萬水泉焊軌基地工程設計方案研究

劉亞東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司機動院,北京 100055)

1 概述

無縫線路作為軌道結構的重要組成部分,與普通線路相比具有行車平穩(wěn)、節(jié)省材料、降低維修費用、延長線路設備和機車車輛使用壽命等優(yōu)點。鋪設無縫線路已在我國廣泛采用,并取得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著鐵路既有線提速改造和新建鐵路的建設,列車時速提高,鐵路運量增長,對無縫線路提出更高的要求,要求焊接接頭具有更高的平順性和直線度。鋼軌焊接接頭是影響線路平順性的突出弱點,為提高列車運行的平順性,需要提高鋼軌的定尺長度。鋼軌的定尺延長,可以使焊縫減少,保證列車平穩(wěn)運行。

目前,神華集團鐵路自營里程已經(jīng)達到1 560 km,每年需更換約300 km的長鋼軌。隨著公司快速穩(wěn)定的發(fā)展,預計遠期神華集團自營鐵路里程將達到近4 000 km。屆時集團每年的大修換軌任務將增加至約600～800 km/年。

目前,集團還沒有焊軌基地,在建鐵路建設用軌和既有線大修換軌所需的長鋼軌全部是外購。近年我國正處于既有鐵路提速、客運專線、城際鐵路的大建設時期,受客觀條件的限制,長鋼軌供應周期較長,如果集團沒有自己的焊軌基地,一旦外部供應不足,集團新建鐵路及既有線改造所需長鋼軌將得不到保證,限制了集團鐵路建設的發(fā)展,影響集團公司運輸生產(chǎn)任務的完成,進而影響到集團的整體發(fā)展戰(zhàn)略。

為徹底解決集團鐵路對長鋼軌的需求,保障集團鐵路建設的發(fā)展,急需擇址新建焊軌基地。

2 方案研究

2.1 主要技術決定

2.1.1 場址的選擇

焊軌基地位于萬水泉南站西南側,由車站南北場聯(lián)絡線上引出入線,萬水泉南是包神線的起點站,北接包頭樞紐,萬水泉南站萬噸改造后,設南、北兩場。南場設有11條到發(fā)線(含正線,其中3條為萬噸到發(fā)線),北場設有13條到發(fā)線(含正線,其中3條為萬噸到發(fā)線)。萬水泉南站地理位置優(yōu)越,交通方便,未來焊軌基地所需素軌主要由包鋼供給,萬水泉南站距離包頭站僅約10 km,運送材料方便,節(jié)省了運營成本。隨著甘泉線將引入萬水泉南站,萬水泉南站在神華自營鐵路網(wǎng)中的地位和作用將日益加強。同時距離集團既有及新建鐵路距離適中,擬建萬水泉南站焊軌基地的成品長軌的供應可以輻射包神線、神朔鐵路、朔黃鐵路、大準鐵路、準池鐵路、寧東鐵路、新準鐵路、甘泉線等。同時擬建基地場址為神華集團已購征地,可大大縮短用地審批手續(xù)。

選址存在的主要問題包括基地設置于既有站修所修車庫與煤制烯烴專用線之間,占用站修所存車線位置,沿東西方向布置。由于受濱河新區(qū)規(guī)劃道路及既有場地條件的限制,焊軌廠總平面布置及工藝布局上比較困難,如受場地條件的限制,焊軌工藝只能按25 m間距布置,效率較低；調機出入不方便,根據(jù)裝卸車不同線位分別采用推送和牽引方式；牽出線有效長只能達到300 m,不能滿足整列長鋼軌列車(560 m)的進廠要求,需進行分解,分2次調車作業(yè)。

2.1.2 規(guī)模的確定

(1)原料為25 m軌

采用25 m工位間距“U”型焊軌工藝焊接25 m素軌,生產(chǎn)1根500 m長軌條需要焊19個鋼軌接頭,需要總時間為

T總1=T走1+(T走1+T焊1)×19+T走1

式中T總1——生產(chǎn)1根500 m長軌所需總時間,取135 min；

T焊1——焊頭在焊機等工位的時間,以最長工位時間計算,取6 min；

T走1——鋼軌走行25 m距離所需時間,取1 min。

每班次按照7.5 h計算，可以生產(chǎn)3.3根500 m長軌條,即0.83 km。全年工作天數(shù)按250 d計算,單班的焊軌能力為207 km。

(2)原料為100 m軌

采用25 m工位間距“U”型焊軌工藝焊接100 m素軌,生產(chǎn)1根500 m長軌條需要焊4個鋼軌接頭,需要總時間為

T總2=T走2+(T走2+T焊2)×4+T走2

式中T總2——生產(chǎn)1根500 m長軌所需總時間,取100 min；

T焊2——焊頭在焊機等工位的時間(焊接、粗磨、熱處理、熱調直各工位時間之和),以最長工位時間計算,取19 min；

T走2——鋼軌走行25 m距離所需時間,取4 min。

每班次按照7.5 h計算,可以生產(chǎn)4.5根500 m長軌條,即1.13 km。全年工作天數(shù)按250 d計算,單班的焊軌能力為281 km。

萬水泉焊軌基地按3班2運轉配置,500 m長鋼軌年生產(chǎn)能力可達到414～562 km。綜合考慮,確定新建萬水泉焊軌基地工程規(guī)模為：500 m長軌生產(chǎn)能力為400 km/年。

2.1.3 運輸組織安排

根據(jù)新建線路和既有線大修換軌的鋪軌工期安排,長軌條運輸具有明顯的計劃性,且運輸種類與方向單一,宜組織始發(fā)直達列車,整列配空、整列裝車、直達運輸。

根據(jù)調查,目前國內(nèi)長鋼軌運輸車主要有2種,一種是采用專用長軌運輸車組,如沈陽機車車輛廠制造的T11A、T11B、T11BK型等系列長鋼軌車組；另一種是采用鐵路平板車(N17)改造作為長鋼軌運輸車組。

T11A、T11B、T11BK型等系列長鋼軌車組由43個平板車和2個作業(yè)車組成,車組總長達到605 m；鐵路平板車(N17)改造長軌運輸車組采用38輛編組,車組總長528 m。萬水泉焊軌基地由于受場地限制,長軌專列存車線及長軌裝車線有效長很難達到605 m以上。改造鐵路平板車組長度上更符合本次設計方案的要求。

T11A、T11B、T11BK型等系列長鋼軌車組價格為2 500～3 000萬元/組,而改造鐵路平板車組價格約為1 700萬元/組。

從機車車輛廠購置長鋼軌車組,需提前與機車車輛廠協(xié)商,生產(chǎn)周期較長。

綜上所述,在滿足長鋼軌運輸任務的基礎上,改造鐵路平板車所需有效長更短,生產(chǎn)周期更短,且價格更便宜,綜合考慮萬水泉焊軌基地擬采用改造鐵路平板車(N17)作為長軌運輸車組。

車組組成：500 m成品軌運輸采用固定編組方式,采用38輛鐵路平板車(N17),為保證鋼軌運輸質量與運輸安全,一次運輸50根(4層)長500 m、從底層向上每層依次裝載14、14、12、10根。100 m素軌運輸每列車編掛30輛(N17)計4組100 m定尺軌,每組存放50根鋼軌。25 m素軌運輸每列車編掛30輛(N17)計16組100 m定尺軌,每組存放50根鋼軌。

2.2 總平面布局

本次萬水泉焊軌基地充分利用萬水泉站站修所既有場地,設置于站修所修車庫與煤制烯烴專用線之間,占用站修所存車線位置,沿東西方向布置。在不改移濱河新區(qū)規(guī)劃萬水泉大道的前提下,西端緊鄰規(guī)劃萬水泉大道,將西側規(guī)劃的西區(qū)一街局部向西改移,東端改移站修所既有入段線,使焊軌基地總有效長度達到1 125 m。焊軌基地設牽出線(安全線)1條、出入段線1條(從既有萬水泉南站南場與北場的聯(lián)絡線引入)、長鋼軌及待焊軌裝卸線1條、舊軌裝卸線2條、長鋼軌專列存車線3條,每股存車線有效長為570 m。

焊軌生產(chǎn)線分2條輥道“U”型布置,生產(chǎn)線兩端分別設置時效存放臺位及長鋼軌存儲臺位,中間為長96 m的焊軌、精整車間,待焊軌存放臺和選配軌車間與長鋼軌存儲臺位并行設置。

焊接生產(chǎn)線分為5個作業(yè)區(qū)：焊前作業(yè)區(qū)、焊接作業(yè)區(qū)、時效長軌存放區(qū)、精整作業(yè)區(qū)、成品長軌作業(yè)區(qū)。

焊前作業(yè)區(qū)布置3個素軌存放臺(每個存放臺尺寸為110 m×6 m,可存放100 m定尺軌共計45 km)、1個配軌臺及配軌車間。與長鋼軌存儲臺位共用1組跨度為28 m的固定式門吊(32臺),組內(nèi)門吊可單控和整體聯(lián)控。主要負責定尺軌的卸車及長鋼軌的裝車作業(yè)。配軌車間設7臺單梁起重機,主要負責選配軌、上軌、調直除銹作業(yè)。

焊接作業(yè)區(qū)設置焊軌車間1處(與精整車間合建),軸線尺寸為96 m×18 m,內(nèi)設鋼軌焊接、粗磨、熱處理、熱調直4個工位,各工位間距按25 m布置,負責鋼軌的焊接、粗磨、正火、熱調直作業(yè)。

時效長軌存放區(qū)布置510 m×20.15 m長軌平移臺1座,設置1組跨度為28 m的固定式門架吊32臺,每個固定式門架吊上設3 t的電動葫蘆。負責焊后的500 m長軌的自然冷卻(時效處理)及平移。臺位可存放長鋼軌288 km。

精整作業(yè)區(qū)設鋼軌仿形磨、精調、精磨、探傷4個工位,各工位間距按25 m布置,負責鋼軌的仿形磨、精調、精磨與探傷作業(yè)。

成品長軌作業(yè)區(qū)布置510 m×9.35 m長軌裝車臺1座,與素軌存放臺共用28 m跨度固定式門架組吊32臺。負責500 m成品軌的存放、吊運與裝車作業(yè)。成品軌存儲臺位可存放長鋼軌138 km。

焊軌生產(chǎn)線上鋼軌條的運輸采用滾筒傳輸方式。

焊軌基地東南側設置4處110 m×11.5 m長舊軌存放臺,設18 m跨度門式起重機8臺,4臺1組,每組門吊可單控和聯(lián)控。此臺位除存放舊鋼軌外,在生產(chǎn)高峰期可作為待焊鋼軌的臨時存放區(qū),可存放待焊鋼軌72 km。

焊軌基地西南側為辦公、生活區(qū)域,設置職工單身宿舍、食堂、浴室及活動中心等房屋。

總平面布置詳見圖1。

圖1 萬水泉焊軌基地總平面布置

2.3 主要工藝流程

2.3.1 生產(chǎn)工藝總流程

卸素軌→選配軌→鋼軌焊前檢查→上軌→除銹→鋼軌焊接→粗磨→正火→風冷熱調直→時效存放→仿形磨→四向矯直→精磨→探傷→外形尺寸檢驗→長鋼軌存放。

2.3.2 焊接工藝流程

焊接工藝主要包括除銹調直、焊接、粗磨、熱處理、熱調直、時效處理、仿形磨、精調、精磨、探傷及外觀檢查等工序。

(1)除銹工藝

鋼軌送進到位→檢查鋼軌表面→軌頂、軌底除銹→檢查除銹質量→除銹設備復位→鋼軌通過除銹工位。

(2)焊接工藝

鋼軌送進到位→檢查鋼軌除銹質量→鋼軌對正→焊接→推凸焊瘤→清除焊渣→焊機復位→檢查焊接外觀質量→標注接頭標識→鋼軌通過焊接工位。

(3)粗磨工藝

焊頭送進到位→測量焊頭外觀→粗磨→測量焊頭平直度→粗磨設備復位→鋼軌通過粗磨工位。

(4)熱處理工藝

焊頭送進到位→正火→測量正火溫度→快速風冷。

(5)熱調直工藝

焊頭送進到位→測量焊頭錯變量→確定調直方案→調直→測量焊頭平直度→調直設備復位→通過熱調直工位。

(6)仿形磨工位

焊頭送進到位→檢查焊縫外觀→確定磨削量→仿形打磨→測量焊頭平直度→仿形磨復位→鋼軌通過仿形磨工位。

(7)四向矯直工位

焊頭送進到位→測量焊頭平直度→矯直→通過矯直工位。

(8)精磨工位

焊頭送進到位→測量焊頭平直度→精磨→測量焊頭平直度→精磨設備復位→鋼軌通過精磨工位。

(9)探傷檢查

焊頭送進到位→檢查焊頭溫度→檢查探測表面→焊頭探傷→鋼軌通過探傷工位。

2.4 節(jié)能、環(huán)保措施

總圖布置工藝流程合理、順暢,除銹調直、焊接、粗磨、正火、熱調直、仿形磨、精調、精磨、探傷工序設置在同一幢建筑內(nèi),減少了物料運輸次數(shù)和運輸距離,減少了工藝管道的長度,節(jié)約能源。變、配電所，空壓機間等動力車間設計靠近負荷中心,節(jié)約能源。工藝設備新增設備均采用國家有關規(guī)定的節(jié)能產(chǎn)品,充分發(fā)揮設備的最大潛力,本次新增的主要耗能設備如焊接、除銹、調直、打磨及探傷等設備均符合國家節(jié)能的有關規(guī)定；設備選型合理選用年時基數(shù)、生產(chǎn)能力、設備利用系數(shù)等工藝設計基礎參數(shù),使其達到最佳工況；空氣壓縮機采用風冷,減少循環(huán)冷卻水耗能。

擬建房屋的地區(qū)屬于嚴寒地區(qū),房屋的外圍護結構采用先進合理的保溫隔熱技術,外圍護墻體采用新型非黏土磚,節(jié)約土地資源。屋面保溫層采用容重較小、導熱系數(shù)較低、吸水率較小的高效保溫材料。房屋布置均采用南北向,主要房間避開冬季主導風向。房屋體形力求簡單,減少外表面積,體形系數(shù)控制在允許范圍之內(nèi)。采用集中供暖的采暖方式。

對于焊接、正火、打磨等煙塵高濃度排放區(qū)域采用局部除塵法,集中處理。在生態(tài)環(huán)境保護方面,要求所有房屋盡可能進行合理的集中布置,綠化率控制在18%。

3 結語

綜上所述,在焊軌基地的設計中,除應安排合理的工藝流程外,還要充分考慮運輸組織方式、鋼軌存放及選配場地面積、焊接及裝卸設備能力等對生產(chǎn)的影響,優(yōu)化總平面設計,合理布局,只有這樣才能設計出既滿足國家的有關方針政策要求,又能達到業(yè)主需求的設計方案。

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