[发明专利]运行上下平稳焊缝承载能力大的无缝钢轨焊接结构

说明书

技术领域

本发明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.目前无缝长钢轨的焊接所采用的焊接工艺都存在一些问题需要解决：闪光焊焊接强度高、可靠性好，是钢轨焊接普遍采用的焊接工艺，但闪光焊设备复杂、造价高、所需功率高，而且不便在线操作，灰斑也是很难消除的焊接缺陷；气压焊则是高温氧乙炔火焰与被加热的焊接接头的温度交织在一起，故很难准确测量焊接接头的真实温度，而且压力的实施和控制也存在问题；电弧焊的焊接质量不稳定，焊接效率较低；铝热焊，虽然无需复杂的专用设备，焊接工艺简便，也宜在线焊接，但是焊接的接缝是铸态组织，其焊接强度较低，目前除道岔焊接尚有应用，一般都不采用。4.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

本发明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。

本发明由钢轨7和焊缝构成，钢轨7的连接处呈斜面，并以焊接方式连接，焊接方式为铝热焊、电弧焊、气压焊和闪光焊，以铝热焊最为适宜；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；斜面由与y轴平行，与x轴构成特定角度α确定，α角为45°或60°。

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前方时，由内到外沿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；

e.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；

f.列车运行处于斜焊缝的前方时，由前到后沿z向作用于斜焊接面A_α的纯正拉应力σ′_α，比由前到后沿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：