站线铺设60kg/m钢轨无缝线路可行性研究

卢 平

（中国铁路南宁局集团有限公司 工电检测所，工程师，广西 南宁 530003）

1 研究背景

无缝线路是轨道结构技术进步的重要标志，是当今轨道结构的最佳选择，高速、普速铁路干线轨道结构均选用无缝线路。目前，南宁局站线多为铺设50kg/m的普通线路，存在大量接头，极易产生病害，养护维修成本巨大，危及行车安全。近年来，南宁局利用正线无缝线路更换下的60kg/m 钢轨替换站线P50普通线路，消除钢轨接头，极大改善设备状况。

站线铺设P60无缝线路，具有行车平稳，机车车辆和轨道维修费用低，使用寿命长等优点，据统计，无缝线路比普通线路可节约维修费用50%～70%。通常站线铁路轨枕间距较大，道床厚度不足，曲线半径小，导致横向阻力不足，轨道不平顺，锁定轨温下降，铺设无缝线路易胀轨跑道，严重危及行车安全，因此，站线无缝线路的铺设需进行检算。

2 检算过程

2.1 基本参数和条件

曲线是铁路线路重要组成部分，是线路薄弱环节，曲线病害制约行车速度和列车平稳、安全，使设备状态不易控制。为满足铺设条件，对铺设60kg/m无缝线路站线的附带曲线地段轨道强度和稳定性分别进行检算，选用参数和条件如下：

①轨温：南宁局历年最高轨温62.5℃、最低轨温-4.9℃；

②钢轨：60kg/m再用轨（U75V）；

③焊接：铝热焊；

④轨枕∶按1520根/km铺设的Ⅱ型混凝土轨枕；

⑤扣件∶弹条Ⅱ型扣件；

⑥道床∶碎石道床外侧肩宽45cm（即碎石道碴顶面宽度为3.5m）；

⑦机车类型：东风4型内燃机车；

⑧最高通过速度：Vmax=45km/h。

2.2 轨道强度计算

2.2.1 计算有关参数 钢轨支座刚度：D=27200N/mm；预期钢轨垂直磨耗：≤6mm；钢轨对水平中性轴的惯性矩：Ix=28790000mm4；轨枕间距：a=658mm；钢轨钢的弹性模量：E=2.1×105MPa；钢轨基础弹性模量：u=D/a=27200/658=41.337MPa；刚度相对比值公式如下：

2.2.2 计算钢轨静弯矩M0以连续支承法计算东风4型内燃机车的钢轨静弯矩，东风4型内燃机车第一转向架中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轮的静重、间距均相同，如图1所示，计算Ⅰ、Ⅱ轮放在计算截面产生的最不利轮位时M0最大值。

Ⅰ、Ⅱ轮分别放在计算截面引起的ΣPμ和ΣPη列表计算如表1 所示，可以看出引起ΣPμ 最大的是Ⅰ轮，Ⅰ轮为最不利轮位。

图1 东风4型内燃机车的轮重和轴距 单位：m

表1 东风4型参数计算表

东风4型最大静弯矩M0计算公式如下：

2.2.3 计算钢轨动弯矩Md轨道动荷载参数如下：

①东风4型内燃机车速度系数α＝0.4V／100＝（0.4×45）／100＝0.18；

②横向水平力系数f，当曲线半径R＝300m 时，f=2.0，未被平衡超高Δh=75mm，偏载系数β=0.002Δh=0.002×75=0.15。

在列车动荷载作用下，钢轨动弯矩Md计算公式如下：

2.2.4 钢轨动弯应力计算 对于60kg/m再用钢轨，当预期钢轨垂直磨耗等于6mm时，钢轨头部对水平中性轴的截面模量：W头=291000mm3，钢轨底部对水平中性轴的截面模量：W底=375000mm3；钢轨对垂直中性轴惯性矩Ix=4980000mm4。

轨头边缘最大可能动弯应力计算公式如下：

轨底边缘最大可能动弯应力计算公式如下：

2.2.5 钢轨强度检算 钢轨强度检算公式如下：

式中：∑s 代表钢轨钢抗拉强度和屈服度，取457MPa；K代表安全系数，取1.3。

2.2.6 钢轨最大温度应力σt制动附加应力σf＝10MPa；钢轨温度应力计算公式如下：

式中：Δt 代表最大轨温差；ts 代表无缝线路锁定轨温。

计算轨头压应力计算公式如下：

计算轨底拉应力计算公式如下：

推算轨头钢轨温度应力计算公式如下：

推算轨底钢轨温度应力计算公式如下：

得到轨头σj＝σjd＋σt＋σf＝195.5＋63.8＋10＝269.3MPa＜［σ］＝351.5MPa；轨底σg＝σgd＋σt＋σf＝151.7＋104.8＋10＝266.5MPa＜［σ］＝351.5MPa，轨道强度检算结果满足允许应力要求。

2.3 稳定性计算

2.3.1 计算有关参数 轨道原始弹性弯曲矢度：foe＝0.2cm；轨道原始塑性弯曲矢度：fop＝0.2cm；轨道弯曲变形矢度：f＝0.2cm。

轨道原始塑性弯曲曲率计算公式如下∶

钢轨对垂直中性轴惯性矩Iy=498cm4；两根钢轨对垂直轴的惯性矩I＝2×498＝996cm4；钢轨断面面积：F＝77.45cm2；轨道框架刚度系数β＝1；使用旧轨和铝热焊，安全系数K＝1.3；等效道床横向阻力没有实验数据，采用插值法计算。肩宽为30cm的碎石道床，铺设1760 根/km 铪枕Q=7.72N/mm，铺设1840根/km 铪枕Q=8.02N/mm，其增量值为：（8.02-7.72）/（1840-1760）＝0.00375；肩宽为40cm 的碎石道床，铺设1760根/km铪枕Q=8.53N/mm，肩宽影响的增量值为：（8.53-7.72）/（40-30）＝0.081；车站站线碎石道床平均肩宽假设为45cm，铪枕铺设标准为1520根/km，Q=7.72-0.00375×240+15×0.081＝8.04N/mm。

2.3.2 计算温度力PN 换算曲率计算公式如下：

2.3.3 计算允许温度压力［P］ 60kg/m 再用钢轨，安全系数K=1.3，允许温度压力［P］计算公式如下：

2.3.4 计算允许温升［ΔTw］ 由轨道允许的最大温度压力不大于［P］，钢轨断面积F=77.45cm2，允许轨温升高度数［ΔTu］计算公式如下：

2.3.5 计算强度条件允许的轨温变化幅度 钢轨线性膨胀系数α=1.18×10-5℃；σt＝EαΔTdmax，轨底允许的降温变化幅度计算公式如下：

轨头允许的增温变化幅度计算公式如下：

2.3.6 计算设计锁定轨温TeΔTk为设计锁定轨温修正值，可取0～5℃，设计锁定轨温Te计算公式如下：

2.3.7 确定铺轨锁定轨温范围 设计锁定轨温上限：Tu＝Te＋3＝37.7＋3＝40.7；设计锁定轨温下限：Td＝Te-5＝37.7-5＝32.7，故铺轨锁定轨温范围为32.7℃～40.7℃。

最大升温幅度ΔTumax计算公式如下：

最大降温幅度ΔTdmax计算公式如下∶

稳定性检算满足要求。

3 结论

对于运行东风4型内燃机车的道岔附带曲线地段，检算结果表明：站线线路碎石道床外侧肩宽为45cm，铪枕铺设数为每千米1520 根，当曲线半径R不小于300m 时，轨道强度、稳定性的检算结果都符合规定要求，满足铺设无缝线路的条件。