非自行式焊轨车线上焊接工艺和施工组织研究

马 军，李金华，李 力，李 雯

(1.上海铁路局工务大修段，上海 201600;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

为了降低长钢轨现场焊接接头的伤损率，提高钢轨现场焊接质量，保障铁路运输安全，全路装备了50余台移动焊轨车用于钢轨现场焊接。经过3年左右的试用，各铁路局线下焊已基本掌握了移动焊轨车的使用，现场焊接接头断轨数量显著减少。在此基础上，铁路总公司要求各铁路局停止使用小型气压焊，改用移动焊轨车进行线上焊。由于移动焊轨车需要占用线路，在有限的施工天窗时间内完成换轨、锁定、焊接，对施工组织提出了更加严格的要求。本文研究使用焊轨车进行线上焊时线上焊接条件对焊接质量的影响，工序布局对减少线路占用时间的效果等，这有利于推广移动焊轨车在线上焊接施工中的应用。

1 移动焊轨车既有线焊接作业条件

钢轨焊接型式试验时，一般采用两截80 cm短钢轨进行焊机参数调试，焊接时无外力、短路等不良环境干扰。虽然调试完成的焊接参数具有较宽的适应性，但主要限于对钢轨材质、结构尺寸及环境气候的小范围变化。因此，现场焊接时，现场待焊钢轨的状态应基本满足试验条件。

1.1 待焊轨条一端应处于相对自由状态

线上联焊时，待焊轨放置于轨枕承轨槽内，轨底与大胶垫摩擦阻力:1 000 m(换轨长度)×0.36(摩擦系数)×60.6 kg/m×10 N/kg=218.16 kN，焊接钢轨损耗一般在30 mm左右，产生的内应力 σ=sδ/(Lα)=53.65 kN。其中:s为轨条伸缩长度，mm;L为焊接轨条长度，m;α为钢轨热膨胀系数，取0.011 8 mm/(℃·m);δ为钢轨温度应力常量，这里取19.2 kN/℃。

现场焊接轨条位移观测发现，焊接时实际位移长度在100 m以内，实际拉应力更大，同时存在轨枕螺杆、曲线钢轨扭曲等阻力。因此应采取一定措施，确保待焊钢轨一端相对处于自由状态，减小焊接时待焊轨条内部阻力。

图1是型式试验接头焊接曲线。在钢轨焊接过程中，由于钢轨不断消耗，钢轨一直处于爬行状态。焊接曲线和焊接数据表明:未采取拨弯、垫滚筒措施的焊接曲线随着焊接烧化量的增加，焊接轨条内阻力不断增大，导致后期出现前进、后退速度偏离设定值，电流波动较大，图形异常。

经过落锤试验观察发现，型式试验合格的焊接参数，在未采取拨弯、垫滚筒措施进行焊接时，容易导致过烧、灰斑等缺陷的产生。

1.2 线路两侧待焊轨条之间应绝缘

焊接电路是380 V交流电，由电压控制板两只反向并联的可控硅SCR1和SCR2调整电压，再经自耦变压器升压，然后向焊接变压器提供焊接电源。如果焊机焊接时，邻近钢轨直接或通过其他媒介与待焊轨导通形成回路，将导致焊机长时间产生过大电流，击穿电压控制板可控硅SCR1和SCR2，使得焊机无法工作。同时，由于焊接电流分散，工况发生较大变化，焊接质量无法保障。

2 换铺无缝线路施工方法

2.1 人工拨轨

人工使用撬棍将旧轨拨入线路道心，然后将线路两侧新轨拨入承轨槽。待新轨落槽100 m后，用撞轨器向龙门头方向撞轨，并在65～70 m处向线路外侧拨弯，直至完全撞出焊接损耗量后自100 m处向龙门头方向锁定线路15～25 m(根据线路曲线半径等因素确定)，垫放滚筒(靠近龙门头拨弯起点开始向龙门头方向)、调整水平方向;焊轨车在新轨落槽15 m后运行至龙门口对位、支撑。

图1 型式试验接头焊接曲线

由于是先将旧轨拨入道心，然后新轨拨入承轨槽，新旧轨间无机具作业时不易发生导通。这样做的缺点是劳动强度大，作业人员投入多，现有的封锁天窗一般不能满足施工需要。

2.2 换轨小车作业

换轨小车走行采用24 t小平板轮对改造，上部加装左右导向轮、钢轨导槽及刹车系统。导向轮框架与转向架采用法兰连接方式，两侧导通。作业时，新轨小车行走在待换轨条上，旧轨小车行走在新铺轨条上，新旧轨条全部导通。这样做的优点是投入劳力少，铺设进度快，目前的线路天窗完全满足施工需要。

3 现场作业

3.1 垫放滚筒

拨弯起点距焊接点长度应以满足待焊轨找平、脉动时轨条不发生方向变化为基准，并可适当调节。待焊轨水平对齐长度一般不低于40 m(焊缝前方30 m、后方10 m)。模拟演练时，发现在30 m处向前拨弯，脉动时待焊轨条方向仍会发生变化，在延伸至50 m后，焊缝前方30 m水平对齐段脉动时不会发生方向变化。因此拨弯起点可以选择在焊缝前方35～40 m处开始。

3.2 拨弯圆弧半径设置

拨弯圆弧应避免因圆弧半径过大导致钢轨弯曲阻力增加(尤其是闪光后期)，相对增加脉冲阻力，如焊接损耗量为32 mm，预留焊缝5 mm，用曲线缩短量计算公式S=L×1 500/R计算，由S=37，L=10(假设)，可得拨弯半径R=405 m，则拨弯矢量=50 000/R=123 mm，满足邻线限界安全要求。实际拨弯时，应适量增加拨弯矢量3～5 mm，以保证焊接结束后，拨弯区存在余弯。

3.3 垫放滚筒及拨弯长度范围

垫放滚筒及拨弯长度范围又称为焊接伸缩区，伸缩区存在3种伸缩阻力:①滚动摩擦阻力(垫放滚筒区域)，50×60.6×0.05(摩擦系数)×10=1.515 kN;②滑动摩擦阻力(拨弯区域)，25×60.6×0.24×10=3.636 kN;③钢轨弯曲阻力(拨弯区域)，焊接前已经弯曲，焊接时除中轴回弹力外，前进时与轨底摩擦阻力抵消一部分，后退时与摩擦阻力叠加。由于钢轨处于自由状态下，只要保证一定的预弯矢量，弯曲阻力会很小。一般情况下总阻力不大于20 MN，与顶锻油缸的拉力1 200 MN相比，影响较小。

3.4 研制待焊轨垫高垫块，改焊轨车顶车为架车作业

焊轨车线上联焊作业一般对位后支撑油缸顶车高度为6～8 cm。在现场作业时，由于焊轨车质量达50 t左右，加上支撑垫块强度、混凝土枕强度、道砟密实度不足，及油路漏油、油缸内卸等原因，焊接时往往会发生车体下沉、倾斜，从而影响焊接，甚至影响安全，因此需要改变顶车作业方法。经过学习其他施工单位的经验和现场不断试验、改进，采取措施为:在轨底垫放一定高度的垫高垫块，按2‰顺坡至焊缝，同时保证焊缝至后方3 m范围保持平直。焊轨车对位后，应在前后轮对分别设置止轮器，同时进行前支腿支撑，防止焊接时发生待焊轨跳动。经过近20个焊接接头外观检验，外观质量满足规范要求。轨底垫高顺坡如图2所示。

3.5 电气化区段焊接施工绝缘设置

3.5.1 封连线设置

焊轨车线上联焊时，既要满足电气化区段电气回路要求，同时又要避免左右股钢轨之间形成回路。经过现场施工测量，焊轨车线上联焊时，按图3设置封连线，可满足电气化区段及焊轨车作业要求。

图2 轨底垫高顺坡示意

图3 焊接过程中的封连线设置

3.5.2 换轨小车绝缘设置

新轨小车绝缘改造:新轨小车导槽、导向轮框架均为独立结构，与转向架法兰连接，只需在连接处加装绝缘板、螺杆绝缘套管等绝缘措施。改造后测试框架绝缘电阻值＞2 MΩ，改造后接轨小车作业如图4所示。

图4 绝缘改造后换轨小车作业示意

旧轨小车绝缘设置:由于旧轨小车行驶在新轨上，只要小车轮缘与新轨之间绝缘即可。焊轨车线上旧轨小车绝缘设置如图5所示。

图5 焊轨车线上旧轨小车绝缘设置示意

3.5.3 焊接前待焊轨绝缘测试

焊接电阻一般在200 uΩ以下，因此，在待焊轨对位后，焊接前用万用表测量两待焊轨之间阻抗，只要阻抗＞100 Ω，不会造成焊接电流分散。

4 结论

本文在焊轨车线下焊接钢轨经验比较成熟的基础上，依据线上焊接的工况特点，经过现场试验，总结出线上焊轨的施工设备、工艺和组织，达到在保证焊接接头质量和线路安全的前提下，尽量缩短施工时间的目的。结论如下:

1)待焊钢轨一端应处于相对自由状态，使焊接过程中的阻力尽量小，以接近型式试验的焊接条件。

2)采取拨弯和垫放滚筒相结合的方式来实现焊接过程中由于钢轨消耗而导致自由端的送进问题。拨弯起点可以选择在焊缝前方35～40 m处，拨弯矢量123 mm，实际拨弯时，应适量增加拨弯矢量3～5 mm，以保证焊接结束后，拨弯区存在余弯。

3)采用换轨小车的效率高于人工拨轨，且能满足现场施工工况要求。焊轨车线上联焊时，既要满足电气化区段电气回路要求，同时又要避免左右股钢轨之间形成回路。

4)通过接头焊接曲线的收集，并与探伤结果对比，制定曲线判定标准。通过不断总结优化施工方法，降低现场作业时待焊轨条内阻力，增加轨条自由度，使焊接环境无限接近试验状态。焊接接头外观、力学性能指标满足标准要求。

［1］中华人民共和国铁道部.TB/T 1632—2005 钢轨焊接接头技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］吕其兵.钢轨接触焊工艺、质量及过程控制研究［D］.成都:西南交通大学，2004.

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