专利名称：增大焊接承载能力运行左右平稳的无缝钢轨焊接结构的制作方法
技术领域：
本发明属轨道列车无缝钢轨焊接的技术领域，具体说是将现有垂直于钢轨轴向的 直焊接面改为斜交于钢轨的斜焊接面，并将铝热焊工艺有效的用于无缝钢轨的焊接。
背景技术：
现有的无缝钢轨焊接的闪光焊、气压焊、电弧焊和铝热焊技术中，铝热焊具有设备 工艺简单，焊接效率高，成本低的优点，而且在厂焊和在线焊均可实施，但因传统钢轨无缝 焊接的焊接面与钢轨轴向垂直，在列车经过焊缝时会产生上下颠簸和左右震动，且直焊接 面所处的是纯拉和纯剪应力，纯拉和纯剪属危险应力状态，而铝热焊又属铸态组织，铸态组 织的强度和韧性都低，因此，将铝热焊用于钢轨直焊缝的无缝焊接，在重载高速列车的长期 运行中存在断裂隐患，甚至造成脱轨事故，致使铝热焊已处于被淘汰的局面，这是无缝钢轨 焊接技术中亟待解决的问题。本发明者的专利申请案(申请号为200910206270. 7)，提出了如图7的与Y轴平 行，与X轴斜交α角的单斜焊接面8，消除了车轮踏面9通过焊缝时的上下颠簸，但是不 能消除车轮轮缘通过轨头侧面焊缝时的左右震动，既能消除车轮轮缘通过斜缝时的左右震 动，又能将铝热焊有效的用于无缝钢轨的焊接，是亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明为解决上述存在的问题，提出一种既能有效地应用铝热焊工艺，又能增加 焊接面的承载能力，而且能消除车轮轮缘通过轨头侧面焊缝时左右震动的单斜焊接面新结 构。本发明由钢轨和焊缝构成，其中钢轨7的焊缝5呈单斜面，单斜面平行于钢轨7的 X轴、与钢轨7的Y轴成β角，β角为45°或60°，单斜面以焊接工艺连接，焊接工艺为铝 热焊；钢轨7为两条平行的钢轨，其上的焊缝5错位排列，错位长度大于一节车厢的长度。钢轨7的单斜面焊缝5的几何和力学符号说明如下a.垂直于钢轨轴向的直焊接面的面积为Atl，车轮踏面垂直作用于Atl的应力为纯剪 应力τ 0y, τ 0y = Fy/A0 ；车轮轮缘横向作用于A0的应力为纯剪应力τ 0χ, τ 0χ = Fx/A0 ；车轮 沿钢轨轴向作用于Atl的应力为纯正拉应力0qz，0qz = Fz/Aq。b.平行于X轴与Y轴成β角的单斜焊接面为A0，由内到外沿χ向作用于斜焊接 面八0的剪应力为τ 0Χ;由上到下沿β方向作用于单斜焊接面的剪应力为f0y ；当列车运行 处于单斜焊接面的后方时，由后到前沿轴向作用于A0的拉应力为f0z。c.与Y轴成β角的单斜焊接面A0比垂直于钢轨轴向的直焊接面Atl的面积增加 AA0。d.列车运行处于单斜焊接面后方时，沿X向作用于单斜焊接面A0的纯剪应力τ 0χ 比作用于直焊接面Atl的纯剪应力Ttlx减少Δ τ 0χ。e.列车运行处于单斜焊接面后方时，由上到下沿Y向作用于单斜焊接面A0的纯剪应力τ0比由上到下沿y向作用于直焊接面Atl的纯剪应力Ttly减少Δ τ 0。f.列车运行处于单斜焊接面的后方时，作用于单斜焊接面A0沿ζ轴的纯正拉应 力σ e比作用于直焊接面Atl沿ζ轴的纯正拉应力σ Qz减少Δ σ 0 ；以上b 中所述的 以上c中所述的Δ A0由下式计算
(1) 由(1)式可知，如果钢轨的规格和材料不变，焊接工艺不变，焊接强度相应地也增 加了 ΔΑ”由于纯拉应力和纯剪应力为危险应力，纯压应力为安全应力，下面分析单斜焊接 面的应力状态作用在轨道ADBE部分的垂向载荷Fy，是通过焊接斜面AB作用在焊接斜面 A' B'上，斜焊接面A0的应力f0y是由纯正压应力σ 0y和纯剪应力τ 0y组成，作用在ADBE 的纵向载荷Fz是通过斜面AB作用在焊接斜面A' B'上，斜焊接面A0的应力f0z是由纯正 拉应力σ 0Ζ和纯剪应力τ 0Ζ组成。纯正拉应力的合应力为σ 0，σ e = σ 0ζ+σ 0y;纯剪应 力的合应力为τ 0，τ0= τ 0y-T 0ζ。其中o0y= T0ySin3 ‘ Cos^T0y= T0yCos2 βτ 0 = τ 0ycos2 β + σ 0zsin^ .cos β由上可知以上d中所述的Δ τ 0χ由下式计算
(2)以上e中所述的Δ τ 0由下式计算 以上f中所述的Δ σ ,由下式计算 本发明的有益效果是
1.可消除车轮轮缘通过轨头侧面焊缝时的左右震动由于单斜焊接面平行于钢 轨7的χ轴、与钢轨7的y轴成β角，于是列车车轮经过轨头侧面的单斜焊接面的焊缝时， 车轮轮缘与轨头侧面的单斜焊接面的焊缝不是完全接触，而是与焊缝上下两部分搭接接 触，于是列车车轮轮缘作用在焊缝的载荷是由焊缝前后两部分共同承担，这就消除了由于 焊缝的凹陷，造成车轮沿横向χ的左右震动。 2.沿钢轨单斜焊接面垂向和横向的纯剪应力和沿钢轨运行方向的纯正拉应力减
3.两条平行钢轨的单斜焊接面前后错排，增加了钢轨对轮对的承载能力。4.由于单斜焊接面结构增加了焊接面积，减少了纯正拉应力和纯剪应力，因此采 用铝热焊焊接也能保证单斜焊接面的可靠性，这便提高了焊接效率，简化了焊接工艺，节省 了焊接成本，且可在线焊接。5.特别适用于重载列车和高速动车组的无缝长钢轨，以及城市轨道列车的无缝钢 轨。
图1为车轮轮缘通过轨头侧面直焊接面和通过轨头侧面斜焊接面的主视2为钢轨直焊接面和与Y轴成β角的单斜焊接面立体3为载荷作用于直焊接面和斜焊接面的受力状况示意4为斜焊接面的应力状态示意5 为 ΔΑ0、Δ τ 0、Δ σ 0、Δ τ 0；￡与 β 的关系6为两条钢轨斜焊接面前后错开的示意7为已有与X轴成α角单斜焊接面的示意图其中1.轨底2.轨腰3.轨头4.直焊接面5.焊缝6.车轮轮缘7.钢 轨8.与χ轴成α角的单斜焊接面9.车轮踏面
具体实施例方式以下为应用本发明增大焊接承载能力运行左右平稳的无缝钢轨焊接结构的生产 实例在实际应用中，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 速列车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、垫板、垫板固定 螺栓和扣件完全不变。将待焊接的两段钢轨的端头用带锯或无齿锯锯成平行于钢轨7的χ轴、与钢轨7 的y轴成β角的单斜面，再上下左右对齐，并预留适当的焊缝5，用铝热焊焊接工艺焊接，随 后推凸、打磨、热处理，即完成单斜面接头的焊接。由于列车运行车轮踏面对钢轨轨头的垂向作用力Fy大于车轮踏面通过钢轨后方 对钢轨前方的作用力Fz，故T(ly> Ociz，设定0(lz/T(ly = 2、6，对应(1) (4)式，作Δ Ae、 Δ τ 0χ、Δ τ 0、Δ σ 0与β的关系曲线图，如图5所示①ΔΑ0-β的曲线②Δ τ 0χ-β的 曲线③ o0z/T0y = 2 的 Δ σ 曲线④ O(lz/T0y = 6 的 Δ σ 曲线⑤ σ 0ζ/τ 0y = 2 的Δ τ 曲线⑥0。z/T。y = 6的Δ τ 曲线。选取β为45°和60°，由式(1) (4)分别求出单斜焊接面的面积或单斜焊接面承载能力的增加ΔΑ0 ；沿χ向的载荷作用 在单斜面々0上的纯剪应力τ 0χ比作用在直面Atl的纯剪应力Ttlx减少了 Δ τ0χ;作用在A0 沿β方向的纯剪应力τ0比作用在直面Atl沿y方向的纯剪应力Ttly减少了 Δ 作用在 A0上的纯正拉应力σ e比作用在直面Atl的纯正拉应力Qciz减少了 Δ σ e，对应的计算值如 下β = 45° 时，ΔΑ0 = 41. 4%, Δ τ 0χ = 29. 3%
β = 60° 时，ΔΑ3 = 100%, Δ τ = 50%
权利要求
一种增大焊接面承载能力运行左右平稳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)的焊缝(5)呈单斜面，单斜面平行于钢轨(7)的X轴、与钢轨(7)的Y轴成β角，β角为45°或60°，单斜面以焊接工艺连接。
2.按权利要求1所述的增大焊接面承载能力运行左右平稳的无缝钢轨焊接结构，其特 征在于所述的钢轨(7)为两条平行的钢轨，其上的焊缝(5)错位排列，错位长度大于一节车 厢的长度。
3.按权利要求1所述的增大焊接面承载能力运行左右平稳的无缝钢轨焊接结构，其特 征在于所述的焊接工艺为铝热焊。
全文摘要
增大焊接承载能力运行左右平稳的无缝钢轨焊接结构属轨道列车无缝钢轨焊接技术领域，本发明由钢轨和焊缝构成，其中钢轨的焊缝呈单斜面，单斜面平行于钢轨的X轴、与钢轨的Y轴成β角，β角为45°或60°，单斜面以焊接工艺连接，焊接工艺为铝热焊；钢轨为两条平行的钢轨，其上的焊缝错位排列，错位长度大于一节车厢的长度；采用本发明可消除车轮轮缘通过轨头侧面焊缝时的左右震动，可增加钢轨对轮对的承载能力可提高焊接无缝钢轨的平顺性和稳定性，且能将现有铝热焊工艺用于无缝钢轨的焊接，提高焊接效率，简化焊接工艺，节省焊接成本，且可在线焊接；本发明特别适用于重载列车和高速动车组的无缝长钢轨，以及城市轨道列车的无缝钢轨。
文档编号E01B11/46GK101914880SQ201010250990
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月8日 优先权日2010年8月8日
发明者宋玉泉, 管晓芳, 陶毅, 骆武伟 申请人:宋玉泉