專利名稱：運(yùn)行上下平穩(wěn)焊縫承載能力大的無縫鋼軌焊接結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬軌道列車鋼軌焊接的技術(shù)領(lǐng)域，具體說是將現(xiàn)有垂直于鋼軌縱向的 直焊接面改為斜交于鋼軌的斜焊接面。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代重載、高速軌道列車普遍采用鋼軌的整體焊接技術(shù)，由于焊接面與鋼軌的 縱向垂直，這就必然產(chǎn)生以下的不良后果1.當(dāng)車輪踏面通過焊縫4時(shí)就產(chǎn)生上下顛簸； 2.車 輪載荷對(duì)焊接面上下作用的是純垂向剪切力，輪緣對(duì)鋼軌左右作用的是純橫向剪切 力，輪對(duì)通過鋼軌前方對(duì)鋼軌后方作用的是純正拉力；3.沿用傳統(tǒng)的鋼軌鋪設(shè)方法，兩條 鋼軌的垂直焊接面左右對(duì)稱，車輪同時(shí)作用于左右焊縫，這對(duì)運(yùn)行的平穩(wěn)性和承載的可靠 性更為不利。由于純剪應(yīng)力和純正拉應(yīng)力是不利的受力狀態(tài)，在長(zhǎng)期運(yùn)行中車輪對(duì)鋼軌的反復(fù) 作用，會(huì)使焊接面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋擴(kuò)展的惡性循環(huán)，甚至?xí)纬墒鹿?，為了提高鋼軌?列車長(zhǎng)期運(yùn)行中的平穩(wěn)性、安全性、可靠性和耐久性，就需要消除車輪踏面通過焊縫時(shí)的上 下顛簸，并減少拉應(yīng)力、剪應(yīng)力，以及它們復(fù)合的不利受力狀態(tài)，這是現(xiàn)代重載、高速列車整 體無縫焊接鋼軌亟待解決的重要問題之一。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于為解決上述存在的問題，提出一種既能消除車輪踏面通過 焊縫時(shí)的上下顛簸，又能增加焊接面的承載能力，并可采用更為簡(jiǎn)便的焊接工藝的新連接 面的幾何和力學(xué)結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型由鋼軌7和焊縫構(gòu)成，鋼軌7的連接縫5呈斜面，斜面與鋼軌7橫截面 成45°或60°角。斜面以焊接方式連接，兩條平行鋼軌7的斜焊縫5錯(cuò)位排列，錯(cuò)位長(zhǎng)度大于一節(jié)車 廂的長(zhǎng)度。焊接方式為電弧焊、氣壓焊或閃光焊。在實(shí)際應(yīng)用中，路基是現(xiàn)行的鋼筋混凝土無碴路基，鋼軌7是現(xiàn)行的重載列車、高 速動(dòng)車組和城市軌道列車所用的各種類型的鋼軌，鋼軌7與路基連接的軌枕8、墊板9、墊板 固定螺栓10、扣件11完全不變。鋼軌斜面連接處的力學(xué)特征由下列參量表達(dá)a.斜焊接面Aa比平行于xoy的直焊接面Atl的面積增加量ΔΑα ；b.垂向載荷Fy作用于斜焊接面Aa的純剪應(yīng)力τ ay比垂向載荷Fy作用于直焊接 面A0的純剪應(yīng)力τ 0y減少量ATy;c.列車運(yùn)行處于斜焊縫的后方時(shí)，由內(nèi)到外的載荷Fx沿α方向作用于斜焊接面 Aa的純剪應(yīng)力τ α比由內(nèi)到外沿χ向作用于直焊接面Atl的純剪應(yīng)力τ。χ減少量Δ τχ；d.列車運(yùn)行處于斜焊縫的后方時(shí)，由后到前沿ζ向作用于斜焊接面Aa的純正拉應(yīng)力0 a，比由后到前沿z向作用于直焊接面A。的純正拉應(yīng)力oQz減少量Aoz;參量表達(dá)a中的斜焊接面Aa比平行于xoy的直焊接面的面積增加量AAa由 下式計(jì)算 如果鋼軌的規(guī)格和材料不變，焊接介質(zhì)材料和焊接工藝不變，焊縫的承載能力相 應(yīng)地也增加了 AAa。參量表達(dá)b中的垂向載荷Fy作用于斜焊接面々。的純剪應(yīng)力比垂向載荷Fy 作用于直焊接面 的純剪應(yīng)力t 0y減少量A T y由下式計(jì)算 參照?qǐng)D4解析列車運(yùn)行處于斜焊接面々。后方時(shí)，作用在ABED部分的橫向載荷 Fy，通過焊接面AB作用于焊接面A' B'上，由內(nèi)向外作用在斜焊接面々。的應(yīng)力fax由純正 拉應(yīng)力o ax和純剪應(yīng)力t ax組成；作用于ABED的縱向載荷Fz是通過斜面AB作用于焊接 斜面A' B'上，斜焊接面Aa的應(yīng)力faz是由純正拉應(yīng)力0 az和純剪應(yīng)力t az組成。純正 拉應(yīng)力的合應(yīng)力為o a，o a = o ax+o az;純剪應(yīng)力的合應(yīng)力為t a，T a = T ax-x azD其中o ax = t 0xsin a cos a o az = o 0z cos2 at ax = t 0x cos2 a t az = x0z sina cos a因此，fax中的純剪應(yīng)力t ^和faz的純剪應(yīng)力T az合成的純剪應(yīng)力為T a
由上可知
參量表達(dá)c中的列車運(yùn)行處于斜焊縫的后方時(shí)，由內(nèi)向外沿a方向作用于斜焊接 面八。的純剪應(yīng)力t a比由內(nèi)到外沿x向作用于直焊接面AQ的純剪應(yīng)力減少量A xx 由下式計(jì)算Atx =—~^ = l-cos2a+^"Sina.cosa(3)參量表達(dá)d中的列車運(yùn)行處于斜焊縫的后方時(shí)，由后到前沿z向作用于斜焊接面 Aa的純正拉應(yīng)力o a，比由后到前沿z向作用于直焊接面A。的純正拉應(yīng)力oQz減少量A oz 由下式計(jì)算 解析作用于斜焊接面々。的純正拉應(yīng)力0 a = 0 az+0 ax，因此作用于斜焊接面 Aa的純正拉應(yīng)力o a比作用于直焊接面AQ的純正拉應(yīng)力oQz減小了 A oz。本實(shí)用新型的有益效果在于1.斜焊接面々。消除了車輪通過焊縫時(shí)的上下顛簸由于斜焊接面Aa平行于y軸， 與x軸成a角，于是車輪經(jīng)過軌頭的斜焊縫5時(shí)，踏面6與斜焊縫5不是完全接觸，而是與 斜焊縫5內(nèi)外兩部分搭接接觸，于是車輪載重通過踏面6由軌頭內(nèi)外兩部分共同承擔(dān)，這就 消除了由于焊縫的凹陷，造成車輪沿y向的上下顛簸；2.增加了焊接的面積和焊接承載能力由于斜焊接面Aa面積增加，使純正拉應(yīng)力
和純剪應(yīng)力減小，故即使采用相同的焊接工藝也能保證焊接強(qiáng)度和焊接的可靠性；[0033]3.可增加鋼軌對(duì)輪對(duì)的承載能力；4.特別適用于重載列車和高速動(dòng)車組無縫長(zhǎng)軌的焊接，也可用于城市軌道列車無縫鋼軌的焊接。
圖1為鋼軌的斜焊接面和直焊接面的俯視圖圖2為車輪作用于斜焊接面和直焊接面受力狀態(tài)示意圖圖3為兩條鋼軌焊縫前后錯(cuò)開的鋪設(shè)示意圖圖4為斜焊接面的應(yīng)力狀態(tài)圖示意圖其中1.軌底2.軌頭3.軌腰4.直焊縫5.斜焊縫6.車輪踏面7.鋼軌8.軌 枕9.墊板10.墊板螺栓11.扣件Aci-直焊接面；Αα-斜焊接面；fax-列車處于斜焊縫 后方ABED時(shí)，載荷Fx通過AB斜面作用在A' B'斜面上的應(yīng)力；ο αχ__列車處于斜焊縫后 方ABED時(shí)，載荷通過AB斜面作用在A' B'斜面上fax的正拉應(yīng)力；τ αχ-列車處于斜焊 縫后方ABED時(shí)，載荷通過AB斜面作用在A' B'斜面上f αχ的純剪應(yīng)力；f αζ-列車處于斜 焊縫前方A' B' E' D'時(shí)，載荷Fz通過A' B'斜面作用在AB斜面上的應(yīng)力；ο αΖ-_ΑΒ 面上faz的正拉應(yīng)力；τ αΖ--ΑΒ面上faz的純剪應(yīng)力。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型由鋼軌和焊縫構(gòu)成，鋼軌7的連接縫5呈斜面，斜面與鋼軌7橫截面成 45°或60°角。斜面以焊接方式連接，兩條平行鋼軌7的斜焊縫5錯(cuò)位排列，錯(cuò)位長(zhǎng)度大于 一節(jié)車廂的長(zhǎng)度。焊接方式為電弧焊、氣壓焊或閃光焊。以下為應(yīng)用本實(shí)用新型運(yùn)行上下平穩(wěn)無縫鋼軌的增高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)實(shí) 例將待焊接的兩段鋼軌的端頭按平行于y軸、與χ軸成α角加工成斜面后，再上下、 左右對(duì)齊并預(yù)留適當(dāng)?shù)拈g隙，用適合的焊接工藝焊接，隨后進(jìn)行推凸、打磨、熱處理，即完成 斜面接頭的焊接?，F(xiàn)行平行于xoy、垂直于ζ軸的直焊接面的面積為Atl ；車輪踏面垂向作用于Atl的 應(yīng)力為純剪應(yīng)力τ 0y, τ 0y = FyZA0 ；車輪輪緣橫向作用于Atl的應(yīng)力為純剪應(yīng)力τ 0χ, τ 0χ = FX/AQ;車輪沿鋼軌方向作用于Atl的應(yīng)力為純拉應(yīng)力0qz，0qz = Fz/Aq。由于列車運(yùn)行輪緣對(duì)鋼軌軌頭側(cè)面的橫向作用力Fx小于車輪踏面通過鋼軌前方
對(duì)鋼軌后方或通過后方對(duì)前方的作用力Fz，故Ttlx < \，設(shè)定、/ =1、|、|，并選取a
為不同特定角度，結(jié)合式(1) (4)分別求出斜焊接面面積或焊接面承載能力增加ΔΑα， 沿y向的載荷作用于斜面Aa上的純剪應(yīng)力τ”比作用于直面Atl的純剪應(yīng)力Ttly減少了 Δ、，作用于斜面Aa沿α方向的純剪應(yīng)力τ α比作用于直面Atl沿χ方向的純剪應(yīng)力τ Qx 減少了 Δ τ χ，作用于斜面Aa上的純正拉應(yīng)力σ α比作用于直面Atl的純正拉應(yīng)力Qciz減少 了 Δ σζ，給出以下的生產(chǎn)實(shí)例1、取 a = 45° AAa = 41. 4%, Δ τ y = 29. 3%,[0047] 2、取 a = 60° AAa = 100%, A X = 50%,
權(quán)利要求一種運(yùn)行上下平穩(wěn)焊縫承載能力大的無縫鋼軌焊接結(jié)構(gòu)，由鋼軌和焊縫構(gòu)成，其特征在于鋼軌(7)的連接縫(5)呈斜面，斜面與鋼軌(7)橫截面成45°或60°角。
2.按權(quán)利要求1所述的運(yùn)行上下平穩(wěn)焊縫承載能力大的無縫鋼軌焊接結(jié)構(gòu)，其特征在 于所述的斜面以焊接方式連接，兩條平行鋼軌(7)的斜焊縫(5)錯(cuò)位排列，錯(cuò)位長(zhǎng)度大于一 節(jié)車廂的長(zhǎng)度。
3.按權(quán)利要求2所述的運(yùn)行上下平穩(wěn)焊縫承載能力大的無縫鋼軌焊接結(jié)構(gòu)，其特征在 于所述的焊接方式為電弧焊、氣壓焊或閃光焊。
專利摘要運(yùn)行上下平穩(wěn)無縫鋼軌增高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)屬軌道列車鋼軌焊接的技術(shù)領(lǐng)域，本實(shí)用新型由鋼軌和焊縫構(gòu)成，鋼軌的連接處呈斜面，并由焊接方式連接，兩條平行鋼軌連接處的斜面不對(duì)稱錯(cuò)位排列，錯(cuò)位長(zhǎng)度大于一節(jié)車廂的長(zhǎng)度，斜面由與y軸平行，與x軸成45或60度角確定；本實(shí)用新型的斜焊接面可消除車輪通過焊縫時(shí)的上下顛簸，斜焊接面與直焊接面相比可使焊接面積增加，使純正拉應(yīng)力和純剪應(yīng)力減小，還可增加鋼軌對(duì)輪對(duì)的承載能力，即使采用鋁熱焊焊接也能保證焊接強(qiáng)度和焊接的可靠性，鋁熱焊焊接可提高焊接效率、簡(jiǎn)化焊接工藝、節(jié)省焊接成本，且可在線操作；本實(shí)用新型特別適用于重載列車和高速動(dòng)車組無縫長(zhǎng)軌的焊接，也可用于城市軌道列車無縫鋼軌的焊接。
文檔編號(hào)E01B11/44GK201598537SQ20092024962
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者宋玉泉, 管曉芳, 陶毅, 駱武偉 申請(qǐng)人:宋玉泉