专利名称：适用于磨耗型车轮的铁路弯道用60kg/m钢轨的制作方法
技术领域：
本实用新型属于轨道交通领域，涉及铁路用钢轨，特别是适用于磨耗型车轮的铁路弯道用60kg/m钢轨。
背景技术：
根据路面情况和延伸方向，铁路线路通常由直道和弯道组合而成。列车通过直道或弯道时由于工况不同，轮轨接触状态也不相同，钢轨受到车轮的作用力也不尽相同。特别是当列车通过弯道时，弯道外侧钢轨不仅遭受来自车轮尤其是轮缘的大侧向力，而且其接触应力数倍于直道钢轨。这显著加快了钢轨在该部位磨耗和接触疲劳损伤。根据实验和实践表明，弯道中钢轨的使用寿命大大短于直道中的钢轨。然而在现有技术中，各国铁路目前无论弯道还是直道均采用具有相同截面的钢轨，这必然造成弯道钢轨在使用初期与车轮不匹配，从而造成轮轨接触状况恶化，磨耗加剧。且现有技术中针对轮轨配合不佳通常采用的方法是通过轮轨在使用中磨损磨合，使轮轨的接触状态趋于匹配，以达到相对稳定。例如如图1所示的我国现使用的60kg/m钢轨， 其轨头廓面主要由5段圆弧构成，并且如本领域技术人员所公知的包括一段居中地设置的 R300圆弧段、关于垂向中心线对称的两段R80圆弧段和在最外侧的两段R13圆弧段。在弯道中(尤其是上股)在使用的初期，由于运行列车的侧向力作用，往往使钢轨的上缘角和车轮的轮缘相接触，并且由于现有技术中上缘角(R80和R13部位)与车轮的轮缘不相匹配， 因此导致钢轨和轮对的磨损非常严重。此外，该钢轨廓面与车轮踏面也不相匹配，因此它们的接触不发生在R300圆弧段而是主要发生在R80圆弧段。也就是说现有技术的钢轨在用于弯道时(尤其是上股)主要在R80和R13与不相匹配的车轮的踏面和轮缘相接触，导致轮轨接触效果特别差。因此，需要针对我国铁路用磨耗型踏面车轮，特别是LM型磨耗型踏面车轮，提供改善弯道钢轨(特别是弯道外侧钢轨)的轮轨接触状态，降低轮轨接触应力，延长钢轨使用寿命的铁路弯道用60kg/m钢轨。
发明内容本实用新型的目的是提供一种适用于铁路线路弯道并与磨耗型踏面车轮相匹配的弯道用60kg/m钢轨，以改善弯道钢轨在使用中的轮轨接触状态和轮轨配合性能，增加轮轨接触面积，大大减小轮轨接触应力。为实现上述目的，本实用新型提供这样的一种适用于磨耗型车轮的铁路弯道用 60kg/m钢轨，包括具有廓面的轨头、轨底和连接该轨头和轨底的轨腰。该廓面的横截面包括由彼此连接并相切的多段圆弧构成的弧曲部和与该弧曲部的外侧端点分别连接的两条 n: 10斜线段。弧曲部关于轨头的垂向中心线对称。所述两条n: 10斜线段关于垂向中心线彼此对称，且3. 2彡η彡3.6。本实用新型的技术方案与现有技术相比，通过提供n: 10斜线段而使得本实用新型的钢轨在用于弯道中(尤其上股钢轨)能够至少获得上述优点。根据本实用新型进一步的实施例，所述多段圆弧包括关于该中心线对称的第一圆弧段、位于该第一圆弧段外侧的关于该中心线彼此对称的第二和第三圆弧段、分别位于该第二和第三圆弧段外侧的关于该中心线彼此对称的第四和第五圆弧段和分别位于该第四和第五圆弧段外侧的关于该中心线彼此对称的第六和第七圆弧段。相比于现有技术中在弧曲部只提供5段圆弧，本实用新型进一步的技术方案通过在弧曲段提供7段圆弧段可以改进钢轨和车轮的接触，并且也有利于弧曲段与该n: 10斜线段的平滑过渡。根据本实用新型进一步特征，所述廓面的横截面还包括分别位于所述n: 10斜线段外侧的两条1:20斜线段和分别与相邻的n: 10斜线段和1:20斜线段连接并相切的第八和第九圆弧段。这为两条斜线段之间提供了圆滑过渡，从而对轮轨接触性能有所改善并且防止形成应力集中点。根据一个优选实施例，第一圆弧段具有在200mm至250mm范围的第一半径和沿水平方向测得的在15mm至20mm范围的长度。该实施例是特别有利的，因为其还具有与车轮踏面的良好匹配，也即是车轮踏面主要与第一圆弧段相接触，这进一步增大了轮轨接触面和降低了轮轨接触应力。根据本实用新型进一步特征，所述第二和第三圆弧段均具有在50mm至65mm范围的第二半径，该第二和第三圆弧段各自的外侧端点之间沿水平方向测得的间距在46mm至 52mm的范围。优选，所述第四和第五圆弧段均具有在14mm至20mm范围的第三半径。所述第六和第七圆弧段优选均具有在13mm至16mm范围的第四半径。所述第八和第九圆弧段优选具有8mm至IOmm范围的第五半径，且所述第八和第九圆弧段各自的外侧端点之间的间距为71. 12mm且该外侧端点距轨头的顶点之间的垂直距离为 17. 53mm根据进一步优选实施例，所述轨头具有48. 5mm的轨头高度和73mm的轨头宽度。此外，本实用新型还提供适合与磨耗型车轮相匹配的铁路弯道，包括1:40的轨底坡和铺设在轨底坡上的根据本实用新型的钢轨。该铁路弯道铺用本实用新型钢轨具有的技术效果例如包括使用寿命更长优选地，本实用新型的钢轨总体尺寸符合铁路行业标准《TB/T2341. 3-93 :60kg/m 钢轨型式尺寸》的规定，适于生产、铺设使用和与现有钢轨结合使用和降低替换成本。
以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中图1示出了现有技术的60kg/m钢轨横截面图；图2示出了根据本实用新型的钢轨的轨头廓面的实施例；图3示出了本实用新型的钢轨的轨头的优选实施例；图4示出了根据本实用新型的钢轨的实施例，其具有图3所示的轨头；图5示出了本实用新型的钢轨的又一实施例；图6示出了本实用新型的钢轨的再一实施例；[0025]图7示出了根据本实用新型的钢轨的实施例用于弯道中与车轮相接触的示意图。
具体实施方式
图2示出了本实用新型的适用于磨耗型车轮(也称作磨耗型踏面车轮)的铁路弯道用60kg/m钢轨1的轨头的实施例。本实用新型对于现行60kg/m钢轨的最大改进之处在于对钢轨轨头2的廓面3的几何形状和参数进行改进，而本实用新型的优点也正是通过该改进而获得的。此外，本实用新型的钢轨其它型式尺寸与现有钢轨总体上是一致的，这有利于替换和组合使用，并有利于成本节约。如图2所示，根据本实用新型的钢轨的轨头廓面3的横截面包括由彼此连接并相切的多段圆弧构成的弧曲部和与该弧曲部的外侧端点分别连接的两条n: 10斜线段。其中， 该弧曲部关于轨头的垂向中心线Y-Y对称，且所述两条η 10斜线段关于该垂向中心线彼此对称，其中3. 2 < η < 3. 6。在图2的实施例中，多段圆弧包括关于该中心线对称的第一圆弧段、位于该第一圆弧段外侧的关于该中心线彼此对称的第二和第三圆弧段、分别位于该第二和第三圆弧段外侧的关于该中心线彼此对称的第四和第五圆弧段和分别位于该第四和第五圆弧段外侧的关于该中心线彼此对称的第六和第七圆弧段。且这些圆弧段与其相邻的圆弧段相连接并且相切。此外，如图2所示，该弧曲部与其两侧的n: 10斜线段连接并相切。所述廓面的横截面还包括分别位于所述η:10斜线段外侧的两条1:20斜线段。如图2 所示，廓面3的横截面还包括设置n: 10斜线段和1 20斜线段之间的第八和第九圆弧段，如图所示第八和第九圆弧段关于垂向中心线对称并且与其两侧的η 10斜线段和1 20斜线段连接并相切。如图2所示，所述第一圆弧段具有在200mm至250mm范围的第一半径Rl和沿水平方向测得的在15mm至20mm范围的长度A。同样如图2所示，所述第二和第三圆弧段均具有在50mm至65mm范围的第二半径R2，该第二和第三圆弧段各自的外侧端点之间沿水平方向测得的间距B在46mm至52mm的范围。此外，所述第四和第五圆弧段均具有在14mm至 20mm范围的第三半径R3。在图2所示的实施例中，所述第六和第七圆弧段均具有在13mm 至16mm范围的第四半径R4。所述第八和第九圆弧段具有8mm至IOmm范围的第五半径R5。 如图2所示出的优选实施例，所述轨头具有48. 5mm的轨头高度和73mm的轨头宽度(在此是指轨头下颚宽度)，且所述第八和第九圆弧段各自的外侧端点之间的间距C为71. 12mm且该外侧端点距轨头的顶点之间的垂直距离H为17. 53mm。其中，该轨头高度的定义为本领域技术人员所公知的；而所示轨头宽度的定义是指1:20斜线外侧端点之间沿水平方向在横截面上测得的宽度，也即是轨头在最宽处测得的宽度，这对于本领域技术人员来说也是公知的。此外，本文所述的1:20斜线段除有特定规定之外，其它尺寸、构造或定位符合现有的规定，例如1:20是指该斜线段在横截面上关于竖直方向倾斜的锐角角度的正切值。现对照图1和图2，大概说明本发明在结构上的不同。如上文的描述，现有技术没有专用于铁路弯道的60kg/m的钢轨，对于直线铁路线路和弯道线路均是采用如图1所示的钢轨。如图1所示，现有钢轨的轨头廓面的横截面仅由关于垂向中心线对称的弧曲段和位于其两侧的两条1:20斜线段构成，而且该弧曲段仅由五段圆弧段构成并与两侧的1:20斜线段连接并相切。与现有技术相比，本实用新型的钢轨最大改进之处在于钢轨廓面的横截面中还具有n: 10斜线段，该n: 10斜线段的定义类似于1:20斜线段，n: 10是指该斜线段在钢轨廓面的横截面中关于垂向方向的倾斜锐角的正切值。设置该n: 10斜线段的好处将在下文参考图7和图8说明。此外，与现有技术相比，图2所示实施例中的弧曲部具有更多段的圆弧并且至少部分圆弧段的尺寸与现有技术显著不同，这所带来的好处也将在下文说明。现转向图3-6，图3-6描述了根据本实用新型的优选实施例。在图3示出了根据本实用新型的钢轨轨头的特别优选的实施例。如图3所示，第一半径Rl = 203mm，第一圆弧段沿水平方向测得的长度A = 15mm。第二半径R2 = 55mm，第二和第三圆弧段外侧端点的沿水平方向测得的长度B = 51.64mm。第三半径R3 = 14mm。此外，第四半径R4 = 12mm。两段n: 10斜线段为3. 6 10斜线段。第五半径R5 = 8mm,且所述第八和第九圆弧段各自的外侧端点之间的间距C为71. 12mm且该外侧端点距轨头的顶点之间的垂直距离H为17. 53mm。图4示出了图3的轨头被用于根据本实用新型的实施例的钢轨中，其中除了该轨头2 (具体来说是轨头廓面幻之外，该钢轨1 (包括轨腰和轨底)的其余尺寸参数与现行标准规定的一致。大体参考图5和6所示的根据本实用新型的钢轨优选实施例，除轨头外，这些实施例的其他尺寸参数也基本与现行标准规定的一致。现参考图5和图6。如图5所示，第一半径Rl = 200mm，第一圆弧段沿水平方向测得的长度A = 20mm。第二半径R2 = 50mm，第二和第三圆弧段外侧端点的沿水平方向测得的长度B = 48. 7mm。第三半径R3 = 16_。此外，第四半径R4 = 11_。两段n: 10斜线段为3. 6:10斜线段。第五半径R5 = 8mm,且所述第八和第九圆弧段各自的外侧端点之间的间距C为71. 12mm且该外侧端点距轨头的顶点之间的垂直距离H为17. 53mm。如图6所示，第一半径Rl = 220mm，第一圆弧段沿水平方向测得的长度A = 16mm。第二半径R2 = 60mm, 第二和第三圆弧段外侧端点的沿水平方向测得的长度B = 46. 66mm。第三半径R3 = 18mm。 此外，第四半径R4= 13mm。两段η: 10斜线段为3. 6:10斜线段。第五半径R5 = 8mm，且所述第八和第九圆弧段各自的外侧端点之间的间距C为71. 12mm且该外侧端点距轨头的顶点之间的垂直距离H(也即1:20斜线段的内侧端点距轨顶的垂直距离)为17. 53mm。需要说明的是，在图3、图4、图5和图6的实施例中，除了上述具体提到的数值，其余数值落入图2实施例所描述的数值范围中。此外，从图4、图5和图6所示的实施例中钢轨的轨高为176mm，轨底宽度为150mm，轨腰厚度为16. 5mm，轨头高度为48. 5mm，轨头宽度 (即1:20斜线段的外侧端点之间沿水平方向测得的间距)为73mm等主要型式与现有技术的60kg/m钢轨(例如见铁道行业标准《TB/T2341. 3-93 :60kg/m钢轨型式尺寸》)的一致， 便于本实用新型钢轨与现行钢轨的替换和组合使用。而此外，在本实用新型中的钢轨中，所述第八和第九圆弧段各自的外侧端点距轨头的顶点的垂直距离H(也即1 20斜线段的内侧端点距轨顶的垂直距离)为17. 53mm，这比现有技术中1 20斜线段的内侧端点距轨顶的高度差14. 2mm稍大，这使得本实用新型的钢轨在用于铁路弯道中能够更好地贴合车轮轮缘。 相应地，根据本实用新型的1:20斜线段在倾斜度和其外侧端点间距不变的情况下，该1:20 斜线段比现有标准的斜线段长度短并且其内侧端点之间的间距和距轨顶的垂直距离均相应较大。本实用新型主要的改进是在于轨顶廓形包括了现有技术没有设置n: 10斜线段、且增加了圆弧段并且各圆弧段的尺寸参数进行了优化，使之与LM和LMA型车轮更匹配，接触状态更良好，降低了接触应力，延长了钢轨的使用寿命。在本实用新型中，术语“磨耗型(踏面)车轮”在本领域中是公知的，包括但不限于LM或LMA型车轮。现参考图1和图7。在现有技术中，由于没有专用于铁路弯道的钢轨，因此图1所
6示的60kg/m钢轨通常也被用在弯道中。在现有技术中，轮轨几何形面不相匹配，而在弯道中(尤其是弯道上股钢轨中)这个问题更为严重。在运行初期，车轮在钢轨具有第二半径的第二或第三圆弧段区域与相接触，更为严重的在例如直径小于600m的弯道上股中，非常关键的车轮轮缘与钢轨的接触区域非常小并且不匹配，由此会造成在车辆运行过程中，钢轨在某些点处受到极大的应力。而如本实用新型的钢轨中，如图7中用Sl示意性地示出的车轮，通过提供η 10斜线段(在图7中为3. 6 10斜线段)，该车轮A的轮缘和钢轨形成良好的共形接触且提供了相对大的接触界面，并由此降低了接触应力，减少了磨损，增加了钢轨和车轮的使用寿命。此外，根据本实用新型的优选实施例，通过在弧形部提供7段圆弧并且提供改进的圆弧段尺寸，可以实现车轮在无论轮缘是否贴靠钢轨(例如用S2示意性地示出的只有踏面接触钢轨的车轮，此状态下的车轮例如是处于弯道下股钢轨中或者处于直线线路中)，在车轮踏面均是与钢轨的最大直径部位(即具有第一半径的第一圆弧段处)相接触，这具有避免受载的过度集中和过大的接触应力的优点，从而具有较长的寿命。而在现有技术中，只有通过一段时间的轮轨运行磨合之后钢轨形面才处于相对稳定状态，而在运行初期，这种轮轨接触更为严苛，因此钢轨所受的应力更大，钢轨的接触疲劳更严重，钢轨的磨耗量也更大，这都会显著缩短弯道钢轨寿命。在对本发明的优选实施例和现有技术钢轨的仿真实验中，对于在铁路弯道半径R =600m，车辆时速为70km/h、l:40的轨底坡、轴重为2. 1吨且车轮为LM型车轮的情况下，用美国加利福尼亚州圣安娜MSC软件公司的动力学计算软件ADAMS仿真结果表明，对于受到较大应力的上股钢轨，本实用新型不仅使轮轨接触点的分布更集中于钢轨踏面中心区域， 而且在直线钢轨线路中使轮轨接触面积增加49. 6%。轮轨最大接触应力降低22. 4%，车轮最大Mises应力降低9.6%，这显著增大了轮轨接触面积、降低了应力，由于大部分接触区更集中于钢轨踏面中心区域，所以更有利于减缓钢轨损耗和提高钢轨的横向平稳性。现已描述了本实用新型的几个实施例，但应该了解这些实施例仅用于对本实用新型的思想的描述而不是限定，本实用新型由所附的权利要求书及其等同来限定。此外，需要说明的是本实用新型的权利要求书是以本实用新型全部公开内容为依据，例如本说明书的背景技术部分并不排除记载有本实用新型的思想和特定技术特征。
权利要求1.一种适用于磨耗型车轮的铁路弯道用60kg/m钢轨，该钢轨包括具有廓面的轨头、轨底和连接该轨头和轨底的轨腰，其特征在于，该廓面的横截面包括由彼此连接并相切的多段圆弧构成的弧曲部和与该弧曲部的外侧端点分别连接的两条η 10斜线段，其中该弧曲部关于轨头的垂向中心线对称，所述两条η 10斜线段关于该垂向中心线彼此对称，其中 3. 2 彡 η 彡 3. 6。
2.根据权利要求1所述的钢轨，其特征在于，所述多段圆弧包括关于该中心线对称的第一圆弧段、位于该第一圆弧段外侧且关于该垂向中心线彼此对称的第二和第三圆弧段、 分别位于该第二和第三圆弧段外侧且关于该垂向中心线彼此对称的第四和第五圆弧段和分别位于该第四和第五圆弧段外侧且关于该垂向中心线彼此对称的第六和第七圆弧段。
3.根据权利要求2所述钢轨，其特征在于，所述廓面的横截面还包括分别位于所述 η 10斜线段外侧的两条1 20斜线段和分别与相邻的η 10斜线段和1 20斜线段连接并相切的第八和第九圆弧段。
4.根据权利要求2或3所述的钢轨，其特征在于，所述第一圆弧段具有在200mm至 250mm范围的第一半径(Rl)和沿水平方向测得的在15mm至20mm范围的长度㈧。
5.根据权利要求2或3所述的钢轨，其特征在于，所述第二和第三圆弧段均具有在 50mm至65mm范围的第二半径(似)，该第二和第三圆弧段各自的外侧端点之间沿水平方向测得的间距(B)在46mm至52mm范围。
6.根据权利要求2或3所述钢轨，其特征在于，所述第四和第五圆弧段均具有在14mm 至20mm范围的第三半径(R3)。
7.根据权利要求2或3所述钢轨，其特征在于，所述第六和第七圆弧段均具有在13mm 至16mm范围的第四半径(R4)。
8.根据权利要求3所述钢轨，其特征在于，所述第八和第九圆弧段具有8mm至IOmm范围的第五半径(R5)，所述第八和第九圆弧段各自的外侧端点之间的间距(C)为71. 12mm且该外侧端点距轨头的顶点之间的垂直距离(H)为17. 53mm。
9.根据权利要求1至3中任一项所述钢轨，其特征在于，所述轨头具有48.5mm的轨头高度和73mm的轨头宽度。
专利摘要本实用新型提供一种适用于磨耗型踏面车轮相匹配的铁路弯道用60kg/m钢轨，该钢轨包括具有廓面的轨头、轨底和连接该轨头和轨底的轨腰，其特征在于，该廓面的横截面包括由彼此连接并相切的多段圆弧构成的弧曲部和与该弧曲部的外侧端点分别连接的两条n∶10斜线段，其中，该弧曲部关于轨头的垂向中心线对称，且所述两条n∶10斜线段关于该垂向中心线彼此对称，且3.2≤n≤3.6。其带来的技术效果包括改善弯道钢轨在使用中的轮轨接触状态和轮轨配合性能；增加轮轨接触面积，大大减少轮轨接触应力。
文档编号E01B5/14GK202194033SQ20102066847
公开日2012年4月18日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者俞喆, 刘丰收, 周清跃, 周镇国, 张银花, 陈朝阳 申请人:中国铁道科学研究院金属及化学研究所