专利名称：：运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构的制作方法
技术领域：
：本发明属轨道列车钢轨焊接的
技术领域：
，具体说是将现有垂直于钢轨纵向的直焊接面改为斜交于钢轨的斜焊接面。
背景技术：
：现代重载、高速轨道列车普遍采用钢轨的整体焊接技术，由于焊接面与钢轨的纵向垂直，这就必然产生以下的不良后果1.当车轮踏面通过焊缝4时就产生上下颠簸；2.车轮载荷对焊接面上下作用的是纯垂向剪切力，轮缘对钢轨左右作用的是纯横向剪切力，轮对通过钢轨前方对钢轨后方作用的是纯正拉力；3.目前无缝长钢轨的焊接所采用的焊接工艺都存在一些问题需要解决闪光焊焊接强度高、可靠性好，是钢轨焊接普遍采用的焊接工艺，但闪光焊设备复杂、造价高、所需功率高，而且不便在线操作，灰斑也是很难消除的焊接缺陷；气压焊则是高温氧乙炔火焰与被加热的焊接接头的温度交织在一起，故很难准确测量焊接接头的真实温度，而且压力的实施和控制也存在问题；电弧焊的焊接质量不稳定，焊接效率较低；铝热焊，虽然无需复杂的专用设备，焊接工艺简便，也宜在线焊接，但是焊接的接缝是铸态组织，其焊接强度较低，目前除道岔焊接尚有应用，一般都不采用。4.沿用传统的钢轨铺设方法，两条钢轨的垂直焊接面左右对称，车轮同时作用于左右焊缝，这对运行的平稳性和承载的可靠性更为不利。由于纯剪应力和纯正拉应力是不利的受力状态，在长期运行中车轮对钢轨的反复作用，会使焊接面产生微裂纹，微裂纹扩展的恶性循环，甚至会形成事故，为了提高钢轨在列车长期运行中的平稳性、安全性、可靠性和耐久性，就需要消除车轮踏面通过焊缝时的上下颠簸，并减少拉应力、剪应力，以及它们复合的不利受力状态，这是现代重载、高速列车整体无缝焊接钢轨亟待解决的重要问题之一。
发明内容本发明的目的在于为解决上述存在的问题，提出一种既能消除车轮踏面通过焊缝时的上下颠簸，又能增加焊接面的承载能力，并可采用更为简便的焊接工艺的新连接面的几何和力学结构。本发明由钢轨7和焊缝构成，钢轨7的连接处呈斜面，并以焊接方式连接，焊接方式为铝热焊、电弧焊、气压焊和闪光焊，以铝热焊最为适宜；两条平行钢轨7的斜焊缝5错位排列，错位长度大于一节车厢的长度；斜面由与y轴平行，与x轴构成特定角度a确定，a角为45°或60°。在实际应用中，路基是现行的钢筋混凝土无碴路基，钢轨7是现行的重载列车、高速动车组和城市轨道列车所用的各种类型的钢轨，钢轨7与路基连接的轨枕8、垫板9、垫板固定螺栓10、扣件11完全不变。钢轨斜面连接处的力学特征由下列参量表达a.斜焊接面Aa比平行于xoy的直焊接面A。的面积增加量AAa;b.垂向载荷Fy作用于斜焊接面Aa的纯剪应力tay比垂向载荷Fy作用于直焊接面A。的纯剪应力t。y减少量Aty;c.列车运行处于斜焊缝的后方时，由内到外的载荷F,沿a方向作用于斜焊接面Aa的纯剪应力ta比由内到外沿x向作用于直焊接面A。的纯剪应力、x减少量A、；d.列车运行处于斜焊缝的前方时，由内到外沿a方向作用于斜焊接面A。的纯剪应力t'a比由内到外沿x向作用于直焊接面A。的纯剪应力、x减少量At'x;e.列车运行处于斜焊缝的后方时，由后到前沿z向作用于斜焊接面Aa的纯正拉应力oa，比由后到前沿z向作用于直焊接面A。的纯正拉应力a。z减少量Aoz;f.列车运行处于斜焊缝的前方时，由前到后沿z向作用于斜焊接面Aa的纯正拉应力o'a，比由前到后沿z向作用于直焊接面A。的纯正拉应力a。z减少量Ao'z。参量表达a中的斜焊接面Aa比平行于xoy的直焊接面A。的面积增加量AAa由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)如果钢轨的规格和材料不变，焊接介质材料和焊接工艺不变，焊缝的承载能力相应地也增加了AAa。参量表达b中的垂向载荷Fy作用于斜焊接面A。的纯剪应力T。y比垂向载荷Fy作用于直焊接面A。的纯剪应力t。y减少量Aty由下式计算^=^^=1->8"(2)参照图4解析列车运行处于斜焊接面Aa后方时，作用在ABED部分的横向载荷F,，通过焊接面AB作用于焊接面A'B'上，由内向外作用在斜焊接面A。的应力f^由纯正拉应力oax和纯剪应力tax组成；作用于ABED的纵向载荷Fz是通过斜面AB作用于焊接斜面A'B'上，斜焊接面A。的应力f。z是由纯正拉应力Ow和纯剪应力Taz组成。纯正拉应力的合应力为oa，oa=oax+oaz;纯剪应力的合应力为ta，ta=tax-taz。其中o。x:T0xsinacosa0az=o0zcos2atax=t0xcos2aTaz=T0zsinacosa因此，fax中的纯剪应力Tu和faz的纯剪应力Tw合成的纯剪应力为Tata=t0xcos2a-o0zsinacosa由上可知参量表达c中的列车运行处于斜焊缝的后方时，由内向外沿a方向作用于斜焊接面A。的纯剪应力ia比由内到外沿x向作用于直焊接面A。的纯剪应力t。x減少量Atx由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)参照图4解析作用于轨道A'B'E'D'部分的横向载荷Fx，是通过焊接斜面A'B'作用于焊接斜面AB上，斜焊接面A。的应力f'ax是由纯正压应力。'w和纯剪应力t'^组成，作用于A'B'E'D'的纵向载荷F,是通过斜面A'B'作用于焊接斜面AB上，斜焊接面A。的应力f'az是由纯正拉应力。'w和纯剪应力T'。2组成，纯正应力的合应力为o'a，0'a=0'az_0'ax;纯剪应力的合应力为t'a，t'a+为t'接面AAt'其中ozax=t0xsinacosaot7v=tnvCOS2ata0zcoSatrwsina*cosa因此，f'ax中的纯剪应力t'u和f'w的纯剪应力合成的纯剪应力t'a=tOxcosa+o0zsinacosa由上可知参量表达d中的列车运行处于斜焊缝的前方时，由内到外沿a方向作用于斜焊的纯剪应力t'a比由内到外沿x向作用于直焊接面A。的纯剪应力、x减少量由下式计算「00341厶<=~^^——^=l-cos2a——^sin"-cosor(4)参量表达e中的列车运行处于斜焊缝的后方时，由后到前沿z向作用于斜焊接面Aa的纯正拉应力oa，比由后到前沿z向作用于直焊接面A。的纯正拉应力o。2减少量Aoz由下式计算△cr，=^^=l—cos2or—"^"Sinor'cosa(5)"0Z°0z解析作用于斜焊接面A。的纯正拉应力oa=oaz+ou，因此作用于斜焊接面Aa的纯正拉应力oa比作用于直焊接面A。的纯正拉应力。。z减小了Aoz。参量表达f中的列车运行处于斜焊缝的前方时，由前到后沿z向作用于斜焊接面Aa的纯正拉应力o'a，比由前到后沿z向作用于直焊接面A。的纯正拉应力a。z减少量Ao'z由下式计算A(J:=^~~^2"=1-cos2"+"^"Sina.cosa(6)解析作用于斜焊接面A。的纯正压应力o'a=o'az_o'u，因此作用于斜焊接面A。的纯正拉应力o'a比作用于直焊接面A。的纯正拉应力。。z减小了Ao'z。本发明的有益效果在于1.斜焊接面A。消除了车轮通过焊缝时的上下颠簸由于斜焊接面A。平行于y轴，与x轴成a角，于是车轮经过轨头的斜焊缝5时，踏面6与斜焊缝5不是完全接触，而是与斜焊缝5内外两部分搭接接触，于是车轮载重通过踏面6由轨头内外两部分共同承担，这就消除了由于焊缝的凹陷，造成车轮沿y向的上下颠簸；2.增加了焊接的面积和焊接承载能力由于斜焊接面Aa面积增加，使纯正拉应力和纯剪应力减小，故即使采用铝热焊焊接也能保证焊接强度和焊接的可靠性；3.用铝热焊焊接可提高焊接效率、简化焊接工艺、节省焊接成本，且可在线操作；4.可增加钢轨对轮对的承载能力；5.特别适用于重载列车和高速动车组无缝长轨的焊接，也可用于城市轨道列车无缝钢轨的焊接。图1为钢轨的斜焊接面和直焊接面的俯视图图2为车轮作用于斜焊接面和直焊接面受力状态示意图图3为两条钢轨焊缝前后错开的铺设示意图图4为斜焊接面的应力状态图示意图其中1.轨底2.轨头3.轨腰4.直焊缝5.斜焊缝6.车轮踏面7.钢轨8.轨枕9.垫板10.垫板螺栓11.扣件A。一直焊接面；A。一斜焊接面；f^一列车处于斜焊缝后方ABED时，载荷Fx通过AB斜面作用在A'B'斜面上的应力；o^—列车处于斜焊缝后方ABED时，载荷通过AB斜面作用在A'B'斜面上f。J勺正拉应力；t^一列车处于斜焊缝后方ABED时，载荷通过AB斜面作用在A'B'斜面上fax的纯剪应力；f。「-列车处于斜焊缝前方A'B'E'D'时，载荷Fz通过A'B'斜面作用在AB斜面上的应力；O。z—AB面上faz的正拉应力；Taz--AB面上faz的纯剪应力；f'。x—载荷F,通过A'B'斜面作用在AB斜面上的应力；f'。「-载荷F,通过A'B'斜面作用在AB斜面上的应力；O'。厂-作用在AB斜面上f'。x的正应力；0'。z—作用在AB斜面上f'w的正应力；T'ax—作用在AB斜面上f'。x的纯剪应力；T'。「-作用在旭斜面上f'az的纯剪应力；FZ-列车运行处于斜焊缝的后方ABED时，由后到前作用在钢轨上的载荷；F,—列车运行处于斜焊缝的后方或前方时，由内到外沿钢轨横向的载荷；F'2—列车运行处于斜焊缝的前方A'B'E'D'时，由前到后作用在钢轨上的载荷。具体实施例方式以下为应用本发明运行上下平稳无缝钢轨的增高强度焊接结构的生产实例将待焊接的两段钢轨的端头按平行于y轴、与x轴成a角加工成斜面后，再上下、左右对齐并预留适当的间隙，用铝热焊焊接工艺焊接，随后进行推凸、打磨、热处理，即完成斜面接头的焊接。现行平行于xoy、垂直于z轴的直焊接面的面积为A。；车轮踏面垂向作用于A。的应力为纯剪应力t。y，t。y=Fy/A。；车轮轮缘横向作用于A。的应力为纯剪应力t。x，t。x=Fx/A。；车轮沿钢轨方向作用于A。的应力为纯拉应力o。z，o。z=Fz/A。。由于列车运行轮缘对钢轨轨头侧面的横向作用力Fx小于车轮踏面通过钢轨前方对钢轨后方或通过后方对前方的作用力K，故、<、，设定^/=1、|、|，并选取a为不同特定角度，结合式(1)(6)分别求出斜焊接面面积或焊接面承载能力增加AAa，沿y向的载荷作用于斜面A。上的纯剪应力T。y比作用于直面A。的纯剪应力、y减少了ATy，作用于斜面A。沿a方向的纯剪应力ta、t'a比作用于直面A。沿x方向的纯剪应力t。x減少了Atx、At'x，作用于斜面A。上的纯正拉应力oa、o'a比作用于直面A。的纯正拉应力o。z减少了Aoz、Ao'y给出以下的生产实例1、取a=30°:AAa=15.5%，At=13.4%，<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求一种运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，由钢轨和焊缝构成，其特征在于钢轨(7)的连接处呈斜面，并以焊接方式连接；两条平行钢轨(7)的斜焊缝(5)错位排列，错位长度大于一节车厢的长度；斜面由与y轴平行，与x轴构成特定角度(α)确定，钢轨斜面连接处的力学特征由下列参量表达a.斜焊接面(Aα)比平行于xoy面的直焊接面(A0)的面积增加量(ΔAα)；b.垂向载荷(Fy)作用于斜焊接面(Aα)的纯剪应力(ταy)比垂向载荷(Fy)作用于直焊接面(A0)的纯剪应力(τ0y)减少量(Δτy)；c.列车运行处于斜焊缝的后方时，由内到外的载荷Fx沿α方向作用于斜焊接面(Aα)的纯剪应力(τα)比由内到外沿x向作用于直焊接面(A0)的纯剪应力(τ0x)减少量(Δτx)；d.列车运行处于斜焊缝的前方时，由内到外沿α方向作用于斜焊接面(Aα)的纯剪应力(τ′α)比由内到外沿x向作用于直焊接面(A0)的纯剪应力(τ0x)减少量(Δτ′x)；e.列车运行处于斜焊缝的后方时，由后到前沿z向作用于斜焊接面(Aα)的纯正拉应力(σα)，比由后到前沿z向作用于直焊接面(A0)的纯正拉应力(σ0z)减少量Δσz；f.列车运行处于斜焊缝的前方时，由前到后沿z向作用于斜焊接面(Aα)的纯正拉应力(σ′α)，比由前到后沿z向作用于直焊接面(A0)的纯正拉应力(σ0z)减少量(Δσ′z)。2.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于参量表达a中所述的斜焊接面(Aa)比平行于xoy的直焊接面(A。)的面积增加量(AAa)由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>3.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于参量表达b中所述的垂向载荷(Fy)作用于斜焊接面(Aa)的纯剪应力(tay)比垂向载荷(Fy}作用于直焊接面(A。)的纯剪应力(t。y)减少量(Aty)由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>4.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于参量表达c中所述的列车运行处于斜焊缝的后方时，由内到外沿a方向作用于斜焊接面(Aa)的纯剪应力(ta)比由内到外沿x向作用于直焊接面(A。)的纯剪应力(、x)减少量(Atx)由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>5.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于参量表达d中所述的列车运行处于斜焊缝的前方时，由内到外沿a方向作用于斜焊接面(Aa)的纯剪应力(t'a)比由内到外沿x向作用于直焊接面(A。)的纯剪应力(、x)减少量(At'x)由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>6.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于参量表达e中所述的列车运行处于斜焊缝的后方时，由后到前沿z向作用于斜焊接面(Aa)的纯正拉应力(oa)，比由后到前沿z向作用于直焊接面(A。)的纯正拉应力(o。z)减少量(Aoz)由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>7.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于参量表达f中所述的列车运行处于斜焊缝的前方时，由前到后沿z向作用于斜焊接面(Aa)的纯正拉应力(o'a)，比由前到后沿z向作用于直焊接面(A。)的纯正拉应力(o0z)减少量(Ao'z)由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>8.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于所述的与x轴所成角(a)为45°或60°。9.按权利要求1所述的运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构，其特征在于所述的焊接方式为铝热焊、电弧焊、气压焊或闪光焊。全文摘要一种运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构。运行上下平稳无缝钢轨增高强度的焊接结构属轨道列车钢轨焊接的
技术领域：
，本发明由钢轨和焊缝构成，钢轨的连接处呈斜面，并由焊接方式连接，两条平行钢轨连接处的斜面不对称错位排列，错位长度大于一节车厢的长度，斜面由与y轴平行，与x轴成45°或60°角确定；本发明的斜焊接面可消除车轮通过焊缝时的上下颠簸，斜焊接面与直焊接面相比可使焊接面积增加，使纯正拉应力和纯剪应力减小，还可增加钢轨对轮对的承载能力，即使采用铝热焊焊接也能保证焊接强度和焊接的可靠性，铝热焊焊接可提高焊接效率、简化焊接工艺、节省焊接成本，且可在线操作；本发明特别适用于重载列车和高速动车组无缝长轨的焊接，也可用于城市轨道列车无缝钢轨的焊接。文档编号E01B11/44GK101698987SQ200910206270公开日2010年4月28日申请日期2009年10月16日优先权日2009年10月16日发明者宋玉泉,管晓芳,陶毅,骆武伟申请人:宋玉泉