GPW-1200II型集裝箱式氣壓焊大準(zhǔn)重載鐵路線上焊的應(yīng)用與研究

劉富存

（國(guó)家能源集團(tuán)神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

大準(zhǔn)線橫亙內(nèi)蒙古高原，是神華煤炭外運(yùn)的一條干線。大準(zhǔn)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(zhǔn)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(jí)電氣化鐵路。2017年運(yùn)量已達(dá)到14300萬(wàn)t，為緩解蒙西地區(qū)的煤炭外運(yùn)做出了巨大貢獻(xiàn)。正線全長(zhǎng)473.822km，其中九蘇木到丹洲營(yíng)段目前鋪設(shè)60kg/m的U78CrV鋼軌，是采用夾板和螺栓進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)線路進(jìn)行無(wú)縫化連接。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)鋼軌無(wú)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(diǎn)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(yùn)營(yíng)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(yán)重，嚴(yán)重降低重載線路的使用壽命，據(jù)目前統(tǒng)計(jì)，大準(zhǔn)線鋁熱焊接頭傷頭率達(dá)到2.325%。

閃光焊在焊接過(guò)程中需要脈動(dòng)，特別是對(duì)于帶應(yīng)力鋼軌線上焊的工況適應(yīng)很差，閃光過(guò)程不易控制，接頭質(zhì)量也得不到保證。

GPW—1200II型氣壓焊軌機(jī)是我國(guó)自主研發(fā)的鋼軌焊接設(shè)備，可在同一工位實(shí)現(xiàn)焊接、焊后熱處理和強(qiáng)制風(fēng)冷的功能，拉軌力和頂鍛力大，能夠滿足無(wú)縫線路鎖定軌溫要求，且工藝寬泛、作業(yè)程序標(biāo)準(zhǔn)化，可在高寒、缺氧、風(fēng)沙大、紫外線強(qiáng)等惡劣自然環(huán)境條件下進(jìn)行焊軌作業(yè)。

大準(zhǔn)線鋼軌無(wú)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(jī)械化自動(dòng)程序控制焊接尤為迫切。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使用氣壓焊已是大勢(shì)所趨。

2018年4月，公司首次使用GPW—1200II型氣壓焊軌機(jī)在大準(zhǔn)鐵路九蘇木到丹洲營(yíng)段進(jìn)行75kg/m鋼軌氣壓焊接試驗(yàn)，在驗(yàn)證氣壓焊軌機(jī)性能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了鋼軌無(wú)縫化連接氣壓焊施工的探索工作。經(jīng)過(guò)20個(gè)天窗的試驗(yàn)工作，在大準(zhǔn)線共計(jì)焊接接頭44個(gè)，解決了鋁熱焊接頭易出現(xiàn)的焊接問(wèn)題。在毫無(wú)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒的情況下，通過(guò)反復(fù)的摸索和試驗(yàn)，總結(jié)形成了GPW—1200II型氣壓焊軌機(jī)焊接重載鐵路75kg/m鋼軌接頭的施工方法，該方法不但對(duì)完成大準(zhǔn)線鋼軌無(wú)縫化連接施工任務(wù)提供了保證，對(duì)以后的GPW—1200II型氣壓焊軌機(jī)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(jī)目前已經(jīng)針對(duì)75kg/m的U78CrV進(jìn)行過(guò)型式試驗(yàn)，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(jìn)行應(yīng)用。為了進(jìn)一步推行GPW—1200II型氣壓焊軌機(jī)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(jī)在重載鐵路上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，對(duì)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(jī)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(jī)、吊機(jī)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水氣系統(tǒng)等，能夠獨(dú)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?yàn)椋很壍儡嚒牧掀桨遘嚒d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(yàn)

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(duì)攀鋼U78CrV的75kg/m淬火鋼軌進(jìn)行型式檢驗(yàn)焊接，型式檢驗(yàn)焊接參數(shù)（如表1所示）。

落錘試驗(yàn)結(jié)果：焊接接頭經(jīng)呼和浩特焊軌基地落錘試驗(yàn)質(zhì)量合格（如表2所示），其中A018和A020兩個(gè)焊接接頭的斷口形貌（如圖2所示），其全斷面塑性良好，無(wú)缺陷。

圖2 型式檢驗(yàn)接頭斷口形貌圖

表2 落錘試驗(yàn)結(jié)果

注：落錘實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果：型式檢驗(yàn)焊接接頭17個(gè)，17個(gè)接頭落錘試驗(yàn)一次性通過(guò)，全部合格。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工條件

現(xiàn)場(chǎng)換鋪施工地點(diǎn)為大準(zhǔn)線九蘇木至丹洲營(yíng)區(qū)段，全長(zhǎng)44.213km。線路最小曲線半徑400m，線路最大超高100mm，線路設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為1.35～1.8km。天窗作業(yè)時(shí)間為上午7：00～11：00，或者上午8：00～12：00，共計(jì)240min，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度情況，在10點(diǎn)左右鋼軌軌溫接近線路鎖定軌溫，有效線上焊軌作業(yè)時(shí)間約為80～120min。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工方法

4.1 線上焊墊軌方法

GPW—1200II型氣壓焊軌機(jī)焊接時(shí)要求焊縫抬高200mm。為滿足焊軌機(jī)焊軌作業(yè)時(shí)高度要求，采用“鋼軌下加墊塊法”將焊軌機(jī)靜端待焊鋼軌接頭處提高約200mm，形成坡道。具體為：將焊機(jī)靜端鋼軌20m范圍的扣件全部拆除，在距離焊口3300mm（不同型號(hào)的平板車距離會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，具體尺寸根據(jù)實(shí)際測(cè)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(gè)枕木放置1個(gè)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(diǎn)，使NX70A平板車靠近焊口的輪對(duì)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(duì)前后放置鐵鞋，防止平板車前后移動(dòng)。用事先預(yù)備的枕木墩及調(diào)整墊板墊高氣壓焊機(jī)動(dòng)端待焊鋼軌，使動(dòng)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(wú)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(jìn)行線路的應(yīng)力放散，立即對(duì)軌鋼進(jìn)行端銑，放下焊機(jī)一次夾緊鋼軌，按照型式檢驗(yàn)工藝完成焊接，焊后風(fēng)冷，正火和正火后噴風(fēng)強(qiáng)制冷卻。完成焊接后放下鋼軌后再進(jìn)行線路放散和扣件鎖定。在整個(gè)氣壓線上焊的過(guò)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(chǎng)實(shí)測(cè)軌溫比設(shè)計(jì)鎖定軌溫低時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)焊接和換鋪?zhàn)鳂I(yè)能同步進(jìn)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(kāi)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(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行作業(yè)，互不干涉和影響。

（2）搭接量計(jì)算。氣壓焊焊接鋼軌過(guò)程中，進(jìn)行頂鍛時(shí)鋼軌軌頭擠壓會(huì)產(chǎn)生一定的消耗量，同時(shí)由于鋼軌實(shí)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(shí)鋼軌長(zhǎng)度要求范圍內(nèi)，保證焊接后鋼軌在鎖定軌溫時(shí)無(wú)應(yīng)力。因此在待焊鋼軌兩端之間會(huì)有一定的搭接量，同時(shí)考慮靜端松開(kāi)扣件區(qū)域和分割鎖定區(qū)域鋼軌長(zhǎng)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(zhǎng)系數(shù)，L為靜端松開(kāi)扣件長(zhǎng)度+焊接區(qū)域長(zhǎng)度+鎖定區(qū)域長(zhǎng)度（現(xiàn)場(chǎng)為130m）；△T為鋼軌鎖定軌溫與實(shí)際軌溫差）。

（3）撥彎拉伸焊接。為了確保在焊接時(shí)鋼軌軌端之間留有縫隙，消除搭接，采用將動(dòng)端鋼軌中部撥彎的方法調(diào)節(jié)動(dòng)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(jī)一次夾緊鋼軌，按照型式檢驗(yàn)參數(shù)完成焊接，頂鍛推瘤進(jìn)行風(fēng)冷、正火和正火后噴風(fēng)強(qiáng)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(kāi)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(gè)線路都滿足設(shè)計(jì)鎖定軌溫要求。

4.4 焊接作業(yè)用時(shí)計(jì)劃表

春季集中修天窗作業(yè)時(shí)間為240min，車輛編組及往返時(shí)間約為40min，現(xiàn)場(chǎng)軌溫在10：00左右達(dá)到鎖定軌溫，實(shí)際有效焊軌作業(yè)時(shí)間為100～126min，按照用時(shí)最長(zhǎng)的雙股帶應(yīng)力焊設(shè)計(jì)，焊接時(shí)間計(jì)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(yàn)工藝，2018年4月11日～4月30日，在大準(zhǔn)線九蘇木到丹洲營(yíng)區(qū)段共計(jì)施工完成線上氣壓焊焊接接頭共計(jì)44個(gè)，其中帶應(yīng)力線上焊接4個(gè)，無(wú)應(yīng)力線上焊接40個(gè)，其質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表4所示）。其中4個(gè)帶應(yīng)力線上焊接頭搭接量、實(shí)際提升軌溫?cái)?shù)據(jù)記錄（如表5所示）。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有效焊軌施工時(shí)間統(tǒng)計(jì)（如表6所示）。

表3 焊接作業(yè)用時(shí)計(jì)劃表

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

從表4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況看，最小施工曲線半徑為400m，分別進(jìn)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?jī)?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(zhǔn)線帶應(yīng)力線上焊接頭數(shù)據(jù)記錄

表6 實(shí)際焊接時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表5記錄現(xiàn)場(chǎng)施工一共完成4個(gè)帶應(yīng)力線上焊，其中鋼軌軌溫與設(shè)計(jì)鎖定軌溫差最大到10℃，曲線半徑為800m。鋼軌實(shí)際拉伸長(zhǎng)度14mm，實(shí)際提升鋼軌溫度為9.1℃，鋼軌實(shí)際鎖定軌溫27.1℃，滿足線路設(shè)計(jì)鎖定軌溫和施工要求。

根據(jù)表6現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊軌時(shí)間（表中時(shí)間均為實(shí)際有效焊軌作業(yè)時(shí)間，不包括車輛來(lái)回時(shí)間）統(tǒng)計(jì)，最長(zhǎng)焊軌作業(yè)時(shí)間為155min，比計(jì)劃用時(shí)超過(guò)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(jìn)行線上焊接作業(yè)應(yīng)用，存在作業(yè)人員對(duì)設(shè)備操作不熟悉，作業(yè)流程還有待優(yōu)化。從整個(gè)春季集中修焊接時(shí)間統(tǒng)計(jì)看，隨著人員的熟悉，平均作業(yè)時(shí)間約116min，已滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間要求。隨著焊軌作業(yè)的不斷深入，操作人員和現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間將會(huì)進(jìn)一步減少。

6 結(jié)語(yǔ)

GPW—1200II型集裝箱式氣壓焊設(shè)備利用春季集中修20個(gè)天窗，使用配合75kg/m專用金屬墊塊以及其他配套機(jī)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(gè)天窗作業(yè)時(shí)間內(nèi)，完成一對(duì)75kg/m鋼軌線上焊焊接接頭，在大準(zhǔn)線九蘇木至丹洲營(yíng)區(qū)段一共完成線上氣壓焊焊接接頭44個(gè)，超聲波探傷全部合格，論證了GWP—1200II型集裝箱式氣壓焊軌機(jī)至少能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)鋼軌溫差小于10℃時(shí)，75kg/m鋼軌線上應(yīng)力焊要求，焊接后焊接接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良，外觀平直度良好外，所焊接頭一次性全部通過(guò)設(shè)備管理單位驗(yàn)收。截止2018年9月30日，已累計(jì)通過(guò)總重6609萬(wàn)t，運(yùn)行無(wú)一傷損情況。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(wú)應(yīng)力線上焊的施工要求。