任务1　钢轨认知

1.1.1　工作任务

通过钢轨认知的学习，主要能够掌握以下工作任务：

1.掌握钢轨的作用和形式；

2.掌握钢轨伤损的类型和特征。

1.1.2　相关配套知识

1.钢轨的作用和基本要求

1）钢轨的作用

钢轨是轨道的主要组成部件，钢轨的功用在于引导机车车辆的车轮前进，直接承受来自车轮和其他方面的各种力，且传递给轨下基础，并为车轮的滚动提供连续平顺和阻力最小的表面。在电气化铁路或自动闭塞区段，钢轨还可兼供轨道电路之用。

2）钢轨的基本要求

（1）足够的强度和耐磨性

钢轨的工作条件十分复杂。首先，车轮施加于钢轨上的作用力具有很强的随机性；其次，气候及其他因素对钢轨受力也有影响。钢轨是作为一根支撑在弹性基础上的无限长梁进行工作的，它主要承受轮载作用下的弯曲应力，但是也必须有能力承担轮轨接触应力，以及轨腰和轨头或轨底连接处可能产生的局部应力和温度变化下的温度应力。在轮载和温度应力的作用下，钢轨产生复杂的变形：压缩、伸长、弯曲、扭转、压溃、磨耗等。为使列车能够安全、平稳和不间断地运行，钢轨必须保证在轮载和温度力作用下，应力和变形均不超过规定的限值，这就要求钢轨具有足够的强度、韧性和耐磨性能。

（2）较高的抗疲劳强度和韧性

钢轨长期在列车重复荷载作用下工作，随着轴重增加和钢轨重型化，轨头部分的疲劳伤损成为钢轨伤损的主要形式之一。为防止轨头内侧剥离及由此可能引起的钢轨横向折断，钢轨应具有较高的抗疲劳强度和较好的冲击韧性。

（3）一定的弹性

钢轨依靠本身的刚度抵抗轮载作用下的弹性弯曲，就要求钢轨应具有足够的刚度，但为了减轻车轮对钢轨的动力冲击作用，防止机车车辆走行部分及钢轨的折损，又要求钢轨具有必要的弹性。

（4）足够光滑的顶面

对车辆来说，车轮与钢轨顶面之间的摩擦阻力太大会使行车阻力增加，这就要求钢轨有一个光滑的滚动表面，而机车依靠其动轮与钢轨顶面之间的摩擦作用牵引列车前进，则要求钢轨顶面具有一定粗糙度，以使车轮与钢轨之间产生足够的摩擦力。从这一矛盾的主要方面出发，钢轨仍应维持其光滑的表面，必要时，可用向轨面撒砂的方法提高机车动轮与钢轨之间的黏着力。

（5）良好的可焊性

随着无缝线路技术的广泛应用，要求钢轨应具有良好的可焊性。

（6）高速铁路钢轨的高平直度

钢轨的平直性对轨道平顺性有重要影响，同时轨端平直度、对称性对钢轨焊接也有很大影响。高速铁路对钢轨平直性的要求比一般线路更高更严，控制指标也更多更全面。

根据经济合理原则，钢轨还应做到断面设计合理，价格低廉，轻重齐备，自成系列。

2.钢轨的形式

1）钢轨的类型

钢轨类型习惯上用单位长度钢轨大致质量（kg/m）表示。我国铁路标准钢轨有75kg/m、60kg/m、50kg/m、43kg/m、38kg/m等。

线路上的钢轨类型应与运量、允许速度和轴重相适应。钢轨类型的选择要根据运输条件综合考虑。在技术上，要能保证足够的强度、韧性、耐磨性和稳定性；在经济上，要能保证合理的大修周期，减少养护维修工作量。决定钢轨质（重）量最主要的因素：一是钢轨质量与机车车辆轴重必须匹配，轮轴比一般在2.75以上较为合理，钢轨质量提高要与轴重增加相适应；二是在一定的行车速度条件下，车轮对钢轨的冲击作用、轨道各部件及道床振动加速度和钢轨质量成反比，要提高行车速度，又要保证良好的线路质量，就必须提高钢轨质量；三是年通过总质量愈大，愈容易引起轨道部件的疲劳折损，加剧轨道几何位置的变化，为此必须根据年通过总质量合理选用与之匹配的钢轨，这样才不致影响钢轨使用寿命、缩短线路大修换轨周期。

2）钢轨的长度

我国钢轨的标准长度有12.5m和25.0m两种。对于75kg/m钢轨只有25.0m标准长度钢轨。曲线内股缩短轨长度，对于12.5m标准轨系列缩短量有40mm、80mm、120mm三种，对于25.0m标准轨系列缩短量有40mm、80mm、160mm的三种。

无缝线路技术使用长钢轨可以减少钢轨焊接接头，提高钢轨使用的安全性和平顺性。另外，钢轨长尺生产便于对钢轨进行热预弯，消除钢轨矫直前的弯曲度，减少钢轨的残余应力。同时由于长尺钢轨两端可以锯掉0.8～1.5m，可以消除原标准长度钢轨两端的矫直和探伤盲区，在提高生产率的同时可充分保证钢轨的平直度和内部质量。因此钢轨长尺生产成为一种趋势，如法国钢轨定尺长度可达80m，德国可达120m。我国长定尺钢轨长度有50m和100m长两种，无缝线路应优先采用100m长定尺钢轨。

3）钢轨断面设计

在直线地段，钢轨所受的力主要是竖直力，其结果是使钢轨产生挠曲。由于钢轨被视为支撑在连续弹性基础上的无限长梁，而梁抵抗挠曲的最佳断面形式为“工”字形。因此，钢轨采用工字形断面，由轨头、轨腰和轨底三部分组成。其断面尺寸应满足下列要求：

（1）钢轨头部

钢轨头部是直接和车轮接触的部分，为改善轮轨接触条件，提高其抵抗压陷和耐磨的能力，轨头宜大而厚，具有和轮箍踏面相适应的外形，并具有足够的面积，以备磨耗。钢轨头部顶面应轧制成隆起的圆弧形，使由车轮传来的压力能集中于钢轨中部。

（2）钢轨腰部

为使钢轨有较大的承载能力和抗弯能力，钢轨腰部必须有足够的厚度和高度，轨腰的两侧为曲线。

（3）钢轨底部

钢轨底部直接支撑在轨枕顶面上，为保持钢轨稳定，轨底应有足够的厚度和宽度，并有必要的刚度和抵抗锈蚀的能力。

钢轨的头部顶面宽度（b）、轨腰厚度（t）、钢轨高度（H）及轨底宽度（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。钢轨高度与轨底宽度间应有一个适当的比例，一般要求钢轨高度与轨底宽度之比为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。

我国主要的几种钢轨标准断面尺寸及特征见表1.1。

60kg/m钢轨断面尺寸如图1.1所示，尺寸单位为：mm。本书无特别说明处，尺寸单位皆为mm。

3.钢轨的化学成分

钢轨钢的化学成分主要为铁（Fe），还含有碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）及磷（P）、硫（S）等其他元素。

碳对钢轨的性质影响最大。提高钢轨的含碳量，其抗拉强度、耐磨性及硬度都迅速增加。但含碳量过高，会使钢轨的伸长率、断面收缩率和冲击韧性显著下降。因此，一般含碳量不超过0.82％。

锰可以提高钢轨的强度和韧性，去除有害的氧化铁和硫夹杂物，其含量一般为0.6％～1.0％。锰含量超过1.2％者称中锰钢，其耐磨性能较好。

硅易与氧化合，故能去除钢中气泡，增加密度，使钢质密实细致。在碳素钢中，硅含量一般为0.15％～0.30％。提高钢轨的含硅量，也能提高钢轨的耐磨性能。

磷与硫在钢中均属有害成分。磷含量超过0.1％，会使钢轨具有冷脆性，在冬季严寒地区，易突然断裂。硫不溶于铁，不论含量多少均生成硫化铁，在985℃时，呈晶态结晶析出。这种晶体性脆易溶，使金属在800～1200℃时发脆，在钢轨轧制或热加工过程中易出现大量废品。所以，磷、硫的含量必须严格加以控制。

另外，在钢轨的化学成分中适当增加铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti）和铜（Cu）等元素，制成合金钢轨，可有效提高钢轨的抗拉、抗疲劳强度以及耐磨和耐腐蚀的性能。

4.钢轨轨缝及设置

普通线路上钢轨与钢轨之间留有一定的缝隙，称为轨缝。每节钢轨通过夹板和接头螺丝将其连接起来。随着轨温变化，钢轨将发生伸缩，这个伸缩量由钢轨螺栓孔、夹板螺栓孔与螺栓杆之间的间隙来提供，我们将它们之间在构造上能实现的轨端最大缝隙称为构造轨缝。如果轨缝超过构造轨缝，接头螺栓就要承受剪力。在铺轨施工时，如需要预留一定的轨缝（称为预留轨缝），预留轨缝大小也要适当。预留轨缝的原则是：当轨温达到当地最高轨温Tmax时，轨缝大于或等于零，即轨缝不顶严，以避免轨端受顶力和过大的温度应力引起线路胀轨跑道；当轨温达到当地最低轨温Tmin时，轨缝不超过构造轨缝，以保证接头螺栓不受剪力，并防止大轨缝造成过大的冲击力。

《铁路线路维修规则》（以下简称《修规》）规定，普通线路预留轨缝值为：

式中　a0——铺设、更换钢轨或调整轨缝时的预留轨缝值（mm）；

α——钢轨的线膨胀系数，为0.0118mm/（m·℃）；

t0——铺设或调整轨缝时的轨温（℃）；

L——钢轨长度（m）；

ag——构造轨缝，38kg/m、43kg/m、50kg/m、60kg/m、75kg/m钢轨均采用18mm。

tz——更换钢轨或调整轨缝地区的中间轨温（℃），其值为：

其中　Tmax，Tmin——当地历史最高和最低轨温（℃），各地区（或区段）采用的最高、最低轨温，由铁路局规定。

由于ag、接头阻力和基础阻力的限制，不是所有地区都能铺设25m长的钢轨。根据轨温和轨缝的变化规律，在确定的ag和C值情况下，以Tmax时轨缝amin=0，Tmin时轨缝amax=ag为条件，可以得到允许铺轨的年轨温差[ΔT]为：

式中　[ΔT]——允许铺轨的年轨温差（℃）；

C——接头阻力和基础阻力限制的钢轨伸缩量（mm），可参看表1.2。

由式（1.3）计算可知，对于12.5m长钢轨，在我国任何地区都可铺设；对于25m钢轨，[ΔT]=101.7℃，近似地只能在年轨温差100℃以下地区铺设，大于100℃的地区应做个别设计。

在允许铺轨的最大年轨温差[ΔT]范围内，并不是在所有的轨温下都能铺设，在年轨温差ΔT大的地区，在接近Tmax（或Tmin）的轨温下铺轨后，轨温达到Tmax（或Tmin）时，轨缝就不能满足amax≤ag（或amin≥0），因此必须限制其铺轨轨温。另外，用式（1.1）中a0作为预留轨缝，并在铺轨后为检查轨缝计算方便，将铺轨时允许铺轨的轨温上、下限定为：

允许铺轨轨温的上限：[t0s]=tz+

允许铺轨轨温的下限：[t0x]=tz-

25m长的普通线路，ag=18mm，可以求得ag/2αL=30.5℃，因此，《修规》规定应当在（tz-30℃）～（tz+30℃）内铺设或调整轨缝。

轨缝应设置均匀。每千米线路轨缝总误差，25m钢轨地段不得超过±80mm，12.5m钢轨地段不得超过±160mm。绝缘接头轨缝不得小于6mm。

算例：兰州地区最高轨温为59.1℃，最低轨温为-23.3℃，若铺设25m长的60kg/m钢轨，采用10.9级螺栓，试计算在20℃铺设时的预留轨缝。

解：中间轨温tz

预留轨缝a0

取a0=8mm

5.钢轨伤损

钢轨伤损是指钢轨在使用过程中发生钢轨折断、裂纹及其他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9类32种伤损，采用两位数字编号分类，个位数表示造成伤损的原因，十位数表示伤损的部位和状态。钢轨伤损分类具体内容可见《铁路工务技术手册（轨道）》。

1）钢轨折断

钢轨折断是指发生下列情况之一者：

（1）钢轨全截面断裂；

（2）裂纹贯通整个轨头截面；

（3）裂纹贯通整个轨底截面；

（4）允许速度不大于160km/h区段钢轨顶面上有长度大于50mm且深大于10mm的掉块，允许速度大于160km/h区段钢轨顶面上有长度大于30mm且深度大于5mm的掉块。

钢轨折断直接威胁行车安全，应及时处理。

2）钢轨磨耗

钢轨磨耗主要是指钢轨的侧面磨耗和波浪形磨耗。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

侧面磨耗主要发生在小半径曲线的外股钢轨上，是目前曲线钢轨伤损的主要类型之一。列车在曲线上运行时，轮轨的摩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。改善列车通过曲线的条件，如采用磨耗型车轮踏面会降低侧磨的速率。

近年来，在我国铁路提速线路中，直线钢轨出现左右股交替侧磨，形成周期性钢轨不平顺，称直线钢轨不均匀侧磨。该现象导致提速机车车辆剧烈摇晃。

从工务角度讲，应改善钢轨材质，采用耐磨钢轨，加强养护维修，设置合理的轨距、外轨超高及轨底坡，增加线路的弹性，在钢轨侧面适当涂油等，都可减小钢轨侧面磨耗。

（2）波形磨耗

钢轨波形磨耗是指钢轨顶面上出现的波状不均匀磨耗，如图1.2所示。轮轨接触的黏滑现象是解释钢轨波浪形磨耗的典型理论。当轮轨接触时，产生黏着和滑动交替、往而复始的过程，在这过程中表面摩擦力也出现大小交替变化，从而磨损量在此过程中也不一样，波形磨耗也就出现了。

波形磨耗按其波长分为短波（波纹形磨耗）和长波（波浪形磨耗）两种。波纹形磨耗为波长约50～100mm，波幅0.1～0.4mm的周期性不平顺；波浪形磨耗为波长100mm以上，3000mm以下，波幅2mm以内的周期不平顺。

波纹多发生于直线线路上，短波波浪常发生在铁路的曲线下股钢轨上，长波波浪通常是由于线路上只有单一型号的车辆运行造成的。在现场，往往几种波长波浪同时出现在钢轨同一部位。

3）钢轨接触疲劳伤损

钢轨接触疲劳伤损的形成主要是由于金属接触疲劳强度不足和车轮的重复作用，导致钢轨顶面金属冷作硬化，最终形成接触疲劳伤损。其形式有接触疲劳裂纹和轨头剥离等。列车速度及轴重的提高、铁路运量的增加、钢轨材质和轨型的不适应，将加速接触疲劳伤损的萌生和发展。

4）轨头核伤

轨头核伤是最危险的一种钢轨伤损形式。钢轨在列车作用下会突然断裂，严重影响行车安全。轨头核伤产生的主要原因是轨头内部存在微小裂纹或缺陷（如非金属夹杂物及白点等），在重复动荷载作用下，在钢轨走行面以下的轨头内部出现极为复杂的应力组合，使细小裂纹先是成核，然后向轨头四周发展，直到核伤周围的钢料不足以提供足够的抵抗，钢轨在无预兆的情况下猝然折断。所以钢轨内部材质的缺陷是形成核伤的内因，而外部荷载的作用是外因，促使核伤的发展。核伤的发展与运量、轴重及行车速度、线路平面状态有关。为确保行车安全，要定期进行钢轨探伤检查。

5）轨腰螺栓孔裂纹

钢轨端部轨腰钻孔后，强度削弱，螺栓孔周围产生较高的局部应力，在列车冲击荷载作用下，螺栓孔裂纹开始产生和发展。螺栓孔裂纹主要来自钻孔时产生的微小裂纹，而养护不当又促进了裂纹的形成和发展。钢轨接头养护维修的状态，对螺孔应力的影响极大，特别是高低错牙、轨端低塌、鞍形磨耗及道床板结影响最大。为防止螺孔周边应力集中，采用把螺孔周边镗光的方法效果非常显著。

减缓钢轨伤损的措施有：净化轨钢，控制杂质的形态；采用淬火钢轨，发展优质重轨，改进轨钢力学性质；改革旧轨再用制度，合理使用钢轨；钢轨打磨；按钢轨材质分类铺轨等。