[线路知识]铁路线路阻力:钢轨接头阻力

1.接头阻力的定义

在钢轨接头处，两根钢轨端部由夹板通过螺栓和螺帽拧紧，由此产生的阻止钢轨端部伸缩变化的摩阻力称为接头扣件阻力，简称接头阻力。

2.接头阻力的组成

接头阻力由钢轨与夹板之间的摩阻力和螺栓抗剪力组成，为了确保安全，只考虑摩阻力。

3.接头阻力的计算

夹板受力图

摩阻力大小主要取决于接头螺栓拉力P和钢轨与夹板接触面之间的摩擦系数f。接头螺栓拧紧后，螺栓产生拉力P，在上、下接触面上有分力，使接触面之间产生摩擦力F和正压力N, N和F的合力称为全约束反力R，即

R=F+N

由上图可知，全约束反力R与螺栓拉力P之间的关系为󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

$$R=\frac{P}{2 \cos \theta }=\frac{P}{2 \sin (\alpha +\varphi ) } $$󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

式中

P——一个螺栓被拧紧后产生的拉力( kN );󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

a—— 夹板接触面(或轨底顶面)倾角，tan a=i ；

φ——摩擦角;

i——轨底顶面接触面斜率，43、60 kg/m钢轨i=1/3；50、75 kg/m钢轨i=1/4。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

每个接触面间产生的摩擦阻力F为

$$F=N\cdot f=R \cos \varphi \cdot f=\frac{P \cos \varphi }{2 \sin(\alpha +\varphi )}\cdot f$$󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

接头的两块夹板与钢轨有4个接触面，一个螺栓所对应的4个接触面上产生的摩阻力S为󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

$$S=4F=\frac{2P \cos \varphi }{\sin(\alpha +\varphi )}\cdot f$$󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

接头一端有3个螺栓，因此，总接头阻力为󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

$$P_H=\frac{6f \cos \varphi }{\sin(\alpha +\varphi )}\cdot P \qquad (公式5)$$󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

螺栓拉力P取决于拧紧螺母的扭矩，扭矩T与P的关系用经验公式表示为󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

T= K·D·P   （式6）

式中

T——接头螺栓扭矩 (N·m)；󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

P——螺栓拉力(kN)；

D——螺栓螺杆部分的直径 ( mm )；󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

K—— 扭矩系数，K=0.18~ 0.23。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

扭矩系数K与螺栓结构、加工状况、螺栓的保养及涂油情况有关。在其他条件相同情况下，螺栓保养得越好，K值越小。这样较小的扭矩就可以得到较大的接头阻力。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

式(5)为静态情况下的接头阻力。接头在动载作用下，阻力要下降，下降的程度与列车运行情况、轨道状态及接头扭矩有关。因此，应考虑动载的影响，把式(6)代人式(5),并考虑动载影响系数K，则式(5)可改写为󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

$$P_H=\frac{6f \cos \varphi }{K_1 \sin(\alpha +\varphi )}\cdot \frac{T}{KD} \qquad (公式7)$$󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

式中K一 动载影响系数，K₁=1.0~ 1.3。

对于43、50kg/m钢轨, T≤600N·m时，K₁=1.2;T> 600N. m时，K₁=1.1。

对于60 kg/m钢轨, T≤600N·m时，K₁=1.1;

T> 600N. m时，K₁=1.0。

4.接头阻力的主要影响因素

由式(7)可以看出，P_h与f、a、K、K₁、D及T有关，尤其是摩擦系数f，更受自然条件行车情况及使用时间等因素的影响，新轨、新夹板的f=0.5~0.6,使用几年后，接触面被磨亮，f下降到0.18~ 0.2，从而使接头阻力衰减很多。

考虑到大多数线路的情况，设计时采用偏低的f值,取f=0.2;一般情况扭矩系数取K=0.21,对于60 kg/m钢轨的无缝线路，用优质螺栓，并认真涂油，可取K=0.19。为了保持必要的接头阻力，一、二、三级螺栓的扭力矩分别不应低于900、700和400N·m。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄩󠄧󠄞󠄩󠄞󠄡󠄦󠄨󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

5.接头阻力的建议值

北京交通大学通过大量试验，测得在不同技术条件下钢轨的接头阻力值，并根据试验分析结果，提出表中所示的建议值。

表1 接头螺栓的扭力矩与接头阻力

近年来，一些铁路局还研制了高摩擦阻力的接头(又称MG接头)。该接头的最高接头阻力可达1900kN,平顺性和整体性好，对抵抗钢轨纵向温度力有足够的强度。

文章来源：

本文摘抄由刘兴文主编的《铁路轨道》2011年版