劉富存

（國家能源集團神華軌道機械化維護分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

大準線橫亙內(nèi)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(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣火車站，途經(jīng)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(qū)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(shè)60kg/m的U78CrV鋼軌，是采用夾板和螺栓進行聯(lián)結(jié)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(nèi)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(yōu)缺點差異明顯，氣壓焊較鋁熱焊和閃光焊質(zhì)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(fā)生斷軌率高。且其焊接接頭硬度大大低于母材水平，導(dǎo)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(jù)目前統(tǒng)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(yīng)力鋼軌線上焊的工況適應(yīng)很差，閃光過程不易控制，接頭質(zhì)量也得不到保證。

GPW—1200II型氣壓焊軌機是我國自主研發(fā)的鋼軌焊接設(shè)備，可在同一工位實現(xiàn)焊接、焊后熱處理和強制風(fēng)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(yè)程序標準化，可在高寒、缺氧、風(fēng)沙大、紫外線強等惡劣自然環(huán)境條件下進行焊軌作業(yè)。

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(zhì)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(xué)技術(shù)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(chǔ)上，開展了鋼軌無縫化連接氣壓焊施工的探索工作。經(jīng)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(xiàn)的焊接問題。在毫無經(jīng)驗可供借鑒的情況下，通過反復(fù)的摸索和試驗，總結(jié)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(wù)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(jīng)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(yīng)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(zhì)量和要求，將GPW—1200II型氣壓焊軌機在重載鐵路上進行實際應(yīng)用，對提高重載鐵路線上焊接接頭質(zhì)量，提高重載鐵路的使用壽命，以及后續(xù)推廣都具有重要意義。

1 設(shè)備及車輛編組

采用GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設(shè)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(shè)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(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水氣系統(tǒng)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(shè)備的NX70A平板車。

表1 型式檢檢參數(shù)

圖1 GPW-1200II型集裝箱式氣壓焊設(shè)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(shè)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(shù)（如表1所示）。

落錘試驗結(jié)果：焊接接頭經(jīng)呼和浩特焊軌基地落錘試驗質(zhì)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(jié)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(jié)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(xiàn)場施工條件

現(xiàn)場換鋪施工地點為大準線九蘇木至丹洲營區(qū)段，全長44.213km。線路最小曲線半徑400m，線路最大超高100mm，線路設(shè)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(yè)換鋪長度為1.35～1.8km。天窗作業(yè)時間為上午7：00～11：00，或者上午8：00～12：00，共計240min，根據(jù)現(xiàn)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(yè)時間約為80～120min。

4 現(xiàn)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(yè)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(yīng)發(fā)生變化，具體尺寸根據(jù)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(shè)1根軌距拉桿，保證靜端線路穩(wěn)定（如圖3所示）。由軌道車將載有集裝箱式氣壓焊設(shè)備的NX70A平板車推至施工作業(yè)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(zhuǎn)向架輪對前后放置鐵鞋，防止平板車前后移動。用事先預(yù)備的枕木墩及調(diào)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(yīng)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(yīng)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(fēng)冷，正火和正火后噴風(fēng)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(tài)，不受其他外力。

4.3 帶應(yīng)力線上焊

（1）將線路分割為焊接區(qū)域和換鋪區(qū)域。在現(xiàn)場實測軌溫比設(shè)計鎖定軌溫低時，為了實現(xiàn)焊接和換鋪作業(yè)能同步進行作業(yè)，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(qū)域鎖緊鋼軌扣件30m左右，將新?lián)Q鋪線路分割為焊接區(qū)域和換鋪區(qū)域2個區(qū)域，每個區(qū)域單獨進行作業(yè)，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(chǎn)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(qū)域鋼軌拉伸至鎖定軌溫時鋼軌長度要求范圍內(nèi)，保證焊接后鋼軌在鎖定軌溫時無應(yīng)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(qū)域和分割鎖定區(qū)域鋼軌長度，根據(jù)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(shù)，L為靜端松開扣件長度+焊接區(qū)域長度+鎖定區(qū)域長度（現(xiàn)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(diào)節(jié)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(nèi)撥彎約30m，保證待焊鋼軌端面之間有10mm調(diào)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(shù)完成焊接，頂鍛推瘤進行風(fēng)冷、正火和正火后噴風(fēng)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(qū)域退回車體，待靠近鎖定區(qū)域的換鋪區(qū)域鋼軌鎖定后，松開鎖定區(qū)域鋼軌扣件，再連同焊接區(qū)域及靜端已松扣件鋼軌一起鎖定，使整個線路都滿足設(shè)計鎖定軌溫要求。

4.4 焊接作業(yè)用時計劃表

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

5 施工結(jié)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(qū)段共計施工完成線上氣壓焊焊接接頭共計44個，其中帶應(yīng)力線上焊接4個，無應(yīng)力線上焊接40個，其質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果（如表4所示）。其中4個帶應(yīng)力線上焊接頭搭接量、實際提升軌溫數(shù)據(jù)記錄（如表5所示）?，F(xiàn)場實際有效焊軌施工時間統(tǒng)計（如表6所示）。

表3 焊接作業(yè)用時計劃表

表4 大準線線上焊接接頭質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表4現(xiàn)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(yīng)力線上焊和不帶應(yīng)力線上焊，GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設(shè)備所焊線上焊焊接接頭（帶應(yīng)力線上焊和不帶應(yīng)力線上焊）質(zhì)量優(yōu)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(zhì)量要求。

表5 大準線帶應(yīng)力線上焊接頭數(shù)據(jù)記錄

表6 實際焊接時間統(tǒng)計

表5記錄現(xiàn)場施工一共完成4個帶應(yīng)力線上焊，其中鋼軌軌溫與設(shè)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(shè)計鎖定軌溫和施工要求。

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

6 結(jié)語

GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設(shè)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(shè)備能保證在一個天窗作業(yè)時間內(nèi)，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(qū)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(xiàn)場鋼軌溫差小于10℃時，75kg/m鋼軌線上應(yīng)力焊要求，焊接后焊接接頭質(zhì)量優(yōu)良，外觀平直度良好外，所焊接頭一次性全部通過設(shè)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(jīng)過現(xiàn)場實際施工應(yīng)用，能夠滿足重載鐵路75kg/m鋼軌帶應(yīng)力線上焊和無應(yīng)力線上焊的施工要求。