（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(zhǎng)軌條后，需在現(xiàn)場(chǎng)采用閃光焊軌車、氣壓焊軌車、鋁熱焊進(jìn)行線下焊、線上焊和道岔焊。為了保證接頭平順，現(xiàn)場(chǎng)焊接頭的焊瘤必須按照TB/T1632－2014《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)[1]要求進(jìn)行精整，以保證列車運(yùn)行的安全性和舒適性。列車運(yùn)行速度越高，對(duì)鋼軌焊接接頭平順性的要求也越高。

目前，我國(guó)鐵路現(xiàn)場(chǎng)焊后粗磨、精磨普遍采用手動(dòng)式仿形精磨機(jī)，該類機(jī)具打磨效率低、打磨質(zhì)量不穩(wěn)定，打磨過程難以實(shí)現(xiàn)精確控制[2]。部分路局則引進(jìn)國(guó)外的大型打磨車，雖然打磨效率和打磨質(zhì)量高，但焊接接頭處的打磨效果不佳，成本昂貴，維護(hù)和保養(yǎng)不便[3]。西南交大自主研發(fā)了一套新型集裝箱式鋼軌焊接接頭外形精整設(shè)備，配置鋼軌精磨機(jī)和平直度測(cè)量裝置、行走小車等，并于2017年3月在某路局現(xiàn)場(chǎng)試用。本研究采用跟蹤、統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、精磨效率、精磨質(zhì)量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 試驗(yàn)條件

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

圖1 鋼軌焊接接頭外形精整設(shè)備

裝載艙內(nèi)配備滑道收放系統(tǒng)和小車收放系統(tǒng)，仿形精磨小車可自動(dòng)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(diǎn)精磨作業(yè)。精磨前后進(jìn)行平直度檢測(cè)記錄。

依照 TB/T1632-2014《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)[4]，鋼軌焊接接頭精磨后應(yīng)略微起拱，不允許出現(xiàn)低接頭，表面平順。因此，按以下方法統(tǒng)計(jì)處理接頭精磨數(shù)據(jù)。

①預(yù)留打磨余量和沉降余量。焊接接頭平直度根據(jù)施工需求和TB/T1632-2014《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)留相應(yīng)的余量。由于線路在通車一段時(shí)間后，接頭處會(huì)出現(xiàn)一定程度的沉降，因此通常鋼軌在精磨后需預(yù)留0.4 mm沉降余量，而精磨前需預(yù)留0.3 mm精磨余量。

②補(bǔ)償精磨接頭的溫度。由于鋼軌接頭在精磨過程中溫度會(huì)上升，而熱脹冷縮會(huì)影響平直度的測(cè)量，因此應(yīng)待鋼軌完全冷卻至室溫后進(jìn)行[5]。但是由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜、時(shí)間緊迫，平直度測(cè)量只能在精磨后立即進(jìn)行，須考慮溫度因素的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

③數(shù)據(jù)缺失。由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間緊迫，導(dǎo)致部分接頭缺失平直度數(shù)據(jù)。主要表現(xiàn)為部分接頭在精磨前無平直度數(shù)據(jù)，精磨后有數(shù)據(jù)。對(duì)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(zhǎng)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求和施工所需預(yù)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(yàn)研究與分析

2.1 整套設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性考核

與焊軌基地精磨作業(yè)相比較，現(xiàn)場(chǎng)精磨作業(yè)的施工受自然條件、施工天窗時(shí)間等條件限制，施工更為嚴(yán)峻苛刻。鋼軌焊接接頭外形精整設(shè)備經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用，其功能、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、輔助裝置等設(shè)計(jì)均能很好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)精磨作業(yè)要求，能有效應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜的作業(yè)條件。

（1）裝載艙、仿形精磨小車配備汽油發(fā)電機(jī)，能在現(xiàn)場(chǎng)自行提供動(dòng)力且滿足施工要求。

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

表1 接頭分類標(biāo)準(zhǔn)（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(gè)作業(yè)地點(diǎn)之間。

（4）精磨作業(yè)中操作人員僅需操控遙控器或控制面板，極大地減輕勞動(dòng)人員的工作強(qiáng)度、節(jié)約勞動(dòng)力和成本。

（5）設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用中故障率低、精磨質(zhì)量穩(wěn)定、效率快，在天窗時(shí)間內(nèi)能按要求完成精磨作業(yè)并順利完成放車、收車。

（6）作業(yè)車所設(shè)計(jì)的應(yīng)急操作可在小車收放卷揚(yáng)機(jī)、滑道收放卷揚(yáng)機(jī)、集裝箱電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。

2.2 精磨作業(yè)質(zhì)量分析

2.2.1 正常接頭、異常接頭數(shù)量分布

根據(jù)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(shù)量，結(jié)果如圖2所示。

表2 正常接頭精磨前后平直度及合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭行車面各類接頭數(shù)量分布

2.2.2 正常接頭精磨作業(yè)前后平直度分布

正常接頭數(shù)量為52個(gè)，占比38.2%。精磨前26個(gè)接頭數(shù)據(jù)缺失，精磨后接頭數(shù)據(jù)完整。根據(jù)此類接頭精磨前、后平直度原始數(shù)據(jù)的分布情況，確定平直度區(qū)間范圍，并以0.1 mm為間隔劃分區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各個(gè)平直度區(qū)間的接頭數(shù)量，其分布情況如圖3所示?？梢钥闯?，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(gè)區(qū)間內(nèi)；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(nèi)。

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(yè)質(zhì)量

根據(jù)正常接頭的精磨前后平直度原始數(shù)據(jù)，計(jì)算各類接頭精磨前后平直度均值，依照表1的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算接頭合格率，其結(jié)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(yè)，接頭軌頭表面質(zhì)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(duì)比效果呈現(xiàn)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(yè)效率分析

（1）總體作業(yè)效率。

本研究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)作業(yè)時(shí)間為21個(gè)工作日，共計(jì)精磨作業(yè)136個(gè)焊接接頭，平均作業(yè)效率為每天6.5個(gè)接頭；統(tǒng)計(jì)施工總時(shí)間為2 278 min，每個(gè)接頭平均作業(yè)16.8 min（含每隔500 m一處焊頭的行走、精磨準(zhǔn)備和作業(yè)、平直度檢測(cè)的總時(shí)間），作業(yè)效率滿足3～3.5 h天窗時(shí)間精磨6～10個(gè)焊頭的施工要求，且作業(yè)效率優(yōu)于早期同類型的鋼軌全自動(dòng)仿形精磨機(jī)[6]。

（2）焊頭精磨效率。

從正常接頭中選取20個(gè)數(shù)據(jù)完整、操作合理的接頭，統(tǒng)計(jì)分析其精磨效率，計(jì)算每分鐘的磨削量大小，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jié)論

（1）鋼軌焊接接頭外形精整設(shè)備具有良好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，其配套設(shè)施能適應(yīng)白天或夜間現(xiàn)場(chǎng)施工，其應(yīng)急設(shè)施能較好地應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中可能出現(xiàn)的各類突發(fā)情況。

表3 正常接頭精磨效率

（2）對(duì)比精磨前后正常接頭平直度、合格率、軌廓表面質(zhì)量可知，鋼軌焊接接頭精磨設(shè)備的作業(yè)質(zhì)量高，穩(wěn)定性好，能有效改善接頭平直度和廓形表面質(zhì)量，使88.4%的接頭滿足TB/T1632-2014《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)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(shì)與總體趨勢(shì)相似。

（4）精整設(shè)備作業(yè)效率高。走行小車、滑道收放系統(tǒng)、小車收放系統(tǒng)、平直度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)有效地節(jié)省了作業(yè)時(shí)間，提高了作業(yè)效率。

（5）鋼軌焊接接頭精磨機(jī)性能優(yōu)良，不僅磨削效率高，而且極大地減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約勞動(dòng)力，提高作業(yè)效率。