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1、第4章 现代有轨电车系统的构成轨道,【问题导入】 现代有轨电车系统的轨道是一种新型轨道，即由槽型钢轨、无缝线路、整体道床和新型弹性扣件等组成。根据运行系统不同，现代有轨电车主要分为钢轮钢轨制式和胶轮+导轨制式。由于存在以上两种制式，现代有轨电车在地面上运行线路的轨道结构也分为两种。【学习目标】 1. 能描述轨道的定义。 2. 能描述道床的功用。 3. 能描述道岔的侧向过岔的限制速度。【教学建议】 1教学场地：在普通教室、能连接互联网的多媒体教室及新型轨道结构的各种模型实训室中进行，课后可实地参观。 2设备要求：各种现代有轨电车的仿真模型1套，或能播放视频投影的设备及相关课件、视频。 3课时要求
2、：共8课时。【理论知识】,1.1 轮轨系统的出现及演变,1.最早轮轨系统的出现 轮轨系统是发明最早、应用最广泛的轨道交通系统，其轨道结构已经经历了许多变化。人们普遍认为，世界上的铁路来源于石路。古人很早就懂得用碎石铺成车辙，用来给车轮导向。但铺石车辙于中世纪就消失了。而有资料记载了在法国阿尔萨斯地区的莱贝尔煤矿得到广泛应用，如图4-1所示。,图4-1 有车辙的石路图,1.1 轮轨系统的出现及演变,1550年，在法国和德国边界附近的勒伯德尔地区，矿山的马拉矿车开始用木制轨道。1605年，英格兰的煤矿也采用木轨，轨距仍保持1435mm。“木路”的制作和铺设都要容易和方便得多，于是许多煤矿纷纷效仿，
3、一时风行起来，如图4-2所示。 后来，为了防止木轨磨损太快，又在上面钉了铁皮。随着运输量的增大，蒙铁皮的木轨也还是解决不了磨损太快的问题。,图4-2 蒙铁皮的木轨图,1.1 轮轨系统的出现及演变,十七世纪的英国，因为生铁价格下跌，有人就把铁熔化，铸成5英尺长，4英尺宽，1英寸多厚的长方形铁板，铁板上有孔，可以钉在木轨上存放。原希望等到铁价上涨后再把铁板起下来熔化出售，谁知道这种铁板竟然成了大受欢迎的新型轨道，很快就得到了推广，“铁路”这一名称也由此而来。从“石路”到“木路”再到“铁路”，它们的轨距几乎完全一样，如图4-3所示。,图4-3 板式铁路图,1.1 轮轨系统的出现及演变,板式铁路虽然耐
4、磨，但要保证马车的车轮不脱轨却很难。后来，人们又加以改进，把它制成角铁形。角铁的一个竖起的边可以挡住车轮，防止脱轨。但是平铺的角铁型轨道强度不够，很容易被煤屑泥土掩埋，如图4-4所示。,图4-4 角铁型轨道图,1.1 轮轨系统的出现及演变,2.轮轨系统关系的演变 随着科学的发展和人们对力学的认识，立式轨从腰鼓型逐渐演变为工字型。1813年威廉赫德利设计出如图4-1所示的轮轨形状，光滑的车轮和光滑的铁轨充分地嵌接起来，如图4-5（4）所示。,图4-5 轮轨关系演变图1-铁铸L型轨道 2-立式轨道轨 3-腰鼓形道轨 4-工字型道轨,1.2 轨道结构,城市轨道交通有多种固定导轨形式，由此派生出轮轨系
5、统、单轨系统和磁浮系统等多种类型，不同的轨道交通系统有着不同的轨道结构。 1.轮轨系统轨道的作用 不同轨道交通系统的轨道的功能不尽相同。在轮轨系统中，轨道的功能有以下几点： (1)导向 引导轨道交通列车沿固定的路线行驶，这是各类轨道交通系统轨道共有的功能。轨道交通车辆没有类似于汽车的转向盘，其运行依靠轨道来导向。列车在曲线段运行时，装配在车辆底部转向架上的车轮会冲击钢轨，固定的钢轨会迫使车轮朝钢轨行进方向转向，引导列车沿钢轨延伸方向行驶；在直线段，钢轨与车轮之间的契合关系在一定程度上限制了车辆的横向移动。 (2)减小荷载作用强度 列车荷载通过车轮传递到钢轨，然后通过轨枕、道碴等传递到路基。由于
6、传递过程中力的作用面不断扩大，因而至路基面的压强大大减小，承载力有限的路基不会产生明显变形。钢轨受到的集中荷载一般会大于60kN，轨面压应力超过40 000 kPa，而最后传递到路基顶面上的均布荷载强度一般不超过100kPa。,1.2 轨道结构,(3)减振降噪 轨道中介于钢轨与轨枕之间的垫圈、有碴轨道结构的道碴等都具有一定的弹性，这对减少列车及轨道结构的振动有一定作用；通过改善钢轨平顺度、轨面平滑度等可以降低轮轨摩擦引起的噪声。 2.现代有轨电车轨道的结构 现代有轨电车的轨道一般由钢轨、轨枕、连接零件、道床、道岔及其他附属设备组成。 其轨道结构类型有以下几种： （1）既有线普通轨道结构 已经通
7、车正式运行的轨道线就叫既有线，如图4-6所示。 传统的有轨电车轨道，用不同力学性质的材料构筑而成，力的传递方式合理，建筑费用经济，各组成部分之间联结不够坚定稳定，使用寿命也不一致。,1.2 轨道结构,图4-6 有轨电车既有线实物图,1.2 轨道结构,(2）宽轨枕轨道结构 宽轨枕轨道又称轨枕板线路，是用预应力混凝土轨枕板，密排铺设在经过压实的道床上，板缝间用沥青或其他材料填封所修筑的线路。预应力混凝土轨枕板宽55cm，如图4-7所示。,图4-7 宽轨枕轨道图,1.2 轨道结构,(3)板式轨道结构 板式轨道一种新型无碴轨道，是用钢筋混凝土大板，并在大板下先用乳化沥青水泥砂浆作为调整层（也可加铺一层
8、高分子弹性材料作垫层）构成的轨道。这种轨道适用于石质路基或无碴桥面上。铺在土质路基上则须另设压实的沥青混凝土承重层。这种轨道整体性好，线路稳定，维修工作量小，但成本高，施工期长，如图4-8所示。,图4-8 板式轨道图,1.2 轨道结构,(4)整体道床轨道结构 整体道床线路用混凝土（一般配有钢筋）直接灌注在稳定坚实路基上，不使用普通轨枕及碎石道床的新型线路。这种线路外观整洁，适用于运量大、维修困难的地段，特别适用于隧道、地下铁道、现代有轨电车、港口码头及石质路基上铺用，如图4-9所示。,图4-9 整体道床轨道图,1.2 轨道结构,3. 现代有轨电车轨道的道床 道床是轨道的重要组成部分，是轨道框架
9、的基础。道床通常指的是轨枕下面，路基面上铺设垫层。把轨枕上部的巨大压力均匀地传递给路基面，并固定轨枕的位置，阻止轨枕纵向或横向移动，大大减少路基变形的同时还缓和了列车轮对对钢轨的冲击，便于排水。 （1）道床的功用 1) 均匀传布轨枕荷载于较大的路基面上。 2) 提供纵、横向阻力，阻止轨枕纵、横向移动，保持轨道的正确位置，这对无缝线路尤为重要。 3) 使轨道具有必要的弹性及缓冲性能。在有碴轨道中，道床利用碎石颗粒之间存在的空隙和摩擦力，使轨道具有一定的弹性和阻尼，起到了缓冲和减振的作用。 4) 排水作用。路基将因含水而使其承载力大大下降，因此，保证轨道通畅排除地表水对减轻轨道的冻害和提高路基的承
10、载能力非常重要。 5) 便于校正轨道的平面和纵断面。轨道不平顺可以通过捣固枕下道碴加以抚平，轨道方向错乱可以通过拨道予以拨正。,1.2 轨道结构,（2）现代有轨电车轨道道床的分类 1）有碴道床。有碴道床通常由具有一定粒径、级配和强度的硬质碎石堆集而成。其级配是指道碴粒径预先设计的，不同（粒径）级别的混合物，对道床的物理力学性能、维修工作量有重要影响。在有碴轨道中，道床材料以质地坚韧、吸水度低、不易风化的碎石为好。道床材料一般用坚韧的玄武岩或花岗岩碎石，有的也用石灰岩碎石，但不如前二者好。碎石有不同的形状和大小，才能互相挤紧，防止松动。中国铁路道床所用碎石粒径有三种规格：2070mm的用于新建道
11、床和道床的大修及维修；1540mm的用于道床维修；320mm的用于道床垫碴起道。道床材料也常用规定级配的筛选卵石、天然卵石、矿碴或砂子等，但这些材料修筑的道床质量较差。 为保持道床弹性、排水通畅和进行捣固作业，道床石碴应具有一定的颗粒级配，面碴颗粒较细些，底碴颗粒较粗些。,1.2 轨道结构,道床断面包括道床厚度、顶面宽度及道床边坡三个主要特征，通常，道床厚度3050cm，道床顶面宽度300310cm，道床边坡1：1.51：1.75，如图4-10所示。,图4-10 有碴道床图,1.2 轨道结构,2）无碴道床。无碴道床是以混凝土或沥青砂浆取代散粒道碴道床而组成的轨道结构形式，它具有轨道稳定性高，刚
12、度均匀性好，结构耐久性强和维修工作量显著减少等特点，如图4-11所示。,图4-11 无碴道床图,1.2 轨道结构,（3）现代有轨电车系统整体道床 现代有轨电车系统整体道床的结构如图4-12所示。,图4-12 现代有轨电车系统的整体道床a）钢轮钢轨现代有轨电车路面结构 b）胶轮+导轨现代有轨电车路面结构 现代有轨电车系统的道床整体道床内可预埋木枕、混凝土枕或混凝土短枕，也可在混凝土整体道床上直接安装扣件、弹性垫层和钢轨。,1.2 轨道结构,现代有轨电车系统的整体道床的结构形式有以下几种： 1）支承块侧沟式整体道床。 2）整体灌筑侧沟式整体道床。 3）中心水沟式整体道床。 现代有轨电车系统在地下、
13、高架、地面线路上其结构形式有： 1）地下线整体道床。 2）高架线整体道床。 3）地面线一般地段整体道床。 4）混行道整体道床。 4. 钢轨 钢轨常用碳素钢或中锰钢制造，其断面为工字形，用以承受机车车辆的车轮荷载，并将承受的荷载传给轨枕；同时为车轮的滚动提供连续、平顺的表面和引导车轮运行，这种轨道部件称为钢轨。在车辆基地、车辆段内的轨道上，钢轨还可兼作电路导体。,1.2 轨道结构,（1）不同断面形状的钢轨分类 不同种类断面形状的钢轨，适用于不同的轨道线路，主要是依据线路上运行的列车的轴重、行车速度、线路运输量等选用，如图4-18所示。 1) 平底钢轨。平底钢轨就是我们通常所指的“工”字形钢轨，这
14、种钢轨在绝大多数铁路、地铁和现代有轨电车车辆段内应用。 2) 槽形钢轨。槽形钢轨轨头形成凹槽，多用于现代有轨电车和轻轨铁路，在铺设时路面与钢轨顶平面一般在同一平面。 3) 双头钢轨。双头钢轨轨头和轨底大小、形状一样，这种钢轨19世纪曾经应用很过，现已基本淘汰。,图4-18 钢轨断面形状图,1.2 轨道结构,我国现代有轨电车系统钢轨主要技术参数 正线、辅助线、库外线采用Ri60R10槽型轨，库内线采用CHN（中国标准）50轨。 槽型轨的特点是能够有效避免机车车辆脱轨。 Ri60槽型钢轨，其断面尺寸为：钢轨高180mm，轨底宽度为180mm。钢轨单位重为60kg，如图4-19所示。,图4-19 槽
15、型轨断面形状图,1.2 轨道结构,5. 轨枕 轨枕铺设在道床和钢轨之间，用以承受从钢轨传来的力和振动，并传给道床；同时用以保持钢轨轨距和方向，这种轨道部件称为轨枕。轨枕除将钢轨传来的力振动传给道床外，它本身也能吸收部分振动能。每公里线路上铺设的轨枕数，是根据线路上的列车运行速度和运输量等因素确定的。列车运行速度高和运输量大的线路铺设轨枕数多。如中国铁路在直线线路上每公里一般铺设轨枕1840、1760和1600根，如图4-20所示。,图4-20 轨枕铺设图,轨枕按材料性质分为木枕、混凝土枕和钢枕三种。,1.2 轨道结构,现代有轨电车正线采用短枕式整体道床结构，如图4-21所示。 短枕式整体道床是
16、把预制的钢筋混凝土短轨枕（支撑块）用一次混凝土与基础浇注成整体。 短枕式整体道床轨道建筑高度一般为550mm左右，轨枕下道床厚度一般不小于160mn，一般设中心排水沟，道床稳定、耐久，结构比较简单，施工方法简便，进度较快。,图4-21 短枕式整体道床结构,6. 联结零件 钢轨联结零件分中间联结零件和接头联结零件两种。 其作用是长期有效地保证钢轨与钢轨以及钢轨与轨枕间的可靠连接，尽可能地保持钢轨的连续性与整体性，阻止钢轨相对于轨枕的纵向移动，确保轨距正常，并在机车车辆的动力作用下充分发挥缓冲减振性能，减缓线路残余变形的积累。 （1）中间联结,图4-22 弹条式扣件图,1.2 轨道结构,1.2 轨
17、道结构,列车车轮滚动和纵向滑动，以及列车制动等产生的纵向力，能使整个轨道或钢轨纵向移动。为了防止轨道或钢轨的纵向移动,除了利用扣件能产生纵向阻力外,还需装设防爬器，以增加扣件的纵向阻力。防爬器有弹簧式及穿梢式等形式。轨距杆是装设在铁路曲线区段，用以保持轨距的零件，如图4-25所示。,图4-25 轨道防爬器、防爬撑图,1.2 轨道结构,（2）接头联结零件 联结钢轨与钢轨间的零件。主要有夹板、螺栓和弹簧垫圈。夹板又称鱼尾板，因最早设计制作的夹板截面形状如鱼尾而得名。板上一般有4个或6个螺栓孔。螺栓用以联结夹板和钢轨，螺栓拧紧后，可把两个轨端夹紧，使接头处钢轨能承受车轮的作用力。弹簧垫圈是用于增加螺
18、栓帽和螺栓螺纹间的压力，防止螺栓帽因列车通过时引起的振动而松退的零件，如图4-26所示。,图4-26 钢轨接头图,1.2 轨道结构,7. 道岔 道岔是列车从一个股道转向另一个股道的转辙设备，它是轨道线路中最关键的特殊设备，道岔构造较线路复杂，是现代有轨电车轨道设备中的薄弱环节之一。 由于道岔具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、行车安全性低和养护维修投入大等特点，与曲线、接头并称为轨道的三大薄弱环节。它的基本形式有三种：即线路的连接、交叉、连接与交叉的组合。 （1）机械结构 道岔有两根可以移动的尖轨，尖轨的外侧是两根固定的基本轨，与尖轨和基本轨相连接的是4 根合拢轨，其中两根合拢轨是
19、直向的，另外两根合拢轨是弯向的（其曲线叫道岔导曲线），两根内侧合拢轨相连的是辙叉，它由两根翼轨、一个岔心和两根护轮轨组成。护轮轨和翼轨用于固定车轮运行方向，因为机车车辆通过道岔时都要经过辙叉的“有害空间S”，如果不固定车轮轮缘的前进方向，就有可能造成脱轨事故。,1.2 轨道结构,图4-27 道岔结构示意图,图4-29 现代有轨电车系统道岔实物图,1.2 轨道结构,胶轮导轨式现代有轨电车的正线道岔。其使用的是专用道岔，该道岔钢轨与转辙机及安装装置组成一整体，安装于路面以下。采用ZDJ-A整体型直动式转辙机，用电力改变道岔开通方向，锁闭整体道岔在某一特定位置，并不间断地监督整体道岔的工作状态的专用
20、设备，如图4-38所示。,图4-38 胶轮导轨式现代有轨电车正线道岔实物图,1.2 轨道结构,（4）道岔控制 现代有轨电车的道岔控制方式与地铁、轻轨相比具有明显不同。其中，正线道岔控制包括集中控制、司机遥控以及利用弹簧式道岔三种方式，通过列车运行的挤压力进行道岔位置转换。 1）正线道岔控制。 集中控制 司机遥控 弹簧道岔 2）车辆段/停车场道岔控制 8.道口 道口分为平交道口和立交道口。 1）平交道口是铁路轨道、地铁轨道、现代有轨电车轨道、公路与另一条铁路轨道、地铁轨道、现代有轨电车轨道以及公路的平面交叉。 2）立交道口是铁路轨道、地铁轨道、现代有轨电车轨道、公路立体交叉，不在同一平面上，互不
21、冲突，避免事故。,1.2 轨道结构,9.无缝线路 无缝线路又称焊接长钢轨线路，是一种把普通钢轨焊接起来不留轨缝的线路,焊接钢轨每根长不少于200m,实际应用的一般为10002000m或更长一些。长轨是在规定温度范围内铺设并固定在轨枕上的。长轨端部有轨缝，而中间部分不能随温度升降而伸缩。因此，钢轨中段夏季将产生很大的温度压力，冬天将产生很大的温度拉力。钢轨内的最大压力和拉力可根据钢轨铺设地的年最高气温和最低气温计算，钢轨所受最大压力应不至于造成轨道臌曲，所受最大拉力应不至于造成钢轨断裂。 无缝线路的优点在于消除钢轨接头，避免钢轨接头引起的振动和噪声，提高轨道平顺 性，从而改善行车条件，延长轨道结
22、构及车轮设备的使用寿命，减少养护维修量。 无缝线路按其敷设位置有地下线无缝线路、高架线无缝线路和地面线无缝线路。,1.3 轨道减振,1. 基础减振措施 基础减振的措施主要有： 1)全线均铺设跨区间无缝线路，道岔内钢轨接头、道岔与两端无缝线路全部焊接或冻接。 轨道冻接是指利用钢轨轨腔上下颚两个张口斜面，将夹板上下面也加工成同样斜度的斜面，然后使用GB/T1228标准，10.9级高强度专用大六角螺栓，利用1.3-1.4KN.m紧固扭矩，产生较大的接头阻力，实现钢轨接头的有效冻结），如图448所示。,图448 轨道冻接接头安装图,1.3 轨道减振,2. 中等减振措施 轨道剪切型减振器可应用在轨道交通
23、线路（地铁、轻轨等）具有高等减振要求的地段如振动超标1215dB地段、线路穿越住宅区、宾馆、机关、学校、医院等建筑物地段，如图449所示。轨道中等减振采用剪切型减振器主要利用橡胶的剪切变形获取弹性，钢轨通过橡胶块和固定装置悬置，适用于具有高等减振要求的地段，减振效果约1215d B。 剪切型减振器扣件是一种弹性分开式扣件，在德国科隆地铁首先使用，也成为科隆蛋；扣压钢轨形式可采用有螺栓或无螺栓两种形式。承受板和底座通过橡胶圈硫化在一起，利用橡胶的剪切变形提供竖向和横向弹性，通过橡胶的阻尼特性达到隔振减振的目的。,1.3 轨道减振,449所示。轨道中等减振采用剪切型减振器,1.3 轨道减振,3.
24、高等减振地段 因政府机关、精密仪器厂、幼儿园、高层建筑等有严格的减振降噪要求，所以要采用高等减振措施。 高等减振地段采用浮置板式轨道结构系统减振。 浮置板轨道的基本原理是在轨道上部结构和基础之间插入一个固有频率很低的线性谐振器，防止振动渗入基础。浮置板轨道系统主要包括浮置板、板下弹性阻尼元件、侧向垫板和纵向垫板。浮置板式轨道结构按板下弹性阻尼元件可采用橡胶板或钢弹簧，钢弹簧支承浮置板减振效果更好，但造价较贵，通常作为高等级减振措施在一些特殊敏感地段实用。在所有减振降噪型轨道结构中，浮置板轨道结构具有最好的减振降噪效果。据联邦德国有关部门测试，有道碴下垫层和浮置板式的轨道结构其阻尼效应可减振达3
25、0dB，且在垂直荷载20%100%变化范围内其隔振效果几乎保持不变，如图4-50所示。,1.3 轨道减振,图4-50 浮置板式轨道,1.4 轨道附属设备,1. 车挡 车挡是指在正线和车辆段内的线路中，有许多属于尽头式线路。（正线上安全线、折返线。库内的检修线都是尽头式的线路）在车辆溜逸时撞击车挡而不冲出线路的安全设备。 （1）正线采用液压缓冲滑动式车挡,图451 液压缓冲滑动式车挡图,1.4 轨道附属设备,（2）车辆段库外线、库内线车挡 1）车辆段库外线采用固定式车挡，如图4-52所示。,图452 用固定式车挡图,1.4 轨道附属设备,2）库内线采用摩擦式车挡。摩擦式车挡具有月牙式车挡体积小巧
26、等优点,又可避免在意外撞击时对车载设备造成损坏,彻底解决了库内线终端车挡的设置与车载信号设备或库内场地的合理利用之间的矛盾，如图4-53所示。,图453 新型库内摩擦式车挡图,1.4 轨道附属设备,2. 线路的信号标志、线路标志 （1）信号标志 信号标志设在轨道沿线，用以表示所在地点的某种情况或状态，引起司机（包括有关行车人员）的注意和警觉，并采取必要的措施确保行车安全的一种信号器具。 现代有轨电车的线路信号标志有限速标、警冲标等。 （2）线路标志表示轨道线路建筑物及设备的状态或位置。现代有轨电车的线路标志有公里标、百米标、坡度标、曲线要素标、圆曲线及缓和曲线起终点标、控制基标、道岔编号标等，所有标志均采用二级反光膜制作。,1.4 轨道附属设备,【实践操作】 1操作练习 （1) 根据本章所学的知识，掌握现代有轨电车系统的轨道结构设备及功能。 （2) 在课余时间，结合所在现代有轨电车公司参观学习。 2书面练习 （1) 简述正线道岔控制原理。 （2) 简述司机遥控信号系统的原理。 （3) 简述信号标志、线路标志的作用。【评价跟进】,1.4 轨道附属设备,【评价跟进】 教师的评价 由教师在完成本章的教学任务后填写，在相应表格中画“”,1.4 轨道附属设备,学员的评价 由学员在完成本章的教学任务后填写，在相应表格中画“”,
