课程设计轨道工程课程设计任务书及算例.docx

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课程设计轨道工程课程设计任务书及算例

《轨道工程》课程设计

普通无缝线路结构设计任务书

一、课程设计性质、任务与目的

《轨道工程课程设计》是土木工程专业的一门实践性课程；本课程设计主要训练学生综合运用所学基础知识的能力，培养学生用定性分析方法对问题进行综合分析和评价。

本课程设计是在学过《轨道》的基础知识后，对“轨道强度计算”、“无缝线路轨道设计”、“轨道结构组成”等知识的拓宽与综合应用。

通过作业，使学生在巩固所学轨道结构组成、轨道强度计算的基本方法，熟悉并运用课堂所学内容，从而加深对所学内容的理解，提高综合分析和解决问题的能力。

熟练掌握普通无缝线路设计步骤，了解无缝线路的特点及受力特征。

通过对普通无缝线路的设计，达到对整个轨道体系的全面的认识。

二、设计要求

1．独立完成，有独特见解。

2．文字清晰，条理清楚，步骤完整。

3．文面、图面整洁，装订整齐。

三、设计资料

1.轨温：

（0）兰州地区;

（1）石家庄地区;

（2）西宁地区;（3）西安地区（4）合肥地区;（5）郑州地区;（6）长沙地区。

按自己对应的学号的倒数第二位选取相应地区的轨温。

2.轨道条件

（1）钢轨：

为60kg/m的钢轨、按预期垂磨6mm计算；缓冲区钢轨采用每根长25m的标准轨；轨钢容许应力：

[σs]＝36500×104Pa；

（2）轨枕：

混凝土Ⅱ型轨枕，每公里铺设1840根,a=544mm；

（3）扣件：

接头扣件为ф24mm、10.9级螺栓，六孔夹板；中间扣件为弹条Ⅱ型扣件，橡胶垫板；

（4）道床：

碎石道碴，顶宽3.3m，曲线外侧加宽0.05m。

道碴为一级道碴，道碴厚30cm，底碴厚20cm，道床厚度cm。

3．线路等级及最小曲线半径

（1）线路等级：

I级线路；

（2）最小曲线半径：

Rmin＝600m。

4．行驶机车

最高行驶速度：

Vmax=120km/h；

钢轨支座弹性刚度：

检算钢轨D＝300kN/cm；=0.012283/cm

检算轨下基础D＝720kN/cm；=0.0153/cm

轮重和轴距排列如表1所示。

（共有10种前五种为内燃机车，后五种是电力机车，分别按学号的最后一位选取自己的机车的类型）

表1机车计算资料

类　　型

轮　轴

轮重

（kN）

轮距

（cm）

构造速度

（km/h）

内燃机车

ND2

第一转向架

Ⅰ

105

120

195

Ⅱ

105

215

Ⅲ

105

420

第二转向架

Ⅰ

105

215

Ⅱ

105

195

Ⅲ

105

ND4

第一转向架

Ⅰ

115

120

205

Ⅱ

115

195

Ⅲ

115

930

第二转向架

Ⅰ

115

195

Ⅱ

115

205

Ⅲ

115

东方红４

第一转向架

Ⅰ

115

120

180

Ⅱ

115

210

Ⅲ

115

787

第二转向架

Ⅰ

115

210

Ⅱ

115

180

Ⅲ

115

NY5

第一转向架

Ⅰ

108.5

120

255

Ⅱ

108.5

180

Ⅲ

108.5

820

第二转向架

Ⅰ

108.5

180

Ⅱ

108.5

255

Ⅲ

108.5

NY7

第一转向架

Ⅰ

115

120

255

Ⅱ

115

180

Ⅲ

115

870

第二转向架

Ⅰ

115

180

Ⅱ

115

255

Ⅲ

115

类　　型

轮　　轴

轮重

（kN）

轮距

（cm）

构造速度

（km/h）

电力机车

韶山３

第一转向架

Ⅰ

115

120

230

Ⅱ

115

200

Ⅲ

115

780

第二转向架

Ⅰ

115

200

Ⅱ

115

230

Ⅲ

115

6Y2

第一转向架

Ⅰ

115

120

233.5

Ⅱ

115

233.5

Ⅲ

115

801.6

第二转向架

Ⅰ

115

233.5

Ⅱ

115

233.5

Ⅲ

115

韶山2

第一转向架

Ⅰ

115

120

233.5

Ⅱ

115

233.5

Ⅲ

115

593

第二转向架

Ⅰ

115

233.5

Ⅱ

115

234.5

Ⅲ

115

韶山1

第一转向架

Ⅰ

115

120

230

Ⅱ

115

230

Ⅲ

115

580

第二转向架

Ⅰ

115

230

Ⅱ

115

230

Ⅲ

115

NY7

第一转向架

Ⅰ

115

120

255

Ⅱ

115

180

Ⅲ

115

870

第二转向架

Ⅰ

115

180

Ⅱ

115

255

Ⅲ

115

表2钢轨截面特性表

垂直磨耗（mm）

项目

钢轨类型（kg/m）

75

60

50

0

断面积F（cm2）

95.06

77.45

65.8

对水平轴惯性矩ＪX（cm2）

4490

3217

2037

对竖直轴惯性矩Ｊy（cm2）

661

524

377

轨底截面系数Ｗ１（cm３）

509

396

287

轨头截面系数Ｗ２（cm３）

432

339

251

6

对水平轴惯性矩ＪX（cm2）

2879

1827

对竖直轴惯性矩Ｊy（cm2）

498

360

轨底截面系数Ｗ１（cm３）

375

275

轨头截面系数Ｗ２（cm３）

291

230

9

对水平轴惯性矩ＪX（cm2）

2690

1702

轨底截面系数Ｗ１（cm３）

363

264

轨头截面系数Ｗ２（cm３）

264

216

表3速度系数

牵引种类

速度系数

计算轨底弯曲应力用

计算轨道下沉及轨下基础各部件的荷载及应用

内燃

电力

表4钢轨强度

钢　　种

屈服极限Mpa

强度极限Mpa

Ｕ７４　　,Ｕ７４ＣＵ

410

785

Ｕ７１Ｍn　,　Ｕ７1MnSiCu

456

883

表5道床纵向阻力

轨道特征

单根轨枕的道床纵向阻力R（N）

一股钢轨下单位道床纵向阻力r（N/mm）

1840根/km

1760根/Km

木枕线路

7000

6.4

6.1

混凝土枕线路

10000

9.1

8.7

5．线路条件

原始弹性弯曲矢度:

f0e=0.3cm；

原始塑性弯曲矢度:

fop＝0.3cm；

线路容许弯曲矢度:

f＝0.2cm；

原始弯曲半波长：

＝400cm；

等效道床阻力：

Q＝87N／cm；

钢轨对竖直轴的惯性矩：

Jy＝524cm4；

轨道框架换算系数：

β＝2。

6.《铁路线路修理规则》中的有关无缝线路的一些规定

第1条　允许速度为120km／h（不含）～160km／h的线路应铺设跨区间或全区间无缝线路，允许速度大于160km／h的线路应铺设跨区间无缝线路。

第2条温度应力式无缝线路，一般由固定区、伸缩区、缓冲区三部分构成。

固定区长度不得短于50m。

伸缩区长度应根据年轨温差幅值、道床纵向阻力、钢轨接头阻力等参数计算确定，一般为50～100m。

缓冲区一般由2～4节标准轨（含厂制缩短轨）组成，普通绝缘接头为4节，采用胶接绝缘接头时，可将胶接绝缘钢轨插在2节或4节标准轨中间。

缓冲区钢轨接头必须使用不低于10.9级的螺栓，螺栓扭矩应保持在700～1100N·m。

绝缘接头轨缝不得小于6mm。

第3条　无缝线路必须有足够的强度和稳定性。

铺设无缝线路应采用标准轨道结构，根据各地轨温幅度并按《铺设无缝线路允许温差表》（附录六）所列允许温升[△tu]和允许温降[△td]计算中和轨温，确定设计锁定轨温。

特殊情况需加强轨道结构时，应根据行车条件和线路平纵断面情况进行强度、稳定性及缓冲区轨缝检算。

中和轨温按下式计算：

式中[△td]，[△tu]——允许温降和允许温升（附录六）；

Tmax，Tmin——当地历史最高、最低轨温；

[△tk]——中和轨温修正值，取0～5℃。

第4条曲线半径小于400m或当地最大轨温幅度超过《铺设无缝线路允许温差表）（附录六）中允许铺设无缝线路最大轨温幅度时，应作特殊设计。

长大坡道、制动地段及行驶重载列车区段铺设无缝线路时，可采取加强措施。

第5条桥上铺设无缝线路应满足下列要求：

一、位于无缝线路固定区的跨度不大于32m的简支梁桥。

二、当地最大轨温变化幅度、桥长及其采用轨枕、扣件符合表5的规定。

三、无缝线路在桥梁两端路基上每端锁定长度均不应小于100m。

不在上述规定之列的桥梁，应对钢轨、墩台的受力状态、冬季钢轨折断时断缝的大小进行检算。

若各项检算结果未超过允许值则可铺设。

桥梁有浅基、孔径不足、偏心超限、载重等级不足或支座、墩台病害等，铺设无缝线路前必须进行严格检算。

表5桥上扣件相关规定

钢轨类型（kg／m）

最大轨温幅度（℃）

允许桥梁长度（m）

扣件类型与扭矩

钢梁桥和混凝土梁无碴桥

混凝土梁有碴桥

50

60～70

≤300

钢梁桥：

K型扣件

混凝土梁无碴桥：

WJ－2型扣件

扣件扭矩：

60～80N·m

加强桥头线路的锁定

YJ一1型扣件扭矩：

60～80N·m

弹条I型、弹条Ⅱ型扣件扭矩：

与线路上相同

加强桥头线路的锁定

71～80

≤240

81～90

≤200

91～100

≤160

60

60～70

≤220

7l～80

≤200

81～90

≤160

9l～100

≤100

第6条　无缝线路轨道结构应具备的条件：

一、路基。

路基稳定，无翻浆冒泥、冻害及下沉挤出等路基病害。

二、道床。

一级碎石道碴，碎石材质、粒径级配应符合标准，道床清洁、密实、均匀。

跨区间无缝线路道岔范围内道床肩宽450mm。

三、轨枕及扣件。

混凝土枕、混凝土宽枕或有碴桥面混凝土枕，特殊情况可使用木枕。

混凝土枕、混凝土宽枕应使用弹条扣件，木枕应使用分开式扣件。

四、钢轨。

普通无缝线路应采用50kg/m及以上钢轨，全区间及跨区间无缝线路应采用60kg/m及以上钢轨

第7条普通无缝线路轨条长度应考虑线路平纵断面条件及道岔、道口、桥梁、隧道所处的位置。

总长度度不足1km的桥梁、隧道，轨条应连续布置。

但在小半径曲线、列车制动、停车、起动、钢轨顶面擦伤严重等地段，应单独布置轨条。

轨条长度不应短于200m，特殊地段不应短于150m。

第8条　缓冲区和伸缩区不应设置在道口或不作单独设计的桥上。

有碴桥跨度不大于16m时，伸缩区可设置在桥上，但轨条接头必须在护轨范围以外。

第9条　钢轨焊接作业质量应符合《钢轨焊接技术条件》（TB/T1632.1～TB/T1632.4）的要求。

第10条　联合接头不得设置在道口、桥台、桥墩或不作单独设计的桥上，距桥台边墙不应小于2m。

位于中跨度桥上的联合接头应布置在1/4～l/2桥跨处，并避开边跨；在大跨度桥上，应远离纵梁断开处。

允许速度大于160km/h的线路，铝热焊缝距轨枕边不得小于100mm，其他线路不得小于40mm。

第11条　跨区间及全区间无缝线路的维修管理应以一次锁定的轨条为管理单元，无缝道岔应以单组或相邻多组一次锁定的道岔及其间线路为管理单元。

第12条　跨区间无缝线路内铺设的道岔必须设在固定区。

跨区间和全区间无缝线路和无缝道岔上的绝缘接头必须采用胶接绝缘，其质量应符合《钢轨胶接绝缘接头技术条件》（TB/T2975）的要求。

不同类型的钢轨应采用异型轨联结，所用异型轨应符合（异型钢轨技术条件）（TB/T3066）的要求。

第13条　无缝道岔应做单独设计。

第14条　普通无缝线路每段应设位移观测桩5～7对，固定区较长时，可适当增加对数（其中固定区中间点1对，伸缩区始、终点各1对，其余设置在固定区）。

跨区间和全区间无缝线路，单元轨条长度大于1200m时，设置7对位移观测桩（单元轨条起、讫点，距单元轨条起、讫点100m及400m和单元轨条中点各设置1对）；单元轨条长度不大于l200m时，设置6对位移观测桩（单元轨条起、讫点，距单元轨条起、讫点100m及400m各设置1对）。

无缝道岔设3对观测桩，在间隔铁或限位器处设1对，在岔头、岔尾处各设1对。

位移观测桩必须预先埋设牢固，内侧应距线路中心不小于3.1m。

在轨条就位或轨条拉伸到位后，应立即进行标记。

标记应明显、耐久、可靠。

固定区累计位移量大于10mm时，应及时上报工务段查明原因，采取相应措施。

第15条　无缝线路的锁定轨温必须准确、均匀，有下列情况之一者，必须做好放散或调整工作：

一、实际锁定轨温不在设计锁定轨温范围以内，或左右股轨条的实际锁定轨温相差超过5℃；

二、锁定轨温不清楚或不准确；

三、跨区间和全区间无缝线路的两相邻单元轨条的锁定轨温差超过5℃，同一区间内单元轨条的最低、最高锁定轨温相差超过10℃；

四、铺设或维修作业方法不当，使轨条产生不正常的伸缩；

五、固定区或无缝道岔出现严重的不均匀位移；

六、夏季线路轨向严重不良，碎弯多；

七、通过测试，发现温度力分布严重不匀；

八、因处理线路故障或施工改变了原锁定轨温；

九、低温铺设轨条时，拉伸不到位或拉伸不均匀。

第16条在无缝线路地段进行基建、大修（线路、桥隧、路基）、变更无缝线路结构或部分拆除时，必须有经铁路局批准的设计文件和施工安全技术组织措施。

四、设计内容

一）确定设计锁定轨温

1.计算M0，R0，Md，Rd；

2.钢轨强度计算,根据强度条件确定容许降温幅度；

3.稳定性计算,根据稳定条件确定容许的升温幅度；

4.根据断缝条件确定容许降温幅度；

5.确定设计锁定轨温

二）轨道结构强度检算

1.钢轨强度检算;

2.轨枕强度检算;

3.道床顶面应力检算；

4.路基基床表面应力检算；

三）无缝线路结构计算

1.伸缩区长度计算；

2.防爬设备的布置；

3.缓冲区预留轨缝计算；

4.压力峰检算；

5.位移观测桩布置原则

五、设计成果

设计说明书一册（必须用手写，A4白纸，打印封面，封面上必须有设计题目，姓名、学号、班级，指导教师）

六、时间安排：

本设计从2012年6月31日开始，务于2011年7月6日前完成，并上交至道路与铁道工程系。

指导教师：

xx2013年6月25日

参考算例

（一）有关资料

北京地区铺设无缝线路，相关已知条件如下：

1.轨温：

最高轨温：

Tmax=62.6℃

最低轨温：

Tmin=-22.8℃

2.轨道特征

（1）钢轨：

为60kg/m的钢轨、按预期磨耗6mm计算；缓冲区钢轨采用每根长25m的标准轨；

（2）轨枕：

混凝土Ⅰ型轨枕，每公里铺设1840根；

（3）扣件：

接头扣件为ф24mm、10.9级螺栓，六孔夹板；中间扣件为弹条Ⅰ型，橡胶垫板；

（4）道床：

碎石道碴，顶宽3.3m，曲线外侧加宽0.05m。

3．线路等级及最小曲线半径

（1）线路等级：

I级线路；

（2）最小曲线半径：

Rmin＝600m。

4．行驶机车

东风4型内燃机车；最高行驶速度：

Vmax=120km/h;

轮重和轴距排列如图1所示。

图1机车轮重与轴距

（二）设计步骤和方法

1．强度计算

轨道有关资料

钢的弹性模量：

E＝21×104Mpa；

钢轨的线膨胀系数：

α＝0.0000118/℃;

轨钢容许应力：

[σs]＝365Mpa；

钢轨对水平轴的惯性矩：

Jx＝2879cm4；

钢轨对竖直轴的惯性矩：

Jy＝498cm4；

轨底断面系数：

w1＝375cm3；

轨头断面系数：

w2＝291cm3；

支座弹性系数：

D＝300kN／cm；=0.012283/cm

支座弹性系数：

D＝700kN／cm；=0.0153/cm

轨枕间距：

a＝54.5cm。

表1已知条件

参数

Tmax

Tmin

E

α

D钢轨

D轨下基础

K钢轨

K轨下基础

数值

62.6

-22.8

21000000

0.0118

300000

720000

0.012283

0.015288

单位

℃

℃

N/cm2

mm/m·℃

N/cm

N/cm

cm-1

cm-1

参数

[σs]

Jx

W1

W2

PH

r

F

a

数值

365

2879

375

291

570000

91

77.45

54.5

单位

mpa

cm4

cm3

cm3

N

N/cm

cm2

cm

参数

f0e

fop

f

l0

Q

Jy

β

R

数值

0.3

0.3

0.2

400

87

498

2

60000

单位

cm

cm

cm

cm

N/cm

cm4

cm

参数

L

e

a1

B＇

e＇

b

数值

250

95

50

15

120

27.5

单位

cm

cm

cm

cm

cm

cm

（1）计算∑P0μ

①检算钢轨用∑P0μ

表2以第1轮位作为计算轮位∑P0μ计算表

计算值

轮位

∑P0μ（N）

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

P0（N）

115000

115000

115000

115000

x（cm）

0

180

360

1200

kx

0

2.211

4.421

14.739

μ=

1.000

-0.153

0.00807

0.00000

P0μ（N）

115000

-17636.915

927.7584

-0.0634

98290.8

表3以第2轮位作为计算轮位∑P0μ计算表

计算值

轮位

∑P0μ（N）

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

P0（N）

115000

115000

115000

115000

x（cm）

180

0

180

1020

kx

2.2109

0

2.211

12.528

μ=

-0.15336

1.0000

-0.153

0.000

P0μ（N）

-17636.9

115000

-17636.9

0.431

79726.6

∑P0μ取较大的为98290N

②检算轨下基础用∑P0μ

表4以第1轮位作为计算轮位∑P0μ计算表

计算值

轮位

∑P0μ（N）

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

P0（N）

115000

115000

115000

115000

x（cm）

0

180

360

1200

kx

0

2.751859559

5.504

18.346

μ=

1.0

-0.035

0.00003

0.00000

P0μ（N）

115000

-3999.741

3.928

0.00049

111004

表5以第2轮位作为计算轮位∑P0μ计算表

计算值

轮位

∑P0μ（N）

项目

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

P0（N）

115000

115000

115000

115000

x（cm）

180

0

180

1020

kx

2.752

0

2.752

15.598

μ=

-0.0348

1.00000

-0.0348

0.00000

P0μ（N）

-3999.741

115000

-3999.741

-0.0171

107001

∑P0μ取较大的为111004N

（2）钢轨静弯矩计算（见课本P73例题）N·m

（3）轨枕上静压力计算（为检算轨下基础做准备）

（4）轨枕上的动压力计算

Rd=（1＋α＋β）R0=（1+0.36+0.15）*46244=69829N

（5）钢轨动弯矩计算

钢轨动弯矩Md：

Md=（1＋α＋β）f·M0

速度系数α：

偏载系数β：

采取未被平衡欠超高Δh=75mm

β=0.002·Δh=0.002×75=0.15

横向水平力系数f：

f＝1.6

所以

Md＝（1＋0.48＋0.15）×1.6×20006=52175N·m

（6）钢轨动弯应力计算

轨底动弯应力σ1：

MPa

轨头动弯应力σ2:

MPa

（7）钢轨制动应力

列车制动时，在列车前面的钢轨受压，后面的钢轨受拉。

采取钢轨制动应力σf＝10MPa

（8）容许的轨温变化幅度计算

根据强度条件，计算容许的轨温变化幅度，其条件式为：

σd＋σt＋σf≤[σs]

而σt=2.5·Δt（MPa）

所以，轨底容许的降温变化幅度为：

℃

轨头容许的升温变化幅度为：

℃

2．稳定压力计算

（1）线路条件

原始弹性弯曲矢度:

f0e=0.3cm；

原始塑性弯曲矢度:

fop＝0.3cm；

线路容许弯曲矢度:

f＝0.2cm；

原始弯曲半波长：

＝400cm；

等效道床阻力：

Q＝87N/cm；

钢轨对竖直铀的惯性矩：

Jy＝498cm4；

轨道框架换算系数：

β＝2。

（2）温度压力计算

有塑性原始弯曲圆曲线的合成曲率为：

/cm

有关数据计算：

βπ2EJY＝2×9.87×21×106×524＝2.06×1011N·cm

验算变形曲线长度:

=

=20.43×104cm2

=452.0cm

因计算得=452.0cm，与400cm相差较大，再设0=452.0cm，重新计算f'0e：

cm

将f'0e=0.383cm代入，验算变形曲线长度：

=21.01×104cm

因计算得=458.3cm,与452cm还有一定误差，再设0=458.3cm，重新计算f'0e：

cm

将f'0e=0.394cm代入，验算变形曲线长度：

=21.08×104cm

=459.1cm

=459.1cm与上面的

=458.3cm相接近，因此将2＝21.08×104cm，f'0e=0.394cm代入下式，求温度压力PN。

N

（3）容许温度压力计算

采取安全系数：

K＝1.25

容许温度压力[P]

N

（4）容许的升温变化幅度计算

根据稳定性条件，计算容许的升温变化幅度。

钢轨断面积F＝77.45cm2

容许的增温变化幅度为：

℃<=70.3℃（强度条件允许温升）

所以℃

3．锁定轨温计算

⑴由强度和稳定条件确定锁定轨温

铺轨下限锁定轨温（受稳定条件限制）：

℃

铺轨上限锁定轨温（受强度条件限制）：

℃

故20.8℃

（2）确定的锁定轨温

规范中规定锁定轨温的取值为

式中[△ts]，[△tc]——允许温升和允许温降；

Tmax，Tmin——当地历史最高、最低轨温；

[△tk]——中和轨温修正值，取0～5℃。

但考虑到为了便于施工，一般应保证设计锁定轨温较中间轨温的上浮一个值，本设计采用：

f——一般应保证设计锁定轨温较中间轨温的上浮值，取为3~5℃。

故分析得出其范围为