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Aα比平行于xoy的直焊接面A0的面积增加量ΔAα；
b.垂向载荷Fy作用于斜焊接面Aα的纯剪应力ταy比垂向载荷Fy作用于直焊接面A0的纯剪应力τ0y减少量Δτy；
c.列车运行处于斜焊缝的后方时，由内到外的载荷Fx沿α方向作用于斜焊接面Aα的纯剪应力τα比由内到外沿x向作用于直焊接面A0的纯剪应力τ0x减少量Δτx；
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Aα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τ0x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Aα的纯正拉应力σα，比由后到前沿z向作用于直焊接面A0的纯正拉应力σ0z减少量Δσz；
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Aα的纯正拉应力σ′α，比由前到后沿z向作用于直焊接面A0地纯正拉应力σ0z减少量Δσ′z。
参量表达a中的斜焊接面Aα比平行于xoy的直焊接面A0的面积增加量ΔAα由下式计算：
ΔAα=Aα-A0A0=1cosα-1---(1)]]>
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ΔAα。
参量表达b中的垂向载荷Fy作用于斜焊接面Aα的纯剪应力ταy比垂向载荷Fy作用于直焊接面A0的纯剪应力τ0y减少量Δτy由下式计算：
Δτy=τ0y-ταyτ0y=1-cosα---(2)]]>
参照图4解析：列车运行处于斜焊接面Aα后方时，作用在ABED部分的横向载荷Fx，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Aα的应力fαx由纯正拉应力σαx和纯剪应力ταx组成；作用于ABED的纵向载荷Fz是通过斜面AB作用于焊接斜面A′B′上，斜焊接面Aα的应力fαz是由纯正拉应力σαz和纯剪应力ταz组成。纯正拉应力的合应力为σα，σα＝σαx+σαz；纯剪应力的合应力为τα，τα＝ταx-ταz。
其中：σαx＝τ0xsinα·cosα σαz＝σ0zcos2α
ταx＝τ0x cos2α ταz＝τ0zsinα·cosα
因此，fαx中的纯剪应力ταx和fαz的纯剪应力ταz合成的纯剪应力为τα
τα＝τ0xcos2α-σ0zsinα·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Aα的纯剪应力τα比由内到外沿x向作用于直焊接面A0的纯剪应力τ0x减少量Δτx由下式计算：
Δτx=τ0x-τατ0x=1-cos2α+σ0zτ0xsinα·cosα---(3)]]>
参照图4解析：作用于轨道A′B′E′D′部分的横向载荷Fx，是通过焊接斜面A′B′作用于焊接斜面AB上，斜焊接面Aα的应力f′αx是由纯正压应力σ′αx和纯剪应力τ′αx组成，作用于A′B′E′D′的纵向载荷Fz是通过斜面A′B′作用于焊接斜面AB上，斜焊接面Aα的应力f′αz是由纯正拉应力σ′αz和纯剪应力τ′αz组成，纯正应力的合应力为σ′α，σ′α＝σ′αz-σ′αx；纯剪应力的合应力为τ′α，τ′α＝τ′αx+τ′αz。
其中：σ′αx＝τ0xsinα·cosα σ′αz＝σ0zcos2α
τ′αx＝τ0xcos2α τ′αz＝τ0zsinα·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＝τ0xcos2α+σ0zsinα·cosα
由上可知：
参量表达d中的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Aα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τ0x减少量Δτ′x由下式计算：
Δτx′=τ0x-τατ0x=1-cos2α-σ0zτ0xsinα·cosα---(4)]]>
参量表达e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Aα的纯正拉应力σα，比由后到前沿z向作用于直焊接面A0的纯正拉应力σ0z减少量Δσz由下式计算：
Δσz=σ0z-σασ0z=1-cos2α-τ0xσ0zsinα·cosα---(5)]]>
解析：作用于斜焊接面Aα的纯正拉应力σα＝σαz+σαx，因此作用于斜焊接面Aα的纯正拉应力σα比作用于直焊接面A0的纯正拉应力σ0z减小了Δσz。
参量表达f中的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Aα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σ0z减少量Δσ′z由下式计算：
Δσz′=σ0z-σα′σ0z=1-cos2α+τ0xσ0zsinα·cosα---(6)]]>
解析：作用于斜焊接面Aα的纯正压应力σ′α＝σ′αz-σ′αx，因此作用于斜焊接面Aα的纯正拉应力σ′α比作用于直焊接面A0的纯正拉应力σ0z减小了Δσ′z。
本发明的有益效果在于：
1.斜焊接面Aα消除了车轮通过焊缝时的上下颠簸：由于斜焊接面Aα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Aα面积增加，使纯正拉应力和纯剪应力减小，故即使采用铝热焊焊接也能保证焊接强度和焊接的可靠性；
3.用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；
4.可增加钢轨对轮对的承载能力；
5.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；Aα--斜焊接面；fαx--列车处于斜焊缝后方ABED时，载荷Fx通过AB斜面作用在A′B′斜面上的应力；σαx--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fαx的正拉应力；ταx--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fαx的纯剪应力；fαz--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；σαz--AB面上fαz的正拉应力；ταz--AB面上fαz的纯剪应力；f′αx--载荷Fx通过A′B′斜面作用在AB斜面上的应力；f′αz--载荷Fz通过A′B′斜面作用在AB斜面上的应力；σ′αx--作用在AB斜面上f′αx的正应力；σ′αz--作用在AB斜面上f′αz的正应力；τ′αx--作用在AB斜面上f′αx的纯剪应力；τ′αz--作用在AB斜面上f′αz的纯剪应力；Fz--列车运行处于斜焊缝的后方ABED时，由后到前作用在钢轨上的载荷；Fx--列车运行处于斜焊缝的后方或前方时，由内到外沿钢轨横向的载荷；F′z--列车运行处于斜焊缝的前方A′B′E′D′时，由前到后作用在钢轨上的载荷。
【具体实施方式】
以下为应用本发明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，用铝热焊焊接工艺焊接，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τ0y，τ0y＝Fy/A0；车轮轮缘横向作用于A0的应力为纯剪应力τ0x，τ0x＝Fx/A0；车轮沿钢轨方向作用于A0的应力为纯拉应力σ0z，σ0z＝Fz/A0。
由于列车运行轮缘对钢轨轨头侧面的横向作用力Fx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Fz，故τ0x＜τ0z，设定并选取α为不同特定角度，结合式(1)～(6)分别求出：斜焊接面面积或焊接面承载能力增加ΔAα，沿y向的载荷作用于斜面Aα上的纯剪应力ταy比作用于直面A0的纯剪应力τ0y减少了Δτy，作用于斜面Aα沿α方向的纯剪应力τα、τ′α比作用于直面A0沿x方向的纯剪应力τ0x减少了Δτx、Δτ′x，作用于斜面Aα上的纯正拉应力σα、σ′α比作用于直面A0的纯正拉应力σ0z减少了Δσz、Δσ′z，给出以下的生产实例：
1、取α＝30°：
ΔAα＝15.5％，Δτy＝13.4％，
2、取α＝45°：
ΔAα＝41.4％，Δτy＝29.3％，
3、取α＝60°：
ΔAα＝100％，Δτy＝50％，