度V V 通過曲線時推導得到的。實際上，通過曲線的列車種類、列車重量和速度各不相同。為了合理設置超高，所以列車速度V V 應當采用各次列車的平均速度V VJFJF，即 1.1.全面考慮每一次列車的速度和重力來計算。全面考慮每一次列車的速度和重力來計算。 因為對任一確定的曲線，其外軌超高和兩軌頭中心因為對任一確定的曲線，其外軌超高和兩軌頭中心線距離是確定不變的。但通過的每次列車的重量和速線距離是確定不變的。但通過的每次列車的重量和速度是不同的，因而列車作曲線運動產(chǎn)生的離心力及向度是不同的，因而列車作曲線運動產(chǎn)生的離心力及向心力也是不同的。為了反映不同行駛速度和

14、不同牽引心力也是不同的。為了反映不同行駛速度和不同牽引重量的列車對于外軌超高值的不同要求，均衡內(nèi)外軌重量的列車對于外軌超高值的不同要求，均衡內(nèi)外軌的垂直磨耗，平均速度的垂直磨耗，平均速度V VJFJF應取每晝夜通過該曲線列車應取每晝夜通過該曲線列車牽引重量的加權平均速度。牽引重量的加權平均速度。平均速度平均速度VJF的兩種方法的兩種方法 NGNGVGNGNGNVGNVGNVGNVnnnnnJF22211222222111式中：式中： Vmax 為預計該地段最大行車速度，以為預計該地段最大行車速度，以km/h計。經(jīng)計。經(jīng)過運營一段時間后，可根據(jù)實際運營狀態(tài)予以調整。過運營一段時間后，可根據(jù)實際運

15、營狀態(tài)予以調整。 為便于管理，圓曲線外軌超高按為便于管理，圓曲線外軌超高按5mm整倍數(shù)設置。整倍數(shù)設置。max8 . 0 VVJFRVh2max06.72在新線設計與施工時，采用的平均速度在新線設計與施工時，采用的平均速度 VJF 由由下式確定下式確定:代入超高計算公式：代入超高計算公式： 對實設曲線來說，曲線實設超高對實設曲線來說，曲線實設超高 h0 是根據(jù)平是根據(jù)平均速度均速度 由超高公式計算確定，曲線實設超高一旦由超高公式計算確定，曲線實設超高一旦設置，即為固定值，而通過曲線的各種列車速度設置，即為固定值，而通過曲線的各種列車速度是不相同的，或大于平均速度，或小于平均速度，是不相同的，或

16、大于平均速度，或小于平均速度，即不可能使所有列車產(chǎn)生的離心力完全得到平衡，即不可能使所有列車產(chǎn)生的離心力完全得到平衡，因此車體承受一部分未被平衡的離心力，車內(nèi)有因此車體承受一部分未被平衡的離心力，車內(nèi)有質量的物體質量的物體(人或物人或物)就會產(chǎn)生未被平衡的離心加就會產(chǎn)生未被平衡的離心加速度。速度。3、外軌未被平衡的超高、外軌未被平衡的超高列車以速度列車以速度V通過曲線時通過曲線時:應該設置的超高為應該設置的超高為而實際設置的超高為而實際設置的超高為gRvSh21gRvShJF210h與與h0的差值稱為未被平衡的超高。的差值稱為未被平衡的超高。當當 h h0 時，是由于實設超高不足造成的；時，是

17、由于實設超高不足造成的；當當h h0 時，時， 是由于實設超高過大造成的；是由于實設超高過大造成的；超高不足稱為欠超高，超高不足稱為欠超高，超高剩余稱為過超高或余超高。超高剩余稱為過超高或余超高。aRvRvRvRvgSgRvSgRvShhhJFJFJF153)(8 . 91500)(2222121210 若存在未被平衡的超高，則必然存在未被平衡若存在未被平衡的超高，則必然存在未被平衡的離心加速度。的離心加速度。)(1530ahhhVVJF時：時：VVJF時：時： 由于欠由于欠( (過過) )超高是標量，而加速度是矢量，但超高是標量，而加速度是矢量，但不論加速度的符號是正不論加速度的符號是正(

18、(離心離心) )還是負還是負( (向心向心) )，對旅，對旅客乘車的舒適度的影響是一樣的，為能統(tǒng)一表達欠客乘車的舒適度的影響是一樣的，為能統(tǒng)一表達欠超高、過超高與未被平衡的加速度的關系，將前面超高、過超高與未被平衡的加速度的關系，將前面計算出的未被平衡的加速度取絕對值，即為：計算出的未被平衡的加速度取絕對值，即為：ah153 由于未被平衡的加速度或未被平衡的超高使內(nèi)由于未被平衡的加速度或未被平衡的超高使內(nèi)軌或外軌產(chǎn)生偏載，引起內(nèi)外軌不均勻磨耗，并軌或外軌產(chǎn)生偏載，引起內(nèi)外軌不均勻磨耗，并影響旅客乘車的舒適性，因此必須對未被平衡的影響旅客乘車的舒適性，因此必須對未被平衡的加速度進行限制，進而對未

19、被平衡的超高進行限加速度進行限制，進而對未被平衡的超高進行限制。未被平衡的超高應當滿足下式：制。未被平衡的超高應當滿足下式：1 5 3h 根據(jù)我國鐵路實踐經(jīng)驗，未被平衡的離心加速根據(jù)我國鐵路實踐經(jīng)驗，未被平衡的離心加速度的容許值為度的容許值為0.40.40.5m/s0.5m/s2 2，困難情況下為，困難情況下為0.6m/s0.6m/s2 2. . 我國我國鐵路線路維修規(guī)則鐵路線路維修規(guī)則采用未被平衡的超高采用未被平衡的超高度來表示未被平衡離心加速度的限值。將未被平衡度來表示未被平衡離心加速度的限值。將未被平衡離心加速度的容許值離心加速度的容許值 代入式得到相應的未被平代入式得到相應的未被平衡的

20、超高度容許值衡的超高度容許值 如下：如下： 0.5m/s0.5m/s2 2時，時， 76mm76mm，取，取 75mm75mm； 0.6m/s0.6m/s2 2時，時， 92mm92mm，取，取 90mm90mm。hhhh 因此我國因此我國鐵路線路維修規(guī)則鐵路線路維修規(guī)則規(guī)定：未被規(guī)定：未被平衡欠超高，一般應不大于平衡欠超高，一般應不大于75mm75mm，困難情況應不，困難情況應不大于大于90mm90mm；未被平衡過超高不得大于；未被平衡過超高不得大于50mm50mm。 低速列車行駛于超高很大的曲線軌道時，存在低速列車行駛于超高很大的曲線軌道時，存在傾覆的危險性。為了保證行車安全，必須限制外軌

21、傾覆的危險性。為了保證行車安全，必須限制外軌超高的最大值。超高的最大值。4 4、外軌最大超高的允許值、外軌最大超高的允許值 車輛在曲線運行的穩(wěn)定性降低，其穩(wěn)定程車輛在曲線運行的穩(wěn)定性降低，其穩(wěn)定程度可采用穩(wěn)定系數(shù)度可采用穩(wěn)定系數(shù)n來表示來表示. .eSn2111SAAOCOOhSHe1hHSn221 根據(jù)我國鐵路運營經(jīng)驗，為保證行車安全，根據(jù)我國鐵路運營經(jīng)驗，為保證行車安全，n值不應小于值不應小于3 3。 由以上分析可知，在單線鐵路上，上下行列車由以上分析可知，在單線鐵路上，上下行列車速度相差懸殊的地段，如設置過大的超高，將使低速度相差懸殊的地段，如設置過大的超高，將使低速列車對內(nèi)軌產(chǎn)生很大的

22、偏壓并降低穩(wěn)定系數(shù)。速列車對內(nèi)軌產(chǎn)生很大的偏壓并降低穩(wěn)定系數(shù)。鐵路線路維修規(guī)則鐵路線路維修規(guī)則規(guī)定，規(guī)定，實際設置最大超高單實際設置最大超高單線為線為125mm125mm，雙線為，雙線為150mm150mm。 任何一條曲線軌道，均按一定的平均速度設置任何一條曲線軌道，均按一定的平均速度設置超高。在既定的超高條件下，通過該曲線的列車最超高。在既定的超高條件下，通過該曲線的列車最高速度必定受到末被平衡的容許超高度高速度必定受到末被平衡的容許超高度h 的限的限制，其最高行車速度制，其最高行車速度Vmax 應為應為: :5 5、曲線軌道上的超高限速、曲線軌道上的超高限速RhhVQ8 .110max同理

23、，通過該曲線的最低行車速度同理，通過該曲線的最低行車速度 Vmin 應為應為: :RhhVG8 .110min 式中式中 為未被平衡的容許過超高，最不利情況為列車為未被平衡的容許過超高，最不利情況為列車停在曲線上，即速度停在曲線上，即速度 0 0。 當曲線半徑較小時，按最大超高度當曲線半徑較小時，按最大超高度150mm150mm計算，曲線上的計算，曲線上的超高限速與半徑的關系如下：超高限速與半徑的關系如下： =75mm =75mm時，時， =4.3=4.3； =90mm =90mm時，時， =4.5=4.5。 一般情況下，曲線上的超高限速按下式計算：一般情況下，曲線上的超高限速按下式計算： =

24、4.3 =4.3 （622622） 當最大超高度為當最大超高度為125mm125mm時，未被平衡超高度時，未被平衡超高度 按特殊情況按特殊情況采用采用90mm90mm，最大行車速度為：，最大行車速度為： =4.25 =4.25 采用未被平衡超高度的容許值，來限制曲線最高行車速采用未被平衡超高度的容許值，來限制曲線最高行車速度，是保證行車安全的一項重要指標。度，是保證行車安全的一項重要指標。GhminVQhQhRV8 .1175150maxRV8 .1190150maxmaxVRhmaxVR1 1、緩和曲線的作用及其幾何特征、緩和曲線的作用及其幾何特征 行駛于曲線軌道的機車車輛，出現(xiàn)一些與直線運

25、行顯著不同的受力特征。如曲線運行的離心力，外軌超高不連續(xù)形成的沖擊力等。為使上述諸力不致突然產(chǎn)生和消失，以保持列車曲線運行的平穩(wěn)性，需要在在直線與圓曲線軌道之間設置一段曲率半徑和外軌超高直線與圓曲線軌道之間設置一段曲率半徑和外軌超高度均逐漸變化的曲線，稱為緩和曲線度均逐漸變化的曲線，稱為緩和曲線。當緩和曲線連接設有軌距加寬的圓曲線時，緩和曲線的軌距是呈線性變化的。五、五、 緩和曲線緩和曲線概括起來，緩和曲線具有以下幾何特征： 1緩和曲線連接直線和半徑為R的圓曲線，其曲率由零至1/R逐漸變化。 2緩和曲線的外軌超高，由直線上的零值逐漸增至圓曲線的超高度，與圓曲線超高相連接。 3緩和曲線連接半徑小于350m的圓曲線時，在整個緩和曲線長度內(nèi)，軌距加寬呈線性遞增，由零至圓曲線加寬值。 2 2、緩和曲線的幾何形位條件、緩和曲線的幾何形