鋼軌焊接基地的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

耿 明 鐵道第四勘測設(shè)計(jì)院

1 永久焊軌基地建設(shè)的必要性

1.1 焊接用軌采用百米軌取代25m是保障無縫線路質(zhì)量有效手段

在我國鐵路速度目標(biāo)值不斷提高的前提下，要求軌道平順是保證運(yùn)營安全、提高旅客舒適度的前提條件。而實(shí)現(xiàn)軌道平順的重要措施是鋪設(shè)無縫線路。相對(duì)25m定尺鋼軌而言，采用百米定尺鋼軌可顯著地減少長波不平順，提高旅客的乘車舒適性；減少鋼軌的薄弱環(huán)節(jié)，減少斷軌事故的發(fā)生，從而保證客運(yùn)專線的高可靠性。增加定尺鋼軌的長度、減少焊接接頭的數(shù)量是提高無縫線路質(zhì)量的最有效的手段。隨著鐵路客運(yùn)專線的快速發(fā)展，客車速度目標(biāo)值≥200km/h時(shí)鐵路鋪軌均采用百米定尺鋼軌。

1.2 客運(yùn)專線所需長軌不應(yīng)由臨時(shí)焊軌基地供軌

客專所需長軌、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求較高。臨時(shí)焊軌基地一般由工程局組織生產(chǎn)，操作人源復(fù)雜，流動(dòng)性大，較難組織專業(yè)培訓(xùn)，無法保證焊接質(zhì)量。

焊機(jī)多為懸掛式焊機(jī)，焊接質(zhì)量較差；其它設(shè)備一般為移動(dòng)式調(diào)直機(jī)、仿形精磨機(jī)等較落后的設(shè)備。焊接成品率低，質(zhì)量難以保證。

臨時(shí)焊軌基地需新征土地及新建臨時(shí)設(shè)施。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，若采用臨時(shí)焊軌基地的方案，需新建100多個(gè)臨時(shí)焊軌基地（每處需要200畝以上的臨時(shí)用地、20m3以上的土石方、3km以上的鋪軌工程），不僅浪費(fèi)大量的土地資源，對(duì)社會(huì)影響較大，而且攤銷成本較高，造成鋼軌加工成本的上升。

臨時(shí)焊軌基地工作效率與鋪軌能力不匹配，焊軌生產(chǎn)線的生產(chǎn)率遠(yuǎn)大于鋪軌能力需求，造成焊軌生產(chǎn)線臺(tái)班成本居高不下。

由于以上原因百米定尺鋼軌的加工成本比永久焊軌基地的加工成本高3倍以上，將增加客運(yùn)專線的鋪軌工程的建設(shè)成本。

臨時(shí)焊軌基地均未設(shè)時(shí)效處理場。無時(shí)效處理過程，鋼軌殘余應(yīng)力產(chǎn)生的變形大，不能滿足客運(yùn)專線對(duì)鋼軌平直度的要求。

1.3 鐵路的發(fā)展對(duì)焊軌基地的供軌能力提出了較高的要求

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》、《鐵路"十一五"規(guī)劃》，未來十年客專及既有線提速需新鋪長軌約10000km～20000km。直線地段鋼軌的壽命周期為8年～10年，曲線地段鋼軌的壽命周期為1年～2年，線路大修年維修量約占累計(jì)無縫線路鋪軌量的17%。

焊軌基地可同時(shí)滿足25m、50m、100m軌的焊接要求，且焊接能力不受影響。焊軌基地均為利用既有設(shè)備改建，因此還需要承擔(dān)既有路局25m軌（舊軌）焊接的生產(chǎn)任務(wù)。每年預(yù)計(jì)焊接200km，換算百米軌生產(chǎn)能力需求700km。

長軌前期的需求量主要為新建和改建鐵路，后期的需求量主要為大修用軌，預(yù)計(jì)每個(gè)基地的年供軌能力必須滿足1500km～3000km。

1.4 既有焊軌基地工作效率低，工藝流程落后，不能滿足需求

目前，焊軌基地均采用25m間距工位布置，若不改造，必須采用犧牲焊頭效率的方法完成長軌焊接（即焊一個(gè)頭，停三個(gè)頭），生產(chǎn)效率極低，不能滿足客運(yùn)專線基建用軌的需求。既有焊軌基地均無時(shí)效處理流程，焊接成品難以滿足平順度的要求。

2 焊軌基地的功能定位

(1)焊軌基地是為客運(yùn)專線基建供軌、既有鐵路更新改造供軌、大修供軌的重要設(shè)施，由短軌存放場地、焊軌流水線、時(shí)效處理場地、長軌堆存場地、輔助生產(chǎn)設(shè)施組成，工藝流程滿足長軌焊接質(zhì)量、效率的要求。

(2)焊軌基地短軌存放場地必須具有短軌堆存、吊運(yùn)、輸送、配軌的能力。

(3)焊軌基地焊軌生產(chǎn)線必須具有接頭焊接（含推凸）、粗磨、正火、精調(diào)、精磨、探傷的能力。

(4)焊軌基地半成品堆存場地必須具有半成品軌吊運(yùn)、實(shí)效處理的能力。

(5)焊軌基地長軌堆存場地必須具有成品長軌吊運(yùn)、堆存的能力。

(6)焊軌基地應(yīng)具有現(xiàn)代化生產(chǎn)作業(yè)管理、調(diào)度的能力。

(7)焊軌基地短軌存放場地、長軌堆存場地應(yīng)具有長軌列車進(jìn)出、停放、調(diào)車、摘鉤作業(yè)的能力。

(8)焊軌基地應(yīng)具有辦公設(shè)施、落錘實(shí)驗(yàn)設(shè)施、靜彎實(shí)驗(yàn)設(shè)施、維修設(shè)施等輔助生產(chǎn)設(shè)施。

(9)有條件時(shí)新建焊軌基地還宜預(yù)留舊軌整修場地建設(shè)條件，改建焊軌基地不宜大幅的弱化既有舊軌整修場地的能力。

3 焊軌基地建設(shè)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)新建（含改建）的焊軌基地選址，應(yīng)盡量利用鐵路生產(chǎn)力布局調(diào)整后的閑置土地，供應(yīng)基建和大修用軌，各焊軌基地應(yīng)按兩條焊接線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)為保證焊接質(zhì)量，各生產(chǎn)線不得采用強(qiáng)制冷卻方式，焊接后鋼軌應(yīng)在自然冷卻時(shí)效后，方可進(jìn)行精調(diào)工序，冷卻時(shí)效時(shí)間應(yīng)不少于24h；粗磨工位應(yīng)設(shè)在正火工位之前，正火后不得對(duì)軌底角區(qū)域進(jìn)行打磨。

(3)生產(chǎn)線各工位間距應(yīng)按100m設(shè)置，最大輸送鋼軌速度應(yīng)不小于1m/s，生產(chǎn)長軌長度應(yīng)不小于500m。

(4)各焊軌基地百米定尺軌存軌能力不低于200km；四大鋼廠焊軌基地500m長軌存軌能力不低于200km，其他基地500m長軌存軌能力不低于100km；每條生產(chǎn)線單班生產(chǎn)能力不低于650km。

(5)鋼軌長尺生產(chǎn)采用長尺矯直冷鋸定尺工藝，利用熱軋頭尾余量切除非矯直區(qū)和過渡區(qū)，使整支鋼軌尺寸高度一致，提高鋼軌整體的平順度。

4 百米定尺鋼軌焊接工藝流程

4.1 工序及流程

根據(jù)鐵道部對(duì)焊軌基地工藝布置的要求，各生產(chǎn)線不得采用強(qiáng)制冷卻方式，焊接后鋼軌應(yīng)在自然冷卻時(shí)效后，方可進(jìn)行精調(diào)工序，冷卻時(shí)效時(shí)間應(yīng)不少于24h。時(shí)效工序（在半成品站臺(tái)堆放）其作用是保證正火后接頭有超過24h的自然冷卻時(shí)效過程，長軌質(zhì)量最好。主要布置形式有U型和N型。

(1)U型生產(chǎn)工藝流程

熱線工序流程：配軌→焊接→粗磨→正火→熱調(diào)→半成品時(shí)效處理，各工序點(diǎn)間距100m。

冷線工序流程：半成品時(shí)效處理→精調(diào)→精磨→無損檢測（探傷）→成品軌存放臺(tái)。

(2)N型生產(chǎn)工藝流程

焊軌生產(chǎn)線工位的布置如下：

熱線工序流程：配軌→焊接→粗打磨→正火→熱調(diào)→自然時(shí)效處理。

冷線工序流程：精調(diào)→精磨→探傷。

回送線工序流程：長軌橫移（通過橫移裝置）→回送（回送750m）→成品軌存放臺(tái)。

4.2 工序作業(yè)內(nèi)容及設(shè)備(見表1)

表1 工序作業(yè)內(nèi)容及主要設(shè)備

5 生產(chǎn)線生產(chǎn)能力(見表2)

5.1 各個(gè)工位的生產(chǎn)時(shí)間

焊接3.5min→粗磨3.5min→正火（含噴風(fēng)）5.5min→熱調(diào)3.5min→精調(diào)3.5min→精磨7min→探傷2min。

5.2 工位走行時(shí)間

時(shí)效處理前和時(shí)效處理后的工位最大作業(yè)時(shí)間不同。焊接工位至正火工位相隔200m，正火時(shí)要求從焊接時(shí)軌縫溫度1200℃降至450℃以下。按照自然冷卻平均速率約1℃/s，焊接工位至正火工位時(shí)間應(yīng)不小于12min（含工位時(shí)間5min）。因此確定長軌輥道線時(shí)效前速度為0.5m/s(走行時(shí)間3.5min)，時(shí)效后輥道線速度為1m/s(走行時(shí)間2min)。

表2 焊接線生產(chǎn)能力計(jì)算

6 主要設(shè)備選型及設(shè)計(jì)參數(shù)選取

6.1 短軌存放場

采用8臺(tái)×20/5t無懸臂門式起重機(jī)，聯(lián)動(dòng)，負(fù)責(zé)卸車等吊軌作業(yè)。吊具可采用電磁吸盤，卸車時(shí)按7根一組吊裝。

宜有一條輥道生產(chǎn)線貫通；另一條輥道線可只設(shè)置在第一處存軌站臺(tái)。

短軌存放場應(yīng)設(shè)3～6處短軌存放站臺(tái)，站臺(tái)總有效寬度不應(yīng)小于60m（滿足200km百米軌存放能力）。

6.2 配軌存軌間

配軌存軌間可采用5t橋吊或固定吊。為了保證鋼軌全天候生產(chǎn)及生產(chǎn)質(zhì)量，存軌量宜大于2天的用軌量（換算有效寬度21m），南方多雨地區(qū)有條件時(shí)應(yīng)增加存軌間寬度以增加存軌量。

6.3 焊軌間

鋼軌焊接是焊軌生產(chǎn)線最重要的環(huán)節(jié)，直接影響成品長軌的合格率。目前國內(nèi)主要有Gaas系列直流接觸焊機(jī)和K系列交流接觸焊機(jī)。客運(yùn)專線速度目標(biāo)值較高，對(duì)鋼軌的焊接質(zhì)量要求較高，生產(chǎn)效率要求高，應(yīng)采用提供優(yōu)良焊軌質(zhì)量的Gaas80/580直流接觸焊機(jī)。

Gaas80/580直流接觸焊機(jī)的特點(diǎn)如下:

用三相的交流電源，通過2組6個(gè)共540kW焊接變壓器及6只大功率二極管，在二次側(cè)進(jìn)行整流，得到60000A/5.4V的連續(xù)直流電，1s內(nèi)的過載電流可達(dá)到120000A，供焊接鋼軌用。這樣就保證了電網(wǎng)電壓三相平衡供電，使供電系統(tǒng)尖峰負(fù)載減小。在焊接電流回路中幾乎沒有無功功率，減小焊接變壓器和饋電導(dǎo)線的截面尺寸。由于采用直流方式供電，在焊接過程中，焊接斷面上電流均勻分布，可使鋼軌焊接過程閃光平穩(wěn)，沒有電流過零，焊口不易氧化，并保證熱影響區(qū)平行，焊縫及晶粒細(xì)小均勻，可獲得優(yōu)良的焊軌質(zhì)量。

6.4 焊后處理（熱線工序流程）

焊后處理包括粗磨、正火、粗調(diào)工位。由于焊后處理的鋼軌溫度很高，溫度的變化速度對(duì)鋼軌的晶相組織的影響很大，因此焊后處理應(yīng)在室內(nèi)、棚內(nèi)或封閉的空間（如可控風(fēng)冷卻通道）內(nèi)進(jìn)行。

粗磨工位采用人工仿形打磨。正火工位采用正火設(shè)備正火、噴風(fēng)冷卻，粗調(diào)工位采用移動(dòng)式調(diào)直機(jī)調(diào)直。

6.5 時(shí)效處理場、長軌存放場

時(shí)效處理場、長軌存放場由長軌存放站臺(tái)、群吊組成。半成品長軌存放站臺(tái)按一層堆碼，應(yīng)滿足至少1天的存軌能力（換算有效寬度3.5m）；長軌存放站臺(tái)按五層梯形堆碼，應(yīng)滿足100km的存軌能力（換算有效寬度18m）。

6.6 冷線工序流程

冷線工序包含精調(diào)工位（配備四向調(diào)直機(jī)）、精磨工位（配備數(shù)控精磨機(jī)）、探傷工位（配備探傷工位）。

7 工藝平面布局研究

焊軌基地的平面布置主要有U型、N型、一字形、L型等。其中一字形、L型流水線焊接流水線不反向走行，因此需要場地均較長，一般不宜采用。根據(jù)場地情況應(yīng)合理選擇平面布局類型，減少基建投資。

7.1 標(biāo)準(zhǔn)U型工藝平面布置

標(biāo)準(zhǔn)U型（既流水線在時(shí)效處理后反向）工藝平面布置的特點(diǎn)是：流程合理、布局緊湊。鐵路線從一端引入，出岔容易，是比較合理的布局類型。其占地面積長1400m～1550m（長度受短軌存放場數(shù)量限制），寬約80m。其平面布局見圖1。

圖1標(biāo)準(zhǔn)U型工藝平面布置示意圖

7.2 縮短型U型（L型+U型）工藝平面布置

縮短型U型（L型+U型）工藝平面布置的特點(diǎn)是：增加在配軌間反向的流程，縮短基地的長度，其占地面積約長約1250m，寬約85m。由于布置最為緊湊，比較適合于既有改造。其平面布局見圖2。

圖2縮短型U型工藝平面布置示意圖

7.3 標(biāo)準(zhǔn)N型工藝平面布置

標(biāo)準(zhǔn)N型工藝平面布置的特點(diǎn)是：長軌存放場和時(shí)效處理區(qū)合并，減少基建投資，通過橫移裝置和反向。主要存在的問題是：當(dāng)兩條生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)群吊間，會(huì)出現(xiàn)較大地干擾和群吊能力不足，必須采用橫移裝置，生產(chǎn)線有700m以上的無效走行。其占地面積長約1650m，寬約90m。其平面布局見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)N型工藝平面布置示意圖

8 基地內(nèi)線路布置原則

基地內(nèi)線路布置曲線半徑宜≥300m，困難情況下應(yīng)≥200m(有摘鉤要求的曲線≥300m)，道岔采用9號(hào)單開道岔。線路按需要和功能劃分為短軌裝卸線、長軌裝卸線、車輛存放線、調(diào)車線、機(jī)走線等。長軌裝卸線、車輛存放線應(yīng)滿足長軌列車的編組長度的要求。

8.1 短軌裝卸線

短軌裝卸線裝卸段應(yīng)為平直線段，宜設(shè)置在靠門吊走行軌一側(cè)。裝卸段距車擋安全距離≥20m，機(jī)車摘鉤區(qū)曲線≥300m。

8.2 長軌裝卸線

長軌裝卸線裝卸段（500m范圍）應(yīng)為平直線段，宜設(shè)置在靠群吊立柱一側(cè)，裝卸段兩段各需80m線路，機(jī)車摘鉤區(qū)曲線≥300m。

8.3 車輛存放線

檢修基地還要考慮長軌列車停放的能力，基地車輛存放線數(shù)量應(yīng)滿足部長軌列車配備計(jì)劃的需求（有效長≥680m）。

9 其他有關(guān)設(shè)施

基地還應(yīng)設(shè)置綜合樓、空壓機(jī)間、落錘試驗(yàn)間、消防通道等設(shè)施。

10 結(jié)束語

(1)焊軌基地的工藝設(shè)計(jì)是基地建設(shè)的最重要工作內(nèi)容之一。基地的建設(shè)應(yīng)規(guī)范化，制定必要的設(shè)計(jì)規(guī)范、完善相應(yīng)的規(guī)程。

(2)焊軌基地應(yīng)在新線建設(shè)中根據(jù)需要，規(guī)劃布點(diǎn)列入更新改造工程或基建工程，分期逐步建設(shè)。