（机械电子工程专业论文）500米焊接长轨生产系统平移装置实现与实验研究机械部分.pdf

摘要 5 0 0 米焊接长轨生产系统平移装置实现与实验研究 ( 机械部分) 摘要 5 0 0 米钢轨平移设备是沙河焊轨基地国内首条百米定尺5 0 0 米 钢轨焊接生产线的重要设备，国内j l - 尚无可借鉴的成功经验。有别 于传统工程起重机械，设备采用多支点底顶式平移方案。 详细分析了5 0 0 米长钢轨的自然状态，提出多支点平移方案， 有利于提高设备的自动化程度；根据有限元理论，使用a n s y s 计 算了5 0 0 米长钢轨在几个不同跨距下的挠度变形，为支点合理分布 提供了有效的理论依据。 考察常用工程起重机械及冶金行业的专用平移设备后，提出以 目标钢轨为中心的底顶式支点设计方案，具有结构简单、自动化程 度高、占地少、维护维修成本低等特点。 从平移的效率及可靠性、设备的自动化程度、生产安全等角度 出发，将整个平移过程分为寻轨、初顶、顶升、后退( 平移) 、下降 回原点五个步骤。 为进一步提高设备的可靠性，克服土建及其它相关设备给钢轨 平移带来的不利影响，提出充分利用钢轨挠度弥补其它工程误差， 避免了大规模的工程改造，节约大量资金。 近年我国高速铁路迅速发展，对钢轨的要求越来越高。5 0 0 米钢 l 北京化工大学硕士学位论文 轨平移设备的成功研制加速了沙河焊轨基地的改造速度，也为其它 兄弟单位的改造工程提供了可借鉴的设计经验。 关键词：5 0 0 米钢轨；平移设备；多支点底顶式；挠度利用 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft r a n s i t e q u i p m e n tf o r5 0 0 m w e l d e dr a i lp r o d u c t i v es y s t e m ( m e c h a n i c a ld e s i g n ) a b s t r a c t 5 0 0 mr a i lt r a n s i te q u i p m e n ti sav e r yi m p o r t a n tf o rs h a h ew e l d e d r a i lb a s e m e n t ，w h i c hb u i l tt h ef i r s tp r o d u c t i v el i n ew e l d e d10 0 mr a i li n t o 5 0 0 m ，t h e r ei sn os u c c e s s f u le x p e r i e n c ea r o u n dw o r l d c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a l e n g i n e e r i n gc r a n e s ，m u l t i - p i v o t s a n dl i f t f r o m - b o t t o m s o l u t i o nw a sa d o p t e d t h en a t u r es t a t e m e n to f5 0 0 mr a i lw a sa n a l y z e di n d e t a i l s ， m u l t i - p i v o t ss o l u t i o nw a se m e r g e d t h i ss o l u t i o ni sv e r yh e l p f u lf o r i m p r o v i n gt h ee q u i p m e n t sa u t o m a t i o nl e v e l c o m p a r e dw i t he n g i n e e r i n gc r a n e sa n dt r a n s i te q u i p m e n ti n m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , l i f t f r o m - b o t t o md e s i g nw h i c ht a k e st h er a i la s p o s i t i o n i n gt a r g e tw a ss u g g e s t e d i th a sm a n ym e r i t s ，s u c ha ss i m p l e c o n s t r u c t i o n ，h i g h e ra u t o m a t i o nl e v e l ，l e s sl a n do c c u p a t i o na n dl o wc o s t o fm a i n t e n a n c ea n d r e p a i r i n g c o n s i d e r i n gt h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft r a n s i t ，a u t o m a t i o n l e v e la n dp r o c e s ss a f e t y , t h et r a n s i tp r o c e s si sd i v i d e di n t of i v es e c t i o n ： s e a r c h i n g ，f i r s t l i f t ，l i f t ，t r a n s i t ，g o - b a c k i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h er a i ld e f l e c t i o ni su s e dt or e m e d yo t h e re n g i n e e r i n ge r r o r , s o r e l i a b i l i t yo fe q u i p m e n tg e ti m p r o v e d ，u n b e n e f i c i a le f f e c t sf r o mc i v i l w o r ka n do t h e rd e v i c ei so v e r c a m e m e a n w h i l e ，b yt h i ss o l u t i o n ， l a r g e - s c a l ee n g i n e e r i n gr e c o n s t r u c t i o ni sa v o i d e d ，l a r g ef u n d s w a ss a v e d p r e s e n t l yc h i n e s eh i g h s p e e dr a i lg e t av e r yf a s td e v e l o p m e n t ， r e q u i r e m e n t s f o rr a i la r em o r ea n dm o r es t r i c t t h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t o f5 0 0 mr a i lt r a n s i t e q u i p m e n t a c c e l e r a t e st h e r e c o n s t r u c t i o no fs h a h ew e l dr a i lb a s e m e n t ，i ta l s op r o v i d e st h e e x p e r i e n c eo f r e f e r e n c et oo t h e rb a s e m e n t s k e yw o r d s ：5 0 0 mr a i l ；r a i lt r a n s i te q u i p m e n t ；m u l t i - p i v o t sa n d l i f t f r o m b o t t o ms o l u t i o n ；d e f l e c t i o nu t i l i z a t i o n i v 符号说明 符号说明 法国高速铁路 国际铁路联盟钢轨验收技术规范 欧洲标准 铁路用热轧钢轨中华人民共和国标准 挠度，m m 均布载荷，k n m 弹性模量，g p a 惯性矩，c n l 4 长度，m 力，n 速度，m m 8 转速，r m i n 减速比 丝杆螺距，r a i n 电机输出功率，w 电机额定功率，w 减速器与丝杠螺母传动效率 安全裕度 州 一 烈 一 w g e ， ， ， v n ； 。 p n 玎c 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：兰盎翅监日期：槛巡 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 t ，1 作者签名：绑唑 导师潞一 e t 期：竺竺t 箩 日期：技 叟：数 第一章前言 1 1 高速铁路的意义 第一章前言 1 9 6 4 年日本建成东海道高速铁路新干线，一举解决了包括东京等大城市在 内的经济最发达地区的陆上运输问题，经济和社会效益举世瞩目。之后，法、 德、日等国又在高速技术上取得了新的突破，迄今世界上最高时速在2 0 0 公里 以上的高速铁路总长度已超过1 万公里，欧洲、亚洲、美洲等一些国家和地区 继续在主要运输通道上建设高速铁路网。高速铁路何以受到人们如此青睐? 因为 它比之汽车和民航等运输方式，输送能力大，安全可靠，在一定的旅行距离内 可节省时间，旅行舒适度高，较少受气候变化的影响，又具有节省石油和土地 资源，保护生态环境，摆脱交通堵塞等优势，是解决大通道上大量旅客快速输 送问题的最有效途径，已成为世界各国铁路的普遍发展趋势。高速铁路是高新 技术在铁路上的集中反映，它使交通运输结构发生了新的重大变化，是当代经 济、社会、科技、交通发展的必然产物，是世界“交通革命”的一个重要标志。 高速铁路具有的一系列技术经济优势得到了世界各国的高度评价，主要表现在 以下几方面。 ( 一) 输送能力大 输送能力大是高速铁路的主要技术优势之一。目前各国高速铁路几乎都能 满足最小行车间隔4 分钟及其以下( 日本可达3 分钟) 的要求。日本东海道新干 线高峰期发车间隔为3 分半，平均每小时发车达11 列，在东京与新大阪间的两 个半小时的运行路程中，开行“希望”号1 列、只停大站的“光”号7 列以及各站 都停的“回声”号3 列，每天通过的列车达2 8 3 列，每列车可载客1 2 0 0 1 3 0 0 人， 年均输送旅客达1 2 亿人次，待品川站建成后，东京站每小时可发车1 5 列。东 海道新干线目前每天旅客发送人数是开通之初的6 倍多，最高达：至u3 7 万人i tf 在 1 9 9 1 年) 【l 】。其他国家由于铁路客运量比日本要少，高速铁路日行车量一般在1 0 0 对以内。 ( 二) 速度快 速度是高速铁路技术水平的最主要标志，各国都在不断提高列车的运行速 度。法国、日本、德国、西班牙和意大利高速列车的最高运行时速分别达到了 3 0 0 公里、3 0 0 公里、2 8 0 公里、2 7 0 公里和2 5 0 公里。如果作进一步改善，运 行时速可以达到3 5 0 4 0 0 公里。除最高运行速度外，旅客更关心的是旅行时间， 而旅行时间是由旅行速度决定的。日本、法国、德国、西班牙和意大利个别高 北京化工大学硕士学位论文 速列车在有的区段上的旅行速度分别达到了每小时2 4 2 5 公里、2 4 5 6 公里、1 9 2 4 公里、2 1 7 9 公里和1 6 3 7 公里。由于速度高，可以大大缩短全程旅行时间。以 北京至上海为例，在正常天气情况下，乘飞机的旅行全程时间( 含市区至机场、 候检等全部时间) 为5 小时左右，如果乘高速铁路的直达列车，全程旅行时间则 为5 6 小时，与飞机相当；如果乘既有铁路列车，则需要1 5 - 1 6 小时；若与 高速公路比较，以上海到南京为例，沪宁高速公路2 7 4 公里，汽车平均时速8 3 公里，行车时间为3 3 小时，加上进出沪、宁两市区一般需1 7 小时，旅行全程 时间为5 小时，而乘高速列车，则仅需1 1 5 小时【2 】。 ( 三) 安全性好 高速铁路由于在全封闭环境中自动化运行，又有一系列完善的安全保障系 统，所以其安全程度是任何交通工具无法比拟的。高速铁路问世3 5 年以来，日、 德、法三国共运送了5 0 亿人次旅客，除德国去年6 月3 日的事故( i c e 高速列 车行驶在改建线上发生事故) 外，各国高速铁路都未发生过重大行车事故，也没 有因事故而引起人员伤亡。这是各种现代交通运输方式所罕见的。几个主要高 速铁路国家，一天要发出上千对的高速列车，即使计入德国发生的事故，其事 故率及人员伤亡率也远远低于其他现代交通运输方式。因此，高速铁路被认为 是最安全的。与此成对比的是，据统计，全世界由于公路交通伤亡事故每年约 死亡2 5 万 - - 3 0 万人；1 9 9 4 年全球民用航空交通中有4 7 架飞机坠毁，1 3 8 5 人 丧生，死亡人数比前一年增加2 5 ，比过去l o 年的平均数高出2 0 。每1 0 亿 人公里的平均死亡数高达1 4 0 人。 ( 四) 受气候变化影响小，正点率高 高速铁路全部采用自动化控制，可以全天候运营，除非发生地震。据日本新 干线风速限制的规范，若装设挡风墙，即使在大风情况下，高速列车也只要减 速行驶，比如风速达到每秒2 5 - 3 0 米，列车限速在1 6 0 公里d , 时；风速达到 每秒3 0 3 5 米( 类似1 1 、1 2 级大风) ，列车限速在7 0 公里小时，而无须停运。 飞机机场和高速公路等，在浓雾、暴雨和冰雪等恶劣天气情况下，则必须关闭 停运。 正点率高也是高速铁路深受旅客欢迎的原因之一。所有旅客都希望正点抵 达目的地，只有列车始发、运行和终到正点，旅客才能有效安排自己的时间。 由于高速铁路系统设备的可靠性和较高的运输组织水平，可以做到旅客列车极 高的正点率。西班牙规定高速列车晚点超过5 分钟就要退还旅客的全额车票费； 日本规定到发超过1 分钟就算晚点，晚点超过2 小时的就要退还旅客的加快费， 1 9 9 7 年东海道新干线列车平均晚点只有o 3 分钟。高速列车极高的准时性深得 旅客信赖【3 1 。 2 第一章前言 ( 五) 舒适、方便 高速铁路一般每4 分钟发出一列车，日本在旅客高峰时每3 分半钟发出一 列客车，旅客基本上可以做到随到随走，不需要候车。为方便旅客乘车，高速 列车运行规律化，站台按车次固定化等。这是其他任何一种交通工具无法比拟 的。高速铁路列车车内布置非常豪华，工作、生活设施齐全，座席宽敞舒适， 走行性能好，运行非常平稳。减震、隔音，车内很安静【4 】。乘坐高速列车旅行 几乎无不便之感，无异于愉快的享受。 ( 六) 能源消耗低 如果以“人公里”单位能耗来进行比较的话。高速铁路为l ，则小轿车为5 ， 大客车为2 ，飞机为7 。 高速列车利用电力牵引，不消耗宝贵的石油等液体燃料，可利用多种形式 的能源【5 1 。 ( 七) 环境影响轻 当今，发达国家对新一代交通工具选择的着眼点是对环境影响小。高速铁 路符合这种要求，明显优于汽车和飞机。 对环境污染小。各种交输方式每人公里对环境的污染水平如下表所示： 表1 - 1 交输方式每人公里对环境的污染水平f 6 】 t a b l e1 - 1e n v i r o m e n t a ld e g r a d a t i o no fd i f f e r e n tt r a n s p o r t a t i o nm o d e p e rp e r s o na n dk i l o m e t e r c o n o x h c c 0 2 s 0 2 p m 从上表中可以看出，铁路( 包括高速铁路) 对环境的污染水平远远低于公路和航 空。 根据国际铁盟对1 9 9 1 年欧洲1 7 个国家用于交通对环境影响所花费的费用 统计资料表明，航空、汽车、火车等不同形式运输工具，除本身的能源、材料 消耗外，为环境保护和交通事故所花费的额外的社会运输成本为2 7 2 4 亿欧洲货 币单位( e c u ) ，相当于这些国家当年国内生产总产值的4 6 。对各种运输模式 治理环境污染所花费的费用( 亿e c u ) 及比例如下表： 懈 蝴 呲 叫 嚣 耋| l 仝 1 o 4 5 l 碰 5 2 4 d d 舟 o o o l 0 o 潞 舶 苈 加 n m m 圣 1 o o 1 o o 北京化工大学硕士学位论文 表1 2 运输模式治理环境污染所花费的费用( 亿e c u ) 及比例6 1 t a b l e l 一2t h ec o s ta n dp r o p o r t i o nf o re n v i r o n m e n tp o l l u t i o nt r e a t m e n ti nd i f f e r e n tt r a n s p o r t a t i o n m o d e 费用( 亿e c u ) 比例 汽车 航空 高速铁路 1 9 4 2 1 2 42 8 9 2 6 1 7 土地利用率高。在相同运量条件下一条高速铁路相当于一条6 车道高速公 路，其土地利用率比公路高4 0 。从巴黎到里昂高速铁路的占地( 4 2 0 公顷) 小 于巴黎戴高乐机场的占地面积。 ( 八) 经济效益好 高速铁路投入运行以来，倍受旅客青睐，其经济效益也十分可观。日本东 海道新干线开通后仅7 年就收回了全部建设资金，自1 9 8 5 年以后，每年纯利润 达2 0 0 0 亿日元。德国i c e 城市间高速列车每年纯利润达l o 7 亿马克。法国t g v 年纯利润达1 9 “亿法郎【。丌。 此外，高速铁路的社会效益也十分显著。实践证明，高速铁路的技术经 济优势使其在一定距离范围内成为一种更为经济、有效的运输方式。在全球范 围内，必将有更多的国家修建高速铁路，这是解决交通运输所面临的一系列问 题的有效途径。 1 2 高速铁路对钢轨提出要求 为满足列车高速运行平稳和安全的需要，日本、法国、德国、西班牙受意 大利等国的高速铁路均使用6 0 k g m 钢轨，其中、法、德、西、意等欧洲国家 采用u i c 6 0 断面，日本高速铁路初期采用j i s s o 断面，后来于7 0 年代始用j i s 6 0 断面。 在钢种方面，日本高速铁路主要采用j i s e l1 0 1 标准规定的普通碳素轨， 法、德、西、意等欧洲国家主要采用u i c 8 6 0 标准规定的u i c 9 0 0 a 钢轨、其化 学成分和力学性能如表1 3 所示： 4 第一章前言 表l - 3 钢轨的化学成分和力学性能嘲 t a b l e l - 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f r a i l o b p a 钢种及标准c s l m n s p 6 i ( ) ) u i c 9 0 0 a0 6 0 -0 1 肛 o 8 0 0 0 3 50 0 3 58 8 0l o u i c 8 6 00 8 00 5 01 3 0 0 6 3 0 1 5 o 7 0 j i s e l l 0 10 0 2 50 0 3 08 0 0l o 0 7 50 3 01 1 0 u 7 1 m n0 6 5 0 1 5 1 1 啦 0 0 4 00 0 4 08 8 38 g b 2 5 8 50 7 7o 3 51 5 0 注：国外钢轨标准与钢轨实际水平并非同一概念，前者的范围远大于内控指标和实际水平。 在钢轨质量方面，法国和西班牙高速铁路除要求钢轨的技术条件符合u i c 8 6 0 标 准的规定外，对其纯净度和平直度等内部质量和外观质量还提出了附加要求，而 这些附加要求已正式列入了结合高速铁路发展新近制订并即将在欧共体国家统 一执行的e n 钢轨标准中，如表1 4 1 7 所示。 表l - 4 钢轨的纯净度9 1 t a b l e1 - 4p u r i t yo f r a i l 项目t g vj i s e l l 0 1u i c 8 6 0e ng b 2 5 8 5 p 0 0 3 50 0 3 00 0 4 00 0 3 00 0 4 0 s 0 0 3 0 0 0 2 50 0 4 00 0 3 0 0 0 4 0 灿0 0 4 0 0 0 4 0 瞰】 2 5 1 0 石 o 】 2 0 1 0 击 氧化铝 一 b l ( a s t m e 8 5 ) k 3 1 0 硅酸盐 一 c l ( a s t m e 8 5 )( d i n 5 0 6 0 2 ) 表1 - 5 钢轨的表面质量( m m ) 【1 0 1 t a b l e1 - 5s u r f a c eq u a l i t yo fr a i l 项目 t g vj i s e l1 0 1u i c 8 6 0e ng b 2 5 8 5 热伤 o 3 50 4 00 3 51 0 冷伤 0 3 00 4 00 3 00 5 5 北京化工大学硕士学位论文 表1 _ 6 主要尺寸公差( 加m ) 【l 伽 t a b l el _ 6i m p o r t a n td i m e n s i o nt o l e r a n c e ( 删n ) 项目t g vj i s e l l 0 1u i c 8 6 0 e n g b 2 5 8 5 + 1 o+ 0 8 轨高 0 50 6o 5 0 50 5 + o 8 头宽o 5o 50 5o 5 o 5 + 1 o 底宽1 o0 81 01 0 - 2 0 底凹0 3 0 40 30 5 表1 7 平直度公差( m m ) 1 0 】 t a b l e1 - 7s t r a i g h t n e s s ( r a m ) 项目 t g vj i s e l l 0 1u i c 8 6 0e ng b 2 5 8 5 0 4 2 m 乖盲卜 o 4 2 m0 7 1 5 m0 7 1 5 m0 8 l m 0 3 l m 轨 垂直下 o 2 2 m00e 0 20 2 l m 端 o 6 2 m 水平0 5 _ 2 m0 5 1 5 mo 7 1 5 m 0 8 i r a o 4 l m 0 3 3 m0 3 ，3 m 本 垂直 0 2 l m0 2 l m 体 水平0 4 5 1 5 m0 4 5 1 5 m 小垂直 0 3 2 m 腰水平0 6 2 m 全上下弯51 0 1 0 m50 5 长侧弯r 1 0 0 0 m1 0 1 0 mr 1 5 0 0 m0 5 o 为保证轨道平顺性，国外高速铁路均采用长定尺钢轨并焊成超长无缝线路。 目前，法、德、西等欧洲国家的钢轨长度为3 6 m 和6 0 m ，厂焊( 接触焊) 轨条长度 2 2 8 m ( 德国为1 8 0 m ) ，现场采用铝热焊，接头的几何精度见表1 - 8 ，日本钢轨长度 为2 5 m 和5 0 m ，厂焊( 接触焊或固定式气压焊) 轨条长2 5 0 m 或5 0 0 m ，现场采用移动 式气压焊或强迫成型电弧焊。 6 第一章前言 表1 8 焊接接头尺寸公差1 1 】 t a b l e1 - 8d i m e n s i o nt o l e r a n c eo f w e l dj o i n t t g vt b 厂r 1 6 3 2 项目铝热焊 接触焊 铝热焊 接触焊 ( 接触式气压焊) + 0 2+ o 2+ o 3+ o 5 顶面l ml ml ml m - 0- 0加0 + o 2 + o 3 内侧工作面 l m 0 3 l ml m0 5 l m o- 0 综上所述，高速铁路钢轨区别于普通铁路或重载铁路的主要特点是对其内部 质量和外观质量尤其是纯净度和平直度的严格要求。 1 3 钢轨的焊接 钢轨接头是铁路轨道结构的薄弱环节之一，线路的钢轨接头不仅对线路设 备、机车和车辆的使用寿命、旅客的舒适度、能源的消耗等有一定的不良影响， 而且还直接威胁着铁路行车安全。为彻底解决钢轨接头的稳固与平顺，世界各国 铁路竞相发展无缝线路，目前已累计铺设3 0 多万k m 。无缝线路既是铁路轨道结 构技术进步的重要标志，也是高速铁路轨道结构的最优选择，它以无可争议的优 越性为各国铁路所承认。世界各国在解决高速铁路跨区间无缝线路钢轨焊接问题 中，根据本国国情，创造了许多世界一流的新技术、新工艺、新设备、新材料。 钢轨的搬运、铺设和焊接是铺设无缝线路的三大技术难题 1 2 - 1 5 】。钢轨长度受 制于制造、运输、铺设和养护方面的技术，目前各国一般采用分步焊接钢轨的办 法，即先在铁路沿线设立地点适中的焊接工厂，将制造厂运来的标准轨在工厂焊 接成适合工地近距离运输和铺设机械能够负担的长钢轨，然后再进行工地焊接， 连成跨区间无缝线路。 高速铁路钢轨焊接的主要方法有接触焊、气压焊、铝热焊、电弧焊。一般情 况下，焊接工厂使用接触焊方法，将3 0 m 以下的新钢轨焊连成1 8 0 - - - 3 0 0 m 的长 钢轨，然后在铺设现场用铝热焊、气压焊或电弧焊将长钢轨焊成9 0 0 - - 一1 5 0 0 m 的 单元轨，对跨区间无缝线路铺设后需进行三次焊接，即采用铝热焊、移动式接触 焊等方法将单元轨( 包括道岔) 焊逆1 6 卅9 1 。在这几种焊接方法中，焊接原理和使用 的侧重点不同： ( 1 ) 接触焊。利用电流通过电阻时所产生的热量熔接焊件，再经顶锻以完成焊接 ( 如图1 1 所示) 。接触焊的焊接速度快，焊接质量稳定，但其设备较复杂，焊 7 北京化工大学硕士学位论文 机一次性投资大，所需电源功率大，目前工厂内焊接主要采用这种方法。 ( 2 ) 气压焊。利用气体燃料产生的热能将轨端加热到熔化状态或塑性状态，再加 一定的顶锻压力，把施焊的金属构件的焊接端焊连( 如图1 3 2 所示) 。气压焊 的一次性投资小，无需大功率电源，焊接时间短，焊接质量好，现场多用， 缺点是焊接时对接头断面的处理要求十分严格，并且在焊接时需要钢轨有一 定的纵向移动，因此对超长钢轨的焊接有一定难度，特别是无法进行跨区间 无缝线路的线上焊接。 顶锻力 图1 1 1 接触焊原理 f i g1 - 1 - 1t h ep r i n c i p l eo fc o n t a c tw e l d i n g 顶锻力 加热嚣 加蕊嚣摇抒 蝴能 、| l q a 一么黼 l 针h 。r 1n曰 一 l 压摆帆、r 1 爿 v l - 羚陛一 l 图1 1 - 2 气压焊原理 f i g1 - 1 - 2t h ep r i n c i p l eo f a i rp r e s s u r ew e l d i n g ( 3 ) 铝热焊。用重金属氧化物和铝的混合物为焊剂，铝热剂放人坩锅燃着后剧烈 放热，将钢轨预热，坩锅内融化的钢水流人砂模中，从而实现钢轨的焊接。 铝热焊设备简单、操作方便，但性能较差，必须加强现场的试验检查。 ( 4 ) 电弧焊。现场用于维修工作，焊接金属能达到母材的机械性能，硬度和耐磨 强度有时甚至超过钢轨质量。钢轨电弧焊在国外已有较长的发展历史，但在 我国尚处起步阶段。 钢轨焊接是铺设无缝线路的重要环节，其几何外形尺寸的平顺和内部质量， 是保证无缝线路正常运营的关键。实践证明，若钢轨焊接质量不良，将使线路维 修工作后患无穷，严重者会危及行车安全。现将我国有关高速铁路钢轨焊接标准 介绍如下。 1 一般规定 ( 1 ) 钢轨焊接可采用接触焊、气压焊、铝热焊等方法，宜优先采用接触焊。 ( 2 ) 在正式焊接前必须按高速铁路钢轨焊接接头技术条件及相关规定通过焊 头型式检验，并确定相应的焊接工艺参数。 ( 3 ) 在气温低于0c 进行工地焊接时，应采取保温措施。 ( 4 ) 焊接完成后应检查焊好的接头，并打上焊接标记，填写焊接记录报告。 2 主控项目 第一章前言 ( 1 ) 钢轨焊接接头的型式检验应由铁道部指定权威机构进行，并符合高速铁路 钢轨焊接接头技术条件的有关规定。 ( 2 ) 应按高速铁路钢轨焊接接头技术条件的规定进行周期性生产检验。 ( 3 ) 钢轨焊头必须进行探伤检查。焊接接头应在焊后焊缝冷却到5 0 以下之后进 行探伤。焊头不得有未焊透、过烧、裂纹、气孔夹渣等缺陷。 ( 4 ) 钢轨胶接绝缘接头焊接前应测定电绝缘性能，并应符合相关技术条件的规定。 ( 5 ) 工地钢轨焊接应符合长钢轨布置图，其加焊轨长度不得小于1 2 5 m 。 ( 6 ) 焊缝及两侧各1 0 0 m m 范围内不得有明显压痕、碰痕、划伤等缺陷，焊头不得 有电击伤。 ( 7 ) 钢轨焊接接头的平直度偏差控制标准：采用接触焊时，轨顶面为( 0 ，+ o 2 ) m m m ；轨头内侧工作面为( o ，+ o z ) m m m ；轨底为( o + o 5 ) r a m m 。采 用气压焊、铝热焊时，轨顶面为( 0 ，+ 0 2 ) r a m 1 1 1 ；轨头内侧工作面为0 3 m m m ；轨底为( o + o 5 ) r a m m 。 1 4 沙河焊轨基地生产线改造 1 4 1 焊轨基地简介 北京铁路局沙河焊轨基地( 以下简称沙河焊轨基地) 隶属于北京工务机械 段，始建于1 9 6 4 年，是我国第一个从事无缝线路长轨条焊接生产的厂家。是北 京铁路局从事无缝线路长轨条焊接生产的专业基地，也是唯一生产5 0 0 m 焊接 长轨条的基地。主要产品为6 0 k g m 及7 5 k g m 级5 0 0 m 焊接长轨条和5 0 0 m 全 长淬火长轨条。经过多年来的发展，目前沙河焊轨基地的生产规模和产量已经 居国内之首，生产技术装备在国内处于领先水平。 沙河焊轨基地新厂厂区占地面积2 8 1 亩，东西长度为1 6 2 0 m ，南北宽度为 1 1 0 米。新厂采用纵列式工序布局，有两条5 0 0 m 长轨条焊接生产线和一条5 0 0 m 全长淬火生产线，以2 5 m 定尺钢轨为原材料时，设计年焊接5 0 0 m 长轨条生产 能力为8 0 0 k m 。 5 0 0 m 长轨条焊接生产线分为卸车存放、焊前、焊接、焊后热加工、焊后冷 加工、长轨条存放等六个作业区，2 0 个工位，2 3 道工序，流水作业线总长l1 4 8 m 。 具有存贮2 5 m 标准轨货位2 1 个，可存放钢轨2 0 0 k m 以上；具有存贮5 0 0 m 长 轨条成品的货位3 个，可存放长轨条7 5 k m 。曾对5 0 k g m 、6 0 k g m 、7 5 k g m 规 格的u 7 1 m n 、u 7 4 、u 7 8 、u 7 5 v 、p d 2 、日本轨( n h h 、d h h ) 和u 7 5 n b r e ( 稀土轨) 等钢种的钢轨进行过焊接生产。 沙河焊轨基地生产设备先进，其中主要专用设备有： 9 北京化i 大学硬学位论文 瑞士s c h l a t t e r 公司的g a a s 8 0 5 $ 0 钢轨闪光对焊机2 台。 法国g e i s m a r 公司生产的m a s 1 5 0 钢轨焊缝辅磨机2 台。 p h m r l 2 5 0 1 2 0 - - 1 5 钢轨矫直机2 台等。 国产3 2 t 门式起重机3 台。 d h r 3 5 0 钢轨焊前调直机2 台。 钢轨焊缝调直机2 台。 自行研制的d z l _ 1 型钢轨焊缝热处理设备2 台。 超声波探伤机2 台。 5 0 0 m 长轨条桥吊组l 套。 现有设备总资产为： 沙河焊轨基地现有职工4 1 2 人，其中工程技术人员7 2 人，生产一线专业技 术工人2 5 7 人，技术力量雄厚。 2 0 0 0 年以来，沙河焊轨基地的5 0 0 m 长轨条实际年产量都在8 0 0 1 0 0 0 k m 之间，年产值达到5 6 亿元人民币。截至2 0 0 6 年，沙河焊轨基地景计焊接钢 轨接头约4 16 万个，折合无缝线路5 5 5 7 公里。 14 25 m 焊接长轨条生产线改造总体工艺盈布局 5 0 0 m 焊接长轨条生产线改造工作是在原有2 5 m 定尺5 0 0 m 长轨条生产线基 础上进行，原有的2 5 m 定尺5 0 0 m 长轨条生产线的主要工艺流程如下： 卸乍打艘 钢轨选配= _ 矗州“睬锈_ 墓翟l l l 嚣_ 强制风冷l 中频加热 埠后矫直_ 一 长轨条存放装车 i 【 。曦戳- ， 平直度检验 ， 圈i - 2 北京局沙河焊轨基地2 5 m 定尺5 0 0 m 睦轨条生产_ 艺流程示意图 f 地1 0s c h e m a d c o f s h a h e w e w m gr a i l b a s e m et | t t s p r o c e s s p r o d u c i l i g5 0 0 m l o n g f a i l b y 2 5 mr a l l 在原有2 5 m 定尺5 0 0 m 长轨条生产中，熟处理工艺采用的是强制风冷和水 第一章肯育 挣，钢轨焊缝组织分布不匀，在使用过程中应力释放而导致的变形较大产品 状态不易控制，难以满足客运专线建设对无缝线路钢轨的要求。 这次改造计划采用更为先进的自然冷却酵效工艺，时效处理时间为2 4 小 时，虽然工艺过程时问比强制风冷要长，但是由于冷却速度减缓，焊缝质量趋 于均匀稳定，并且经过一定时间的时效处理后，焊接应力得到比较充分的释放 加工完长轨条成品的变形量小，对提高产品质量有利。改造后1 0 0 m 定尺5 0 ( h n 焊接长轨条的主要工艺流程计划如下： 卸 二存放 钢轨选配卜_ _ r 雠存 放自自然冷却1 _ _ 叠j 圆 犀磷衙嘲参_ 蜉后艚 平直度检验 圈1 4 北京局沙河焊轨基地1 0 0 m 定尺5 0 0 m 长孰条生产工艺流程示意圈 t 睡1 - 3 s c h e m a t i c o f s l u t h e w e l d e d r a i l b a s e m e n t s p f o c p r o c h m m g5 0 0 m l o n g 埘】b v 1 0 0 m r a i l 原有2 5 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线是采用流水线生产布局，即对焊与 热处理和后处理等工位呈直线布置，从流水生产线的一端上料，而从流水生产 线的另一端出产品，其布局如下所示： - q m m m m m m 罾1 4 北京局沙河焊轨基地2 5 m 定尺5 t o m 焊接长轨条生产线雍局示意 f 蜒1 - 4 a r f 柚g e m c o f p r o d u c d v e l l n e w e c l i n 9 2 5 mr a i l i n t o5 c o m i ns h a h e w e l d e dr a i l b a s e m 朗t 原有2 5 m 定尺5 0 0 m 焊接长孰条生产线利用龙门吊上料为了提高生产效 率采用职焊接工位并行生产作业。在生产过程中，被焊接的长轨条由生产线 的纵向平移机构带动，每个生产节拍中向前移动2 5 m ，依次通过各道工序，成 品焊接长轨条由原的有5 0 0 m 桥吊取下生产线整条生产线长度为8 0 5 m 。 在改造后的生产过程中，必须采用可吊取1 0 0 m 原料轨的四桥龙门吊上料， ，被焊接的长轨条在每个生产节拍中将向前移动1 0 0 m ，依次通过各道工序。 北京化工大学硕士学位论文 由于采用了自然时效处理方式，对焊推凸和粗磨后的焊接长轨条必须被取 下生产线，存放在临时存轨台上失效处理，等待2 4 小时后再回到生产线上进行 后续处理。 、 在最初的1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线改造设计中，仍然计划采用直 线流水作业的生产布局，其中用四桥龙门吊上料，采用双焊接工位并行生产作 业。对焊推凸和粗磨后的焊接长轨条由5 0 0 m 桥吊取下生产线，存放在5 0 0 m 存 轨台上失效处理，等待2 4 小时后用5 0 0 m 桥吊上生产线上进行后续处理。后续 处理完的成品焊接长轨条由5 0 0 m 桥吊取下生产线，存放在成品贮存区或装车。 最初的1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线改造设计被称为第一方案，简称 “方案一”，其布局计划如下图所示： 蘩；| | | 黪舞i 6 h d 盏柱鞔镖；嘲瞪|i 一 | | | | | l 驯嗍删| |l 厂房 陵覆强瀛聚莉祥磺 - _ - - i i l l i l l i i i i l i i i i i - i i i i i i i i i i i i i i i i l l i i i i i i i m - i i l i i i l l l i i h l l l i i l ig ；i i i i i i i i i i i i i 隘w i l l il l i t l t l l l l| | | | | l l l一lj 1 r 后处理工位焊接t 位l 图1 5 北京局沙河焊轨基地1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线布局方案一示意图 飚1 - 5 p l a n1f o ra r r a n g e m e n to f p r o d u c t i v el i n ew e l d i n g1 0 0 mr a i li n t o5 0 0 mi ns h a h ew e l d e d r a i lb a s e m e n t 当原料为l o o m 钢轨时，1 0 0 m 四桥吊的纵向工作长度为2 0 0 m 以上，对焊 推凸和粗磨生产线的最少长度为8 0 0 m ，而时效处理后进行后处理生产线的最少 长度为1 2 0 0 m ，整条生产线长度将超过2 2 0 0 m ，这显然已经超出沙河焊接长轨 条基地目前新厂区的容纳能力。 为了实施这个计划，北京局领导已经与地方政府和相关部门协调，准备征 用沙河焊接长条轨基地邻边土地，扩大沙河焊接长轨条基地的面积，但是需要 一定的时间和大量的工作。 同时经过反复研究和论证发现，为了提高焊接长轨条的焊缝质量，在改造 工艺中已经使用自然时效处理来替代原有的风冷和水冷工艺，自然时效处理工 序需要时间2 4 小时以上，实际上是生产流程中的一个缓冲过程。 既然生产流程中有这样一个缓冲过程，就没有必要继续延续原有的2 5 m 定 尺5 0 0 m 焊接长轨条直线流水作业方式，可以从这个缓冲点把改造生产线分成 两条生产线，采用并行布局方式，有望缩短生产线的长度，充分利用沙河焊接 长条轨基地的现有厂区面积，在达到1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线改造目 的基础上，避免因为扩大厂区面积征地所带来的时间影响，加快改造工程的进 度。 采用并行布局方式的1 0 0 m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线改造设计被称为第 1 2 第一章前言 二方案，简称“方案二 ， 其布局计划如下图所示： ，l 么勉洲ll ij i t l l t l l l l t ，ll l l i l i t i f t t i i t i l铁路专用线 。诒jl i 5 0 0 m 存轨台 ji l _ e ，1 霪 撇黼：，l 厂房 焊接工位 f 平移2 ； t t tr -1 1。图。i 戳黼灌：鼙崩醭嘲擀辩l 豳| l 一“i l i l l i t l 平移： ： i 。t1ri ii i i_ll i ：1i il i磐等p ”睡黝蟹“”。_ 、 k i li i i【i + i ii-51 ii i i i 【ii ii l - i l i - i l t l l i l l l l l i l i i g j 磁薯l t l l l t t l t l t i l i u m |i il l li t i l l l i i lt i ll i tl i ll l i i l l l i i i i 图l _ 6 北京局沙河焊轨基地l o o m 定尺5 0 0 m 焊接长轨条生产线布局方案二示意图 f 魄1 - 6p l a n2f o ra r r a n g e m e n to f p r o d u c t i v el i n ew e l d i n g1 0 0 mr a i li n t o5 0 0 mi ns h a h ew e l d e h r a i lb a s e m e n t 在“方案二刀中，仍采用1 0 0 m 四桥吊上料到生产线，对焊推凸和粗磨后 的长轨条沿纵向平移1 线进入5 0 0 m 桥吊下，由5 0 0 m 桥吊取下放在5 0 0 m 存轨 台上进行自然冷却时效处理，纵向平移1 线设计长度为