高速重载铁路无缝钢轨斜焊接面动态力学解析及最佳焊接技术的研究

从1964年，无缝钢轨焊接在日本首次问世，时至今日，国内外无缝焊接钢轨的焊接面仍为与钢轨轴线正交的直平面，其所受的是垂向剪应力、横向剪应力和轴向正拉应力，这属于危险应力状态，而且，当车轮踏面通过轨道焊缝时会产生上下颠簸，当车轮轮缘通过轨头侧面焊缝时会产生左右震动。为了解决这一问题，本项目申请者发表了无缝钢轨单斜焊接面和双斜焊接面静态力学解析的论文。前者可消除上下颠簸或左右震动，后者可同时消除上下颠簸和左右震动，而且两者均能显著地减小焊缝所受的剪应力和正拉应力，并显著地增加焊缝的承载能力。由于运行列车是复杂的动态过程，因此，静态力学解析的结论只可作为设计的定量参照，还必须结合无缝钢轨最佳焊接技术进行动态力学解析。通过本项目的研究，最终的目标是：设备投资不大于闪光焊机的三分之一，焊缝承载能力大于闪光焊或气压焊，实施焊接效率远高于闪光焊，略高于气压焊。

无缝钢轨焊接在世界上已经普及，然而，钢轨之间的无缝焊接截面与轨道轴线的方位关系，仍然是相互正交的几何方位结构，并无突破性的发展。虽然1964年，首条电气化高速无缝焊接铁路在日本建成，但是无缝钢轨的焊接面仍为与钢轨轴线正交的平面。因此，直焊接面所处的危险应力状态和列车通过焊缝时的上下颠簸和左右震动仍没有解决。为了解决这一问题，本项目申请者发表了无缝钢轨单斜焊接面和双斜焊接面静态力学解析的论文。前者可消除上下颠簸或左右震动，后者可同时消除上下颠簸和左右震动，而且两者均能显著地减小焊缝所受的剪应力和正拉应力，并显著地增加焊缝的承载能力。所得的静态分析结论，具有几何学和力学的抽象性与普遍性。如果能以此为理论根据进行开拓性的研究，对铁路科学技术发展所起的良好作用是不言而喻的。由于斜面动态力学的载荷谱是斜面动态力学研究是否可行的重要必要研究数据，要获得斜面动态研究结论，必须以斜面动态运行测定的载荷谱为依据，没有这一依据，任何分析都属空谈。要解决这一问题，必须有斜焊接面的轨道、轨道路基和路基基础。但是，这一问题的解决几乎涉及到电气化高速动车组铁路建设的全部。这在目前中国动车组建设情况下，又谈何容易。即使建设一段十几公里的试验段，也是不可能的，没有这样的铁路就得不到斜焊接面的动态载荷谱。由于上述原因，本项目申请人在向基金委反映情况的同时，仍对原定计划尽力进行，原计划单斜焊接面的切割问题和双斜焊接面无缝钢轨的结构设计仍在进行，并于2014年8月20日授权中国实用新型专利1项，又于2015年10月20日授权美国发明专利1项。但是对于电气化高速铁路的组成作了较全面的分析，分析结果判明，中国电气化高速铁路的宏观构成主要为三大部分，即空间电网、负载动车组和承载轨道。把原定由钢轨斜焊接面出发变动为由专用供电网出发进行研究，这样才符合科学进展的规律，于是本项目首先从专用供电网到动车组内部动力供电和辅助供电系统重点解决，在全线不设过分相，也不出现三相供电的不平衡，引起负序电流的问题，这是高速动车组的一大难题，于是本项目申请了中国发明专利3项和国际发明专利1项。