路基上无缝线路课程设计中和轨温及预留轨缝设计.doc

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1、路基上无缝线路课程设计中和轨温及预留轨缝设计 姓名： 学号：08231062 班级：土木0803 学院：土木建筑工程学院目录1任务书 -22说明书 -73计算书 -144.实验总结-205源程序附录 -21路基上无缝线路课程设计（任务书）中和轨温及预留轨缝设计中和轨温（即无缝线路设计锁定轨温）是无缝线路设计的关键问题，涉及铁路轨道这门课的主要理论。该设计目的是通过实际设计，更深入地掌握铁路轨道的基本理论。一、基本内容1）收集资料，综合分析。通过专业书籍及相关学术期刊的学习，了解无缝线路铺设的意义及国内外发展的现状。并对路基上无缝线路设计的基本原理、方法及步骤有较清楚的了解。2）通过计算，确定路

2、基上无缝线路的允许降温幅度。3）通过计算，确定路基上无缝线路的允许升温幅度。4）通过计算，确定中和轨温（即无缝线路设计锁定轨温）。中和轨温确定是无缝线路设计的关键问题，涉及铁路轨道这门课的主要理论。该设计的目的是通过实际设计，更深入地掌握铁路轨道的基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论）。二、基本要求对设计从全局上把握，思路清晰，将个人的独立见解在设计说明书中完整地表达出来；有关计算建议上机完成，语言不限，但程序要具有通用性，即对各种参数条件都适用；并将源程序及计算结果附在课程设计书中。独立完成，有自己的特色；设计时间1周。设计书内容主要包括：设计任务、设计目的和意义、设计理论依据、设计参数

3、、计算过程、设计总结（设计方案的评述、收获及建议）、参考文献。课程设计报告的文字部分要求详细完整、章节清晰、计算过程详尽、结论合理可靠。同时要求字迹工整、书面整洁。答疑时间：另作通知。三、设计思路无缝线路中和轨温计算的主要思路如图：图中揭示了该设计的主要思路。中和轨温应根据当地的轨温条件（）和轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。因此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。应根据无缝线路的设计原则来确定。主要计算如下：1、 无缝线路钢轨强度检算（确定允许降温幅度）强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力：式中：钢轨动弯应力（Mpa），计算方法参见“轨道结构力学分析”一章；

4、钢轨温度应力（Mpa）；钢轨附加应力（Mpa），如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等。本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取；钢轨允许应力。因此允许的降温幅度可由下式计算 （4-）式中：钢轨动弯应力（Mpa），取拉应力计算值。2、据稳定性条件确定允许的升温幅度根据稳定性计算求得的允许温度压力后，可计算出允许的升温幅度： （4-）式中： 附加压力，本设计可取为零（N）。轨道允许的最大温度压力；根据无缝线路稳定性理论计算，采用“统一公式”教材和参考文献1。2、 中和轨温确定根据图，中和轨温计算如下： 四、设计参数（自己选取、组合）主要技术指标：北京地

5、区某段提速线路铺设无缝线路，设计其锁定轨温。1、 轨道条件钢轨：60kg/m，屈服强度，钢轨断面对水平轴的惯性矩；轨枕：III型混凝土枕，1667根/km，轨枕间距；道床：道碴为一级道碴，面碴厚25cm，底碴厚20cm。路基填料：沙粘土；钢轨支座刚度：检算钢轨 =301000（N/cm）； 检算轨下基础 =720000（N/cm）曲线最小半径的区段营条件机车：东风11内燃机车，Vmax=160km/h，轮重和轴距请查阅相关文献。 其它参数按设计要求，参见有关规则和图书资料合理选取，并说明理由。主要参考文献：1、教材2、铁路轨道 谷爱军主编 中国铁道出版社3、铁路无缝线路 广钟岩等， 中国铁道出

6、版社。4、铁道工程，郝瀛主编，西南交通大学出版社。计算相关的其他问题 附加速度系数附加速度系数和速度范围km/h电力机车120V160160V200混凝土枕线路的初始弯曲 初始弯曲50kg/m钢轨60kg/m钢轨75kg/m钢轨弹性初弯（mm）3.02.52.0塑性初弯（mm）3.02.52.0我国常用机车类型的计算参数机车种类机车型号轮轴名称轮重（kN）轮距（cm）构造速度（km/h）内燃机车ND5第一转向架I106255118II106180III106820第二转向架I106II106180III106250东风4（DF4）第一转向架I112.8180客120货100II112.8180

7、III112.8840第二转向架I112.8II112.8180III112.8180东风11（DF11）第一转向架I112.8200客160II112.8200III112.8826.7第二转向架I112.8II112.8200III112.8200电力机车韶山1（SS1）第一转向架I112.823090II112.8230III112.8580第二转向架I112.8II112.8230III112.8230韶山3（SS3）第一转向架I112.8230100II112.8200III112.8720第二转向架I112.8II112.8230III112.8200韶山4（SS4）第一转向架I1

8、12.8300100II112.8520第二转向架I112.8300II112.8520第三转向架I112.8II112.8300第四转向架I112.8520II112.8300韶山8（SS8）第一转向架I107.8290160II107.8610第二转向架I107.8II107.8290当V120km/h时： 当120km/hV160km/h时： 当160km/hV200km/h时：路基上无缝线路课程设计（说明书） 中和轨温和预留轨缝的设计一、设计任务所谓“无缝线路”，就是把不钻孔、不淬火的25m长的钢轨，在基地工厂用气压焊或接触焊的办法，焊成200m到500m的长轨，然后运到铺轨地点，再焊

9、接成1000m到2000m的长度，铺到线路上就成为一段无缝线路。中和轨温确定是无缝线路设计的关键问题，涉及铁路轨道这门课的主要理论。该设计的任务是通过实际设计，更深入地掌握铁路轨道的基本理论（尤其是强度计算和温度力计算理论）。通过专业书籍及相关学术期刊的学习，了解无缝线路铺设的意义及国内外发展的现状。并对路基上无缝线路设计的基本原理、方法及步骤有较清楚的了解。1）通过计算，确定路基上无缝线路的允许降温幅度。2）通过计算，确定路基上无缝线路的允许升温幅度。3）通过计算，确定中和轨温（即无缝线路设计锁定轨温）。重点、难点：1无缝线路强度及稳定性计算2设计锁定轨温范围的合理确定二、设计目的和意义普通

10、无缝线路设计，主要是确定设计锁定轨温和无缝线路结构计算两部分。由于无缝线路消灭了大量的接头，因而具有行车平稳、旅客乘坐舒适、机车车辆和轨道维修费用少，使用寿命长等一系列优点。而且无缝线路其温度力与其长度无关从理论上讲，无缝线路可以设计成无限长，但是由于加工、运输、施工上存在困难，无缝线路也只能是化整为零，一段段铺设。为了避免跑道现象，须慎重选择设计锁定轨温，本次设计即为初步对中和轨温的设计。钢轨温度每改变1，每根钢轨就会承受1.645吨的压力或拉力。但是人们在铁路线上采用强大的线路阻力来锁定轨道，限制了钢轨的自由伸缩。在我国是采用高强螺栓、扣板式扣件或弹条扣件等对钢轨进行约束。实验表明，直径2

11、4mm的高强螺栓，六孔夹板接头可提供40至60吨的纵向阻力。弹条扣件每根轨枕可提供1.6吨的纵向阻力。确定了设计锁定轨温，下一步即为结构计算，即伸缩区长度，预留轨缝，防爬设备的设置。本次设计主要考虑了预留轨缝的设计。预留轨缝要满足钢轨在冬季不会拉断，夏季不顶严。无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著。据有关部门方面统计，与普通线路相比，无缝线路至少能节省15%的经常维修费用，延长25%的钢轨使用寿命。有资料表明，在桥梁上铺设无缝线路，可以减轻列车车论对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运营条件，延长设备使用寿命，减少养护维修工作量。这些优点在行车速度提高时尤为显著。 三、设计理论依据无缝线

12、路中和轨温计算的主要思路如右图。图中揭示了该设计的主要思路。中和轨温应根据当地的轨温条件（）和轨道允许的升温幅度和降温幅度来确定。因此确定轨道允许的升温幅度和降温幅度是设计的关键。应根据无缝线路的设计原则来确定。主要计算如下：1、无缝线路钢轨强度检算（确定允许降温幅度）强度条件应使作用在钢轨上的各种应力总合不超过钢轨的允许应力：式中：钢轨动弯应力（Mpa），计算方法参见“轨道结构力学分析”一章；钢轨温度应力（Mpa）；钢轨附加应力（Mpa），如桥上的伸缩应力和挠曲应力、无缝道岔基本轨附加应力、列车制动等引起的附加应力等。本设计只考虑路基上由制动引起的附加应力，可取；钢轨允许应力。因此允许的降温

13、幅度可由下式计算 式中：钢轨动弯应力（Mpa），取拉应力计算值。2、据稳定性条件确定允许的升温幅度根据稳定性计算求得的允许温度压力后，可计算出允许的升温幅度： （4-）式中： 附加压力，本设计可取为零（N）。轨道允许的最大温度压力；根据无缝线路稳定性理论计算，采用“统一公式”教材和参考文献1。中和轨温确定根据图，中和轨温计算如下： 3、预留轨缝的计算（1）符号约定如下：a1长轨条与标准轨之间预留轨缝值 （mm）ag钢轨接头构造轨缝，取18mmr每股钢轨单位长度线路纵向阻力N/cmr2每枕纵向阻力 (KN)a轨枕间距 (cm)Pj接头阻力 (N)Ptmax最大温度力 (N)L缓冲轨长度（m）E钢

14、轨弹性模量，取210GPaF钢轨断面面积 (mm2)长长轨条一端伸缩量（mm）缓缓冲轨一端伸缩量 (mm)（2）长轨条一端伸缩量长由以下公式计算：（3）缓冲轨一端伸缩量缓由以下公式计算：（4）根据预留轨缝的原则冬季轨缝不应超过构造轨缝可得：夏季轨缝不顶紧可得：（5）伸缩区长度可按下式计算：（6）钢轨温度力可按下式计算：四、设计参数选取主要技术指标：北京地区某段提速线路铺设无缝线路。 一、 基本参数选取如下：钢轨屈服强度s457MPa标准轨长度取25m钢轨允许应力352Mpa附加压力本设计可取为0（N）轨枕间距钢轨附加应力（Mpa）10MPa路基填料沙粘土临界温升tk0钢轨支座刚度D检算钢轨30

15、1000（N/cm）变形曲线弦长l04m检算轨下基础720000（N/cm）允许未被平衡超高h75cm曲线最小半径R800m钢的弹性模量E2.1105Mpa机车类型东风11内燃机车钢轨的线膨胀系数11.810-6/设计最大速度Vmax160km/h.接头阻力PH490KN相邻标准轨间预留轨缝ag18mm表（1）二、具体参数如下各表：1、取正线轨道类型如下：项目单位重型运营条件年通过总质量Mt2550列车设计最高速度km/h160轨道结构钢轨Kg/m60混凝土枕型号-铺枕根数根/km1667土质路基单层道渣cm35表（2）2、钢轨断面尺寸特征如下： 钢轨类型kg/m60钢轨类型kg/m60每米质

16、量M/kg60.64轨头所占面积Ah/%37.47断面积A/cm277.45轨腰所占面积Aw/%25.29重心距轨底距离y1/mm81轨底所占面积Ab/%37.24对水平轴的惯性矩Ix/cm43217钢轨高度H/mm176对竖直轴的惯性矩Iy/cm4524钢轨宽度B/mm150下部截面系数W1/cm3396轨头高度h/mm48.5下部截面系数W2/cm3339轨头宽度b/mm73轨底横向挠曲断面系数Wy/cm370轨腰厚度t/mm16.5表（3）3、钢轨头部磨耗轻伤标准如下（V=160km/h）：钢轨kg/m总磨耗/mm垂直磨耗/mm侧面磨耗/mm6012912表（4）4、混凝土枕尺寸如下：轨

17、枕类型主筋数量混凝土等级截面高度/mm截面宽度/cm底面积/cm2质量/kg长度/cm轨下中间端部轨下中间7720320260107C6023.018.530.028表（5）5、轨枕扣件技术性能如下: 扣件性能弹条型扣件性能弹条型每个弹条初始扣压力/KN10弹条变形量/mm10扣压节点垂直静刚度/KN/m60-80调轨距量/mm-812纵向防爬阻力/KN16调高量/mm10表（6）6、附加速度系数如下：附加速度系数和速度范围 km/h电力机车120V160160V200表（7）7、横向水平力系数f如下（取最小曲线半径R=600）：（见轨道- 表5.5）线路平面曲线半径/m800横向水平力系数f

18、1.45表（8）8、北京最高最低及中间轨温如下：地区最高轨温最低轨温中间轨温北京62.6-22.817.6（9）9、等效道床阻力Q如下（线路容许弯曲矢度f=0.2cm）： 线路条件每千米轨枕根数碎石道床、混凝土枕混凝土轨枕肩宽40cm1760 Q=84N/cm表（10）注：本设计中取每千米轨枕数目为1667根/km，查表近似按1760根/km取等效道床阻力。10、混凝土枕线路的初始弯曲如下：（见轨道结构课程设计资料附表2）初始弯曲60kg/m钢轨弹性初弯（mm）2.5塑性初弯（mm）2.5表（11）11、机车类型为: 东风11内燃机车，设计速度取：Vmax=140km/h，机车参数如下：（见轨

19、道结构课程设计资料附表3）机车型号轮轴名称轮重kN轮距cm构造速度km/h东风11（DF11）第一转向架I112.8200客160II112.8200III112.8826.7第二转向架I112.8II112.8200III112.8200表（12）12、道床状态参数指标如下：（见轨道设计规范规表3.0.14）指标轨枕类型速度km/h道床横向阻力q(KN/枕)道床纵向阻力q(KN/枕)道床支承刚度(KN/mm)道床密度(g/cm3)III16010121001.7表（13）路基上无缝线路课程设计（计算书）中和轨温及预留轨缝设计五、计算过程1、计算动弯矩（1）无缝线路钢轨强度检算东风11轮轴重示

20、意图如右图所示车轮荷载采用当量静荷载最大可能值。考虑速度及偏载的因素，车辆垂直当量荷载的最大可能值为：120km/hv160km/h Pd1= P0(1+)( 1+1)+因为钢轨弯矩M0与车轮垂直静荷载P0成正比，因此，在垂直当量静荷载的最大可能值Pd作用下钢轨动弯矩Md为：120km/hv160km/h （2）计算钢轨最大静弯矩。轮载群作用下y,M,R的计算： 弹性位移曲线： 当量荷载： 弯矩： 轨枕反力：其中影响线函数：刚比系数：则最大动弯矩为：速度系数： 内燃机车 偏载系数：，采用75mm（考虑最不利情况）； 附加速度系数：内燃机车为0曲线半径： 曲线上横向水平力系数： f=1.45编程

21、计算（源程序见附表一）用程序计算动弯矩Md运行结果如下:请输入钢轨支座刚度D:30100请输入钢轨轨枕间距a:600请输入钢轨弹性模量E:210000请输入钢轨截面惯性矩Ix:32170000请输入机车的轮重P0i:112800请输入机车的轴距xi:2000钢轨基础弹性模量u= 50.17刚比系数k=0.00116727静弯矩M0=21067183.15请输入轨道允许的最高速度Vmax:160请输入轨道的未被平衡超高值ho:75钢轨上的动弯矩为Md=49792287.3795972、根据稳定性计算允许温度压力由线路条件有：原始弹性弯曲矢度：foe=2.5mm 原始塑性弯曲矢度：fop=2.5m

22、m线路容许弯曲矢度：f=2mm 原始弯曲半波长：l0=4000mm等效道床阻力：84N/cm 曲线半径：R=800m 计算过程如下：1.换算曲率 2. 3. 计算L L=423.7重新计算=0.28cm.4.再设=423.7cm, =0.28cm, 420.2cm5.再设=420.2cm, =0.2759cm, 420.1cm6.将=0.2759cm, 420.1cm带入，得=2390.63KN。7.最后得P= =1838.95KN.3.计算中和轨温（1）计算； （2）计算根据强度条件允许的降温幅度t拉制动而引起的附加应力：安全系数：K1.3（新钢轨） 钢轨容许应力由钢轨的强度条件得：轨底 底

23、dt附sK从强度条件出发，要求无缝线路钢轨冬季最低轨温Tmin时，轨底总拉应力不超过允许应力，夏季最高轨温Tmax时，轨头产生的总压应力也不超过；故强度条件允许的轨温变化幅度为： =64.44 即：允许的轨降温幅度为=64.44。（3）根据稳定条件计算允许的升温幅度：=48.06（4）锁定轨温的确定：=28.09则锁定轨温上限为：=33.09则锁定轨温下限为：=23.09=62.6-23.09=39.51=48.06=33.09+22.8=55.89=64.443.计算长轨和缓冲轨间预留缝a1和缓冲轨与缓冲轨间的预留缝a2 （如下图）（1）长轨条一端伸缩量长由以下公式计算：（2）缓冲轨一端伸缩

24、量缓由以下公式计算：（3）根据预留轨缝的原则冬季轨缝不应超过构造轨缝可得：夏季轨缝不顶紧可得：（4）伸缩区长度可按下式计算：（5）钢轨温度力可按下式计算：计算过程如下：（取中和轨温为算例）1. 从锁定轨温到当地最低温时=977.5KN2. ，查表7-3取490KN3. 道床纵向阻力r=152N/cm=15.2N/mm.4. 计算 4.81mm5.计算=3.02mm6. =18-7.83=10.17mm.7.从锁定轨温到当地最高温度时=662.85KN8. =0.60mm =0.60mm9. =1.20mm8. =5.69mm依次计算23.0933.09下各个温度对应的预留轨缝如下锁定轨温23.

25、0924.0925.0926.0927.0928.0929.0930.0931.0932.0933.09预留轨缝mm7.717.316.90 6.50 6.10 5.695.294.884.484.073.67 锁定轨温31.0932.0933.09预留轨缝mm4.484.073.67 路基上无缝线路课程设计（设计总结）中和轨温及预留轨缝设计六、设计总结普通无缝线路的设计，主要就是中和轨温和预留轨缝的计算，即本次设计的内容。通过本次设计，使我对无缝线路这部分内容得以融会贯通，对无缝线路设计有了更为深刻的了解。通过本次设计，对钢轨的动力计算有了更深刻的理解，对无缝线路强度，稳定性计算也有了更深刻

26、的理解。如何确定一个准确的中和轨温是整个设计的关键，对此需要对轨道强度和稳定性进行系统的计算，这是整个设计的主要工作，本次设计只将动弯矩的计算过程编程，通过计算机计算得到更为精确的结果，而其他部分的计算是通过手算得出，在参数的选择上，大多是按照设计书给出的数据一次带入。所以，总体来说，设计过程很明朗，设计内容也相对简单，计算过程稍微繁琐。最终确定的结果是中和轨温28.09。七、参考文献1、轨道 西南交通大学出版社 李成辉主编；2、铁路轨道 中国铁道出版社 谷爱军主编；3、铁路无缝线路中国铁道出版社 广钟岩等；4、铁道工程 西南交通大学出版社 郝瀛主编。附表一：源程序如下 计算动弯矩Md#inc

27、lude#includevoid main()double D,a,u,k,E,Ix,y0,M0,M01,M02,R0,P0i,xi,x1; printf(请输入钢轨支座刚度D:n);scanf(%lf,&D);printf(请输入钢轨轨枕间距a:n);scanf(%lf,&a);printf(请输入钢轨弹性模量E:n);scanf(%lf,&E);printf(请输入钢轨截面惯性矩Ix:n);scanf(%lf,&Ix);printf(请输入机车的轮重P0i:n);scanf(%lf,&P0i);printf(请输入机车的轴距xi:n);scanf(%lf,&xi);u=D/a;x1=u/(

28、4*E*Ix);k=sqrt(sqrt(x1);M01=1/(4*k)*P0i*(1+exp(-k*xi)*(cos(k*xi)-sin(k*xi)+exp(-k*2*xi)*(cos(k*2*xi)-sin(k*2*xi);M02=1/(4*k)*P0i*(1+2*exp(-k*xi)*(cos(k*xi)-sin(k*xi); if (M01M02) M0=M01;else M0=M02;printf(钢轨基础弹性模量u=%7.2lfn,u);printf(刚比系数k=%7.8lfn,k);printf(静弯矩M0=%10.2lfn,M0);double Vmax,ho,ao1,bo,Md; printf(请输入轨道允许的最高速度Vmax:n);scanf(%lf,&Vmax);printf(请输入轨道的未被平衡超高值ho:n);scanf(%lf,&ho);ao1=0.4*120/100; bo=0.002*ho;Md=M0*(1+ao1+bo)*1.45;printf(钢轨上的动弯矩为Md=%lfn,Md);