非自行式焊軌車線上焊接工藝和施工組織研究

馬 軍，李金華，李 力，李 雯

(1.上海鐵路局工務(wù)大修段，上海 201600;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

為了降低長(zhǎng)鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭的傷損率，提高鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量，保障鐵路運(yùn)輸安全，全路裝備了50余臺(tái)移動(dòng)焊軌車用于鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接。經(jīng)過3年左右的試用，各鐵路局線下焊已基本掌握了移動(dòng)焊軌車的使用，現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭斷軌數(shù)量顯著減少。在此基礎(chǔ)上，鐵路總公司要求各鐵路局停止使用小型氣壓焊，改用移動(dòng)焊軌車進(jìn)行線上焊。由于移動(dòng)焊軌車需要占用線路，在有限的施工天窗時(shí)間內(nèi)完成換軌、鎖定、焊接，對(duì)施工組織提出了更加嚴(yán)格的要求。本文研究使用焊軌車進(jìn)行線上焊時(shí)線上焊接條件對(duì)焊接質(zhì)量的影響，工序布局對(duì)減少線路占用時(shí)間的效果等，這有利于推廣移動(dòng)焊軌車在線上焊接施工中的應(yīng)用。

1 移動(dòng)焊軌車既有線焊接作業(yè)條件

鋼軌焊接型式試驗(yàn)時(shí)，一般采用兩截80 cm短鋼軌進(jìn)行焊機(jī)參數(shù)調(diào)試，焊接時(shí)無(wú)外力、短路等不良環(huán)境干擾。雖然調(diào)試完成的焊接參數(shù)具有較寬的適應(yīng)性，但主要限于對(duì)鋼軌材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸及環(huán)境氣候的小范圍變化。因此，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)待焊鋼軌的狀態(tài)應(yīng)基本滿足試驗(yàn)條件。

1.1 待焊軌條一端應(yīng)處于相對(duì)自由狀態(tài)

線上聯(lián)焊時(shí)，待焊軌放置于軌枕承軌槽內(nèi)，軌底與大膠墊摩擦阻力:1 000 m(換軌長(zhǎng)度)×0.36(摩擦系數(shù))×60.6 kg/m×10 N/kg=218.16 kN，焊接鋼軌損耗一般在30 mm左右，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力 σ=sδ/(Lα)=53.65 kN。其中:s為軌條伸縮長(zhǎng)度，mm;L為焊接軌條長(zhǎng)度，m;α為鋼軌熱膨脹系數(shù)，取0.011 8 mm/(℃·m);δ為鋼軌溫度應(yīng)力常量，這里取19.2 kN/℃。

現(xiàn)場(chǎng)焊接軌條位移觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)實(shí)際位移長(zhǎng)度在100 m以內(nèi)，實(shí)際拉應(yīng)力更大，同時(shí)存在軌枕螺桿、曲線鋼軌扭曲等阻力。因此應(yīng)采取一定措施，確保待焊鋼軌一端相對(duì)處于自由狀態(tài)，減小焊接時(shí)待焊軌條內(nèi)部阻力。

圖1是型式試驗(yàn)接頭焊接曲線。在鋼軌焊接過程中，由于鋼軌不斷消耗，鋼軌一直處于爬行狀態(tài)。焊接曲線和焊接數(shù)據(jù)表明:未采取撥彎、墊滾筒措施的焊接曲線隨著焊接燒化量的增加，焊接軌條內(nèi)阻力不斷增大，導(dǎo)致后期出現(xiàn)前進(jìn)、后退速度偏離設(shè)定值，電流波動(dòng)較大，圖形異常。

經(jīng)過落錘試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，型式試驗(yàn)合格的焊接參數(shù)，在未采取撥彎、墊滾筒措施進(jìn)行焊接時(shí)，容易導(dǎo)致過燒、灰斑等缺陷的產(chǎn)生。

1.2 線路兩側(cè)待焊軌條之間應(yīng)絕緣

焊接電路是380 V交流電，由電壓控制板兩只反向并聯(lián)的可控硅SCR1和SCR2調(diào)整電壓，再經(jīng)自耦變壓器升壓，然后向焊接變壓器提供焊接電源。如果焊機(jī)焊接時(shí)，鄰近鋼軌直接或通過其他媒介與待焊軌導(dǎo)通形成回路，將導(dǎo)致焊機(jī)長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生過大電流，擊穿電壓控制板可控硅SCR1和SCR2，使得焊機(jī)無(wú)法工作。同時(shí)，由于焊接電流分散，工況發(fā)生較大變化，焊接質(zhì)量無(wú)法保障。

2 換鋪無(wú)縫線路施工方法

2.1 人工撥軌

人工使用撬棍將舊軌撥入線路道心，然后將線路兩側(cè)新軌撥入承軌槽。待新軌落槽100 m后，用撞軌器向龍門頭方向撞軌，并在65～70 m處向線路外側(cè)撥彎，直至完全撞出焊接損耗量后自100 m處向龍門頭方向鎖定線路15～25 m(根據(jù)線路曲線半徑等因素確定)，墊放滾筒(靠近龍門頭撥彎起點(diǎn)開始向龍門頭方向)、調(diào)整水平方向;焊軌車在新軌落槽15 m后運(yùn)行至龍門口對(duì)位、支撐。

圖1 型式試驗(yàn)接頭焊接曲線

由于是先將舊軌撥入道心，然后新軌撥入承軌槽，新舊軌間無(wú)機(jī)具作業(yè)時(shí)不易發(fā)生導(dǎo)通。這樣做的缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)人員投入多，現(xiàn)有的封鎖天窗一般不能滿足施工需要。

2.2 換軌小車作業(yè)

換軌小車走行采用24 t小平板輪對(duì)改造，上部加裝左右導(dǎo)向輪、鋼軌導(dǎo)槽及剎車系統(tǒng)。導(dǎo)向輪框架與轉(zhuǎn)向架采用法蘭連接方式，兩側(cè)導(dǎo)通。作業(yè)時(shí)，新軌小車行走在待換軌條上，舊軌小車行走在新鋪軌條上，新舊軌條全部導(dǎo)通。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是投入勞力少，鋪設(shè)進(jìn)度快，目前的線路天窗完全滿足施工需要。

3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

3.1 墊放滾筒

撥彎起點(diǎn)距焊接點(diǎn)長(zhǎng)度應(yīng)以滿足待焊軌找平、脈動(dòng)時(shí)軌條不發(fā)生方向變化為基準(zhǔn)，并可適當(dāng)調(diào)節(jié)。待焊軌水平對(duì)齊長(zhǎng)度一般不低于40 m(焊縫前方30 m、后方10 m)。模擬演練時(shí)，發(fā)現(xiàn)在30 m處向前撥彎，脈動(dòng)時(shí)待焊軌條方向仍會(huì)發(fā)生變化，在延伸至50 m后，焊縫前方30 m水平對(duì)齊段脈動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生方向變化。因此撥彎起點(diǎn)可以選擇在焊縫前方35～40 m處開始。

3.2 撥彎圓弧半徑設(shè)置

撥彎圓弧應(yīng)避免因圓弧半徑過大導(dǎo)致鋼軌彎曲阻力增加(尤其是閃光后期)，相對(duì)增加脈沖阻力，如焊接損耗量為32 mm，預(yù)留焊縫5 mm，用曲線縮短量計(jì)算公式S=L×1 500/R計(jì)算，由S=37，L=10(假設(shè))，可得撥彎半徑R=405 m，則撥彎矢量=50 000/R=123 mm，滿足鄰線限界安全要求。實(shí)際撥彎時(shí)，應(yīng)適量增加撥彎矢量3～5 mm，以保證焊接結(jié)束后，撥彎區(qū)存在余彎。

3.3 墊放滾筒及撥彎長(zhǎng)度范圍

墊放滾筒及撥彎長(zhǎng)度范圍又稱為焊接伸縮區(qū)，伸縮區(qū)存在3種伸縮阻力:①滾動(dòng)摩擦阻力(墊放滾筒區(qū)域)，50×60.6×0.05(摩擦系數(shù))×10=1.515 kN;②滑動(dòng)摩擦阻力(撥彎區(qū)域)，25×60.6×0.24×10=3.636 kN;③鋼軌彎曲阻力(撥彎區(qū)域)，焊接前已經(jīng)彎曲，焊接時(shí)除中軸回彈力外，前進(jìn)時(shí)與軌底摩擦阻力抵消一部分，后退時(shí)與摩擦阻力疊加。由于鋼軌處于自由狀態(tài)下，只要保證一定的預(yù)彎矢量，彎曲阻力會(huì)很小。一般情況下總阻力不大于20 MN，與頂鍛油缸的拉力1 200 MN相比，影響較小。

3.4 研制待焊軌墊高墊塊，改焊軌車頂車為架車作業(yè)

焊軌車線上聯(lián)焊作業(yè)一般對(duì)位后支撐油缸頂車高度為6～8 cm。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，由于焊軌車質(zhì)量達(dá)50 t左右，加上支撐墊塊強(qiáng)度、混凝土枕強(qiáng)度、道砟密實(shí)度不足，及油路漏油、油缸內(nèi)卸等原因，焊接時(shí)往往會(huì)發(fā)生車體下沉、傾斜，從而影響焊接，甚至影響安全，因此需要改變頂車作業(yè)方法。經(jīng)過學(xué)習(xí)其他施工單位的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn)、改進(jìn)，采取措施為:在軌底墊放一定高度的墊高墊塊，按2‰順坡至焊縫，同時(shí)保證焊縫至后方3 m范圍保持平直。焊軌車對(duì)位后，應(yīng)在前后輪對(duì)分別設(shè)置止輪器，同時(shí)進(jìn)行前支腿支撐，防止焊接時(shí)發(fā)生待焊軌跳動(dòng)。經(jīng)過近20個(gè)焊接接頭外觀檢驗(yàn)，外觀質(zhì)量滿足規(guī)范要求。軌底墊高順坡如圖2所示。

3.5 電氣化區(qū)段焊接施工絕緣設(shè)置

3.5.1 封連線設(shè)置

焊軌車線上聯(lián)焊時(shí)，既要滿足電氣化區(qū)段電氣回路要求，同時(shí)又要避免左右股鋼軌之間形成回路。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量，焊軌車線上聯(lián)焊時(shí)，按圖3設(shè)置封連線，可滿足電氣化區(qū)段及焊軌車作業(yè)要求。

圖2 軌底墊高順坡示意

圖3 焊接過程中的封連線設(shè)置

3.5.2 換軌小車絕緣設(shè)置

新軌小車絕緣改造:新軌小車導(dǎo)槽、導(dǎo)向輪框架均為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)向架法蘭連接，只需在連接處加裝絕緣板、螺桿絕緣套管等絕緣措施。改造后測(cè)試框架絕緣電阻值＞2 MΩ，改造后接軌小車作業(yè)如圖4所示。

圖4 絕緣改造后換軌小車作業(yè)示意

舊軌小車絕緣設(shè)置:由于舊軌小車行駛在新軌上，只要小車輪緣與新軌之間絕緣即可。焊軌車線上舊軌小車絕緣設(shè)置如圖5所示。

圖5 焊軌車線上舊軌小車絕緣設(shè)置示意

3.5.3 焊接前待焊軌絕緣測(cè)試

焊接電阻一般在200 uΩ以下，因此，在待焊軌對(duì)位后，焊接前用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)纱杠壷g阻抗，只要阻抗＞100 Ω，不會(huì)造成焊接電流分散。

4 結(jié)論

本文在焊軌車線下焊接鋼軌經(jīng)驗(yàn)比較成熟的基礎(chǔ)上，依據(jù)線上焊接的工況特點(diǎn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)出線上焊軌的施工設(shè)備、工藝和組織，達(dá)到在保證焊接接頭質(zhì)量和線路安全的前提下，盡量縮短施工時(shí)間的目的。結(jié)論如下:

1)待焊鋼軌一端應(yīng)處于相對(duì)自由狀態(tài)，使焊接過程中的阻力盡量小，以接近型式試驗(yàn)的焊接條件。

2)采取撥彎和墊放滾筒相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接過程中由于鋼軌消耗而導(dǎo)致自由端的送進(jìn)問題。撥彎起點(diǎn)可以選擇在焊縫前方35～40 m處，撥彎矢量123 mm，實(shí)際撥彎時(shí)，應(yīng)適量增加撥彎矢量3～5 mm，以保證焊接結(jié)束后，撥彎區(qū)存在余彎。

3)采用換軌小車的效率高于人工撥軌，且能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工工況要求。焊軌車線上聯(lián)焊時(shí)，既要滿足電氣化區(qū)段電氣回路要求，同時(shí)又要避免左右股鋼軌之間形成回路。

4)通過接頭焊接曲線的收集，并與探傷結(jié)果對(duì)比，制定曲線判定標(biāo)準(zhǔn)。通過不斷總結(jié)優(yōu)化施工方法，降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)待焊軌條內(nèi)阻力，增加軌條自由度，使焊接環(huán)境無(wú)限接近試驗(yàn)狀態(tài)。焊接接頭外觀、力學(xué)性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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