CN201598537U - 运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构 - Google Patents

Abstract

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，本实用新型由钢轨和焊缝构成，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度角确定；本实用新型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；本实用新型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。

Description

运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构

技术领域

本实用新型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.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

本实用新型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。

本实用新型由钢轨7和焊缝构成，钢轨7的连接缝5呈斜面，斜面与钢轨7横截面成45°或60°角。

斜面以焊接方式连接，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。

焊接方式为电弧焊、气压焊或闪光焊。

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A_α比平行于xoy的直焊接面A₀的面积增加量ΔA_α；

b.垂向载荷F_y作用于斜焊接面A_α的纯剪应力τ_αy比垂向载荷F_y作用于直焊接面A₀的纯剪应力τ_0y减少量Δτ_y；

c.列车运行处于斜焊缝的后方时，由内到外的载荷F_x沿α方向作用于斜焊接面A_α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τ_0x减少量Δτ_x；

d.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A_α的纯正拉应力σ_α，比由后到前沿z向作用于直焊接面A₀的纯正拉应力σ_0z减少量Δσ_z；

参量表达a中的斜焊接面A_α比平行于xoy的直焊接面A₀的面积增加量ΔA_α由下式计算：

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

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ΔA_α。

参量表达b中的垂向载荷F_y作用于斜焊接面A_α的纯剪应力τ_αy比垂向载荷F_y作用于直焊接面A₀的纯剪应力τ_0y减少量Δτ_y由下式计算：

${\mathrm{\Δ\τ}}_y=\frac{{\mathrm{\τ}}_{0y}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\αy}}}{{\mathrm{\τ}}_{0y}}=1-\cos \mathrm{\α}---\left(2\right)$

参照图4解析：列车运行处于斜焊接面A_α后方时，作用在ABED部分的横向载荷F_y，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_α的应力f_αx由纯正拉应力σ_αx和纯剪应力τ_αx组成；作用于ABED的纵向载荷F_z是通过斜面AB作用于焊接斜面A′B′上，斜焊接面A_α的应力f_αz是由纯正拉应力σ_αz和纯剪应力τ_αz组成。纯正拉应力的合应力为σ_α，σ_a＝σ_αx+σ_αz；纯剪应力的合应力为τ_α，τ_α＝τ_αx-τ_αz。

其中：σ_αx＝τ_0xsinα·cosα    σ_αz＝σ_0z cos²α

τ_αx＝τ_0x cos²α  τ_αz＝τ_0z sinα·cosα

因此，f_αx中的纯剪应力τ_αx和f_αz的纯剪应力τ_αz合成的纯剪应力为τ_α

τ_α＝τ_0x cos²α-σ_0z sinα·cosα

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α方向作用于斜焊接面A_α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τ_0x减少量Δτ_x由下式计算：

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

参量表达d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A_α的纯正拉应力σ_α，比由后到前沿z向作用于直焊接面A₀的纯正拉应力σ_0z减少量Δσ_z由下式计算：

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

解析：作用于斜焊接面A_α的纯正拉应力σ_α＝σ_αz+σ_αx，因此作用于斜焊接面A_α的纯正拉应力σ_α比作用于直焊接面A₀的纯正拉应力σ_0z减小了Δσ_z。

本实用新型的有益效果在于：

1.斜焊接面A_α消除了车轮通过焊缝时的上下颠簸：由于斜焊接面A_α平行于y轴，与x轴成α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A_α面积增加，使纯正拉应力和纯剪应力减小，故即使采用相同的焊接工艺也能保证焊接强度和焊接的可靠性；

3.可增加钢轨对轮对的承载能力；

4.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。

附图说明

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 A₀--直焊接面；A_α--斜焊接面；f_αx--列车处于斜焊缝后方ABED时，载荷F_x通过AB斜面作用在A′B′斜面上的应力；σ_αx--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_αx的正拉应力；τ_αx--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_αx的纯剪应力；f_αz--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；σ_αz--AB面上f_αz的正拉应力；τ_αz--AB面上f_αz的纯剪应力。

具体实施方式

本实用新型由钢轨和焊缝构成，钢轨7的连接缝5呈斜面，斜面与钢轨7横截面成45°或60°角。斜面以焊接方式连接，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。焊接方式为电弧焊、气压焊或闪光焊。

以下为应用本实用新型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α角加工成斜面后，再上下、左右对齐并预留适当的间隙，用适合的焊接工艺焊接，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A₀；车轮踏面垂向作用于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；车轮沿钢轨方向作用于A₀的应力为纯拉应力σ_0z，σ_0z＝F_z/A₀。

由于列车运行轮缘对钢轨轨头侧面的横向作用力F_x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F_z，故τ_0x＜τ_0z，设定并选取α为不同特定角度，结合式(1)～(4)分别求出：斜焊接面面积或焊接面承载能力增加ΔA_α，沿y向的载荷作用于斜面A_α上的纯剪应力τ_αy比作用于直面A₀的纯剪应力τ_0y减少了Δτ_y，作用于斜面A_α沿α方向的纯剪应力τ_α比作用于直面A₀沿x方向的纯剪应力τ_0x减少了Δτ_x，作用于斜面A_α上的纯正拉应力σ_α比作用于直面A₀的纯正拉应力σ_0z减少了Δσ_z，给出以下的生产实例：

1、取α＝45°：

ΔA_α＝41.4％，Δτ_y＝29.3％，

2、取α＝60°：

ΔA_α＝100％，Δτ_y＝50％，

。

Claims (3)

1.一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)的连接缝(5)呈斜面，斜面与钢轨(7)横截面成45°或60°角。

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，其特征在于所述的斜面以焊接方式连接，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。

3.按权利要求2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电弧焊、气压焊或闪光焊。

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