斜口钢轨铁路的制作方法
【专利说明】斜口钢轨铁路 -、技术领域
[0001] 本发明的（IPC)国际专利分类号是B61B，归类于铁路系统；能广泛用于各种铁路 及轨道交通设施。 二、【背景技术】
[0002] 自从1825年英国建成世界第一条铁路至今，车轮与钢轨轨缝撞击问题和钢轨热 应力问题一直都无法同时彻底解决。
[0003] 标准钢轨铁路为解决钢轨热应力问题，是在钢轨之间预留轨缝，虽然解决了钢轨 热应力问题，但却在铁路上人为造成了大量轨缝凹口，随之带来了车轮与钢轨轨缝撞击问 题。轮轨之间的撞击，既明显加快了车轮和钢轨的损耗，还产生了令人讨厌的震动和"巧嗦、 巧嗦"的噪声；既明显增加了列车和铁路的维修成本，还严重影响了旅客乘坐的舒适感。
[0004] 无缝钢轨铁路为解决轮轨之间撞击问题，是把标准钢轨焊接成几百米至几千米长 的无缝钢轨，虽然在无缝钢轨上能消除轮轨之间撞击，但在无缝钢轨之间仍有横向轨缝，所 W无缝钢轨铁路只能减少而不能彻底消除轮轨之间撞击。
[0005] 无缝钢轨铁路主要采用热应力式无缝线路设计来限制钢轨的热应力，就是使用高 强度螺栓、扣板式扣件或弹条扣件等锁定钢轨，利用线路阻力限制无缝钢轨的自由伸缩；或 者采用放散热应力式无缝线路设计来减少和控制钢轨的热应力；运两种方法都只能在一 定范围内限制和控制钢轨的热应力，一旦限控热应力的某个环节出现问题（如钢轨锁定环 节），或者环境溫度的变化超出设计范围（如出现极端天气），就会出现拉断钢轨焊缝或胀 轨的事故。无缝钢轨铁路需要焊接和锁定钢轨，钢轨焊缝、钢轨紧固件、枕木和路基的质量 对铁路安全的影响更大，不确定因素更多，故障概率更高；无缝钢轨长度更长，热应力更大， 线路上附件更多，不确定因素就更多，故障概率也更高；在高溫差地区，钢轨的热应力更大， 钢轨焊缝、钢轨紧固件、枕木和路基的受力强度更高，不确定因素更多，安全隐患必然更大； 无缝钢轨铁路对线路稳定性的要求更高，地质条件变化因素、气候条件变化因素和自然灾 害因素对铁路安全的影响都更大；此外，无缝钢轨铁路在使用中还存在着焊缝质量不稳定、 断头率偏高的问题。因此，无缝钢轨铁路既没有彻底解决钢轨热应力问题，还留下了安全隐 出 VQi'' O
[0006] 无缝钢轨铁路需要焊接和锁定钢轨，明显提高了钢轨焊缝、钢轨紧固件、枕木和路 基的质量要求及施工的技术难度，因而大幅度提高了铁路的建设成本和维修成本；无缝钢 轨长度更长，还需要现场焊接，需要大型的铺路装备和更多的技术人员配合工作，也明显提 高了铁路建设的装备成本和人工成本；无缝钢轨长度更长，也增加了钢轨的生产成本和运 输成本；无缝线路维修与保养的难度和要求都更高，也明显增加了维修与保养的成本；此 夕F，大量进口无缝钢轨铁路的钢轨和配件也要耗费大量资金。因此，无缝钢轨铁路的建设成 本和维修成本都很高。
[0007] 综上所述，标准钢轨铁路解决了钢轨热应力问题，随之带来了轮轨之间撞击问题； 无缝钢轨铁路既不能彻底消除轮轨之间的撞击，还成倍提高了建设与维修成本；既不能彻 底解决钢轨热应力问题，还留下了安全隐患；无论是无缝钢轨铁路还是标准钢轨铁路，都不 能同时彻底解决轮轨之间撞击问题和钢轨热应力问题。 H、
【发明内容】
[0008] 斜口钢轨铁路采用小锐角斜向轨缝联接设计和预留纵向轨缝设计，能同时彻底解 决车轮与钢轨轨缝撞击问题和钢轨热应力问题！斜口钢轨铁路还采用斜平口钢轨兼容互 补设计，能大幅度降低斜口钢轨铁路的建设与改造成本！
[0009] 斜口钢轨铁路采用小锐角斜向轨缝联接设计，能彻底消除车轮与钢轨轨缝之间的 撞击；既能明显降低列车和铁路的损耗与维修成本，还能明显减少列车的行驶阻力、震动和 噪声，还能进一步降低能耗和为列车提速。采用小锐角斜向轨缝联接设计还能成倍提高铁 路的热应力调节性能，能使斜口钢轨铁路正常工作在各种溫差地区。
[0010] 斜口钢轨铁路同时采用了预留纵向轨缝设计，不需要限制和锁定钢轨就能彻底解 决钢轨热应力问题；既能明显提高铁路的安全性和可靠性，还能明显降低铁路建设的技术 难度；既能彻底消除胀轨和断轨安全隐患，还能成倍降低铁路的建设成本。斜口钢轨铁路不 需要焊接和锁定钢轨，能按照标准钢轨铁路的技术标准和质量要求进行修建，既能明显提 高铁路建设与维修的效率，还能成倍降低铁路建设与维修的成本。
[0011] 斜口钢轨铁路还采用了斜平口钢轨兼容互补设计，能继续利用现有设备和技术生 产标准斜口钢轨，能将现有的标准钢轨改造成斜口钢轨继续使用，能将端口磨损而报废的 标准钢轨改造成斜口钢轨废物利用，能继续使用现有枕木和线路配件；既能避免更换钢轨、 枕木、线路配件及生产设备所造成的既往巨额投资浪费，还能避免巨额的重新投资。采用斜 平口钢轨兼容互补设计，标准斜口钢轨能与斜口改造的标准钢轨兼容互补，能按照"局部间 隔更换"和"间隔更换"方式在线路上直接改造无缝钢轨铁路和标准钢轨铁路，还能成倍降 低现有铁路的改造成本。
[0012] 斜口钢轨铁路同时彻底解决了制约铁路发展190年的两大技术难题，全面提高了 铁路的技术性能，为铁路的升级换代奠定了技术基础；斜口钢轨铁路设计结构简单、易于建 设改造、施工方法灵活、成本优势明显，为斜口钢轨铁路的大规模建设与改造创造了有利条 件；斜口钢轨铁路安全可靠耐用、行车快速平稳、维修保养方便，为铁路的高效率运转和高 效益运营提供了技术保障；斜口钢轨铁路的性能和效益俱佳，推广应用价值极高！
[001引（一）技术方案
[0014] 1、轮轨之间撞击的消除
[0015] 要解决轮轨之间撞击的问题，必须了解撞击产生的原因，再设法消除撞击产生的 条件。
[0016] (1)车轮与钢轨之间不撞击的基本条件
[0017] 列车在铁路上行驶时，车轮是在钢轨的轨道平面上连续滚动的；列车刹车时，车轮 是在钢轨的轨道平面上滑动的；只要铁路的轨道平面保持连续和平滑，只要列车的车轮踏 面保持圆滑，车轮与钢轨之间就不会产生撞击。 阳01引 似平口钢轨铁路产生轮轨撞击的原因
[0019] 标准钢轨铁路和无缝钢轨铁路上的标准钢轨都是平口，为了便于对比和说明，W 下将标准钢轨联接处和无缝钢轨联接处统称为平口钢轨联接处，将标准钢轨铁路和无缝钢 轨铁路统称为平口钢轨铁路。
[0020] ①车轮与平口钢轨轨缝撞击的原因
[0021] 火车的圆形车轮有一定宽度和弧度，当车轮在钢轨上滚动（行驶）或者滑动（刹 车）时，只有车轮轮轴垂线下方极窄的横向踏面与铁路的轨道平面接触；在标准钢轨铁路 和由标准钢轨焊接而成的无缝钢轨铁路上，钢轨联接处的轨缝都是横向凹口，当车轮滚动 到钢轨轨缝凹口时，由于车轮的横向踏面无法得到横向轨缝凹口的支撑，车轮就会在车厢 压力（垂直向下）与机车牵引力（向前）形成合力的作用下向前下方跌落，随之就会与轨 缝凹口前方钢轨始端的棱角发生撞击。由于列车很重，行驶的速度较快，车轮踏面与轨缝凹 口两端钢轨棱角的相互作用力巨大，车轮踏面在压过轨缝凹口一端棱角和撞击轨缝凹口另 一端棱角时，就会产生两次明显的震动和较大的"巧、嗦"响声，巨大的冲击力就会对车轮踏 面和轨缝凹口两端的钢轨棱角造成损害。
[0022] 从理论上讲，列车的重量越大，行驶的速度越快，车轮与钢轨轨缝凹口两端棱角的 相互作用力就越大，碰撞产生的震动就越大，车轮、钢轨和铁路附件受损害的程度就越严 重；铁路上的轨缝凹口越多，车轮与钢轨端口撞击的次数就越多，损耗就越严重。
[0023] ②平口钢轨联接处的受力转换过程
[0024] 平口钢轨联接处的受力转换过程如图1所示，图1由平口钢轨联接处轨道平面俯 视图和与之上下对应的直角坐标系组成。
[0025] 在平口钢轨联接处轨道平面俯视图中，两个扁长的矩形就是相邻两条标准钢轨的 轨道平面，其中A点是平口钢轨联接处左侧标准钢轨的端点，B点是平口钢轨联接处右侧标 准钢轨的端点，AB之间就是平口钢轨联接处的横向轨缝宽度。
[00%] 在直角坐标系中标出的是平口钢轨联接处左右两条标准钢轨的受力转换过程，其 中0~A区间是平口钢轨联接处左侧标准钢轨的受力过程，B之后的区间是平口钢轨联接 处右侧标准钢轨的受力过程，直角坐标系中的纵轴Wl代表钢轨受力的大小，横轴t代表时 间。
[0027] 可W看出：在车轮通过平口钢轨联接处的过程中，在A点，左侧标准钢轨的受力是 从承受车轮全部压力瞬间降到零的；在B点，右侧标准钢轨的受力是从零突然上升到最大 值的，右侧标准钢轨的B端点在瞬间突然受到了车轮压力与机车牵引力所形成合力的巨大 冲击，合力的大小明显大于车轮的压力，合力的方向指向列车前进方向的前下方（合力的 大小和方向可W用矢量图准确标出）；在车轮通过B点之后，右侧标准钢轨的受力恢复正 常，就等于车轮的全部压力（方向垂直向下）；在平口钢轨联接处的A点和B点之间，由于 相邻的标准钢轨之间出现了轨缝缺口，既导致了钢轨支撑力的急剧波动（突然消失又突然 恢复），也导致了平口钢轨联接处受力转换过程的突然间断和受力大小的极值起伏，也就必 然导致车轮与平口钢轨联接处产生撞击并引起震动。
[0028] (3)斜口钢轨铁路消除轮轨撞击的原理
[0029] 钢轨是长条状结构，钢轨的轨道平面及两侧边线都与钢轨的延长线平行；为便于 斜口钢轨的设计参照与说明，W下将钢轨轨道平面上（与轨道平面两侧边线平行并且等距 离）的中屯、线设定为钢轨纵轴线。
[0030] ①斜向轨缝能消除轮轨之间的撞击
[0031] 我们已经知道，当列车的车轮在钢轨上滚动（行驶）或者滑动（刹车）时，只有车 轮轮轴垂线下方极窄的横向踏面与钢轨的轨道平面接触；平口钢轨铁路的车轮与钢轨轨缝 撞击问题，就是因为车轮的横向踏面无法得到横向轨缝凹口的支撑而造成的。因此，消除钢 轨联接处的横向轨缝凹口是解决车轮与钢轨轨缝撞击问题的关键。
[0032] 如果将钢轨两端的横向直角切割（钢轨端口的切割面与钢轨轨底所在平面垂直、 与钢轨纵轴线垂直）改为斜向切割（钢轨端口的切割面与钢轨轨底所在平面垂直、与钢轨 纵轴线不垂直），就可W将钢轨联接处的横向轨缝转变成斜向轨缝（钢轨之间的轨缝与钢 轨纵轴线不垂直），就能消除钢轨联接处轨道平面上的横向贯通凹口，车轮的横向踏面在通 过斜口钢轨联接处交错联接的轨道平面时就不会向下坠落，车轮与钢轨轨缝之间的撞击就 可W消除！
[0033] 为确保所有的车轮都能顺利通过斜口钢轨联接处，还必须确保斜口钢轨联接处轨 道平面的平滑和无阻碍。因此，斜口钢轨铁路上钢轨的型号、规格、材质和相邻斜口钢轨的 切割角度都必须相同，还必须将相邻的斜口钢轨交错联接并固定安装在同一平面和同一纵 轴线上。
[0034] 如果将钢轨联接处的轨缝设计成交错契合的斜+斜组合轨缝或者纵+斜组合轨 缝，虽然也能消除钢轨联接处的横向轨缝凹口，但就会破坏钢轨联接处受力转换的线性过 程和钢轨的承重结构，还会增加钢轨生产与安装的难度，还会降低铁路的热应力调节性能。 因此，此类组合轨缝设计与单一斜向轨缝设计相比都相形见纯。
[0035] 综上所述，将钢轨两端的横向直角切割改为斜向切割，也就是将钢轨两端的平口 改成能交错联接的斜口，就可W将钢轨联接处的横向轨缝转变成斜向轨缝，就可W消除钢 轨联接处轨道平面上的横向轨缝凹口，车轮的横向踏面在通过斜口钢轨联接处的轨道平面 时就不会向下坠落，车轮与钢轨轨缝之间的撞击就可W消除！
[0036] ②斜口钢轨联接处的受力转换过程
[0037] 斜口钢轨联接处的受力转换过程如图2所示。
[0038] 图2由图2(a)、图2化）、图2(c)和图2(d)四组分图组成，四组分图都是由斜口钢 轨联接处的轨道平面俯视图和与之上下对应的直角坐标系组成。
[0039] 在四组分图中，虽然斜口钢轨的切割角（钢轨端口的切割面与钢轨纵轴线之间的 最小夹角）和切割方向各不相同，但为了进行研究结果的对比，在四组斜口钢轨联接处轨 道平面的俯视图中，D点都是斜口钢轨联接处右侧斜口钢轨的端点，E点都是斜口钢轨联接 处的中屯、点，F点都是斜口钢轨联接处左侧斜口钢轨的端点，C点和G点之间都是两条斜口 钢轨的联接区域，D点和F点之间都是两条斜口钢轨的重合区域和同时受力区域。
[0040] 在四组分图中，分别与轨道平面俯视图上下对应的直角坐标系中标出的都是斜口 钢轨联接处两条斜口钢轨的受力转换过程，其中较细的实线都是斜口钢轨联接处左侧斜口 钢轨的受力过程，较粗的实线都是斜口钢轨联接处右侧斜口钢轨的受力过程；为了便于研 究结果的对比，车轮都是W相同压力和相同速度通过四组分图中的斜口钢轨联接处；直角 坐标系中的纵轴W2都代表钢轨受力大小，横轴t都代表时间。
[0041] 在四组分图中，图2(a)和图2(b)中的斜口钢轨切割角完全相同，斜口切割方向相 反；图2(a)中的斜口钢轨是（W钢轨纵轴线为基准）逆时针的小锐角切割方向，图2(b)中 的斜口钢轨是（W钢轨纵轴线为基准）顺时针的小锐角切割方向。通过对比图2(a)和图 2化）中的斜口钢轨受力转换过程，可W了