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铁道轨道

/railway track/
最后更新 2022-01-20
浏览 285
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由钢轨、扣件、轨枕(或轨道板)、道床(或底座、支承层)、道岔及轨道加强部件等组成,铺设于路基、桥梁、隧道等线下基础之上,用于传递车轮荷载并提供列车车轮走行和导向的设施。

英文名称
railway track
所属学科
土木工程

按轨道形式可分为有砟轨道和无砟轨道。

有砟轨道为采用轨枕及碎石等散粒体为轨下基础的轨道,是铁路上采用最早、应用范围最广的轨道结构形式。其优点是:弹性好,碎石道砟料源丰富、价格低、分布范围广、便于就地取材,碎石道床铺设工艺简便、调整轨道几何形位较为方便。其缺点是:散粒道床在列车荷载和振动的作用下,容易产生沉降和形变,使轨道几何形位发生变化,进而影响行车的安全和乘车的舒适性,为恢复轨道的正常形位需要进行大量的轨道维修工作,维修作业占用区间,影响线路的通过能力。

无砟轨道是以混凝土等整体结构为轨下基础的轨道,是针对有砟轨道沉降、变形快,轨道维修工作量大的缺点而研发的一种新型轨道形式。早在20世纪50~60年代,中国就研发了一种“整体道床”。这种整体道床最先应用于轨道维修条件困难,施工环境恶劣的隧道内,中国秦岭隧道就是采用这种整体道床。但由于这种整体道床结构、铺设条件、施工工艺和作业程序以及线路开通后的养护作业方式和养路机械,都和传统有砟轨道有很大不同,所以这种整体道床仅在某些隧道内使用,并没有在区间线路得到大量推广。直到20世纪60年代,随着日本东海道新干线的开通以及后来德国高速铁路上无砟轨道的开发和应用,无砟轨道才作为一种成熟的轨道结构型式在整个线路区间得到推广。中国高速铁路普遍采用无砟轨道。

按轨道特征可分为有缝线路和无缝线路。有缝线路是用夹板(鱼尾板)接头连接两端有螺栓孔的厂制钢轨铺设成的线路。由于夹板接头的两钢轨端面之间留有伸缩轨缝,故称有缝线路。由于钢轨的热胀冷缩原因,如果不在接头上留有轨缝,在夏季高温条件下就可能造成胀轨跑道,在冬季低温条件下就可能出现钢轨拉断。在铁路发展的早期,轨道结构相对薄弱,轨道施工、维修技术相对落后的情况下,不得不留有轨缝。由于轨缝的存在,列车通过时会造成剧烈的轮轨冲击,导致车轮和钢轨的伤损、轨道的变形和沉降,形成轨道的接头病害。钢轨接头是传统轨道结构的薄弱环节。

无缝线路是两端没有螺栓孔的厂制钢轨用焊接、胶接彼此相连,实现轨道纵向延伸。由于焊接、胶接接头的钢轨端面之间没有轨缝,故称无缝线路。无缝线路的开发和应用除了借助于焊接、胶接技术的发展为钢轨的连接提供手段之外,还依赖于轨道自身结构的强化。强力的钢轨扣件和轨下基础,可在长钢轨两端有限的长度内(伸缩区)把钢轨扣死在轨下基础上,使长钢轨的中间区段(固定区)无论在夏季或冬季,钢轨都不再伸缩,从而防止了轨道的夏季胀轨和冬季断轨。无缝线路改善了钢轨接头区的轨面平顺度,降低了轮轨相互作用荷载和列车通过时的轮轨噪声,减少了轨道部件的伤损和轨道维修工作量,故在干线铁路的正线上得到普遍推广和应用。有缝线路仅使用在支线、站线和专用线等次要线路上。

轨道由钢轨、扣件、轨枕、散粒体碎石道床(有砟轨道)、轨道板、底座(无砟轨道)、道岔等部件组成。其中,钢轨按其每米的名义重量,混凝土轨枕按其形式、尺寸和抗裂强度划分成不同的类型,扣件接其结构特征及主要设计参数划分成不同的型式,道砟按其材质性能划分成不同的等级。不同类型、型式和等级的配套轨道部件组成承载能力不同的轨道类型(特重型、重型、次重型、中型、轻型)。铁路线路应根据其运输性质(高速、重载、客货共线)、年通过总质量、设计轴重和设计行车速度,选择合适的轨道类型。原则上,大轴重、大运量、高速度的线路,应选择较重型的轨道类型,以便在行车安全、乘车舒适性以及由设备一次投资、使用寿命、日常维修费用所决定的生命周期成本等方面,取得最佳的综合经济和社会效益。

轨道在露天使用条件下,承受列车荷载作用的能力。可以通过以下3个方面的标准进行衡量:

根据强度条件,衡量轨道承受车轮最大可能荷载的能力。列车车轮作用到轨道的荷载受车辆轴重、行车速度、轮轨几何状态以及司机操作等多种因素的影响,其荷载大小是一个随机变量。通过实际观测、统计分析,可以找出某种列车车轮作用到钢轨上的荷载的统计分布规律。根据规定的统计概率,可以找出车轮作用到钢轨上的最大可能荷载。根据钢轨强度条件,该最大可能荷载所造成的钢轨应力应小于等于钢轨的容许应力。同样,在轨道其他部件中所造成的工作应力也应小于等于该部件的容许应力。

根据疲劳损伤条件,衡量轨道受列车荷载重复作用的能力。实际运营中,轨道部件的损伤和破坏,都有一个萌生、发展直至破坏的过程。随着部件使用年限和列车荷载作用次数的增加,部件疲劳和累计损伤的程度增加,疲劳破坏的概率增加而给行车安全造成威胁,因而需要成批更换下道。从部件上道直至成批下道所经历的使用年限或在此期限内的线路累计通过总重,称为部件的换件大修周期或使用寿命。换件大修周期过短不仅对行车安全不利,而且还会因轨道施工影响线路开通,因部件使用寿命过短而影响经济效益。因此,部件的换件大修周期,也是衡量部件承载能力的重要指标。

根据轨道的累积变形条件,按轨道的维修工作量衡量轨道适应由列车轴重、列车重量、行车速度、行车密度等所确定的综合运输条件的能力。铁路轨道和一般工程结构最大的不同之处在于它是一个边使用边维修的结构。伴随着铁路轨道的开通运营,一定会同时建立一支强大的轨道维修队伍,以便及时修复轨道的几何形变,保持轨道的正常几何形位。如果轨道维修工作量过大,反映出轨道设备和轨道运营条件不匹配,会影响轨道的正常开通和运营。合适的轨道维修工作量是衡量轨道承载能力的又一指标。

铁路轨道是在露天条件下承受列车的多次重复作用。气温变化所造成的冻融交替及大气腐蚀,列车荷载的重复作用可能造成轨道部件的折损、磨耗及疲劳破坏,轨道部件的累积变形将导致轨道几何形位的恶化。这些都可能危及行车安全和影响乘车舒适性,因而需要进行轨道修理以恢复轨道正常工作状态。

根据中国《铁路线路修理规则》的规定,轨道设备修理分为线路设备大修和维修。

线路设备大修是指有计划、按周期地对线路设备进行的更新和修理。以线路的主要设备钢轨为例,新轨成批上道投入运营之后,随着使用年限的增加,存在内部缺陷的某些钢轨断面在车轮荷载的重复作用下将出现微裂并逐渐扩展,可能导致断轨。为此,需要通过钢轨探伤对裂纹进行确认、判断、分级并及时进行锯轨、重焊,以确保行车安全。钢轨的使用期限愈长,出现裂纹、断轨的概率愈高,出现探伤、误判的概率也高,导致行车事故的危险也愈大。为此,需要根据运营经验,在钢轨使用年限或钢轨累计通过总重达到某一数量,钢轨裂纹、断轨概率达到某一程度时,将钢轨成批更换下道,这就叫换轨大修。从新轨上道到成批更换下道所经历的时间或所经历的线路累计通过总重(以亿吨计),称为钢轨的换轨大修周期或钢轨的使用寿命。

线路设备维修又分为综合维修、经常保养和临时补修。①综合维修,以全面改善轨道弹性,调整轨道几何尺寸和更换、整修失效零部件为重点,按周期有计划地对全线进行的综合性维修,以恢复轨道完好技术状态。②经常保养,根据轨道变化情况,对全线进行有计划、有重点的经常性养护,以保持轨道质量处于均衡状态。③临时补修,及时对轨道几何尺寸超过临时补修容许偏差管理值及其他不良处所进行的临时性整修,以保证行车安全和平稳。

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