GPW-1200II型集裝箱式氣壓焊大準重載鐵路線上焊的應用與研究

劉富存

（國家能源集團神華軌道機械化維護分公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

大準線橫亙內蒙古高原，是神華煤炭外運的一條干線。大準鐵路東起山西省大同市燕莊火車站，西至內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣火車站，途經兩省六旗縣(市)，是大秦線的向西延伸，屬一級電氣化鐵路。2017年運量已達到14300萬t，為緩解蒙西地區的煤炭外運做出了巨大貢獻。正線全長473.822km，其中九蘇木到丹洲營段目前鋪設60kg/m的U78CrV鋼軌，是采用夾板和螺栓進行聯結的普通有縫線路，病害較多，鋼軌使用壽命短。為延長重載鐵路線路使用壽命、從源頭上保障線路安全，提高線路平順性，最大限度延長線路使用壽命，將原60kg/m的U78CrV鋼軌更換為75kg/m的U78CrV淬火鋼軌，需對線路進行無縫化連接。

目前，國內對鋼軌無縫化連接的常用方法有鋁熱焊、閃光焊和氣壓焊等3種焊接方式，3種焊接方式優缺點差異明顯，氣壓焊較鋁熱焊和閃光焊質量可靠。

鋁熱焊接頭焊縫組織為鑄造組織，焊接接頭的塑性和韌性比較差，運營期間發生斷軌率高。且其焊接接頭硬度大大低于母材水平，導致在重載線路上接頭的磨耗嚴重，嚴重降低重載線路的使用壽命，據目前統計，大準線鋁熱焊接頭傷頭率達到2.325%。

閃光焊在焊接過程中需要脈動，特別是對于帶應力鋼軌線上焊的工況適應很差，閃光過程不易控制，接頭質量也得不到保證。

GPW—1200II型氣壓焊軌機是我國自主研發的鋼軌焊接設備，可在同一工位實現焊接、焊后熱處理和強制風冷的功能，拉軌力和頂鍛力大，能夠滿足無縫線路鎖定軌溫要求，且工藝寬泛、作業程序標準化，可在高寒、缺氧、風沙大、紫外線強等惡劣自然環境條件下進行焊軌作業。

大準線鋼軌無縫化連接仍以人工鋁熱焊為主，不但施工速度慢、質量更是難以保證，因此使用機械化自動程序控制焊接尤為迫切。隨著科學技術的進步，使用氣壓焊已是大勢所趨。

2018年4月，公司首次使用GPW—1200II型氣壓焊軌機在大準鐵路九蘇木到丹洲營段進行75kg/m鋼軌氣壓焊接試驗，在驗證氣壓焊軌機性能的基礎上，開展了鋼軌無縫化連接氣壓焊施工的探索工作。經過20個天窗的試驗工作，在大準線共計焊接接頭44個，解決了鋁熱焊接頭易出現的焊接問題。在毫無經驗可供借鑒的情況下，通過反復的摸索和試驗，總結形成了GPW—1200II型氣壓焊軌機焊接重載鐵路75kg/m鋼軌接頭的施工方法，該方法不但對完成大準線鋼軌無縫化連接施工任務提供了保證，對以后的GPW—1200II型氣壓焊軌機焊接重載鐵路75kg/m鋼軌接頭施工也有一定的示范和借鑒作用。

GPW—1200II型氣壓焊軌機目前已經針對75kg/m的U78CrV進行過型式試驗，其焊接工藝滿足鐵路線路鋼軌焊接要求，但之前從未在線路上進行應用。為了進一步推行GPW—1200II型氣壓焊軌機焊接重載鐵路75kg/m鋼軌接頭，按重載鐵路施工質量和要求，將GPW—1200II型氣壓焊軌機在重載鐵路上進行實際應用，對提高重載鐵路線上焊接接頭質量，提高重載鐵路的使用壽命，以及后續推廣都具有重要意義。

1 設備及車輛編組

采用GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設備，氣壓焊特制金屬墊軌墊塊，其他施工輔助機具。其中集裝箱氣壓焊設備放置在NX70A平板車上，由軌道車牽引（如圖1所示）。在集裝箱中配置有GPW—1200II型氣壓焊軌機、吊機、動力系統、液壓系統、水氣系統等，能夠獨立完成焊軌工作。

施工車輛編組為從薛家灣至大同方向車輛編組順序為：軌道車——材料平板車——載有集裝箱氣壓焊設備的NX70A平板車。

表1 型式檢檢參數

圖1 GPW-1200II型集裝箱式氣壓焊設備

2 型式檢驗

2018年4月5日～4月8日在呼和浩特焊軌基地，采用GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設備，對攀鋼U78CrV的75kg/m淬火鋼軌進行型式檢驗焊接，型式檢驗焊接參數（如表1所示）。

落錘試驗結果：焊接接頭經呼和浩特焊軌基地落錘試驗質量合格（如表2所示），其中A018和A020兩個焊接接頭的斷口形貌（如圖2所示），其全斷面塑性良好，無缺陷。

圖2 型式檢驗接頭斷口形貌圖

表2 落錘試驗結果

注：落錘實驗要求是錘重為1000kg，支距為1m，高度3.8m，落錘2次不斷為合格

落錘試驗結果：型式檢驗焊接接頭17個，17個接頭落錘試驗一次性通過，全部合格。

3 現場施工條件

現場換鋪施工地點為大準線九蘇木至丹洲營區段，全長44.213km。線路最小曲線半徑400m，線路最大超高100mm，線路設計鎖定軌溫為28℃±5℃，施工鎖定軌溫為28℃±3℃。采用人工換軌方式，將原有的U78CrV的60kg/m鋼軌更換為U78CrV的75kg/m鋼軌，一次作業換鋪長度為1.35～1.8km。天窗作業時間為上午7：00～11：00，或者上午8：00～12：00，共計240min，根據現場實際溫度情況，在10點左右鋼軌軌溫接近線路鎖定軌溫，有效線上焊軌作業時間約為80～120min。

4 現場施工方法

4.1 線上焊墊軌方法

GPW—1200II型氣壓焊軌機焊接時要求焊縫抬高200mm。為滿足焊軌機焊軌作業時高度要求，采用“鋼軌下加墊塊法”將焊軌機靜端待焊鋼軌接頭處提高約200mm，形成坡道。具體為：將焊機靜端鋼軌20m范圍的扣件全部拆除，在距離焊口3300mm（不同型號的平板車距離會相應發生變化，具體尺寸根據實際測量提出，本次采用NX70A平板車）附近的枕木與鋼軌之間墊上特制金屬墊塊，并將金屬墊塊扣在枕木道釘上，上部卡住鋼軌軌底。依次隔2個枕木放置1個金屬墊塊，金屬墊塊高度依次分別為60mm、90mm、120mm和150mm。在靜端距離焊口2.5m位置安設1根軌距拉桿，保證靜端線路穩定（如圖3所示）。由軌道車將載有集裝箱式氣壓焊設備的NX70A平板車推至施工作業點，使NX70A平板車靠近焊口的輪對中心距離焊口3300±50mm。平板車到位后在軌道車前轉向架輪對前后放置鐵鞋，防止平板車前后移動。用事先預備的枕木墩及調整墊板墊高氣壓焊機動端待焊鋼軌，使動端鋼軌與靜端鋼軌齊平。

圖3 墊軌位置及軌距拉桿位置示意圖

4.2 無應力線上焊

將75kg/m新鋼軌換鋪入軌槽后，先不鎖緊扣件、不進行線路的應力放散，立即對軌鋼進行端銑，放下焊機一次夾緊鋼軌，按照型式檢驗工藝完成焊接，焊后風冷，正火和正火后噴風強制冷卻。完成焊接后放下鋼軌后再進行線路放散和扣件鎖定。在整個氣壓線上焊的過程中，新鋼軌僅受線路阻力，基本處于自由狀態，不受其他外力。

4.3 帶應力線上焊

（1）將線路分割為焊接區域和換鋪區域。在現場實測軌溫比設計鎖定軌溫低時，為了實現焊接和換鋪作業能同步進行作業，待靠近焊口的新鋼軌撥入軌槽后，在距離焊口約80m位置開始向換鋪區域鎖緊鋼軌扣件30m左右，將新換鋪線路分割為焊接區域和換鋪區域2個區域，每個區域單獨進行作業，互不干涉和影響。

（2）搭接量計算。氣壓焊焊接鋼軌過程中，進行頂鍛時鋼軌軌頭擠壓會產生一定的消耗量，同時由于鋼軌實際溫度低于線路鎖定軌溫，要事先將換鋪區域鋼軌拉伸至鎖定軌溫時鋼軌長度要求范圍內，保證焊接后鋼軌在鎖定軌溫時無應力。因此在待焊鋼軌兩端之間會有一定的搭接量，同時考慮靜端松開扣件區域和分割鎖定區域鋼軌長度，根據公式△B=S-L×0.0118×△T得出搭接量（其中△B為待焊軌搭接量；S為頂鍛消耗量；0.0118為75kg/m鋼軌溫度線長系數，L為靜端松開扣件長度+焊接區域長度+鎖定區域長度（現場為130m）；△T為鋼軌鎖定軌溫與實際軌溫差）。

（3）撥彎拉伸焊接。為了確保在焊接時鋼軌軌端之間留有縫隙，消除搭接，采用將動端鋼軌中部撥彎的方法調節動端鋼軌焊口位置。即在距離焊口30m外，將鋼軌向軌道外或者向軌道內撥彎約30m，保證待焊鋼軌端面之間有10mm調整、清洗縫隙（如圖4所示）。放下焊機一次夾緊鋼軌，按照型式檢驗參數完成焊接，頂鍛推瘤進行風冷、正火和正火后噴風強制冷卻。

圖4 撥彎示意圖

（4）鎖定鋼軌。焊接完成后向非換鋪區域退回車體，待靠近鎖定區域的換鋪區域鋼軌鎖定后，松開鎖定區域鋼軌扣件，再連同焊接區域及靜端已松扣件鋼軌一起鎖定，使整個線路都滿足設計鎖定軌溫要求。

4.4 焊接作業用時計劃表

春季集中修天窗作業時間為240min，車輛編組及往返時間約為40min，現場軌溫在10：00左右達到鎖定軌溫，實際有效焊軌作業時間為100～126min，按照用時最長的雙股帶應力焊設計，焊接時間計劃（如表3所示）。

5 施工結果及分析

按照呼和浩特焊軌基地型式檢驗工藝，2018年4月11日～4月30日，在大準線九蘇木到丹洲營區段共計施工完成線上氣壓焊焊接接頭共計44個，其中帶應力線上焊接4個，無應力線上焊接40個，其質量數據統計結果（如表4所示）。其中4個帶應力線上焊接頭搭接量、實際提升軌溫數據記錄（如表5所示）?，F場實際有效焊軌施工時間統計（如表6所示）。

表3 焊接作業用時計劃表

表4 大準線線上焊接接頭質量數據統計

從表4現場實際施工情況看，最小施工曲線半徑為400m，分別進行了帶應力線上焊和不帶應力線上焊，GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設備所焊線上焊焊接接頭（帶應力線上焊和不帶應力線上焊）質量優良，外觀平直度良好，能夠滿足重載鐵路U78CrV的75kg/m鋼軌線上焊接的質量要求。

表5 大準線帶應力線上焊接頭數據記錄

表6 實際焊接時間統計

表5記錄現場施工一共完成4個帶應力線上焊，其中鋼軌軌溫與設計鎖定軌溫差最大到10℃，曲線半徑為800m。鋼軌實際拉伸長度14mm，實際提升鋼軌溫度為9.1℃，鋼軌實際鎖定軌溫27.1℃，滿足線路設計鎖定軌溫和施工要求。

根據表6現場實際焊軌時間（表中時間均為實際有效焊軌作業時間，不包括車輛來回時間）統計，最長焊軌作業時間為155min，比計劃用時超過29min，雙股均為帶應力線上焊。該次焊接作業是氣壓焊設備首次在重載鐵路上進行線上焊接作業應用，存在作業人員對設備操作不熟悉，作業流程還有待優化。從整個春季集中修焊接時間統計看，隨著人員的熟悉，平均作業時間約116min，已滿足現場作業時間要求。隨著焊軌作業的不斷深入，操作人員和現場作業配合更加默契和熟練，作業組織方案全面完善，焊接時間將會進一步減少。

6 結語

GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設備利用春季集中修20個天窗，使用配合75kg/m專用金屬墊塊以及其他配套機具，采用“墊軌法”以及“撥彎法”等配合施工方法，集裝箱式氣壓焊設備能保證在一個天窗作業時間內，完成一對75kg/m鋼軌線上焊焊接接頭，在大準線九蘇木至丹洲營區段一共完成線上氣壓焊焊接接頭44個，超聲波探傷全部合格，論證了GWP—1200II型集裝箱式氣壓焊軌機至少能夠滿足現場鋼軌溫差小于10℃時，75kg/m鋼軌線上應力焊要求，焊接后焊接接頭質量優良，外觀平直度良好外，所焊接頭一次性全部通過設備管理單位驗收。截止2018年9月30日，已累計通過總重6609萬t，運行無一傷損情況。經過現場實際施工應用，能夠滿足重載鐵路75kg/m鋼軌帶應力線上焊和無應力線上焊的施工要求。