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 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 沿钢轨轴向作用于 A0 的应力为纯正拉应力 σ0z， σ0z ＝ Fz/A0。
b. 平行于 X 轴与 Y 轴成 β 角的单斜焊接面为 Aβ， 由内到外沿 x 向作用于斜焊接 面 Aβ 的剪应力为 τβx ； 由上到下沿 β 方向作用于单斜焊接面的剪应力为 fβy ； 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 Aβ 的拉应力为 fβz。
c. 与 Y 轴成 β 角的单斜焊接面 Aβ 比垂直于钢轨轴向的直焊接面 A0 的面积增加 ΔAβ。
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 Aβ 的纯剪应力 τβx 比作用于直焊接面 A0 的纯剪应力 τ0x 减少 Δτβx。
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 Aβ 的纯
剪应力 τβ 比由上到下沿 y 向作用于直焊接面 A0 的纯剪应力 τ0y 减少 Δτβ。
f. 列车运行处于单斜焊接面的后方时， 作用于单斜焊接面 Aβ 沿 z 轴的纯正拉应 力 σβ 比作用于直焊接面 A0 沿 z 轴的纯正拉应力 σ0z 减少 Δσβ ；
以上 b 中所述的
以上 c 中所述的 ΔAβ 由下式计算 ：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 ΔAβ。
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 Fy， 是通过焊接斜面 AB 作用在焊接斜面 A′ B′上， 斜焊接面 Aβ 的应力 fβy 是由纯正压应力 σβy 和纯剪应力 τβy 组成， 作用在 ADBE 的纵向载荷 Fz 是通过斜面 AB 作用在焊接斜面 A′ B′上， 斜焊接面 Aβ 的应力 fβz 是由纯正 拉应力 σβz 和纯剪应力 τβz 组成。纯正拉应力的合应力为 σβ， σβ ＝ σβz+σβy ； 纯剪应 力的合应力为 τβ， τβ ＝ τβy-τβz。
其中 ： σβy ＝ τ0ysinβ·cosβ σβz ＝ σ0zcos2β
τβy ＝ τ0ycos2β τβz ＝ σ0zsinβ·cosβ 2
τβ ＝ τ0ycos β+σ0zsinβ· cosβ σβ ＝ σ0zcos2β-τ0ysinβ· cosβ
由上可知 ：
以上 d 中所述的 Δτβx 由下式计算 ：
以上 e 中所述的 Δτβ 由下式计算 ：以上 f 中所述的 Δσβ 由下式计算 ：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 ΔAβ、 Δτβ、 Δσβ、 Δτβx 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 Fy 大于车轮踏面通过钢轨后方 对钢轨前方的作用力 Fz， 故 τ0y ＞ σ0z， 设定 σ0z/τ0y ＝ 2、 6， 对应 (1) ～ (4) 式， 作 ΔAβ、 Δτβx、 Δτβ、 Δσβ 与 β 的关系曲线图， 如图 5 所示 ： ① ΔAβ-β 的曲线② Δτβx-β 的 曲线③ σ0z/τ0y ＝ 2 的 Δσβ-β 曲线④ σ0z/τ0y ＝ 6 的 Δσβ-β 曲线⑤ σ0z/τ0y ＝ 2 的 Δτβ-β 曲线⑥ σ0z/τ0y ＝ 6 的 Δτβ-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 ΔAβ ； 沿 x 向的载荷作用 在单斜面 Aβ 上的纯剪应力 τβx 比作用在直面 A0 的纯剪应力 τ0x 减少了 Δτβx ； 作用在 Aβ 沿 β 方向的纯剪应力 τβ 比作用在直面 A0 沿 y 方向的纯剪应力 τ0y 减少了 Δτy ； 作用在 Aβ 上的纯正拉应力 σβ 比作用在直面 A0 的纯正拉应力 σ0z 减少了 Δσβ， 对应的计算值如 下：
β ＝ 45°时， ΔAβ ＝ 41.4％， Δτβx ＝ 29.3％
β ＝ 60°时， ΔAβ ＝ 100％， Δτβx ＝ 50％