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第2章钢轨与联结零件2.1钢轨2.1.1钢轨概述1.钢轨的作用与性能(1)钢轨的作用为了使线路能按照设计速度保证列车运行，钢轨必须具备以下几个方面的功能：(1)为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动面，引导机车车辆前进。
车辆要求钢轨表面光滑，以减小轮轨阻力；而机车要求轮轨之间有较大的摩擦力，以发挥机车的牵引力；(2)钢轨要承受来自车轮的巨大垂向压力，并将以分散形式传给轨枕。
在轨面要承受极大的接触应力。
除垂向力外，钢轨还要承受横向力和纵向力。
在这些力的作用下，钢轨要产生弯曲、扭转、爬行等变形，轨头的钢材还要产生塑性流动，磨损等；(3)为轨道电路提供导体。
(2)钢轨的性质要求2.1.2钢轨的类型1.按每米质量分类世界铁路所用钢轨的类型通常按每延米质量来分，在轴重大、运量大和速度高的重要线路上采用质量大的钢轨，在一般次要线路上使用的钢轨质量相对要小一些。
我国铁路所使用的钢轨重量有43、45、50、60和75kg/m。
随着高速、重载运输的要求，钢轨正向重型化发展，目前世界上最重型的钢轨已达到77.5kg/m，线路上逐步铺设75kg/m钢轨。
目前世界各国铁路使用钢轨分重载高速铁路钢轨和普速铁路钢轨，如俄罗斯的重载铁路使用R75钢轨；美国使用136RE(65kg/m)和140RE(70kg/m)型钢轨；我国铁路干线也都使用CHN60钢轨。
世界各国高速铁路基本上都采用了60kg/m 的钢轨，如日本新干线、法国TGV和德国ICE高速铁路所采用的钢轨均为60kg/m 级。
我国CHN60(实际重量为60.64kg/m)钢轨截面与UIC60(实际重量为60.34kg/m)钢轨截面相似，特别是轨顶面均为R=13-80-300-80-13五段式弧线。
2.按单根钢轨的长度分类（1）标准钢轨的长度我国目前的钢轨定长为12.5m和25m两种，世界各国的钢轨定尺长也有长有短。
由于高速重载铁路都采用无缝线路，钢轨定尺长越短，钢轨焊接接头越多，所以世界各国都大力发展长定尺长钢轨，我国用于新建客运专线的长定尺钢轨的长度为50m或100m。
.铁路轨道的组成：钢轨、轨枕、连接零件、道床、防爬设备、道岔。
2.轨道的类型如何分类：设计车速在300km/h为无碴轨道结构；200km/h—250km/h为有碴轨道结构；特重型、重型、次重型、中型、轻型。
3.轨距、水平、轨底坡定义，如何测量：（1）轨距：为两股钢轨头部内侧与轨道中线相垂直的距离，1435mm，用道尺和轨检车量测。
（2）水平：指线路左右两股轨道顶面的相对高差，用道尺和轨检车量测。
（3）轨底坡：钢轨底面对轨枕顶面的倾斜度，可根据钢轨顶面车轮碾磨痕迹的光带位置来判断。
4.标准轨距：1435mm；曲线轨距：由固定轴距为4m的车辆顺利通过为条件计算出来的；曲线轨距加宽：把曲线的内侧向内侧方向移动一定距离。
5.轨道误差：允许偏差+6mm或-2mm；正线、到得大于5mm。
三角坑：再一段不太长的距离内，首先是左股轨道比右股轨道高，接着是右股轨道比左股轨道高，所形成的轨道不平顺。
6.曲线规矩加宽：将曲线轨道内轨向曲线中心方向移动，曲线外轨的位置保持与轨道中心半个规矩的距离不变。
曲线外轨超高：有外轨提高法和线路中心高度不变法，前者是保持内轨标高不变而只抬高外轨，后者是内外轨分别各降低和抬高超高值的一半。
超高值视离心力的大小而定，曲线半径越小，速度越高，离心力越大，用来平衡的超高值越大。
7.钢轨按取整后的每延米长度质量来分：43kg/m、45kg/m、50kg/m、60kg/m、75kg/m。
8.标准钢轨长度：25m和12.5m；标准缩短：比25m缩短40mm 80mm160mm，比15m缩短40mm 80mm 120mm六种。
短轨长度为6.5m。
9.轨道附属设施：轨撑、防爬设备、轨距杆、曲线加强增加轨枕配置。
轨道爬行：由于钢轨相对于轨枕、轨排相对于道床的阻力不足导致轨道纵向位移。
信号标志及线路标志作用是：向行人和线路养护人员先是铁路建筑物、设备的位置和状态，位置设置在铁路运行方向的左侧。
10.轨缝：18mm。
轨道认知1轨道铺设在路基之上，是用来引导机车车辆的运行方向、直接承受机车车辆巨大压力的局部，它由道床、轨枕、钢轨、联结零件、防爬设备和道岔等组成，如图3-1所示。
轨道是一个整体性工程结构，经常处于列车运行的动力作用下，所以它的各组成局部均应具有足够的强度和稳定性，以便保证列车按照规定的最高速度，平安、平稳和不断地运行。
列车的压力通过车轮首先作用在钢轨面上，然后依次传到轨枕、道床和路基上。
这个压力越往下传越扩散，既承受压力的面积越大，而产生的压强越小。
轨道的这种结构，由于传力合理，再加造价低，便于维修养护，所以从有铁路以来，没有根本的改变。
图3-1 轨道的根本组成1-钢轨；2-普通道钉；3-垫板；4、9-木枕；5-防爬撑；6-防爬器7-道床；8-鱼尾板；10-螺栓；11-钢筋混凝土轨枕；12-扣板式中间联结零件；13-弹片式中间联结零件注：图中绘出了多种类型扣件是为了例如之用，并非现场线路中的实际使用情况第一节轨道的组成一、轨道的组成㈠钢轨钢轨的功用是直接承受车轮压力并引导车轮的运行方向，因而它应具有足够的强度、稳定性和耐磨性，而且要有韧性我国采用的是稳定性较好的宽底式钢轨，它的断面很像工字梁，包括轨头、轨腰和轨底三个局部，如图3-2所示。
钢轨的类型或强度是用每米长度的重量〔g〕来表示的，我国现行的标准钢轨类型有75kg/m、60kg/m、50kg/m、43kg/m等。
实践说明，行车速度将会越来越快，从经济、技术和平安的角度考虑，采用重型钢轨是有利的，也是轨道现代化的开展方向。
新建、改建铁路正线应采用60kg/m钢轨的跨区间无缝线路，重载运煤专线可采用70kg/m钢轨轨道结构。
图3-2 钢轨断面形状钢轨的长度以长一些为好，这样可以减少接头的数量，节省接头零件和线路的维修费用，但是一根钢轨的轧制长度总是有限的，它受加工和运输等条件限制。
我国钢轨的标准长度有两种：12.5m和25m。
此外，还有用作曲线内轨用的标准缩短轨假设干种。
铁路轨道由钢轨、轨枕、连接零件、道床、道岔和其他附属设备等组成的构筑物。
位于铁路路基上，承受车轮传来的荷载，传递给路基，并引导机车车辆按一定方向运转。
有些国家或地区也称线路上部建筑。
在钢梁桥、灰坑、转盘、某些隧道以及采用新型轨道结构的地段，可以没有道床、或者也没有轨枕。
轨道组成 轨道最早是由两根木轨条组成，后改用铸铁轨，再发展为工字形钢轨，20世纪80年代，世界上多数铁路采用的标准轨距(见铁路轨道几何形位)为1435毫米（4英尺8(1/2)英寸）。
较此窄的称窄轨铁路,较此宽的称宽轨铁路（见铁路工程）。
轨枕一般为横向铺设，用木、钢筋混凝土或钢制成。
道床采用碎石、卵石、矿渣等材料。
钢轨、轨枕、道床是一些不同力学性质的材料，以不同的方式组合起来的。
钢轨以连接零件扣紧在轨枕上；轨枕埋在道床内；道床直接铺在路基面上。
轨道承受着多变化的垂直、横向、纵向的静荷载和动荷载，荷载从钢轨通过轨枕和道床传递到路基。
通过力学理论，分析研究在各种荷载条件下，轨道各组成部分所产生的应力和应变，而确定其承载能力和稳定性。
轨道类型 为使轨道成为一个整体，要根据铁路的具体运营条件,使轨道各部分之间的作用相互配合,并考虑轨道、车辆、路基三者之间相互作用的配合协调。
这就要求将轨道划分类型。
轨道类型的内容包括钢轨类型，连接零件种类，轨枕的种类和配置，道床材料和断面尺寸。
它所依据的主要运营条件为铁路运量、机车车辆轴重和行车速度。
最佳的轨道结构须做到在给定的运营条件下，保证列车按规定的最高速度平稳、安全和不间断地运行，将荷载有效地传递给铁路路基，并结合合理的轨道材料使用和养护制度，使其设备折旧费、建设投资利息和设备养护费用之和为最小。
轨道结构类型，常按不同运营条件将铁路线路分成为轨道等级来表示。
这种分等的标准各国不同。
中国铁路1975年的规程，将轨道分为四种类型：轻型、中型、次重型和重型四等（见表[中国铁路轨道分类(1975年)]）。
轨道养护 轨道各部分在列车重复荷载的作用以及气候环境条件的影响下，将产生磨耗、腐蚀、腐朽、疲劳伤损和残余变形。
第三章钢轨接头在轨道上，钢轨与钢轨之间通过夹板进行连接，钢轨连接处称为钢轨接头。
钢轨接头是轨道结构的薄弱环节之一。
由于接头的存在，列车通过时发生冲击和振动，影响行车的平稳，使钢轨和连接零件的磨耗和伤损加剧，养护维修费用增加。
在运营方面，钢轨接头增加列车行驶阻力，使机车车辆的使用寿命降低。
据统计，在铺设普通12.5m标准轨的线路上，整治接头病害的费用占线路维修费用的40%，增加行车阻力约25%。
此外，接头的存在又是钢轨发生爬行的主要原因之一。
第一节钢轨接头的结构一、接头的连接形式普通轨道是用接头夹板和接头螺栓将标准轨轨端依次连接而成，以保持轨线的连续性。
铺设12.5m或25m的标准长度钢轨时，每公里就有80或40个接头。
钢轨接头的连接形式，按其在两股轨线上的相互位置分，有相对式接头和相错式接头两种，如图6-1所示；按其对轨枕的位置分，有悬空式接头和双枕承垫式异形接头两种，如图6-2所示。
目前我国铁路上采用的是悬空相对式接头，即两股钢轨上的接头左右对齐，同时接头位于两根轨枕之间。
根据铁路运营的实践表明，这种接头连接形式无论在铺设及受力方面来看，都是比较有利的，这是因为：（1）车轮对钢轨接头的冲击次数，相对式接头比相错式接头少一半。
（2）相错式接头的冲击力是偏心的，时左时右，而相对式接头则不存在。
（3）便于基地组装轨排和广泛采用机械化铺轨及养护。
二、接头的类型理想的钢轨接头应该能够满足以下三个要求：（1）在接头范围内能像整根钢轨一样，承受列车通过时作用于其上的垂直力和横向力，也就是说，在荷载作用下，轨条挠曲的形状和大小同整根钢轨一样。
图6-1相对式接头和相错式接头图6-2悬空式接头和双枕承垫式异形接头（2）当钢轨热胀冷缩时，接头处的钢轨端部能够纵向移动。
（3）接头连接零件需要数量极大，能够采用轧、锻、铸等工艺大量生产。
上述要求是互相矛盾的，所以至今尚没有一种接头能同时完全满足上述要求。
钢轨接头按其用途不同，可分为普通接头、异形接头、导电接头、绝缘接头、冻结街头、胶结绝缘接头、尖轨接头等。
第2章钢轨与联结零件2.1钢轨1.钢轨的作用与性能(1)钢轨的作用为了使线路能按照设计速度保证列车运行，钢轨必须具备以下几个方面的功能：(1) 为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动面，引导机车车辆前进。
车辆要求钢轨表面光滑，以减小轮轨阻力；而机车要求轮轨之间有较大的摩擦力，以发挥机车的牵引力；(2) 钢轨要承受来自车轮的巨大垂向压力，并将以分散形式传给轨枕。
在轨面要承受极大的接触应力。
除垂向力外，钢轨还要承受横向力和纵向力。
在这些力的作用下，钢轨要产生弯曲、扭转、爬行等变形，轨头的钢材还要产生塑性流动，磨损等；(3) 为轨道电路提供导体。
(2)钢轨的性质要求1.按每米质量分类世界铁路所用钢轨的类型通常按每延米质量来分，在轴重大、运量大和速度高的重要线路上采用质量大的钢轨，在一般次要线路上使用的钢轨质量相对要小一些。
我国铁路所使用的钢轨重量有43、45、50、60和75kg/m。
随着高速、重载运输的要求，钢轨正向重型化发展，目前世界上最重型的钢轨已达到77.5kg/m，线路上逐步铺设75kg/m钢轨。
目前世界各国铁路使用钢轨分重载高速铁路钢轨和普速铁路钢轨，如俄罗斯的重载铁路使用R75钢轨；美国使用136RE (65kg/m)和140RE(70kg/m)型钢轨；我国铁路干线也都使用CHN60钢轨。
世界各国高速铁路基本上都采用了60kg/m的钢轨，如日本新干线、法国TGV和德国ICE高速铁路所采用的钢轨均为60kg/m级。
我国CHN 60(实际重量为60.64kg/m)钢轨截面与UIC60(实际重量为60.34kg/m)钢轨截面相似，特别是轨顶面均为R=13-80-300-80-13五段式弧线。
2.按单根钢轨的长度分类（1）标准钢轨的长度我国目前的钢轨定长为12.5m和25m两种，世界各国的钢轨定尺长也有长有短。
由于高速重载铁路都采用无缝线路，钢轨定尺长越短，钢轨焊接接头越多，所以世界各国都大力发展长定尺长钢轨，我国用于新建客运专线的长定尺钢轨的长度为50m或100m。
（2）标准缩短轨的长度用于曲线内股的缩短轨，对于12.5m标准系列的缩短轨有短40mm、80mm、120mm三种；对于25m轨的有短40mm、80mm、160mm三种。
我国钢轨标准长度为12.5m和25m两种，对于75kg/m钢轨只有25m长一种。
最近又出厂了50m和100m的两种，用于铺设无缝线路。
还有用于曲线内股的缩短轨，对于12.5m标准系列的缩短轨有短40mm、80mm、120mm三种；对于25m 轨的有短40mm、80mm、160mm三种。
3.按钢轨的化学成分分类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。
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。
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。
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。
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。
钢轨的头部顶面宽（b）、轨腰厚（t）、轨身高(H)及轨底宽（B）是钢轨断面的四个主要参数。
钢轨高度应尽可能大一些，以保证有足够的惯性矩及断面系数来承受竖直轮载的动力作用。
但钢轨愈高，其在横向水平力作用下的稳定性愈差。
轨身高与轨底宽之间应有一个适当的比例。
一般要求轨高与轨底宽之比为1.15~1.20。
为使钢轨轧制冷却均匀，要求轨头、轨腰及轨底的面积分配，有一个较合适的比例。
钢轨钢的物理力学性能包括强度极限σb、屈服极限σs、疲劳极限σr、伸长率δ5、断面收缩率ψ、冲击韧性(落锤试验)αh及硬度等。
这些指标对钢轨的承载能力、磨损、压溃、断裂和其他伤损有很大的影响。
钢轨接头处轮轨冲击力很大，为加强接头处钢轨的抗磨能力，在钢轨两端30~70mm 范围内进行轨顶淬火，淬火深度达8-12 mm。
为提高钢轨耐磨和抗压性能，还应对钢轨进行全长淬火处理。
它是采用电感应加热的方法，以局部改变轨头钢的组织，从而提高钢轨的强度和韧性。
重型钢轨的强化有两种技术路线：一是钢轨合金化，它生产工艺简单，投资少，能源消耗少，钢轨整体强化，表层硬度均匀，可焊性好；二是碳素钢热处理，这种方法也可获得同样的高强度和表面硬度，同时韧性好，节省合金，适于大批量生产。
冶金学原理及冶金工业生产实践认为：如不改变钢种，单凭碳素钢热处理，很难再大幅度地提高强度，唯有微合金与热处理相结合，二者相辅相成，才可得到既有更高强度，并有相应韧性、硬度和可焊性的优质钢轨。
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。
钢轨伤损是指钢轨在使用过程中，发生折断、裂纹及其它影响和限制钢轨使用性能的伤损。
为便于统计和分析钢轨伤损，需对钢轨伤损进行分类。
根据伤损在钢轨断面上的位置、伤损外貌及伤损原因等分为九类32种伤损，用两位数编号分类，十位数表示伤损的部位和状态，个位数表示造成伤损的原因。
钢轨伤损分类具体内容可见“铁道工务技术手册（轨道）”。
钢轨折断是指有下列情况之一者：钢轨全截面至少断成两部分；裂缝已经贯通整个轨头截面或轨底截面；钢轨顶面上有长大于50mm、深大于10mm的掉块。
钢轨折断直接威胁行车安全，应及时更换。
钢轨裂纹是指除钢轨折断之外，钢轨部分材料发生分离，形成裂纹。
钢轨伤损种类很多，常见的有磨耗、剥离及轨头核伤、轨腰螺栓孔裂纹等。
下面介绍几种常见的钢轨伤损情况。
1．钢轨磨耗钢轨磨耗主要是指小半径曲线上钢轨的侧面磨耗和波浪磨耗。
至于垂直磨耗一般情况下是正常的，随着轴重和通过总重的增加而增大。
轨道几何形位设置不当，会使垂直磨耗速率加快，这是要防止的，可通过调整轨道几何尺寸解决。
(1)侧面磨耗侧面磨耗发生在小半径曲线的外股钢轨上，是目前曲线上伤损的主要类型之一。
列车在曲线上运行时，轮轨的磨擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。
列车通过小半径曲线时，通常会出现轮轨两点接触的情况，这时发生的侧磨最大。
侧磨的大小可用导身力与冲击角的乘积，即磨耗因子来表示。
改善列车通过曲线的条件，如采用磨耗型车轮踏面，采用径向转向架等会降低侧磨的速率。
从工务角度来讲，应改善钢轨材质，采用耐磨轨，例如高硬稀土轨其耐磨性是普通轨的2倍左右，淬火轨为1倍以上。
加强养护维修，设置合适的轨距、外轨超高及轨底坡，增加线路的弹性，在钢轨侧面涂油等，都可以减小侧面磨耗的效果。
(2)波浪形磨耗波浪形磨耗是指钢轨顶面上出现的波浪状不均匀磨耗，实质上是波浪形压溃。
波磨会引起很高的轮轨动力作用，加速机车车辆及轨道部件的损坏，增加养护维修费用；此外列车的剧烈振动，会使旅客不适，严重时还会威胁到行车安全；波磨也是噪音的来源。
我国一些货运干线上，出现了严重的波磨。
其发展速度比侧磨还快，成为换轨的主要原因。
波磨可以其波长分为短波（或称波纹）和长波（或称波浪）两种。
波纹为波长约50~100mm，波幅0.1～0.4mm的周期性不平顺；长波为波长100m以上，3000mm 以下，波幅2mm以内的周期性不平顺。
波磨主要出现在重载运输线上，尤其是运煤运矿线上特别严重，在高速高客运线上也有不同程度的发生，城市地铁上也较普遍。
列车速度较高的铁路上，主要发生波纹磨耗，且主要出现在直线和制动地段。
在车速较低的重载运输线上主要发波浪磨耗，且一般出现在曲线地段。
