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轨水平力Q作用。轮重垂直力P使送轮轨轨端下挠，轨缝形成台阶；轮轨水平力Q使送轮轨轨端外翻或内倾，轨缝在平面上形成错牙。由于接头区轨道的受力和变形主要源自于车轮的垂向作用，因此本文研究垂向受力，暂不考虑横向受力和变形的情况。同一接头，在车轮相同速度的情况下，轮重垂直力P越大，则台阶值z越大，通过轨缝A越大，迎轮轨轨端形成的冲击荷载P越大。冲击荷载P是引起轨头破损、螺栓孔裂纹和接头轨枕裂纹的主要原因，同时将导致道床较大的振动加速度，致道砟破碎、道床沉陷、边坡坍塌。运营速度不变，提高列车轴重，则轮重垂直力P增大，夹板接头减少冲击荷载P 的最有效措施之一就是提高夹板的竖向抗弯刚度，以减少台阶z值。[7]
接触算法接触问题是一种高度非线性行为，当两个分离的表面相互碰触并互切时，就称它们处于接触状态。一般情况下处于接触状态的表面具有不相互穿透、能够传递法向压力和切向摩擦力、不传递法向拉力的特点，因此接触表面可以自由地分开并相互远离。对于接触问题的分析，为了阻止接触表面相互穿透，这两个表面间必须建立一种接触约束。由于接触问题边界条件事先未知，无法直接使用自然变分原理，故需要采用约束变分原理来建立接触约束。约束变分原理是将位移函数应事先满足的附加条件，引入泛函，变为无附加条件的变分原理。通过提高夹板的水平轴惯性矩来提高接头夹板的抗弯刚度。首先考虑没有接头仅有75 kg／m钢轨母材，受到375 kN(30 t轴重)垂向力的情况；其次将夹板的抗弯刚度比分别从既有的31％提高到50％，60％，80％，90％直至100％。计算结果如表4-2所示
表4-2 30t轴重情况下钢轨母材及不同抗弯刚度夹板的计算结果 位置 计算物理量 50% 1.456 60% 1.428 夹板抗弯刚度比 80% 1.393 90% 1.380 100% 1.369 标准钢材 接头 钢轨最大垂向位移 最大弯曲压应力 一侧夹板 0.553 0.481 0.419 0.406 0.396 4.6 本章小结
本章重点介绍了重载铁路病害防治养护，钢轨折损，断轨整治。另外介绍了钢轨波形磨耗和接头夹板抗弯强度等相关知识。
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第5章 高速重载铁路及曲线养护
5.1 高速重载线路钢轨损伤特性
我国20世纪90年代开始发展重载铁路，截至目前为止，对重载线路钢轨的损伤主要有波磨、侧磨、剥离掉块与钢轨压馈等，这些损伤大都伴随着严重的塑性变形和磨损。钢轨侧磨已成为重载曲线线路上钢轨损伤的主要类型，尤其是在小半径曲线上更为严重。列车在直线段行使时，一般为一点接触，即车轮踏面和钢轨顶面的接触；当行使到曲线时，由于惯性力而使车轮的轮缘部分与钢轨侧面接触，形成两点接触状态，进而对钢轨的侧面造成侧向挤压力，导致轨侧材料发生塑变；在曲线段时，由于轮缘与轨侧之间存在着滑动，导致钢轨侧面产生严重磨损。钢轨波形磨损是指钢轨投入使用后，轨顶面沿纵向出现有一定规律性的波浪形状的不平顺现象，通常简称钢轨波磨。钢轨波磨是由于较大的轮轨载荷导致钢轨塑性变形不均匀而形成的；国内外专家学者对钢轨波磨进行了大量的研究工作，认为材料表层的塑性流动和表面的疲劳是形成波磨的主要因素。[6]
5.2 重载线路铝热焊接头轨头下部夹杂缺陷分析
由于重载线路逐年扩能改造，铁路运量、轴重和单列最大载重不断增加，钢轨及其焊接接头磨耗和伤损日益严重，对铁路钢轨焊接接头的性能提出了更高的要求。钢轨铝热焊是钢轨线路原位焊和线路补修的重要焊接方法，具有机动性好、操作方便、可不依赖电力、焊接时间短、焊接占用空间小、接头平顺性高等特点，适于现场施工或用于断轨抢修，如图5-1。
图5-1 铝热焊接头图
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但与闪光焊和气压焊相比，钢轨铝热焊接是一种场人工焊接。人员操作和配套机具对焊接质量影响很大，因而焊接接头的质量波动较大。我国重载线路主要使用法国和我国铁科院生产的焊剂和相关设备。采用铝热焊剂分为2种：一种焊缝硬度在HB310～HB320，用于焊接U75V钢轨，另一种焊缝硬度HB350～HB360，用于焊接热处理钢轨。轨头下部夹杂缺陷也是铝热焊接头伤损的重要原因之一。夹杂一般由熔渣微粒或杂质被封闭在焊缝内时产生．其存在会显著降低接头寿命。夹杂缺陷通常与焊接设备不合要求，人工操作不当有关，但由于重载线基金项目：铁道科学技术研究发展中心基金项目采用75 kg／m的重轨，焊接经验不足也可能是原因之一为了解重载线路钢轨铝热焊接头轨头下部夹杂的基本状况，分析其产生原因，有必要对典型的轨头下部夹杂进行研究。
5.3 重载标准轨铁路的接头养护
工务部门养护维修工作量多用于接头养护．接头的养护主要是： (1) 根据气温变化情况，及时调整不良轨缝，保持适合的轨缝； (2) 保持接头螺栓和扣件的扭力，使接头部分连接保持稳定状态； (3) 接头部分道床在捣固时要保证良好的捣固质量； (4) 对低扣接头要进行平轨处理；
(5) 下弯的夹板要更换为上弯夹板或减振夹板；
(6) 要重视对轨面的修理，对于出现的轨端不均匀磨耗、掉块、擦伤等缺陷和病害要采取焊补、打磨等多种方式进行修理；
(7) 改善接头部位道床的弹性，主要是清筛板结和翻浆道床，更换磨圆的石碴； (8) 改善轨下弹性垫层，保持轨下垫层的良好弹性，可以更换高弹胶垫或TD型复合胶垫。
5.4 加强重载铁路运输线路养护维修检测的技术措施
(1) 研制轨道整体特性检查车轨道整体特性检查车(又称轨道构造检查车，轨道结构试验车，加载试验车)，能够通过轮轨相互作用，模拟列车对轨道加载，对轨道动态响应做定量分析。轨道整体特性检查车可以检测轨道垂直及横向强度、轨距扩宽、轨道弹性和轨道横向阻力，并能模拟轮缘爬轨而产生的脱轨过程试验。轨道整体特性检查车对轨道整体及轨道部件设计，检验轨道承载能力，发现隐蔽性病害，防止脱轨有重要意义。特别是根据轨道整体特性检查结果，确立轨道实际承载能力，预留台理
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储备，规定轨道容许运量限值。轨道整体特性检查车是消除决策盲目性、增加科学性、实现轨道与运量匹配、发挥重载运输最佳经济效益的有效工具。
(2) 研制钢轨探伤车轨道超负荷是钢轨伤损加剧、断轨增多的根本原因之一。广州铁路局统计表明，1987年正线钢轨折损根数是1984年的14倍，焊缝折损增长7.4，重伤轨增长91.1。路年断轨约2000根。这些数字还将随运量增加而增长。断辊具有随机性和窦发性，因断轨导致列车倾覆，严重危及行车安垒。我国采用小型超声波探伤仪，技米性能低，无法适应运量大、速度高、行车间隔时间短的要求。研制先进的高性能的探伤车，是改变探伤落后被动局面的出路。
(3) 研制限界检查车桥梁、隧道、站台及沿线设备不得侵入建筑限界。我国各重载线路的修建年代不同，建筑限界标准不同，线路改造或修理，牵引机车种类变化和电气化改造，使线路与各建筑物及设备相对位置改变，水文地质等原因引起大型结构物变位，大型超重货物件数运件的增加，都需要解决重载运输线路的限舁检测。我国的限界检查技术落后。隧道限界检查车主要还是采用机械触手检查架，检查精度低，干扰运输，电气化区段不能使用。兰州铁路局从1970年开始使用光浏摄影隧道限界检查车，可在正常行车速度下施测，不必封锁区间，也可在电气化区段使用。该检查车测量误差大、工作欠稳定，人工判读工作量大，许多技术问题有待解决。国外限界检查车种类很多，按其工作原理主要有机械触手、摄影和几何光学前方交会几种方法。检浏速度在每小时几公里到十几公里之间。这些限界检查车都是以车体作为座标基准对限界进行测量，未考虑轨道不平顺及车体位移影响，因而存在着较大测量误差。英国于1987年研制成功电视摄像双三角测量原理的铁路结构限界检查车。
5.5 重载铁路曲线养护方法的探讨
朔黄铁路如图5-2是一条重载运煤专线，牵引定数5 500 t，轴重215 kN。K0+248段属山区铁路，最大坡度12 j，上下行线共有曲线356条，累计里程19 015 km，其中R=800 m的曲线有216条，累计里程13 418 km。由于曲线本身线形的特点，使机车车辆在运行中轮轨间横向力、导向力和摩擦力较之在直线上要大得多，促使线路的轨距、水平、方向、高低变化和钢轨的侧磨加快。因此曲线地段的线路质量比直线地段更难保持，钢轨的使用寿命也比直线地段要短得多。曲线半径越小，这种现象就越明显，养护维修就越困难，投入的人力物力也就越多。针对这一现状，为确保运营安全，原平分公司对曲线的养护工作在贯彻/预防为主，防治结合，修养并重原则的同时，制订了设备加强化、检查细致化、作业标准化、项目齐全化的曲线精细化养护方法，获得了预期的效果。
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(1) 设备加强化
采用7桩定位、加拉轨距杆的方法来加强曲线线形，以消灭直缓点和圆缓点附近列车横向振动的激扰点。在直缓点和缓圆点附近，由于直线与缓和曲线连接及缓和曲线与圆曲线连接，因曲率变化大使附近线路的状态较为复杂。如果这两点的线路方向不良，则在这两点附近往往成为机车车辆横向振动的激扰点(在列车由直线进入曲线时，直线段方向不良使机车车辆在直线上产生横向振动的激扰点，使横向振动由直线带入曲线)，从而造成曲线线形变化，我们采用埋设钢轨桩进行7桩定位，即在直线段50 m处、ZH、HY、QZ、YH、HZ计7点上利用钢轨桩加拉轨距杆来控制7点的线形，每月进行定时观测，发现线路状态不良及时进行拨正整治，使圆曲线、缓和曲线、直线都保持良好的几何状态，在拨正曲线的同时要加拉轨距杆。因为曲线是线路上的一个薄弱环节，所以我们需加强曲线的技术管理，其中包括：正确设置曲线的超高和核查在曲线上的行驶速度；坚持对曲线部位定期检查和涂油；建立曲线技术台帐和正矢检查记录。通过这些措施摸索出钢轨产生病害的原因，及时采取相应的措施。
(2) 检查细致化
但目前，曲线的圆顺度是用20 m弦线进行控制的，在10 m范围内往往尚有不圆顺的情况，通常用20 m弦测量曲线的正矢差很好，但有局部曲线圆顺度不良。我们在R=800 m的曲线上采用增5 m测点进行测量以拨正曲线，对于重点磨耗曲线每半月进行一次测量并拨正一次，使曲线圆顺度处于良好的状态。同时要加强钢轨接头的整治，扭紧接头螺栓使扭力距控制在500 N m，在小半径曲线接头处加拉轨距杆，以消除接头支嘴。测量正矢，计算拨道量在测量正矢以前，应先定好桩点位置，先把曲
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图5-2 朔黄铁路线