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.上海鐵路局工務大修段，上海 201600;2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081)

為了降低長鋼軌現場焊接接頭的傷損率，提高鋼軌現場焊接質量，保障鐵路運輸安全，全路裝備了50余臺移動焊軌車用于鋼軌現場焊接。經過3年左右的試用，各鐵路局線下焊已基本掌握了移動焊軌車的使用，現場焊接接頭斷軌數量顯著減少。在此基礎上，鐵路總公司要求各鐵路局停止使用小型氣壓焊，改用移動焊軌車進行線上焊。由于移動焊軌車需要占用線路，在有限的施工天窗時間內完成換軌、鎖定、焊接，對施工組織提出了更加嚴格的要求。本文研究使用焊軌車進行線上焊時線上焊接條件對焊接質量的影響，工序布局對減少線路占用時間的效果等，這有利于推廣移動焊軌車在線上焊接施工中的應用。

1 移動焊軌車既有線焊接作業條件

鋼軌焊接型式試驗時，一般采用兩截80 cm短鋼軌進行焊機參數調試，焊接時無外力、短路等不良環境干擾。雖然調試完成的焊接參數具有較寬的適應性，但主要限于對鋼軌材質、結構尺寸及環境氣候的小范圍變化。因此，現場焊接時，現場待焊鋼軌的狀態應基本滿足試驗條件。

1.1 待焊軌條一端應處于相對自由狀態

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

現場焊接軌條位移觀測發現，焊接時實際位移長度在100 m以內，實際拉應力更大，同時存在軌枕螺桿、曲線鋼軌扭曲等阻力。因此應采取一定措施，確保待焊鋼軌一端相對處于自由狀態，減小焊接時待焊軌條內部阻力。

圖1是型式試驗接頭焊接曲線。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。焊接曲線和焊接數據表明: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，焊接軌條內阻力不斷增大，導致后期出現前進、后退速度偏離設定值，電流波動較大，圖形異常。

經過落錘試驗觀察發現，型式試驗合格的焊接參數，在未采取撥彎、墊滾筒措施進行焊接時，容易導致過燒、灰斑等缺陷的產生。

1.2 線路兩側待焊軌條之間應絕緣

焊接電路是380 V交流電，由電壓控制板兩只反向并聯的可控硅SCR1和SCR2調整電壓，再經自耦變壓器升壓，然后向焊接變壓器提供焊接電源。如果焊機焊接時，鄰近鋼軌直接或通過其他媒介與待焊軌導通形成回路，將導致焊機長時間產生過大電流，擊穿電壓控制板可控硅SCR1和SCR2，使得焊機無法工作。同時，由于焊接電流分散，工況發生較大變化，焊接質量無法保障。

2 換鋪無縫線路施工方法

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(根據線路曲線半徑等因素確定)，墊放滾筒(靠近龍門頭撥彎起點開始向龍門頭方向)、調整水平方向;焊軌車在新軌落槽15 m后運行至龍門口對位、支撐。

圖1 型式試驗接頭焊接曲線

由于是先將舊軌撥入道心，然后新軌撥入承軌槽，新舊軌間無機具作業時不易發生導通。這樣做的缺點是勞動強度大，作業人員投入多，現有的封鎖天窗一般不能滿足施工需要。

2.2 換軌小車作業

換軌小車走行采用24 t小平板輪對改造，上部加裝左右導向輪、鋼軌導槽及剎車系統。導向輪框架與轉向架采用法蘭連接方式，兩側導通。作業時，新軌小車行走在待換軌條上，舊軌小車行走在新鋪軌條上，新舊軌條全部導通。這樣做的優點是投入勞力少，鋪設進度快，目前的線路天窗完全滿足施工需要。

3 現場作業

3.1 墊放滾筒

撥彎起點距焊接點長度應以滿足待焊軌找平、脈動時軌條不發生方向變化為基準，并可適當調節。待焊軌水平對齊長度一般不低于40 m(焊縫前方30 m、后方10 m)。模擬演練時，發現在30 m處向前撥彎，脈動時待焊軌條方向仍會發生變化，在延伸至50 m后，焊縫前方30 m水平對齊段脈動時不會發生方向變化。因此撥彎起點可以選擇在焊縫前方35～40 m處開始。

3.2 撥彎圓弧半徑設置

撥彎圓弧應避免因圓弧半徑過大導致鋼軌彎曲阻力增加(尤其是閃光后期)，相對增加脈沖阻力，如焊接損耗量為32 mm，預留焊縫5 mm，用曲線縮短量計算公式S=L×1 500/R計算，由S=37，L=10(假設)，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。實際撥彎時，應適量增加撥彎矢量3～5 mm，以保證焊接結束后，撥彎區存在余彎。

3.3 墊放滾筒及撥彎長度范圍

墊放滾筒及撥彎長度范圍又稱為焊接伸縮區，伸縮區存在3種伸縮阻力:①滾動摩擦阻力(墊放滾筒區域)，50×60.6×0.05(摩擦系數)×10=1.515 kN;②滑動摩擦阻力(撥彎區域)，25×60.6×0.24×10=3.636 kN;③鋼軌彎曲阻力(撥彎區域)，焊接前已經彎曲，焊接時除中軸回彈力外，前進時與軌底摩擦阻力抵消一部分，后退時與摩擦阻力疊加。由于鋼軌處于自由狀態下，只要保證一定的預彎矢量，彎曲阻力會很小。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

焊軌車線上聯焊作業一般對位后支撐油缸頂車高度為6～8 cm。在現場作業時，由于焊軌車質量達50 t左右，加上支撐墊塊強度、混凝土枕強度、道砟密實度不足，及油路漏油、油缸內卸等原因，焊接時往往會發生車體下沉、傾斜，從而影響焊接，甚至影響安全，因此需要改變頂車作業方法。經過學習其他施工單位的經驗和現場不斷試驗、改進，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，同時保證焊縫至后方3 m范圍保持平直。焊軌車對位后，應在前后輪對分別設置止輪器，同時進行前支腿支撐，防止焊接時發生待焊軌跳動。經過近20個焊接接頭外觀檢驗，外觀質量滿足規范要求。軌底墊高順坡如圖2所示。

3.5 電氣化區段焊接施工絕緣設置

3.5.1 封連線設置

焊軌車線上聯焊時，既要滿足電氣化區段電氣回路要求，同時又要避免左右股鋼軌之間形成回路。經過現場施工測量，焊軌車線上聯焊時，按圖3設置封連線，可滿足電氣化區段及焊軌車作業要求。

圖2 軌底墊高順坡示意

圖3 焊接過程中的封連線設置

3.5.2 換軌小車絕緣設置

新軌小車絕緣改造:新軌小車導槽、導向輪框架均為獨立結構，與轉向架法蘭連接，只需在連接處加裝絕緣板、螺桿絕緣套管等絕緣措施。改造后測試框架絕緣電阻值＞2 MΩ，改造后接軌小車作業如圖4所示。

圖4 絕緣改造后換軌小車作業示意

舊軌小車絕緣設置: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置如圖5所示。

圖5 焊軌車線上舊軌小車絕緣設置示意

3.5.3 焊接前待焊軌絕緣測試

焊接電阻一般在200 uΩ以下，因此，在待焊軌對位后，焊接前用萬用表測量兩待焊軌之間阻抗，只要阻抗＞100 Ω，不會造成焊接電流分散。

4 結論

本文在焊軌車線下焊接鋼軌經驗比較成熟的基礎上，依據線上焊接的工況特點，經過現場試驗，總結出線上焊軌的施工設備、工藝和組織，達到在保證焊接接頭質量和線路安全的前提下，盡量縮短施工時間的目的。結論如下:

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

2)采取撥彎和墊放滾筒相結合的方式來實現焊接過程中由于鋼軌消耗而導致自由端的送進問題。撥彎起點可以選擇在焊縫前方35～40 m處，撥彎矢量123 mm，實際撥彎時，應適量增加撥彎矢量3～5 mm，以保證焊接結束后，撥彎區存在余彎。

3)采用換軌小車的效率高于人工撥軌，且能滿足現場施工工況要求。焊軌車線上聯焊時，既要滿足電氣化區段電氣回路要求，同時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，并與探傷結果對比，制定曲線判定標準。通過不斷總結優化施工方法，降低現場作業時待焊軌條內阻力，增加軌條自由度，使焊接環境無限接近試驗狀態。焊接接頭外觀、力學性能指標滿足標準要求。

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