钢枕的结构特点及与传统轨枕的比较

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  最早提出使用钢枕的是法国,20世纪初,有些国家才开始生产钢枕和钢筋混凝土轨枕,以代替枕木。然而,因为钢枕的金属消耗量过大,造价不菲,体积也笨重,没有推广开来,只有德国等少数国家还在使用。而许多国家从上世纪50年代起,开始普遍生产钢筋混凝土轨枕。当时在欧洲发展最快,现在使用钢枕最多的国家有德国、法国、瑞士及南美洲。德国最多时钢枕已经占全国线路的40%,日本钢枕早起全部由欧洲进口。近年来,由于各国线路都有向高速和重载发展的趋势,而高速和重载对线路的冲击力都很大,由于连续运输给线路维修的时间很短,这就给了钢枕光明的发展前景。
  钢枕技术参数
  图1、图2是德国钢枕的技术参数。
  图1、图2的两种钢枕都是德国产,其中70公斤槽型钢枕的技术特点如下:
  ·70公斤槽型钢枕的设计依据
  德国58.3公斤钢枕应用较广,我国胶济、滇越铁路也曾铺设。70公斤槽型钢枕主要参数与58.3公斤钢枕大致相同。基本尺寸:长度2700毫米,宽度232毫米,高度75毫米,腹厚9毫米。抗弯矩W为29.4立方厘米。
  ·设计细节
  断面尺寸的确定:
  为了增加钢枕的惯性力矩和抗弯矩,以及上下部应力趋于相等,因此,加大了高度和断面积。惯性力矩和断面高度的四次方成正比,将高度设计为了85mm。
  钢枕的腹部和钢轨或者垫板相接触,磨损较大,腹部厚度设计为10mm。
  肩部大致位于中性轴上,设计为8mm。
  腿部厚度对断面中心下移影响很大,故腿部厚度设计为10mm,且将腿部面积相应地增大,并且使其成楔形,以利于嵌入道床。
  为了增强钢枕的稳定性,腹部宽度设计为130mm,槽口宽度设计为248mm。钢枕长度为2530mm。
  强度参数:
  轨枕载荷Q=8000公斤;道床系数;钢枕有效宽度b=23.0厘米;刚弹性模量
  ·从滇越铁路看法国钢枕
  举一个例子,原来我们以为滇越铁路所有的东西都是法国制造的,结果却发现其中有一段有不少是1931年10月英国Villes公司制造的钢枕,估计是滇越铁路换的第二代钢枕,而且用到现在近八十年了仍然可以继续使用。现在的滇越铁路的钢轨曾经被更换过,是用标准轨淘汰下来的轨道替换的,轨面宽了。滇越铁路有几段还在使用当初的、快有一百年历史的法国人的铁轨。相较而言,法国人的铁路不会起毛边、脱皮,比现在换上去的铁轨还禁得起磨损。而且钢枕也不如老外的,现在焊接的、打补丁的几乎全是国产的钢枕,最早法国人、英国人铺设铺设的钢枕损坏的很少,基本不需要打补丁。看来法国当年的锻造技术之高可见一斑。
  钢枕与传统轨枕的对比
  ·铁路配件轨枕之混凝土枕,又称砼枕
  第二次世界大战以后,混凝土枕开始大量采用,混凝土枕的优点是稳定性好,使用寿命长,养护维修费省;混凝土枕缺点是重量大,一根混凝土枕的重量大概在220~250kg左右,弹性及绝缘性能差,钢轨联接零件复杂,冲击作用太大,对道床要求较高,所以,在不稳固的路基及新填路基等处不宜采用;在冬季有冻胀的地段,一般不允许采用;在大量运输煤炭和矿石及线路道床严重脏污的地段,最好不采用。有时需要在轨底部分须设缓冲绝缘垫层,而且在运输和铺设的时候比较困难等。与之相比,钢枕的弹性更好,自重也较轻,强度更大。
  ·铁路配件轨枕之木枕
  木枕是铁路配件轨枕中的一种,具有弹性好、易于加工、使用方便等优点。自有铁路以来,木枕就是轨枕的主要类型。但是,由于取材的原因,木枕的弹性、强度和耐久不够均匀,会加大轮轨动力作用,并且要使用大量的优质木材。木枕的使用寿命短,其失效原因很多,主要是腐朽、机械磨损和开裂。而且随着木材的缺乏,成本也越来越高。木枕相对于其他的铁路配件易腐朽,在上道前要经过防腐处理,但经过处理的木枕有毒,这对进行铺设工作的工人来说是很不利的。未经防腐处理的木枕称为素枕。与之相比,钢枕更加耐腐蚀,使用寿命也更长,同时各种性能参数也更加优秀,并且能减少大量优质木材的开采,这对于保护环境有着重大意义。
  总结
  钢枕的材料和配套构件赋予了钢枕如下优点:
  (1)钢枕不怕火烧、不怕菌、虫类;钢枕易加工,易维护;
  (2)钢枕较混凝土枕更轻,方便运输;
  (3)由于重量较轻,减少钢轨波浪形磨损,有利于安置在坡度较陡的线路上;
  (4)钢枕耐重载、耐冲击、耐水平力是最好的;
  (5)钢轨用钢件联接,可保持良好的轨距和钢轨斜度;钢枕适用范围更广;
  (6)钢枕是轨枕中回收率最高的,回收率高达70%,更使得造价降低。
  在高速和重载列车发展迅速的今天,钢枕的优越性已经越来越明显,所谓有需求才会有发展,我相信随着轨道交通的不断发展、日益进步,钢枕的重要性也会愈加突出,届时钢枕将会成为轨枕中的重要一份子。
  (作者单位:西南交通大学土木工程学院土木工程专业)
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