CN101914880A - 增大焊接承载能力运行左右平稳的无缝钢轨焊接结构 - Google Patents

Abstract

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。

Description

增大焊接承载能力运行左右平稳的无缝钢轨焊接结构

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A₀，车轮踏面垂直作用于A₀的应力为纯剪应力τ_0y，τ_0y＝F_y/A₀；车轮轮缘横向作用于A₀的应力为纯剪应力τ_0x，τ_0x＝F_x/A₀；车轮沿钢轨轴向作用于A₀的应力为纯正拉应力σ_0z，σ_0z＝F_z/A₀。

b.平行于X轴与Y轴成β角的单斜焊接面为A_β，由内到外沿x向作用于斜焊接面A_β的剪应力为τ_βx；由上到下沿β方向作用于单斜焊接面的剪应力为f_βy；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A_β的拉应力为f_βz。

c.与Y轴成β角的单斜焊接面A_β比垂直于钢轨轴向的直焊接面A₀的面积增加ΔA_β。

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A_β的纯剪应力τ_βx比作用于直焊接面A₀的纯剪应力τ_0x减少Δτ_βx。

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A_β的纯剪应力τ_β比由上到下沿y向作用于直焊接面A₀的纯剪应力τ_0y减少Δτ_β。

f.列车运行处于单斜焊接面的后方时，作用于单斜焊接面A_β沿z轴的纯正拉应力σ_β比作用于直焊接面A₀沿z轴的纯正拉应力σ_0z减少Δσ_β；

以上b中所述的

$f_{\mathrm{\βz}}=\frac{F_z}{A_{\mathrm{\β}}}=\frac{F_z}{A_0}\·\cos \mathrm{\β}={\mathrm{\σ}}_{0z}\·\cos \mathrm{\β}.$

以上c中所述的ΔA_β由下式计算：

${\mathrm{\ΔA}}_{\mathrm{\β}}=\frac{A_{\mathrm{\β}}-A_0}{A_0}=\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1---\left(1\right)$

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ΔA_β。

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F_y，是通过焊接斜面AB作用在焊接斜面A′B′上，斜焊接面A_β的应力f_βy是由纯正压应力σ_βy和纯剪应力τ_βy组成，作用在ADBE的纵向载荷F_z是通过斜面AB作用在焊接斜面A′B′上，斜焊接面A_β的应力f_βz是由纯正拉应力σ_βz和纯剪应力τ_βz组成。纯正拉应力的合应力为σ_β，σ_β＝σ_βz+σ_βy；纯剪应力的合应力为τ_β，τ_β＝τ_βy-τ_βz。

其中：σ_βy＝τ_0ysinβ·cosβ             σ_βz＝σ_0zcos²β

      τ_βy＝τ_0ycos²β                   τ_βz＝σ_0zsinβ·cosβ

      τ_β＝τ_0ycos²β+σ_0zsinβ·cosβ   σ_β＝σ_0zcos²β-τ_0ysinβ·cosβ

由上可知：

以上d中所述的Δτ_βx由下式计算：

${\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{\βx}}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{0x}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\βx}}}{{\mathrm{\τ}}_{0x}}=1-\cos \mathrm{\β}---\left(2\right)$

以上e中所述的Δτ_β由下式计算：

${\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{\β}}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{0y}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\τ}}_{0y}}=1-{\cos }^2\mathrm{\β}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{0z}}{{\mathrm{\τ}}_{0y}}\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\β}---\left(3\right)$

以上f中所述的Δσ_β由下式计算：

${\mathrm{\Δ\σ}}_{\mathrm{\β}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{0z}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\σ}}_{0z}}=1-{\cos }^2\mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{0y}}{{\mathrm{\σ}}_{0z}}\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\β}---\left(4\right)$

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x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x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小。

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。

附图说明

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图

图2为钢轨直焊接面和与Y轴成β角的单斜焊接面立体图

图3为载荷作用于直焊接面和斜焊接面的受力状况示意图

图4为斜焊接面的应力状态示意图

图5为ΔA_β、Δτ_β、Δσ_β、Δτ_βx与β的关系图

图6为两条钢轨斜焊接面前后错开的示意图

图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x轴成α角的单斜焊接面  9.车轮踏面

具体实施方式

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x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F_y大于车轮踏面通过钢轨后方对钢轨前方的作用力F_z，故τ_0y＞σ_0z，设定σ_0z/τ_0y＝2、6，对应(1)～(4)式，作ΔA_β、Δτ_βx、Δτ_β、Δσ_β与β的关系曲线图，如图5所示：①ΔA_β-β的曲线②Δτ_βx-β的曲线③σ_0z/τ_0y＝2的Δσ_β-β曲线④σ_0z/τ_0y＝6的Δσ_β-β曲线⑤σ_0z/τ_0y＝2的Δτ_β-β曲线⑥σ_0z/τ_0y＝6的Δτ_β-β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ΔA_β；沿x向的载荷作用在单斜面A_β上的纯剪应力τ_βx比作用在直面A₀的纯剪应力τ_0x减少了Δτ_βx；作用在A_β沿β方向的纯剪应力τ_β比作用在直面A₀沿y方向的纯剪应力τ_0y减少了Δτ_y；作用在A_β上的纯正拉应力σ_β比作用在直面A₀的纯正拉应力σ_0z减少了Δσ_β，对应的计算值如下：

β＝45°时，ΔA_β＝41.4％，Δτ_βx＝29.3％

β＝60°时，ΔA_β＝100％，Δτ_βx＝50％

Claims (3)

1.一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。

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