軌道


軌道指用條形的鋼材鋪成的供火車、電車等行駛的路線或天體在宇宙間運行的路線。

基本解釋

名詞條目

  軌道量子世界的軌道意識

字音

  guǐ dào

名詞解釋

  ①用條形的鋼材鋪成的供火車、電車等行駛的路線。   ②天體在宇宙間運行的路線。也叫軌跡。   ③物體運動的路線,多指有一定規則的,如原子內電子的運動和人造衛星的運行都有一定的軌道。   ④行動應遵循的規則、程式或范圍:生產已經走上軌道。

鐵軌

  軌道作為鐵路線路的重要組成部分,是一個整體性的工程結構,它由鋼軌、軌枕、聯結零件、道床,防爬設備和道岔等主要部件組成。軌道通常由兩條平行的鋼軌組成。鋼軌固定放在軌枕上,軌枕之下為道床。聯結零件在鋼軌和鋼軌之間以及鋼軌和軌枕之間起著一個聯結作用。目前,我國鐵路正線軌道共分特重型、重型、次重型、中型、輕型五種類型。

結構

  軌道一般由鋼軌、軌枕、聯結零件、道床以及道岔等組成。

鋼軌

  常用碳素鋼或中錳鋼制造,其斷面為工字形,用以承受機車車輛的車輪荷載,并將承受的荷載傳給軌枕;同時為車輪的捲動提供連續、平順的表面和引導車輪運行,這種鐵軌軌道部件稱為鋼軌。在電氣化鐵路和自動閉塞信號線路上,鋼軌還可兼作電路導體。鋼軌的種類通常以每米鋼軌的重量表示。中國鐵路的鋼軌有每米60、50、45、43公斤等種類。在使用英制單位的國家鋼軌有碼132、112、90磅等種類。不同種類的鋼軌適用于不同的鐵路線路,主要是依據線路上運行的機車車輛的軸重、行車速度、線路運輸量等選用,如輕型鐵路可采用每米重量較小的鋼軌,有的輕型鐵路采用每米僅10余公斤的鋼軌;重型鐵路可采用每米重量較大的鋼軌,美國賓夕法尼亞鐵路采用每碼155磅的鋼軌。   工字形鋼軌主要由上部的“軌頭”和下部的“軌底”,以及連線軌頭和軌底的“軌腰”組成。鋼軌斷面的設計,除考慮它的抗彎能力、軌頭的抗壓和耐磨能力、軌底的支承面積以及抗傾倒能力等強度和穩定性因素外,還須考慮經濟合理性和軋制技術可行性等因素。中國鐵路各型鋼軌的主要尺寸如表1 。 軌道   各國鐵路鋼軌的標準長度是不同的。如美國鋼軌標準長度為11.9米(39英尺);聯邦德國為45米或60米;中國為12.5米和25米。另外,鋼軌還有縮短軌,比標準長度縮短40、80、120、160毫米等數種,主要用于鋪設曲線線路軌道。   鋼軌必須具有足夠的強度、韌性和耐磨性能。如果鋼軌發生斷裂和破損,將危及行車安全。鋼軌的斷裂和破損多數發生于有缺陷的軌頭、軌頭與軌腰連線處以及螺栓孔周圍等處。鋼軌斷裂處一般有疲勞源,斷裂呈脆性狀態。鋼軌生產時如有未切凈的殘余縮孔或有害偏析,使用時也可能造成軌腰劈裂。

軌枕

  鋪設在道床和鋼軌之間,用以承受從鋼軌傳來的力和振動,并傳給道床;同時用以保持鋼軌軌距和方向,這種軌道部件稱為軌枕。軌枕除將鋼軌傳來的力振動傳給道床外,它本身也能吸收部分振動能。每公裡鐵路線路上鋪設的軌枕數,是根據線路上的機車車輛運行速度和運輸量等因素確定的。機車車輛運行速度高和運輸量大的線路鋪設軌枕數多。中國鐵路在直線線路上每公裡一般鋪設軌枕1840、1760和1600根。軌枕按材料性質分為木枕、混凝土枕和鋼枕三種。鐵軌①木枕,又稱枕木。世界各國鐵路用木枕鋪設的軌道約占軌道總長的70%。木枕的優點是彈性好,易于鋪設,與鋼軌的聯結比較簡單,絕緣性能好;缺點是使用壽命短(如易腐朽、易機械磨損及劈裂)。   制作木枕的木材必須堅韌而有彈性,常用山毛櫸、橡木、松木等木材制作。木枕經防腐處理后稱為油枕,可延長其使用壽命。木枕尺寸因木材種類、產量以及所承受荷載不同而不同。中國鐵路木枕大多數是用松木制作,干線上的木枕長2.5米、橫截面為矩形,截面的底寬為22厘米、高為16厘米。   ②混凝土枕,又稱砼枕。第二次世界大戰以后,混凝土枕開始大量采用,它的優點是穩定性好,使用壽命長,養護維修費省;缺點是重量大、彈性及絕緣性能差,在軌底部分須設緩沖絕緣墊層等。   混凝土枕的主要類型有整體式預應力鋼弦混凝土枕、整體式預應力高強度鋼筋混凝土枕和鋼桿式混凝土枕等。中國自1958年以來,主要推廣使用前兩種類型。   ③鋼枕。優點是抗腐菌侵蝕,抗白蟻和蟲蛀;缺點是易受化學性腐蝕,不絕緣,維修費用高。鋼枕僅在聯邦德國和瑞士的一些鐵路上,以及地處熱帶的一些鐵路上套用,中國尚未套用。

聯結零件

  分中間聯結零件和接頭聯結零件兩種。   ①中間聯結零件:鋼軌與軌枕的扣件,包括普通道釘、螺紋道釘、剛性或彈性扣鐵、墊板、墊層、防爬器及軌距桿等。中間聯結零件具有足夠的強度和耐久性,并具有一定的彈性,能保持鋼軌和軌枕的可靠聯接和相對固定的位置,并能減緩線路殘余變形積累速度。中間聯結零件本身應構造簡單,以便于裝配、卸除和調整軌道的軌距及水準等。鐵軌木枕和鋼軌的聯結一般采用普通道釘,木枕和鋼軌間的鐵墊板,也用普通道釘固定,它安裝方便,套用廣泛。歐洲鐵路有的采用剛性扣鐵的分開式扣件聯結木枕和鋼軌,其優點是扣壓力強,能有效防止鋼軌縱橫向位移;缺點是零件多,用鋼量大。也有采用彈條式扣件的,扣壓力較強,裝卸較方便。采用混凝土的軌枕的軌道,軌枕和鋼軌間須設定彈性墊層以減少沖擊力,其聯結零件有扣板、彈片及彈條等,用螺栓聯結。鋼枕在頂面上支承鋼軌部分的兩側,各留有螺栓孔,將螺栓插入孔內固定在鋼枕上,再在螺栓上部裝上扣鐵扣住鋼軌,從而實現鋼枕和鋼軌的牢固聯結。   列車車輪捲動和縱向滑動,以及列車制動等產生的縱向力,能使整個軌道或鋼軌縱向移動。為了防止軌道或鋼軌的縱向移動,除了利用扣件能產生縱向阻力外,還需裝設防爬器,以增加扣件的縱向阻力。防爬器有彈簧式及穿梢式等形式。軌距桿是裝設在鐵路曲線區段,用以保持軌距的零件。   ②接頭聯結零件:聯結兩根鋼軌的零件,主要有夾板、螺栓和彈簧墊圈。夾板又稱魚尾板,因最早設計制作的夾板截面形狀如魚尾而得名。板上一般有4個或6個螺栓孔。螺栓用以聯結夾板和鋼軌,螺栓擰緊后,可把兩個軌端夾緊,使接頭處鋼軌能承受車輪的作用力。彈簧墊圈是用于增加螺栓帽和螺栓螺紋間的壓力,防止螺栓帽因列車通過時引起的振動而松退的零件。

道床

  用碎石、卵石或砂等道碴材料組成的軌道基礎,用以將軌枕的荷載均勻地傳布到路基上,以及防止軌枕的縱向和橫向移動;同時,為軌道提供良好的排水、通風條件,以保持軌道干燥,使軌道具有足夠的彈性。   道床材料一般用堅韌的玄武巖或花崗巖碎石,有的也用石灰巖碎石,但不如前二者好。碎石有不同的形狀和大小,才能互相擠緊,防止松動。中國鐵路道床所用碎石粒徑有三種規格:20~70毫米的用于新增道床和道床的大修及維修;15~40毫米的用于道床維修;3~20毫米的用于道床墊碴起道。道床材料也常用規定級配的篩選卵石、天然卵石、礦碴或砂子等,但這些材料修筑的道床質量較差。粗砂、中砂一般僅作墊床之用。墊床一般只在繁忙干線的碎石道床和路基面之間鋪設。   道床的厚度和寬度是根據鐵路等級確定的,中國鐵路規定道床厚度為25~50厘米。道床可以是單層的或雙層的,鐵路正線上一般采用雙層道床,下面的一層稱做墊層,可以防止翻漿冒泥,其厚度一般不小于20厘米。不易風化的砂石路基,可以不鋪墊層。道床頂面的寬度決定于軌枕長度。中國鐵路在使用混凝土軌枕的線路上規定道床寬度為3.1米。碎石道床的邊坡為1:1.75。   20世紀60年代以來,用瀝青砂漿灌注在普通道床裡把道碴固結起來,或用瀝青混凝土壓實層作道床底部,再用瀝青膠砂作為調整層的瀝青道床,逐漸在一些運輸繁忙的鐵路線上試用。由于這種道床有利于提高道床的承載能力和線路穩定性,并有利于道床防水和防臟,減少了線路維修工作量,而受到各國鐵路的重視。

道岔

  連線兩股相鄰軌道的專用設備,主要由轉轍器、轍叉和連線軌道組成。道岔的作用是為機車車輛由一股軌道轉入另一股軌道提供通道。

標準

  對軌道的軌距水準、左右軌面水準、前后高低和線路方向、曲線軌道超高、軌底坡,以及鋼軌接頭軌縫等所作的規定。在鐵路干線的直線區段,中國鐵路規定標準軌距為1435毫米,其誤差不得超過+6至-2毫米。左右軌面水準的高低差不得大于 4毫米。前后高低及線路方向用10米長的弦量測,容許誤差不得大于4毫米。   在曲線軌道上,須根據曲線半徑加寬軌距,中國標準軌距鐵路的最大容許軌距為1450毫米。為了平衡車輛在曲線軌道上行駛時的離心力,軌道外軌須高于內軌(簡稱超高)。中國鐵路規定最大超高量不得大于 150毫米。在直線與曲線軌道連線處須設定緩和曲線,使曲線的曲率和超高逐漸變更,以保證運輸的安全與舒適。   車輪踏面有向線路中心1:20的斜度,因此鋼軌軌面也需相應內傾,以防鋼軌軌面磨耗不勻和軌腰彎曲。為此,在鐵路線的直線段上,鋼軌鋪設時軌底要有一定坡度,即軌底坡。中國鐵路規定軌底坡為1:40或1:20的斜坡。   軌道上相聯接的鋼軌間,其接頭處留有軌縫,以備鋼軌受熱膨脹。鋼軌接頭除普通接頭外,還有各種特殊接頭,如聯結兩種斷面不同鋼軌的異形接頭;軌道電路需要絕緣而使用絕緣材料的絕緣接頭;以及伸縮接頭或伸縮調節器等。對于各種接頭的軌縫,各國都有相應規定,如中國鐵路規定,普通接頭的軌縫最大時不應超出16毫米。

強度計算

  在列車動力作用下,軌道各組成部分產生的應力和應變的計算。   軌道承受的荷載很復雜。例如鋼軌,除承受車輪的垂直作用力外,在曲線路段還承受車輛的離心力,在直線路段,還承受車輛蛇形運動所產生的橫向力。此外,軌道還承受溫度變化所產生的軸向拉力或壓力,以及軌面不平或車輪扁瘢而產生的簧下質量振動的慣性力等,使鋼軌產生撓屈和彎矩。在軌道強度的靜力計算中,對鋼軌撓屈和彎矩的計算,是把鋼軌視為一根支承在許多等彈性支座或連續彈性基礎上的無限長梁。假定各支座的彈性系數為D,其單位為公斤/厘米,鋼軌截面上作用著的集中豎直荷載為P,其單位為公斤,鋼軌的撓曲變形就如圖1,a所示。梁的彎曲變形,在梁的各段上會產生正的或負的彎矩,可用圖2,b表示。根據P、D等值可算出彎矩及鋼軌各部分的彎應力。車輪在鋼軌上的荷載除產生彎矩外,還有接觸應力和剪應力。接觸應力的大小和車輪直徑及軌頂面圓弧半徑有關。這種力很大,往往超過鋼軌鋼材的屈服強度。軌枕也可視為支承在彈性基礎上的梁。一般情況下,軌枕的軌底下截面將承受較大的正彎矩,中間截面將承受負彎矩,如圖2所示。圖2中Q為荷載,a、b、c分別為不同道床支承條件下軌枕各個截面上的力矩變化情況。道床內應力分布是復雜而多變的。為簡化計算,假定在枕端1米范圍內壓力均勻分布,枕底壓力以擴散角嗘按直線擴散傳遞到路基面,枕底以下各深度道床受壓力分布情況如圖3所示。圖中Q為鋼軌作用于軌枕上的動壓力,單位公斤;b為軌枕寬度,單位厘米;b為軌枕有效支承長度,單位厘米;在一定條件下,鋼軌、扣件、道床及路基面所受的力都可以計算。 列車在運動中還產生許多附加力。目前各國一般采用速度系數、偏載系數和橫向水準力系數等方法,以靜荷載來推算動荷載。這些系數從實驗或計算中求得。   軌道在列車重復荷載作用下,會引起軌道部件的疲勞傷損,以及磨耗的積累和軌道殘余變形的積累。因此在軌道結構設計時,除考慮機車車輛的軸重、行車速度等參數外,還應考慮運輸量,并考慮軌道設備的承載能力和軌道使用狀態等因素,這樣才能設計出最佳的軌道。

新型軌道

  隨著鐵路運量的增加,以及機車車輛軸重和行駛速度的提高,相繼出現了許多新型軌道,如無縫線路、寬軌枕線路、整體道床線路和板式軌道等。

無縫線路

  又稱焊接長鋼軌線路,是一種把普通鋼軌焊接起來不留軌縫的線路,焊接鋼軌每根長不少于200米,實際套用的一般為800~1000米或更長一些。長軌是在規定溫度范圍內鋪設并固定在軌枕上的。長軌端部有軌縫,而中間部分不能隨溫度升降而伸縮。因此,鋼軌中段夏季將產生很大的溫度壓力,冬天將產生很大的溫度拉力。鋼軌內的最大壓力和拉力可根據鋼軌鋪設地的年最高氣溫和最低氣溫計算,鋼軌所受最大壓力應不致于造成軌道臌曲,所受最大拉力應不致于造成鋼軌斷裂。   無縫線路大量減少了鋼軌接頭,減少了車輪通過接頭時對鋼軌的沖擊,有利于節約線路維修費用,延長鋼軌使用壽命,減弱機車車輛噪聲等,因此,發展較快。在20世紀30年代,德國和美國鐵路開始進行小量試鋪無縫線路,到1981年止,全世界已鋪設無縫線路約30萬公裡,其中中國鋪設約8000公裡。

寬軌枕線路

  又稱軌枕板線路。是用預應力混凝土軌枕板,密排鋪設在經過壓實的道床上,板縫間用瀝青或其他材料填封所修筑的線路。預應力混凝土軌枕板寬55厘米,比普通預應力混凝土軌枕底寬寬兩倍,其長度和厚度同普通預應力混凝土軌枕相同(見彩圖)。因此,寬軌枕和道床間的接觸面積比普通軌枕和道床間接觸面積增大一倍,從而減少了對道床的壓力。   寬軌枕線路適用于繁忙干線,也可鋪設在維修困難的隧道和站場內,不論石質或土質路基均可鋪設,但在具有翻漿冒泥病害的路基上鋪設必須先將路基病害經過整治。寬軌枕線路的主要優點有:①軌道下沉量小。震動加速度比混凝土軌枕線路小,鋪設后下沉速度逐漸減慢和停止。所以線路維修工作量大大降低,約為普通混凝土軌枕線路的三分之一。②軌道易保持整潔。臟污不易侵入道床,延長了線路大修中修周期。③線路平順、穩定,有利于高速運行及鋪設無縫線路。其缺點是造價較高,在繁忙干線上換鋪也較困難。

整體道床線路

  用混凝土(一般配有鋼筋)直接灌注在穩定堅實路基上,不使用普通軌枕及碎石道床的新型線路。這種線路面板整潔,適用于運量大、維修困難的地段,特別適用于隧道、地下鐵道、港口碼頭及石質路基上鋪用。但它的修建投資大,如因施工草率或基底不穩,混凝土層斷裂,整治困難。中國在隧道內鋪設的整體道床線路總長300多公裡。

板式軌道

  一種新型無碴軌道,是用鋼筋混凝土大板,并在大板下先用乳化瀝青水泥砂漿作為調整層(也可加鋪一層高分子彈性材料作墊層)構成的軌道。這種軌道適用于石質路基或無碴橋面上。鋪在土質路基上則須另設壓實的瀝青混凝土承重層。這種軌道整體性好,線路穩定,維修工作量小,但成本高,施工期長。日本鐵路在新干線上已推廣使用。