关于无缝线路长轨条长度合理焊接的探讨.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期7文章编号：2095-6835（2023）19-0007-04关于无缝线路长轨条长度合理焊接的探讨师 彬，吴晓燕（昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650217）摘要：无缝线路具有诸多优点，是铁路线路轨道建设和发展的主要方向，为了提高无缝线路的焊接质量，需合理布置长轨条和单元轨条的长度，减少施工现场工作量。对换轨总长度、长轨列车运输长度、单元轨条长度、长轨条以及单元轨节之间重叠量等影响因素进行综合研究分析，并建立连续换轨长度内焊头设置的优化模型，探讨了无缝线路焊轨工厂焊接长轨条长度的合理性。最后以既有线路某段普速铁路某区间进行无缝线路连续换轨大修施工为例，根据建立的优化模型进行求解分析，从求解结果可以看出长轨条焊接方案合理，不仅减少了焊头总数量，增加了固定式闪光焊头数量，提高了无缝线路长度范围内的焊头作业质量，还减少了现场施工作业量以及施工对运输的影响，提高了天窗的利用率。关键词：无缝线路；长轨条；焊接；长度中图分类号：U215.7文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.002无缝线路是指将标准长钢轨（百米定尺轨）经过工厂或现场焊接形成的长轨道线路，又称为焊接长钢轨线路。无缝线路与普通线路相比，有效消除了普通线路钢轨的接头及病害，延长了铁路线路轨道行车设备使用寿命一级维修周期，显著减少了铁路维护物资、维护劳力，降低了铁路养护维修成本，同时具有改善高速重载行车条件等优点。因此，无缝线路是铁路轨道结构的大变革，其优越性得到了世界各国铁路部门及施工部门的认可，成为铁路线路轨道建设和发展的主要方向1-3。目前无缝线路无论是新建施工还是后期长钢轨大修换轨施工，受施工工艺的影响，都需要将 100 m 标准钢轨在焊轨工厂使用固定式闪光焊接成为长轨条，再用长钢轨列车将焊接好的长轨条运输至施工现场，施工单位根据施工需要优先使用移动式闪光焊或数控气压焊接将长轨条焊接成为单元轨节，然后将单元轨节换铺到线路上。连续 2 个单元轨节之间，又根据线路情况使用不同焊接方式将单元轨节焊接起来，若是普速铁路单元轨节之间施工时一般使用铝热焊进行焊接，高速铁路则优先使用移动式闪光焊或数控气压焊接进行焊接4-6，其长轨条和单元轨条布置情况如图 1所示。在这些焊接方式中，固定式闪光焊接又称为工厂焊接（简称“厂焊”），移动式闪光焊、数控气压焊接、铝热焊统称现场焊接（简称“现场焊”）。然而长轨条和单元轨节之间焊头位置并不是随意焊接的，具有一定限制规定，具体如下：铝热焊头在线路允许速度小于 160 km/h 的线路距离轨枕边缘不应小于 40 mm，在线路允许速度大于 160 km/h 的线路距离轨枕边缘不应小于 100 mm。单元轨节焊头应方正，左右钢轨焊头相错量小于 100 mm，不焊接时应小于40 mm4-6。图 1无缝线路焊轨图在这个施工工艺过程中，无缝线路长钢轨之间连接焊头存在固定式闪光焊头、移动式闪光焊头或数控气压焊头以及铝热焊头，而这几种焊头固定式闪光焊头强度、平直度、断轨率以及后期养护维修成本等均是最佳的，移动式闪光焊头、数控气压焊头次之，铝热焊相对较差。因此，长钢轨焊接应尽可能增加固定式闪光焊头，然后优先选择移动式闪光焊或数控气压焊，同时还应考虑减少整个换轨区段焊头的总数量。除此之外，长轨条增加固定式闪光焊头还可以减少现场施工作业量，尤其是既有线换轨大修施工时天窗较为紧张，减少现场焊接数量极为重要，当然工厂焊接长轨条并不是越长越好，还应考虑长轨列车以及铁路基础设备的运输要求7-9。如何合理设置长轨条的长度，减少长轨条内的焊头总数，同时增加焊接质量最好的固定式闪光焊头数量，这就需要施工技术人员综基金项目云南省教育厅科学研究基金项目（编号：2022J1663）科技与创新Science and Technology&Innovation82023 年 第 19 期合考虑施工各方面的影响因素，以便制定合理的长轨条焊接方案。1影响长轨条长度的因素分析一段线路连续换轨无缝线路，长轨条工厂焊轨方案极多，要尽可能减少长轨条焊头总数，同时考虑增加焊轨工厂固定式闪光焊的占比、减少现场焊接占比。从无缝线路长轨换轨施工工艺流程来看，影响长轨条长度的主要因素有换轨总长度、长钢轨列车运输长度、单元轨节长度（也就是施工单位每次铺设或更换长轨的长度）、长轨条以及单元轨节之间重叠量。1.1换轨总长度确定换轨总长度设置不宜过长或过短。过长造成材料浪费，增加施工成本；过短达不到施工要求，施工结束时须插入短轨进行连接，如此不仅增加施工成本，还增加了换轨总长度的焊头数量，增加了后期的安全隐患。为了准确确定换轨总长度，需要对换轨长度范围内的铁路线路平面和长轨条以及单元轨节之间重叠量进行综合计算。由于铁路线路平面存在直线和曲线，直线地段左右钢轨长度一致，而曲线则造成左右钢轨长度不相等，外股钢轨长于内股钢轨，如此换轨总长度要以左右钢轨中最长的一股作为计算基准，确保左右股钢轨长度足够长，即左右钢轨长度的确定。假设连续换轨地段铁路线路中存在 n 段直线或曲线，其线路中心线长度、半径分别为 li、Ri（i=1，2，n），根据铁路曲线计算公式，存在以下 3 种情况。第一种，若第 i 段线路为直线，此时 Ri=0，则第 i段线路左、右股钢轨长度为：Li左=Li右=li（1）第二种，若第 i 段线路为左转曲线，则第 i 段线路左股钢轨长度为：22210iiiiiilllRllL左（2）而对应的第 i 段线路右股钢轨长度为：22210iiiiiilllRllL右（3）第三种，若第 i 段线路为右转曲线，则第 i 段线路左股钢轨长度为：22210iiiiiilllRllL左（4）而对应的第 i 段线路右股钢轨长度为：22210iiiiiilllRllL右（5）式中：l0为左右钢轨中心距离的数值，若为 60 kg/m、50 kg/m 的钢轨，l0取 1.5 m；li1为第 i 段线路一端缓和曲线长度的数值，单位 m；li2为第 i 段线路另一端缓和曲线长度的数值，单位 m。当不存在缓和曲线时，li1=li2=0。根据式（1）（5），即可求出换轨左、右股钢轨的总长度为：niiniiLLLL11 右右总左左总（6）若是换轨起点或终点落在缓和曲线上，可单独使用曲线任意点长度代入公式进行计算，使得左右股钢轨长度更加准确。缓和曲线任意点左右钢轨的相错量为：iiiilRlll1202任（7）式中：l任i为缓和曲线任意点至曲线起点或终点的距离的数值。根据无缝线路长轨施工工艺现场施工经验来看，将长轨条现场焊接成单元轨条时，不管是移动闪光焊还是数控气压焊，相邻 2 个长轨条预留 50 mm 以内的重叠量，便于焊轨施工作业组织，减少施工作业时间；单元轨条之间连接焊头一般要求方正，从受力及后期养护维修方面考虑，焊头尽量布置在 2 根枕木中间最佳，若是既有线换轨大修施工，还应考虑连续 2 个单元轨节普通接头再切割变为焊头的重叠量，最少需要1 根间距。鉴于上述原因，连续长轨焊接总长度应增加一定的千分比。综上，连续长轨焊接总长度要以左右钢轨中最长的一股作为计算基准，再加上施工过程中需要增加的千分比，计算公式如下：L总=（1+）max（L左总，L右总）（8）根据现场施工经验，若是新建线路铺设无缝线路，千分比取 0.5；若是既有线路铺设无缝线路，千分比取 1。由于单元轨节连接处需要焊头方正对接，因此左右股钢轨长度都应按照最长的长度对应成对焊接，一般为长度成对焊接。1.2长轨列车运输长度影响目前，长钢轨运输主要采用 500 m 长钢轨运输列车和 250 m 长钢轨运输列车。根据铁路管理规定和长钢轨列车运输要求，500 m 长钢轨运输列车可以运输300500 m 长度的钢轨，250 m 长钢轨运输列车可运Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期9输 150250 m 钢轨。运输钢轨的长度不能短于或长于规定标准，以免危及行车安全，造成不必要的经济损失。为了提高运输的效率，减少现场焊头的数量以及焊头总数量，原则上优先选择 500 m 长钢轨运输列车，其他特殊原因不能使用 500 m 长钢轨运输列车，则选用 250 m 长钢轨运输列车进行运输。1.3单元轨节长度无缝线路单元轨节长度指每次铺设或更换长钢轨的长度。单元轨节长度过短，施工效率不高，增加施工成本；单元轨节长度过长，则施工组织难度大，尤其是使用换轨小车换轨时，换轨小车走形困难。另外单元轨条长度过长，单元轨节的纵移量较大，增加撞轨难度，同时胀轨侵限风险极高，危及行车安全。因此一般既有线换轨大修单元轨条长度为 11.5 km、新建线路为 12 km，若非换轨起终点单元轨条一般选择100 m 的整数倍，减少切断百米标准轨而增加焊头的数量，换轨起终点单元轨节可以根据需要调整，但现场焊接长轨条必须在长轨列车运输范围之内。根据无缝线路钢轨施工作业流程，假设第 i 条单元轨节长度为 si，焊接长钢轨最短长度为 s01、最长为 s02，根据施工需求设置单元轨节的数量为 m0。则第 i 条单元轨节所需要长轨条段数为 mi（m 为正整数），每段长度分别为 Si1、Si2、iimS。存在以下关系：0102ssmssiiiimjijiSs1s01Sijs02由式（7）可知第 i 条单元轨节内存在 mi1 个焊头，加上单元轨节之间的连接焊头，则整个连续换轨或铺轨地段的现场总焊头数为：00110111mimiiimmmM）（9）要减少现场连续换轨地段焊头数量，则需要使整个连续换轨或铺轨地段的总焊头数 M 尽可能最小。也就是减少现场焊头数量，增加焊轨工厂固定式闪光焊数量，从而提高整个换轨地段的焊头质量，减少设备安全隐患。同时为了减少对运输的影响，施工需求设置单元轨节的数量为 m0，也应尽可能最小，也就是需要的施工天窗数尽可能最少。根据公式（6）（9）即可求出第 i 条单元轨节所需要长轨条段数 mi以及每段长度分别为 Si1、Si2、iimS。然后根据顺序依次布置，就得到合理的长轨条长度布置。2实例计算以既有线某段普速铁路某区间进行无缝线路连续换轨大修施工为例，在焊轨工厂使用百米定尺轨通过固定式闪光焊焊接成为长轨条，长轨条之间现场焊接采用移动式闪光焊焊接城轨单元轨节，单元轨节之间连接使用铝热焊焊接，施工单位施工能力及条件如下：施工使用 500 m 长轨列车进行运输，即输运钢轨范围为 s01=300 m，s02=500 m，施工单位计划单元轨条长度范围为 11.2 km，连续长轨焊接总长度应增加一定的千分比为 1。2.1计算换轨长度根据 LKJ 铁路平纵断面设计资料和换轨起终点位置，使用式（1）（7），即可算出左右钢轨长度分别为：L左总=10 569.883 m，L右总=10 568.413 m。因 L左总L右总，则连续长轨焊接总长度 L总=（1+1）L左总10 580.452 m。2.2确定单元轨节数量及其长度单元轨条长度范围为 11.2 km，除了换轨起终点，对应轨条原则上单元轨节长度为100 m定尺轨整倍数，如取 1 000 m、1 100 m、1 200 m 等。因长轨列车运输长度为 300500 m，1 000 m 单元轨条现场需要 2 个500 m 长轨条进行焊接，钢轨的段数为 mi=2；1 100 m则需要 2 个 300 m 和 1 个 500 m 或者 2 个 400 m 和1 个 300 m 长轨条进行焊接，钢轨的段数为 mi=3；1 200 m 则要 3 个 400 m 或者 1 个 500 m、1 个 400 m和 1 个 300 m 长轨条进行焊接，钢轨的段数为 mi=3。2.3长轨条长度计算因 L总=10 580.452 m，则单元轨节的数量满足：000 1452.580 10200 1452.580 100m，即 9m011。将 m0和 mi的值代入公式（9），得到整个连续换轨或铺轨地段的现场总焊头数 M 最小为 23 个，此时单元轨节数量为 11 个，单元轨条长度可以为 10 个1 000 m 和 1 个 580.452 m，因 580.452 m500 m 且无法分解为 2 个 300 m 以上的轨条，可以将前面 1 个1 000 m 计入重新分解为 2 条长度相差不大的轨条（也可以根据现场施工组织情况进行分解），即 1 580.452 m配置为 1 个 800 m 和 1 个 780.452 m 的单元轨条。这样就得到了该段铁路的相对合理单元轨节和长轨条布置表（见表 1），若因施工需要，第 111 个轨条之间的位置均可互换。这段无缝线路长轨施工长度中，设置单元轨节11 个、长轨条 22 对，每股钢轨中焊接固定式闪光焊头科技与创新Science and Technology&Innovation102023 年 第 19 期84 个、现场移动式闪光焊头11 个和现场铝热焊头 12 个，其焊接固定式闪光焊头占比 78.5%、现场移动式闪光焊头占比 10.3%、现场铝热焊头占比 11.2%，在满足施工进度的需求下，焊接固定式闪光焊头占比最大化，从而减少了现场焊接焊头数量，总焊头数量也相对最小。表 1长轨条焊接表单元轨条编号单元轨条长度/m长轨条长度/m备注第 1 个800400+400第 210 个1 000500+500第 11 个780.452400+380.4523结论无缝线路是铁路轨道建设和发展的主要方向，为了提高无缝线路的焊接质量，减少施工现场工作量，本文对施工现场换轨总长度、长轨列车运输长度、单元轨节长度、长轨条以及单元轨节之间重叠量等影响因素进行综合研究分析，建立连续换轨长度内焊头设置的优化模型，探讨了无缝线路焊轨工厂焊接长轨条长度的合理性，通过模型求解得到合理的长轨条配轨长度和单元轨节数。最后以既有线某段普速铁路某区间进行无缝线路连续换轨大修施工为例，根据建立的模型进行求解分析，从求解结果可以看出，在满足现场施工单位作业进度的需求下，长轨条焊接方案中焊接固定式闪光焊头占比最大化，从而减少了现场焊接焊头数量，不仅整体提高了无缝线路长度范围内的焊头施工作业质量，而且减少了现场施工作业量，减少了施工对运输的影响，提高了天窗的利用率。参考文献：1郝红涛.关于跨区间无缝线路养护维修的探讨J.新型工业化，2022，12（5）：163-167.2许萍萍.重载铁路换铺无缝线路施工及关键技术分析J.工程建设与设计，2022（9）：182-185.3康小舟.有砟轨道无缝线路铺轨施工技术研究J.建材与装饰，2020（8）：284-285.4中国铁路总公司.TG/GW1022019 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