鋼軌焊接接頭精整設備現場應用研究

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

0 前言

高速、重載鐵路無縫線路軌道焊接工程中，鋼軌在基地焊接為長軌條后，需在現場采用閃光焊軌車、氣壓焊軌車、鋁熱焊進行線下焊、線上焊和道岔焊。為了保證接頭平順，現場焊接頭的焊瘤必須按照TB/T1632－2014《鋼軌焊接》標準[1]要求進行精整，以保證列車運行的安全性和舒適性。列車運行速度越高，對鋼軌焊接接頭平順性的要求也越高。

目前，我國鐵路現場焊后粗磨、精磨普遍采用手動式仿形精磨機，該類機具打磨效率低、打磨質量不穩定，打磨過程難以實現精確控制[2]。部分路局則引進國外的大型打磨車，雖然打磨效率和打磨質量高，但焊接接頭處的打磨效果不佳，成本昂貴，維護和保養不便[3]。西南交大自主研發了一套新型集裝箱式鋼軌焊接接頭外形精整設備，配置鋼軌精磨機和平直度測量裝置、行走小車等，并于2017年3月在某路局現場試用。本研究采用跟蹤、統計方法，對設備的現場適應性、精磨效率、精磨質量等進行統計分析。

1 試驗條件

試驗時間與地點：2017年3月1日～2017年3月30日在京滬既有線上試用；試驗線路行車速度小于等于20 km/h；試驗鋼軌為包鋼的U75V熱軋60kg/m軌，接頭總數136個，其中閃光焊軌車焊接接頭共91個，氣壓焊軌車焊接接頭28個，鋁熱焊接頭17個。接頭均已焊后粗磨，等待精磨作業。試驗設備為鋼軌焊接接頭外形精整設備，如圖1所示。

圖1 鋼軌焊接接頭外形精整設備

裝載艙內配備滑道收放系統和小車收放系統，仿形精磨小車可自動下放至線路上或回收。仿形精磨小車由操作人員駕駛，沿線路行駛至施工地點精磨作業。精磨前后進行平直度檢測記錄。

依照 TB/T1632-2014《鋼軌焊接》標準[4]，鋼軌焊接接頭精磨后應略微起拱，不允許出現低接頭，表面平順。因此，按以下方法統計處理接頭精磨數據。

①預留打磨余量和沉降余量。焊接接頭平直度根據施工需求和TB/T1632-2014《鋼軌焊接》標準要求，預留相應的余量。由于線路在通車一段時間后，接頭處會出現一定程度的沉降，因此通常鋼軌在精磨后需預留0.4 mm沉降余量，而精磨前需預留0.3 mm精磨余量。

②補償精磨接頭的溫度。由于鋼軌接頭在精磨過程中溫度會上升，而熱脹冷縮會影響平直度的測量，因此應待鋼軌完全冷卻至室溫后進行[5]。但是由于現場施工條件復雜、時間緊迫，平直度測量只能在精磨后立即進行，須考慮溫度因素的影響進行補償。

③數據缺失。由于現場施工時間緊迫，導致部分接頭缺失平直度數據。主要表現為部分接頭在精磨前無平直度數據，精磨后有數據。對于此類接頭，分析中不剔除。

④接頭分類及分析方法。將精磨前鋼軌焊接接頭為低接頭者定義為異常接頭，軌頭工作面1 m長度平直度均為正值的接頭定義為正常接頭。正常接頭中根據標準要求和施工所需預留余量的要求，將接頭分為合格接頭和不合格接頭，具體分類要求如表1所示。

2 試驗研究與分析

2.1 整套設備現場適應性考核

與焊軌基地精磨作業相比較，現場精磨作業的施工受自然條件、施工天窗時間等條件限制，施工更為嚴峻苛刻。鋼軌焊接接頭外形精整設備經現場試用，其功能、機械系統、控制系統、檢測系統、輔助裝置等設計均能很好地適應現場精磨作業要求，能有效應對現場施工復雜的作業條件。

（1）裝載艙、仿形精磨小車配備汽油發電機，能在現場自行提供動力且滿足施工要求。

（2）仿形精磨小車由裝載艙進行裝載，裝載艙配備滑道收放系統和小車收放系統，施工時仿形精磨小車能通過電機控制，經由滑道順利下放至線路鋼軌上或回收至裝載艙內。

表1 接頭分類標準（軌頭工作面）

（3）仿形精磨小車具有自行走功能，可由操作人員駕駛在兩個作業地點之間。

（4）精磨作業中操作人員僅需操控遙控器或控制面板，極大地減輕勞動人員的工作強度、節約勞動力和成本。

（5）設備現場使用中故障率低、精磨質量穩定、效率快，在天窗時間內能按要求完成精磨作業并順利完成放車、收車。

（6）作業車所設計的應急操作可在小車收放卷揚機、滑道收放卷揚機、集裝箱電機出現故障時進行應急處理。

2.2 精磨作業質量分析

2.2.1 正常接頭、異常接頭數量分布

根據所有接頭行車面平直度情況，按照如表2所示的分類方法列出正常接頭、異常接頭的數量，結果如圖2所示。

表2 正常接頭精磨前后平直度及合格率統計結果

圖2 現場焊接接頭行車面各類接頭數量分布

2.2.2 正常接頭精磨作業前后平直度分布

正常接頭數量為52個，占比38.2%。精磨前26個接頭數據缺失，精磨后接頭數據完整。根據此類接頭精磨前、后平直度原始數據的分布情況，確定平直度區間范圍，并以0.1 mm為間隔劃分區間，統計各個平直度區間的接頭數量，其分布情況如圖3所示。可以看出，精磨前接頭平直度分布范圍為0.4～1.5 mm，較為分散，主要集中在0.5～0.6 mm和0.9～1.0 mm兩個區間內；精磨后接頭平直度分布在0～1.0mm，較為集中，90.4%的接頭集中在0.3～0.8 mm范圍內。

圖3 正常接頭精磨前后平直度分布

2.2.3 正常接頭精磨前后作業質量

根據正常接頭的精磨前后平直度原始數據，計算各類接頭精磨前后平直度均值，依照表1的標準計算接頭合格率，其結果如表2和圖4所示。

圖4 正常接頭精磨前后平直度及合格率變化

精磨后正常接頭合格率為88.4%，比精磨前提高了69.2%；精磨后平直度均值為0.488 mm，比精磨前減少0.321mm。通過精磨作業，接頭軌頭表面質量明顯改善，其軌頭與母材保持一致的平順性，接頭軌頭精磨前后的對比效果呈現出如圖5～圖7所示的外觀特征形貌。

圖5 閃光焊焊接頭精磨前后軌頭表面特征形貌

圖6 氣壓焊接頭精磨前后軌頭表面特征形貌

圖7 鋁熱焊接頭精磨前后軌頭表面特征形貌

2.3 精磨作業效率分析

（1）總體作業效率。

本研究現場試驗作業時間為21個工作日，共計精磨作業136個焊接接頭，平均作業效率為每天6.5個接頭；統計施工總時間為2 278 min，每個接頭平均作業16.8 min（含每隔500 m一處焊頭的行走、精磨準備和作業、平直度檢測的總時間），作業效率滿足3～3.5 h天窗時間精磨6～10個焊頭的施工要求，且作業效率優于早期同類型的鋼軌全自動仿形精磨機[6]。

（2）焊頭精磨效率。

從正常接頭中選取20個數據完整、操作合理的接頭，統計分析其精磨效率，計算每分鐘的磨削量大小，統計結果如表3所示。

由表3可知，在合理操作下，正常接頭的平均磨削效率為0.065 4 mm/min，滿足施工要求。

3 結論

（1）鋼軌焊接接頭外形精整設備具有良好的現場適應性，其配套設施能適應白天或夜間現場施工，其應急設施能較好地應對現場中可能出現的各類突發情況。

表3 正常接頭精磨效率

（2）對比精磨前后正常接頭平直度、合格率、軌廓表面質量可知，鋼軌焊接接頭精磨設備的作業質量高，穩定性好，能有效改善接頭平直度和廓形表面質量，使88.4%的接頭滿足TB/T1632-2014《鋼軌焊接》標準的要求。

（3）精磨前后閃光焊、氣壓焊及鋁熱焊接頭的合格率及平直度變化趨勢與總體趨勢相似。

（4）精整設備作業效率高。走行小車、滑道收放系統、小車收放系統、平直度檢測裝置的設計有效地節省了作業時間，提高了作業效率。

（5）鋼軌焊接接頭精磨機性能優良，不僅磨削效率高，而且極大地減輕操作人員的勞動強度，節約勞動力，提高作業效率。