第六章軌道幾何形位

第六章軌道幾何形位

本章重點

1．直線軌道幾何形位

2．曲線超高設(shè)置

3．緩和曲線設(shè)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(yīng)保持筆直，曲線部分應(yīng)具有與曲率相適應(yīng)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。第一節(jié)機車車輛走行部分構(gòu)造一、輪對

機車的走行部分由車架、輪對、軸箱、彈簧裝置、轉(zhuǎn)向架及其它部件組成。車輛的走行部分是轉(zhuǎn)向架，由側(cè)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，由一根車軸和兩個相同的車輪組成?？蛙囖D(zhuǎn)向架的基本構(gòu)造示意圖1－側(cè)架；2－輪對；3－軸箱潤滑裝置；4－液壓減震器；5－基礎(chǔ)制動裝置；6－搖枕；7－螺旋圓彈簧我國車輛上使用的車輪有整體輪和輪箍輪兩種，但絕大多數(shù)是整體輪，它由踏面、輪緣、輪輻、幅板和輪轂等部分組成，如圖6—1所示。車輪和鋼軌接觸的面稱為踏面。圖6—1車輪1－踏面；2－輪緣；3－輪輞；4－輻板；5－輪轂；6－輪箍；7－扣環(huán)；8－輪心車輪踏面（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(cè)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(yīng)力并可改善通過曲線的轉(zhuǎn)向性能。為防止車輪脫軌，在踏面內(nèi)側(cè)制成凸緣如右圖突起部分所示，稱為輪緣。

輪緣車輛轉(zhuǎn)向架車輪位于兩股鋼軌內(nèi)側(cè)的豎直面，稱為車輪內(nèi)側(cè)面，車輪另一側(cè)的豎直面稱為車輪外側(cè)面。車輪內(nèi)側(cè)面與外側(cè)面之間的距離稱為車輪寬度(輪幅寬)。

q＝T+2d通過踏面上距車輪內(nèi)側(cè)面一定距離的一點，畫一水平線，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(cè)面之間的距離，稱為輪對的輪背內(nèi)側(cè)距離(T)。這個距離再加上二個輪緣厚度稱為輪對寬度(q)如圖所示。二、轉(zhuǎn)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(gòu)架安裝在一起，稱為轉(zhuǎn)向架。車體放在轉(zhuǎn)向架的心盤上。安裝在同一個車架或轉(zhuǎn)向架上的車軸，須保持相互之間的平行位置。

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(zhuǎn)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。車輛前后兩走行部分上車體支承間的距離稱為車輛定距。應(yīng)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(zhuǎn)向架中心間距，除長大車外，多在18m之內(nèi)。固定軸距車輛定距全軸距第二節(jié)直線軌道的幾何形位一、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。目前世界上的鐵路軌距，分為標準軌距、寬軌距和窄軌距三種。標準軌距尺寸為1435mm。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，容許偏差符合規(guī)范規(guī)定。軌距變化應(yīng)和緩平順，其變化率：正線、到發(fā)線不應(yīng)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1m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。

為使機車車輛能在線路上兩股鋼軌剛順利通過，輪對寬度應(yīng)小于軌距。當輪對的一個車輪輪緣緊貼一股鋼軌的作用邊時，另一個車輪輪緣與另一股鋼軌作用邊之間便形成一定的間隙，這個間隙稱為游間。為了提高列車運行的平穩(wěn)性和線路的穩(wěn)定性，減少輪軌磨耗和動能損失，確保行車安全，需要把游間限制在一個合理的范圍內(nèi)。根據(jù)我國現(xiàn)場測試和養(yǎng)護維修經(jīng)驗，認為減小直線軌距有利。改道時軌距按1434mm或1433mm控制，盡管軌頭有少量側(cè)磨發(fā)生，但達到軌距超限的時間得以延長，有利于提高行車平穩(wěn)性，延長維修周期。二、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(yīng)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。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1m距離內(nèi)，這個變化不可超過1mm，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(zhì)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)，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。三、軌向

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?qū)π熊嚨钠椒€(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。《修規(guī)》規(guī)定：直線方向必須目視平順，用10m弦測量，正線上正矢不得超過允許值。四、前后高低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；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(chǔ)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(guān)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10m弦量測的最大矢度值不應(yīng)超過允許值。線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值項目υmax>160km／h正線160km／h≥υmax>120km／h正線υmax≤120km／h正線及到發(fā)線其他站線作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修作業(yè)驗收經(jīng)常保養(yǎng)臨時補修軌距(mm)+2-2+4-2+6-4+4-2+6-4+8-4+6-2+7-4+9-4+6-2+9-4+10-4水平(mm)35846846105811高低(mm)3584684610581l軌向(直線)(mm)34746846105811三角坑(扭曲)(mm)緩和曲線346456457578直線和圓曲線3464684695810注：①軌距偏差不含曲線上按規(guī)定設(shè)置的軌距加寬值，但最大軌距(含加寬值和偏差)不得超過1456mm；②軌向偏差和高低偏差為10m弦測量的最大矢度值；③三角坑偏差不含曲線超高順坡造成的扭曲量，檢查三角坑時基長為6.25m，但在延長18m的距離內(nèi)無超過表列的三角坑；④專用線按其他站線辦理。

五、軌底坡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(yīng)有一個向內(nèi)的傾斜度，因此軌底與軌道平面之間應(yīng)形成一個橫向坡度，稱之為軌底坡。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(shè)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(diào)整軌底坡的大小。第三節(jié)曲線軌距加寬機車車輛進入曲線軌道時，仍然存在保持其原有行駛方向時慣性，只是受到外軌的引導(dǎo)作用力才沿著曲線軌道行駛。在小半徑曲線，為使機車車輛順利通過曲線而不致被楔住或擠開軌道，減小輪軌間的橫向作用力，以減少輪軌磨耗，軌距要適當加寬。加寬軌距，系將曲線軌道內(nèi)軌向曲線中心方向移動，曲線外軌的位置則保持與軌道中心半個軌距的距離不變。曲線軌距的加寬值與機車車輛轉(zhuǎn)向架在曲線上的幾何位置有關(guān)。30

一、轉(zhuǎn)向架的內(nèi)接形式

由于輪軌游間的存在，機車車輛的車架或轉(zhuǎn)向架通過曲線軌道時，可以占有不同的幾何位置，有著不同的內(nèi)接形式。主要呈現(xiàn)以下四種內(nèi)接形式：1．斜接312．自由內(nèi)接3．楔形內(nèi)接4．正常強制內(nèi)接對楔形內(nèi)接所需軌距增加δmin/2。32二、曲線軌距加寬的確定原則根據(jù)運營經(jīng)驗，以自由內(nèi)接最為有利，但機車車輛的固定軸距長短不一，不能全部滿足自由內(nèi)接通過。為此，確定軌距加寬必須滿足如下原則：

1．保證占列車大多數(shù)的車輛能以自由內(nèi)接形式通過曲線；2．保證固定軸距較長的機車通過曲線時，不出現(xiàn)楔形內(nèi)接，但允許以正常強制內(nèi)接形式通過；3．保證車輪不掉道，即最大軌距不超過容許限度。33三、根據(jù)車輛條件確定軌距加寬我國絕大部分的車輛轉(zhuǎn)向架是兩軸轉(zhuǎn)向架。當兩軸轉(zhuǎn)向架以自由內(nèi)接形式通過曲線時，前軸外輪輪緣與外軌的作用邊接觸，后軸占據(jù)曲線垂直半徑的位置。則自由內(nèi)接形式所需最小軌距為：34Sf=qmax+f0式中Sf—自由內(nèi)接所需軌距；

qmax—最大輪對寬度；

f0—外矢距，其值為其中L—轉(zhuǎn)向架固定軸距，

R—曲線半徑。以S0表示直線軌距，則曲線軌距加寬值e應(yīng)為：

e=Sf－S035現(xiàn)以我國目前主型客車“202”型轉(zhuǎn)向架為例。設(shè)R＝350m，L＝2.4m，qmax＝1424mm，則：mmSf=qmax+f0=1424+8=1432mm由以上計算可見，曲線半徑為350m及以上的曲線，軌距不需加寬。36四、曲線軌道的最大允許軌距

曲線軌道的最大軌距，應(yīng)切實保障行車安全，不使其掉道。在最不利情況下，當輪對的一個車輪輪緣緊貼一股鋼軌時，另一個車輪踏面與鋼軌的接觸點即為車輪踏面的變坡點。由此，曲線上容許最大軌距由下式計算：37Smax=dmin+Tmin–εr+a–r–εs數(shù)值代入得：Smax=22+1350-2+100-12-2＝1456mm因軌距的容許偏差不得超過6mm，所以：曲線軌道最大容許軌距應(yīng)為1450mm，即最大允許加寬15mm。38《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定；新建、改建及線路大修或成段更換軌枕地段，按下表規(guī)定的標準進行曲線軌距加寬。曲線軌距加寬應(yīng)在整個緩和曲線內(nèi)遞減，如無緩和曲線則在直線上遞減，遞減率不得大于1‰。特殊條件下，不得大于2‰。曲線半徑(m)加寬值(mm)軌距(mm)R≥35001435350＞R≥30051440R＜30015145039

第四節(jié)曲線軌道外軌超高第六章

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曲線軌道外軌超高

一、外軌超高的作用及設(shè)置方法

作用：①鋼軌受力均勻②旅客舒適③提高線路穩(wěn)定性、安全性外軌超高：是曲線外軌頂面與內(nèi)軌頂面的水平高度之差。

設(shè)置方法：第六章

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外軌提高法、線路中心高度不變法。

外軌提高法線路中心高度不變法第六章

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二、外軌超高值的計算第六章

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離心力C

=mv2/R曲線超高的大小由列車通過時離心力的大小確定。將V=3.6v，S為兩股鋼軌中心距，S=1500mm，g=9.81m/s2，代入①式得：①(mm)②第六章

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取平均速度V0，(mm)第六章

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平均速度V0的確定：1．全面考慮每一次列車的速度和重力來計算V0

式中N——一晝夜通過的各類相同速度和牽引重量的列車次數(shù)；

G——各類列車總重量(kN)；

V——實測各類列車速度(km/h)。第六章

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2．在新線設(shè)計與施工時，采用的平均速度V0

式中

Vmax——預(yù)計該地段最大行車速度(km/h)；

β——一般地段采用0.80，單線上、下行速度懸殊地段可采用0.65。規(guī)定：圓曲線外軌超高按5mm整倍數(shù)設(shè)置。V0稱作加權(quán)平均速度，簡稱均方根速度(VJF)。三、外軌未被平衡的超高

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h0RVhq-=2max8.11當V≠V0時，Δh=∣h－h(huán)0∣；V>

V0

Δh=RVhhg2min08.11-=V<V0

Δh=hq：欠超高hg：過超高未被平衡的超高與未被平衡的離心加速度的關(guān)系：第六章

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當V>V0時：

當V<V0時：二者關(guān)系：欠超高向心加速度離心加速度過超高a153=Dh鋼軌產(chǎn)生偏載，內(nèi)外軌不均勻磨耗；影響旅客舒適度。第六章

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影響措施：即：對

a或Δh進行限制式中Δh

——未被平衡的超高(mm)；——未被平衡的加速度允許值。][a我國鐵路經(jīng)驗第六章

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一般情況離=0.4～0.5m/s2困難情況離=0.6m/s2][a][a

離取值說明][a未被平衡的欠超高容許值：[α]＝0.4m/s2時，＝61mm，取[]＝61mm；[α]＝0.5m/s2時，＝76mm，取[]＝75mm；[α]＝0.6m/s2時，＝92mm，取[]＝90mm。hDhDhDhDhDhD=0.4m/s2——基本感覺不出；=0.5m/s2——有感覺，能適應(yīng)；=0.6m/s2——感覺有橫向力，比較容易克服。][a][a][a第六章

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《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》對[hq]的規(guī)定：

[hq]一般取70mm，困難時取90mm，既有線提速改造時可取110mm；《鐵路線路修理規(guī)則》對[hq]的規(guī)定：

[hq]一般應(yīng)不大于75mm，困難情況應(yīng)不大于90mm；Vmax>120km/h個別特殊情況下已設(shè)置90(不含)～110mm可暫時保留，但應(yīng)逐步改造。[hg]的實質(zhì)：第六章

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限制速度差，控制低速列車對鋼軌磨耗及線路變形的影響。[hg]一般不得大于30mm，困難時不得大于50mm。

《線規(guī)》、《修規(guī)》對[hg]的規(guī)定：hg的影響內(nèi)軌垂直磨耗加劇，軌頭壓寬、飛邊；外軌側(cè)磨依舊；

四、外軌最大超高的允許值

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設(shè)曲線外軌為hmax。對應(yīng)有：v，R，O。若某車以v1<v通過時：

四、外軌最大超高的允許值

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曲線軌道外軌超高

設(shè)曲線外軌為hmax。對應(yīng)有：v，R，O。若某車以v1<v通過時：其穩(wěn)定程度可采用穩(wěn)定系數(shù)n來表示：e——合力偏心距(mm)

四、外軌最大超高的允許值

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分析：n=1，，臨界狀態(tài)n<1，，失穩(wěn)傾覆n>1，，穩(wěn)定狀態(tài)∴n值愈大，穩(wěn)定性愈好第六章

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e與Δh的關(guān)系：設(shè)H為車輛重心到軌面的高度，貨車為2220mm，客車為2057.5mm。根據(jù)我國鐵路運營經(jīng)驗，為保證行車安全，n值不應(yīng)小于3。

《線規(guī)》、《修規(guī)》規(guī)定：Vmax≤160km/h地段實設(shè)最大超高單線為125mm，雙線為150mm。檢驗：(大于3，滿足要求)第六章

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分析舉例分析：第六章

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Vmax=144km/h，R=340m，h0=125mmΔh=hq=595(mm)結(jié)論：傾覆=0.85>[hq]第六章

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五、曲線軌道上的超高限速任何一條曲線軌道，均按一定的平均速度設(shè)置超高。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[Δhq]的限制，其最高行車速度Vmax應(yīng)為:第六章

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曲線軌道外軌超高

同理，通過該曲線的最低行車速度Vmin應(yīng)為:當曲線半徑較小時，按最大超高度150mm計算，曲線上的超高限速與半徑的關(guān)系如下：[]=75mm時，[]=90mm時，qhDqhD第六章

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一般情況下，曲線上的超高限速按下式計算：

當最大超高度為125mm時，未被平衡超高度按特殊情況采用90mm，最大行車速度為：

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。第五節(jié)緩和曲線

一、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，需要在直線與圓曲線軌道之間設(shè)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。當緩和曲線連接設(shè)有軌距加寬的圓曲線時，緩和曲線的軌距是呈線性變化的。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。二、緩和曲線的幾何形位條件(1)為了保持連續(xù)點的幾何連續(xù)性，緩和曲線在平面上的形狀應(yīng)當是：在始點處，橫坐標x=0，縱坐標y=0，傾角φ=0；在終點處，橫坐標x=x0?？v坐標y=y0，傾角φ=φ0。(2)列車進入緩和曲線，為保持列車運行的平穩(wěn)性，應(yīng)使離心力不突然產(chǎn)生和消失，即在緩和曲線始點處，F(xiàn)=0或ρ=∞；在緩和曲線終點處，F(xiàn)=mv2/R或ρ=R。(3)緩和曲線上任何一點的曲率應(yīng)與外軌超高相配和。在縱斷面上，外軌超高順坡的形狀有兩種形式。(4)列車在緩和曲線上運動時，其車軸與水平面傾斜角ψ不斷變化，亦即車體發(fā)生側(cè)滾。要使鋼軌對車體傾轉(zhuǎn)的作用力不突然產(chǎn)生和消失，在緩和曲線始、終點處應(yīng)使傾轉(zhuǎn)的角加速度為零，即=0。在緩和曲線終點之間應(yīng)連續(xù)變化。綜上所述，緩和曲線的線形條件，可歸納如表6—5。表6－5緩和曲線線形條件表22dtdy22dtdy

表中

前兩項是基本的幾何形位要求，后三項則是由行車平穩(wěn)性形成的力學(xué)條件推導(dǎo)出的幾何形位要求。在行車速度不高的線路上，滿足前三項要求的緩和曲線尚能適應(yīng)列車運行的需要，而在速度較高的線路上，緩和曲線的幾何形位就必須考慮后兩項的要求。三、常用緩和曲線

滿足表6—5中前三項要求的緩和曲線，是目前鐵路上最常用的緩和曲線，所以也稱為常用緩和曲線。常用緩和曲線的外軌超高順坡為直線順坡。

任意點處：可知，緩和曲線的長度l與其曲率K成正比，符合該條件的緩和曲線線型為放射螺旋線。

四、緩和曲線長度計算緩和曲線長度影響行車安全和旅客舒適，擬定標準時，應(yīng)根據(jù)下列條件計算并取其較長者。1．超高順坡不致使車輪脫軌2．超離時變率不致使旅客不適3．欠超高時變率不致影響旅客舒適

綜和以上三式，緩和曲線長度l0的計算公式為：(m)(m)(