（材料加工工程专业论文）青藏铁路工地焊轨装备研究与方案设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘 我国铁路跨越式发展，客运专线、既有线提速线路的区间尤其是跨 区间无缝线路里程增多，工地焊轨作业量增大，现场焊轨自然环境和工况 条件复杂，质量控制困难。因此，系统开展适应我国国情的工地焊轨技术 和装备的研究具有重要意义。 本文根据建设一流的青藏铁路无缝线路工程要求，研究了在高原、缺 氧、大坡道条件下，采用先进闪光焊轨机和我国最新研制成功的数控式小 型气压焊轨机，进行工地焊轨，对比分析了焊轨品质与效率，发现目前现 有的焊轨装备在结构、功能与性能等方面还存在诸多不足，如焊轨机夹轨 焊接工作方式和现场移动劳动强度大，效率较低；集拉伸、焊接、保压推 凸、保压正火为一体的多种功能不全；i 作边或轨腰对中选择功能不全： 焊轨机刚度、拉轨行程、拉伸顶锻力、锁定提高轨温范围等性能不足；焊 轨方法对材质敏感等等。 为了最大限度满足工地焊轨优质、高效、安全、低成本、绿色环保要 求，本文在综合分析、消化和吸收国内外各种现场焊轨机优点的基础上， 通过采用眦软件，进行造型设计、零件设计、三维装配仿真设计，完 成了低压小型卧式气压焊轨机、大型钳式气压焊轨机以及车载式气压焊轨 作业车方案的系统设计，提出了我国新一代工地焊轨装备再创新的技术内 容和思路。 关键词：i 地焊；焊轨机；作业车；p r o e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yi nc h i n a , t h em i l e a g eo fi n t e r v a l a n dt r a n s s e c t i o nc o n t i n u o u sr a i l w a yo fp a s s e n g e rt r a n s p o r ta n de x i s t i n g r a i l w a yi n c r e a s e d , t h ew o r k l o a do fo ns i d e sr a i lw e l d i n ga l s oi n c r e a s e d a s a r e s u l to ft h ec o m p l e x i t yo fn a t u r a le n v i r o n m e n ta n de n g i n e e r i n gc o n d i t i o n , i t w a sd i f f i c u l t yt oc o n t r o lr a i lw e l d i n gq u a l i t yo ns i d e s s oi tw a si m p o r t a n tt h a t s y s t e m a t i c a l l ys t u d yo nt h et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to fr a i lw e l d i n go n s i d e s a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fe n g i n e e r i n g i n q i n g 。z a n gc o n t i n u o u s r a i l w a y , w e l d i n go ns i d e sw a sc a r d e d o u tb ya d v a n c e de n g i n e e r i n gc a r r i a g eo f f l a s h i n gb u t tw e l d i n ga n dm i n i a t u r ed i g i t a lg a sp r e s s u r ew e l d i n gw i t ht h e c o n d i t i o n so fp l a t e a u , o x y g e nl a c k , s t e e pr a m p t h i sp a p e rc o n t r a s t i v e l y a n a l y z e dq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fr a i lw e l d i n g , t h e r e w e r em a n ys h o r t c o m i n g s o fs t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dp r o p e r t yi nt h ew e l d i n gm a c h i n e s u c h 弱，t h eg r e a t w o r k l o a da n dw e a ke f f i c i e n c yi nt h eo p e r a t i o n a lm o d eo fd a m p i n gr a i la n d m o v i n go ns i d e sw e l d i n gm a c h i n e t h ef u n c t i o no fw e l d i n gm a c h i n ew a s i n c o m p l e t ei nt e n s i o n , w e l d i n g , t h r u s tr i ma n dn o r m a l i z a t i o no fh o l d i n g p r e s s u r e t h ea l i g n m e n to fw o r k i n gc d g c o rr a i ll o i nw a sw e a k t h e p r o p e r t y o fr a i lw e l d i n gm a c h i n ew a si n s u f f i c i e n ti nr i g i d i t y , l e n g t ho ft r a v e l , u p s e t f o r c eo ft e n s i o n , a n dt h ee x t e n to fl o c k i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e df o rr a i l t h e m e t h o do fr a f tw e l d i n gw a ss e n s i t i v ef o rm a t e r i a le t c 。 t h ep r o es o f t w a r ew a su s e dt od e s i g ns y s t e m i cr a i lw e l d i n gm a c h i n eo f a m e l i o r a t i v es c h e m e ，t h em o d e l ，t h ep a r t , t h et h r e e d i m e n s i o n a la s s e m b l ya f t e r a n a l y z i n gt h em e r i to fa d v a n c e do ns i d e sr a i lw e l d i n gm a c h i n ei no r d e rt o s a t i s f y t h er e q u i r e m e n to fh i 【g hq u a l i t y , e f f i c i e n c y , s a f e t y , l o wc o s ta n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n w es u c c e s s f u l l yd e s i g n e dl o w - p r e s s u r em i n i a t u r e h o r i z o n t a l g a sp r e s s u r e r a i l w e l d i n gm a c h i n e ，l a r g e - s i z e dt o n g - t y p eg a s p r e s s u r er a i lw e l d i n gm a c h i n ea n de n g i n e e r i n gc a r r i a g eo fg a sp r e s s u r e w e l d i n gm a c h i n e ，i ta l s op r e s e n t e dt h ed i r e c t i o na n dt e c h n i c a lc o n t e n to f i n n o v a t i n ga g a i no nn e wr a i lw e l d i n ge q u i p m e n to ns i d e s 。 k e yw o r d s ：w e l d i n go i ls i d e s , r a i lw e l d i n gm a c h i n e , e n g i n e e r i n gc a r r i a g e ， p r 0 肥 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速、重载轨道结 构的最优选择n 1 ，发展无缝线路对铁路跨越式发展有着重要的意义。钢轨 焊接技术是无缝线路的重要工序，焊接接头质量的好坏直接危及行车安 全。世界高速轨道如日本新干线( 时速2 6 0 k m ) 、法国t g v ( 时速2 7 0 k i n ) 、 德国i c e ( 时速3 0 0 k m ) 、中国广深线( 时速2 0 0 k i n ) 和秦沈铁路客运专 线( 开通时速2 0 0 至2 5 0 k i n ，试验最高时速3 2 1 5 k m ，设计时速4 0 4 k m ) n 一一1 等都采用了先进的焊接装备、优良的焊接工艺及进行焊后检测等手 段来提高焊接质量。 无缝线路铺设工程一般需要将钢轨在焊轨厂或基地进行一次焊接( 厂 焊或基地焊) ，连成1 2 5 - - 5 0 0 m 后，用平板车运到现场，进行工地焊接( 分 为单元焊、锁定焊、合拢锁定焊) 。目前我国工地焊轨采用的闪光焊机主 要依赖于进口，数控小型气压焊机为国产设备，铝热焊、电弧焊有进口产 品，也有国产产品，但用量很少由于小型气压焊机的体积小，重量轻， 人工移动性好，缩短“天窗 作业时间，且对材质敏感性较小，焊接过程 1 容易控制，焊接质量尤其是落锤质量比闪光焊稳定，且价格是闪光焊的三 3 0 左右，因此，气压焊被广泛应用于我国无缝线路铺设工程的工地单元焊( 线 下焊) 和锁定焊( 线上焊) 最新修建的青藏铁路，地处3 0 0 ( 0 7 0 0 m 高原、寒冷、缺氧、日温差 大( 年最大气温差6 9 11 2 ，夏季日轨温差1 5 - - - - 4 0 ) 、风大、紫外线极强 的恶劣自然环境，线路坡道大( 2 0 ) 1 ，工地焊轨工况极其复杂，旌工 困难。采用何种焊轨装备才能满足优质、高效、安全、低成本、绿色环保 的焊轨要求，需要考察焊轨装备对这些特殊工况环境的适应性，即需要考 察进口闪光焊轨机和数控小型气压焊轨机在工地焊轨时，能否适应我国钢 轨钢成分偏析大、外形公差大，难以焊接的问题。考察焊头综合性能尤其 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 是落锤性能的优劣。分析装备作业工效，解决好低温韧性不足、易断轨的 问题。在这种工况下，要求工地焊接装备性能稳定，才能保证焊接质量和 推凸质量。现有闪光焊轨装备中，只有k 9 2 2 型焊机才具有保压推凸功能， 而不具备保压正火功能，其他闪光焊轨机都不具备保压推凸和保压正火功 能 近年来，数控装置和数据采集系统应用于气压焊，对焊接过程监测， 提高了焊接质量。但仍存在一定的问题，如液压系统长期在高压状态下工 作，直接影响系统的可靠性；压接机整体刚度偏小，容易变形；采用手动 夹紧对轨方式，焊接效率低等为了解决钢轨工地焊轨机存在的不足，进 一步提高焊轨机的机械化、自动化水平，研制新型工地焊轨机，对于无缝 线路的建设和铁路跨越式发展都有着重要的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第二章文献综述 2 1 无缝线路发展状况和现场焊接技术装备状况 2 1 1 无缝线路的发展状况 铺设无缝线路来代替有缝线路不仅可以减少3 0 - - - 4 0 的经常养护 费用，而且由于钢轨损耗能比有缝线路减少4 5 - - - 5 0 ，还能提高线路 表2 1 中国及欧美、俄、日铁路无缝线路情况“一。 最大轨无缝线占营业线焊接钢 国各类钢轨比例 温幅度路总长比倒轨长废焊接方式 家( ) ( ) ( k s ) ( )( _ ) c h n 6 0 型9 2 ，c i i n s o气压焊8 中国 1 0 2 型6 ，其余为：p 6 5 、 3 98 8 04 5 2 5 0 一5 铝热焊7 c 删7 5 堑闪光焊8 5 u i c 型7 5 ，u i c 5 0铝热焊2 3 法国 7 02 24 5 76 4 82 一3 型2 5 闪光焊7 7 占i 级线 u i c 6 0 型其余为路9 6 铝热焊4 0 德国9 07 60 ( ot 8 0 s 4 9 、s 5 4 墅占营业线闪光焊 路8 0 p 5 0 型1 3 7 ，p 6 5 型 俄罗斯 1 1 93 99 0 03 2 2 4 0 0 或8 闪光焊 8 6 2 ，其余为p 7 5 墅 1 3 2 l l e 型7 7 1 4 0 r e 铝熟焊5 美国 9 4 4型2 ，其余为1 3 6 r e 、1 1 62 0 04 3 23 8 3 一髓2 闪光焊9 5 1 1 9 r e 、1 1 5 r e 垫等 占新干线闪光焊 6 0 型6 6 2 。其余为 9 6 气压焊 日本 7 01 27 1 61 5 0 一2 5 蜊、5 册塑占既有线电弧焊 2 0 铝热焊 作用的可靠性卜u 1 。无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 速、重载轨道结构的最优选择，其具有提高行车速度、减少线路维修、降 低运营成本等优点，白2 0 世纪以来，各国铁路竟相发展无缝线路“1 据 2 0 0 2 年统计，全世界铁路网长约1 3 0 万k m ，无缝线路总长4 5 4 万k m ， 其中美洲占3 0 8 ，欧洲占4 9 6 ，亚洲占1 3 5 ，非洲占1 6 ，大洋 洲占4 5 1 。 近几年来，我国陆续批准新建了一批新的铁路客运专线，铁路铺设无 缝线路的进程明显加快“1 ，每年净增数量约40 0 0 k m ，至2 0 0 3 年底累计 铺设数量已达3 98 8 0 k m 7 1 ，占营业线路的4 5 。我国及欧美、俄、日各 国铁路无缝线路的铺设情况见表2 1 所示。 随着这些铁路无缝线路的飞速发展，对无缝线路长度的要求越来越 高，发展超长无缝线路已经是铁路发展的一个方向。我国1 9 9 3 年开始铺 设超长无缝线路以来，铺设的超长无缝线路已达数千公里，其中完成了秦 沈客运专线一次铺成无缝线路工程和西康线1 8 4 k m 的国内的最长隧道一 次铺成无缝线路工程n 1 ，最长的一段在沪宁线下行，连续长度2 6 0 3 k m 6 1 。 通过近几十年的发展，我国在无缝线路建设方面已经积累了丰富的经验 2 1 2 无缝线路现场焊接技术设备状况 钢轨焊接技术是建设无缝线路的关键技术之二，随着铁路无缝线路的 飞速发展，钢轨焊接技术的作用日益凸现。通过表2 - - 1 可以看出，当今 普遍采用的钢轨焊接技术为闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊 ( 一) 闪光焊 现有的钢轨焊接闪光焊设备主要依赖于进口，固定式闪光焊轨机主要 有瑞士s h l a t t e r 公司的g 舡8 0 ，7 0 0 、g a a s 8 0 ，5 8 0 和乌克兰巴顿所的k 1 9 0 k 、k 1 0 0 0 等，悬挂式闪光焊轨机主要有乌克兰巴顿所的k 系列、美国 h o l l a n d 公司的k 3 5 5 h 型、瑞士s h l a t t e r 公司的a m s 6 0 型、奥地利p l a s s e r 的焊轨车等。这些设备机械化、自动化程度高，生产效率高，我国大量引 进和应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 二) 气压焊 钢轨气压焊设备体积小，自动化程度不高，便于移动，目前主要有中 国和日本使用：我国生产钢轨气压焊设备的厂家很多，新近通过鉴定审查 的小型数控式气压焊轨机解决了气压焊一系列的问题，使气压焊的发展上 了一个新的台阶n 1 ( 三) 铝热焊 我国在一次铺设秦沈客运专线无缝线路工程中较多的使用了铝热焊， 积累了大量的经验。目前铝热焊在欧洲的铁路无缝线路中得到普遍的应 用，代表的厂家是法国的阿尔斯通公司，其技术也已在我国铁路普遍使用。 ( 四) 电弧焊 电弧焊目前使用很少，国际上主要有英国和日本使用。英国w a 公 司采用药芯焊丝、明弧自保护半自动焊接方法进行钢轨焊接和道岔焊接， 不需焊剂和保护气体，焊前只需简单预热，焊后不需要热处理2 1 在现有的钢轨焊接技术中，闪光焊和气压焊由于不填加金属，接头在 焊接过程中交互结晶为锻造细小组织，焊缝性能达到母材的9 0 以上， 接头韧性好“1 ，是目前普遍采用的钢轨焊接方法；铝热焊焊接设备简单， 但接头为铸造组织，接头性能较差，断头率高；电弧焊在早期使用的过程 中，由于其质量不易控制，在国内已经不再使用其中闪光焊工艺调试完 成后，焊接质量受人为因素影响小，质量稳定，被广泛的应用于厂焊和基 地焊接气压焊附属设备小而少，焊接质量好，便于移动，主要应用于现 场的单元焊和锁定焊 2 2 钢轨闪光焊 2 2 1 闪光焊基本原理 焊件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触， 利用电阻热加热这些接触点( 产生闪光) ，使其端面熔化，直至端部在一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接，这种方法称之为 闪光焊n ，主要有连续闪光焊、预热闪光焊和脉动闪光焊等。 2 2 2 闪光焊设备现状 ( 一) 固定式闪光焊设备 固定式闪光焊轨机主要有瑞士s h l a t t e r 公司的g 胁聊7 0 0 、 g a a s 8 0 5 8 0 和乌克兰巴顿所的k 1 9 0 k 、k 1 0 0 0 等，其中g 胁8 0 刀0 0 、 q 乜s 8 q ，5 8 0 是直流闪光焊轨机，k 1 9 0 兀k 、k 1 0 0 0 是交流闪光焊轨机。 这些焊轨机机构庞大，不易移动，焊接质量好，适合厂焊，其主要的技术 性能指标如表2 2 所示。 表2 2 固定式闪光焊轨机技术性能2 1 3 叫6 1 焊轨机功率焊接面顶锻力质量生产率 类型 l v a m m 2陋i | t | 快崎 g a 弱8 0 厂7 0 0 5 4 0 1 0 0 0 05 0 03 5 02 0 o a a s 8 0 5 8 06 9 0 1 2 0 0 06 0 04 0 0 2 5 k 1 9 0 玎k 1 5 01 0 0 0 0 4 5 08 o1 2 k 1 0 0 02 1 02 0 0 0 09 0 08 52 0 3 0 图2 1k l i x ) 0 型固定式焊轨机 ( 二) 悬挂式闪光焊设备 = l 鞫莲 。一 参 n e ! ? ；ac ”7 ec a j ：s 0 一一 图2 2g a a s s 0 固定式焊轨机 悬挂式闪光焊轨机主要有乌克兰巴顿所的k 系列、美国h o l l a n d 公司 的k 3 5 5 h 型、瑞士s h l a t t e r 公司的a m s 6 0 型、奥地利p l a s s c r 的焊轨车 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 等，其中k 3 5 5 h 型、k 1 0 0 0 型、k 9 2 2 型为脉动闪光焊轨机，如表2 3 所示。这些焊轨机机构总体比固定式闪光焊轨机小，再配以公铁两用车， 达到灵活移动的目的，可进行厂焊、基地焊，在条件允许的情况下，也可 用于现场焊。 表2 3 悬挂式钢轨闪光焊轨机技术性能2 3 1 盯 生产乌克兰、加拿大瑞士奥地利美国 厂家 巴顿所 s h t l a t e rp l a s s e rh o u a n d 焊轨机型号k 9 0 0k 9 2 0k 9 2 1k 9 2 2a m s 6 0k 9 2 0k 3 5 5 h 额定功率腓 1 5 02 1 02 1 02 1 02 1 02 1 02 1 0 额定电压 3 8 03 8 03 8 03 8 03 8 03 8 0 3 8 0 柴油发电站 4 0 04 0 04 0 04 0 04 0 04 0 04 0 0 额定电流，a 3 9 55 4 05 4 05 4 05 5 05 4 05 4 0 夹紧力l c n 1 2 0 02 5 0 03 7 5 0 2 9 0 0 1 3 5 02 5 0 02 5 0 0 项锻力烈 5 0 01 0 0 0 1 5 0 01 2 0 05 5 01 0 0 01 0 0 0 工作压力m p a 1 53 03 03 03 03 03 0 质量 2 6 0 03 0 0 0 4 2 0 03 5 0 06 2 0 0 3 0 0 03 0 0 0 1 21 21 21 21 01 21 2 生产率( 头h ) 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 1 8 注：掌为脉动闪光焊 图2 3a m s 6 0 悬挂式焊轨机图2 4k 9 2 2 型悬挂式焊轨机 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 钢轨气压焊 2 3 1 气压焊基本原理 气压焊接是利用可燃气体( 主要是氧气一乙炔) 燃烧时产生的热量， 将待焊金属构件的焊接端加热到塑性状态时，再施加一定的顶锻压力，在 项锻压力的作用下，相互焊接的金属端面的塑体原子之间n 1 ，相互扩散渗 透重新结晶，使两金属构件融结成一体n ，形成牢固的焊接接头，然后去 除因顶锻而形成的凸出量n “。其操作容易，焊接质量优良，是无缝线路 钢轨焊接所采用的方法。如图2 5 所示 图2 5 气压焊基本原理示意图 2 3 2 气压焊设备现状 气压焊轨设备主要包括压接机( 包括推凸装置) 、控制箱、氧乙炔气 体、泵站、冷却系统及其它一些辅助设备组成。目前我国气压焊压接机的 生产厂家较多，基本都是小型卧式机构，其中文献【1 8 】( 专利号 9 8 2 3 9 4 3 1 4 ) 生产的动力头推凸式小型气压焊轨机的焊接推凸质量好，被 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 广泛应用，其基本的技术参数如表2 4 所示。 表2 4 文献【1 8 压接机技术参数( 超长型) 最大行程最大顶锻力额定顶锻力油缸最高工油缸额定工作 压接机 ( m m )( 1 矾)( k n ) 作压力( m p a )压力( 肝a ) 3 8 06 6 05 6 05 45 4 最大行程。最大推凸力额定推凸力油缸最高工油缸额定工作 推凸机( 衄) ( k n )( k n ) 作压力( u p a )压力( 肝a ) 1 3 04 6 04 1 05 04 6 油泵流量 4 5 油泵功率水泵功率 ( l i i l i n )( k w ) 3 1 2 5 ( k w ) 压接机 2 4 0推凸机重量( k g )6 0 重量( k g ) 随着计算机和检测技术的发展，在气压焊工艺和设备方面也得到了 应用和发展坤一1 。表现在以下几个方面： 1 采用电机带动齿轮进行调压和换向，取代了原有的手动调节油压的 方法。 2 采用位移传感器监测焊接过程的位移，进而控制顶锻量，取代了原 有的标定顶锻量的方法。 3 采用数据采集系统，监测焊接过程，达到判断焊接质量的目的 4 采用数控箱控制气体的流量和焊接过程，取代了原有的手动调节气 体和人工干预的问题 5 采用曲柄摇杆机构进行摆火，取代了手动摆火的方法。 2 4p r o e 机械设计软件 n 鲫巳n g i n e e r ( 以下简称p r o e ) 是美国参数技术公司( p 1 ) 1 9 9 8 年首家推出的使用参数化的特征造型技术的大型c a d i c a m c a f 集成软 件2 h 踟，具有造型设计、零件设计、装配设计、二维工程图制作、结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 分析、运动仿真、模具设计、钣金设计、管路设计、n c 加工、数据库管 理等功能。该软件被广泛应用在机械、电子、航空航天、汽车、模具、家 用电器和玩具等各个领域1 2 t - - 2 3 。 当前被广泛使用的三维机械设计软件有p m e 、u g 、s o l i dw o r k 等， 它们具有各自的特点，其中以p r o e 功能强大而被广泛使用。主要表现在 以下几个方面： 1 p r o e 软件采用单一数据库设计2 ，设计时进行的任何修改保存后 都会自动扩展到相关装配中 2 使用p r o e 软件设计的三维图可以直接转化为二维工程图，标定公 差进行机加工。 3 使用p r o e 软件设计的三维图可以直接转化为其它具有三维设计功 能软件的三维图，便于使用不同软件的设计者进行交流。 4 p m e 软件具有更为强大的三维设计、工程图设计和机构动力学分 析功能，使用该软件进行机械设计具有明显的优势。 5 p r o e 软件可直接进行程序设计和二次开发，使常用的复杂零件设 计模块化，节约设计时间。 正因为p r o e 软件具有更为强大的三维设计功能，我们在本文的设计 中使用该软件进行三维仿真设计，形象化的展示新设计的气压焊轨机和气 压焊轨车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第三章工地焊轨技术与装备研究 3 1 青藏铁路工地焊轨装备应用状况 青藏铁路新线北起格尔木，南至拉萨，纵贯我国西部青海、西藏两省 区，跨越青藏高原，正线全长1 1 3 6 公里，平均海拔4 5 0 0 米以上，年最大 气温差6 9 9 1 6 l , 自然条件十分恶劣。其线路路基及轨道存在低温寒冷、 多年冻土、冻胀融沉、风雪、日气温变化幅度大、光照强度大等不利因素 【5 l 青藏铁路无缝线路试验段地处高原、严寒、缺氧地区，线路设计最大 坡度2 0 、困难地段半径为6 0 0 米。共有两段，其一是昆仑桥纳赤台 段，全长9 7 8 公里，铺设5 0k g m 轨无缝线路，其二是小南川玉珠峰 段，其中在小南川西大滩铺设5 0k g m 轨无缝线路6 3 6 公里，在西大 滩玉珠峰铺设6 0 蚝m 轨无缝线路7 7 1 公里“确1 无缝线路试验段铺 轨具体施工方案为：采用既有线换铺法，即在南山口基地，用a m s 6 0 、 k 3 5 5 连续闪光焊轨机进行基地焊，完成3 0 0 米长轨焊接，长轨运到铺设 现场后，再用y j _ 4 4 0 7 2 0 t b s z 数控式小型气压焊轨机进行单元焊和锁 定焊，完成区间无缝线路的焊接。 3 1 f 青藏线钢轨焊接质量分析 青藏线钢轨焊接工程中，闪光焊在南山口基地进行焊接( 占总量的 9 1 6 7 ) ，在西大滩进行气压焊焊接( 占总量的8 3 3 ) 其基本的焊接 工艺参数及落锤试验检验焊接质量情况如表3 1 、3 3 所示。 青藏铁路无缝线路试验段需要在海拔近5 0 0 0 米的不冻泉和海拔4 2 0 0 米的西大滩，采用y j 一4 4 0 7 2 0 t b s z 数控式小型气压焊轨机分别进行5 0 k g m 轨与6 0k g m 轨落锤型检试验的焊接；在海拔3 1 0 0 米的南山口基地， 进口a m s 6 0 焊轨机原有的工艺参数没有通过落锤型检，在正式焊接前进 行了大量的型检接头焊接，最后仅通过了5 0k g m 轨的落锤型检。焊接落 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 锤试验结果如表3 1 、表3 2 、表3 3 、表3 4 和图3 1 、图3 - - 2 所示 表3 1 青藏铁路闪光焊参数及落锤试验结果 焊接地点：南山口海拔：3 2 0 0 米钢轨材料：u 7 1 m n 焊轨机型号：a m s 6 0 钢轨产地：包钢锤重：1 0 0 4 k g落锤高度：2 5 米 连续闪加速阶段顶锻带电顶锻无电 焊接 采集 光阶段最大电 末速顶锻 顶锻速实际对问顶锻 编号总时落锤结果 编号加速前流 度量度电流 ( s ) 时间 时间( s ) ( k a )c r a m s )( m m s )q ( s ) 间( s ) 13 7 51 6 61 7 40 9 21 2 26 5 4 3l l22 51 8 4三锤未断 23 7 71 5 91 7 6o 9 31 1 - 85 9 6 41 0 91 531 7 7三锤未断 33 7 91 5 9 51 8 6o 9 01 37 4 8 91 l22 51 7 7三锤未断 43 8 11 8 62 0 30 9 21 0 75 6 1 51 0 9232 0 4三锤未断 5 3 8 2 1 8 61 8 60 9 41 1 35 5 0 41 0 91 - 5 32 0 3三锤未断 63 8 31 8 01 8 2o 9 31 2 96 21 0 722 51 9 7三锤未断 73 8 41 7 62 2 30 9 21 2 76 l - 3 21 0 91 5 31 9 3三锤未断 83 8 51 7 51 7 6o 9 31 0 85 3 8 6l l22 51 9 3三锤未断 93 8 61 6 01 8 7o 9 41 1 75 9 1 31 0 92 2 51 7 7三锤未断 1 03 8 71 7 62 4 2o 9 41 1 35 9 0 11 0 62 2 51 9 3三锤未断 1 1 3 8 8 1 6 0 1 9 3o 9 41 1 75 7 6 21 l1 531 7 8三锤未断 1 23 8 91 5 3 51 9o 8 21 0 75 6 9 51 1 1231 7 4三锤未断 1 33 9 01 5 42 1 9o 9 41 1 15 6 6 61 l22 51 7 1 三锤未断 1 43 9 11 6 5 5 1 8 50 9 51 3 96 5 5 91 0 922 51 8 2三锤未断 1 53 9 21 6 4 51 7 90 9 41 3 26 2 7 5l l22 5 1 8 2三锤未断 1 63 9 31 7 6 52 3 1 o 9 31 1 95 4 4 51 0 722 51 9 3三锤未断 1 73 9 41 6 72 6 7o 9 51 3 16 0 2 61 0 922 51 8 4三锤未断 1 83 9 61 5 22 0 40 9 41 0 25 5 4 81 0 92 2 51 6 9三锤未断 1 93 9 71 7 1 52 2 40 9 8l o 85 6 4 51 0 822 5 1 8 9三锤未断 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 续表3 - - 1 2 03 9 81 5 42 0 30 9 31 2 16 5 5 41 0 922 51 7 1三锤未断 2 13 9 91 7 92 0 7o 9 41 1 15 5 2 61 0 8231 9 6三锤未断 2 24 0 11 5 9 1 7 6o 9 41 1 55 8 4 l1 0 8 22 5 1 7 6两锤未断 2 , 34 0 21 4 32 3o 9 61 1 25 6 1 91 0 91 531 6 1三锤未断 2 44 0 31 5 81 7 6 0 9 61 1 25 8 9 ll o 81 531 7 5两锤未断 2 54 0 41 5 02 1 1o 9 51 1 25 7 0 7l l2 31 6 7 三锤未断 2 64 0 51 5 3 52 4 6o 9 41 1 35 9 3 71 0 922 51 7 1三锤未断 2 74 0 61 7 3 5 1 8 9o 9 61 0 76 9 9 31 122 5 s1 9 0两锤未断 2 84 0 71 6 7 52 2 2 o 9 61 2 76 1 11 0 922 51 8 5三锤未断 2 94 0 81 8 5 52 1 2 o 9 61 1 75 9 0 71 0 71 532 0 3三锤未断 3 04 0 9 1 6 72 0 o 9 51 1 26 0 2 2l o 9 22 51 8 4三锤未断 表3 2 闪光焊落锤性能统计结果 钢轨 总数落锤情况( 件) 型号 ( 件)1 锤2 锤3 锤 5 0 轨 3 03 03 02 7 图3 1 闪光焊落锤结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 表3 3 青藏铁路数控气压焊参数及落锤试验结果 焊接地点：不冻泉海拔：4 6 0 0 米钢轨材料：u 7 1 m n 焊轨机型号：y j - 4 4 0 7 2 0 t b 钢轨产地：包钢锤重：l 0 0 4 r 喝落锤高度：2 5 米 编号氧气( s l w )乙炔( s “)压力3 0 舻a )顶锻量( 啊)压力4 0 i p a )总时间( s )落锤结果 l1 0 0 99 6 73 9 82 8 64 1 13 1 0三锤未断 21 0 1 79 6 53 9 23 1 14 0 63 0 6三锤未断 39 9 39 4 43 9 2 3 3 7 4 0 53 2 9三锤未断 49 9 29 4 33 9 5 3 0 94 0 63 3 1三锤未断 59 8 9 23 9 52 6 64 0 93 2 0三锤未断 69 7 19 2 14 03 3 24 13 2 1三锤未断 79 7 29 23 9 83 4 14 0 83 3 1三锤未断 89 8 59 2 13 9 63 3 24 0 63 2 4三锤未断 99 5 39 24 0 93 2 54 2 63 3 4三锤未断 1 09 5 39 2 14 0 43 34 0 73 3 1三锤未断 1 19 5 49 2 13 9 43 5 14 0 83 5 3三锤未断 1 29 5 39 2 13 93 3 3 4 0 63 3 9三锤未断 1 39 5 19 23 8 43 2 5 3 9 93 3 9三锤未断 1 49 5 49 23 8 33 3 94 0 3 4 0三锤未断 1 59 4 49 2 13 8 23 6 23 9 8 3 7 5三锤未断 1 69 59 2 13 8 83 5 14 0 12 3 0三锤未断 1 79 6 69 2 13 8 43 2 73 9 72 9 5三锤未断 1 8 9 4 7 9 23 9 23 4 64 1 23 4 3三锤未断 1 99 6 。29 2 23 9 23 3 74 0 1 3 2 1三锤未断 注：压力3 表示项锻压力；压力4 表示推凸压力 表3 4 数控式气压焊轨机落锤性能统计结果 钢轨总数落锤情况( 件)有无 型号( 件)1 锤2 锤3 锤缺陷 5 0 轨 1 91 91 91 9 无 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图3 2 数控气压焊落锤结果 焊轨试验发现，闪光焊和气压焊都有各自的优点和不足，主要区别是： 1 闪光焊设备先进，现场焊接自动化程度高，但工艺调试难度大，焊 接过程对材质十分敏感，灰斑不易控制。 2 在青藏线焊轨工程中，调试通过5 0k g m 轨落锤型检以后，由于进 口a m s 6 0 型焊机故障率高，甚至中断瘫痪。由于闪光焊未能如期通过6 0 k g l m 轨落锤型检，直接拖延了施工进度。 3 在青藏线无缝线路试验段铺设中，原定作业车在完成基地焊接工作 后到工地进行焊轨对比试验，未能如期完成。 4 工地焊接要求焊机具有保压推凸和保压正火功能，而a m s 6 0 闪光 焊机不具备这项功能。 。 对数控气压焊来说在以下几个方面具有特色： 1 数控气压焊轨机在高海拔条件下，保证了良好的焊接质量，顺利通 过5 0k g l m 轨与6 0k g m 轨落锤型检试验，保证了施工要求的进度。 2 数控气压焊有成熟的焊接工艺，现场焊接工艺调试难度小，有利于 节约时间和成本 3 由青藏线通过落锤型检的5 0k g m 轨的数据对比可得出，数控气压 焊的落锤通过率优于闪光焊( 图3 - - i 、3 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 4 数控气压焊轨机具有良好的保压推凸功能，能适应青藏线恶劣的外 部工况条件，完成现场单元焊和锁定焊，质量可靠。 通过在外部工况条件极其恶劣的青藏线使用数控气压焊轨机，并与现 场使用的闪光焊轨机进行对比，发现其在现场使用中具有明显的优点，值 得做进一步的研究和开发。 3 1 2 现有气压焊轨设备的不足之处 小型气压焊在长期的研究和使用中，积累了较多的技术经验，在青藏 线焊轨工程应用中，进一步验证小型气压焊轨机还存在一定的不足。 1 液压系统长期在高压下工作，系统不稳定的问题时有发生。 2 在小半径、大坡道焊接时，由于阻力较大，压接机刚度偏小，焊头 直线度不够好 3 虽然采用了数控装置，但钢轨装夹对轨仍是手工操作，其自动化程 度不高。 4 现场施工中，焊轨机及其附属设备都需要人工搬运，劳动强度大 青藏铁路高海拔情况下，施工过程中人机效能差时，劳动强度过大尤其突 出。 5 在现场使用中，其加热气管、冷却水管和油管散乱放置，容易出现 断火和烧坏加热器的现象，增大了故障率 虽然在青藏铁路无缝线路试验段的研究中，数控小型气压焊轨机表现 出良好的工地焊接适应性、优越的焊接质量，但还需在新型气压焊轨机的 研究中，进一步考虑工地特殊工况作业条件，增强和完善特殊的长距离拉 轨、保压推凸、保压正火功能，减少人工搬运，提高设备配套性，以便为 今后青藏铁路全线换铺和其他线路工地焊轨打下基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 2 国内外焊轨设备对比分析 分析了解当前钢轨闪光焊和气压焊设备的功能和技术特点，扬长避短 十分必要。在机构方面，现有闪光焊轨机械机构复杂，设计难度较大，气 压焊设备简单，易于设计。 国外悬挂式闪光焊轨机的机头机构先进，功能参数对比如表2 3 所 示，瑞士s h l a t t e r 公司a m s 6 0 型焊轨机采用作用边对中方式，使用悬臂 方式进行扩力，但其顶锻力较小，仅为5 5 0 k n ，机构尺寸较庞大，不易 采用；乌克兰巴顿所k 9 2 2 型焊轨机采用中心线对中方式，使用钳式夹紧 装置扩力，其顶锻力为1 2 0 0 k n ，具有拉伸焊接的功能，且机构尺寸较小， 可以借鉴采用其机构进行新型焊轨机设计 文献【1 8 1 的动力头式气压焊压接机机构简单，推凸余量小，外观质 量好，可以优选其机构进行设计但由于现有气压焊轨机长期在高压状态 下工作，为解决系统工作不够稳定的问题，可对该焊轨机机构尺寸进行改 造设计，使其成为低压工作方式 按照工地焊接要求，分析焊接方法与设备利弊，可得出： 1 根据我国 1 3 8 0 拉伸焊接时最大移动量( 蛐) ：小型焊轨机为3 0 0 ：大型焊轨机为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 2 0 焊后推凸残余量( 衄) ：1 0 最大可焊截面( r a m 2 ) ：1 2 0 0 0 ( u - i 焊5 0 、6 0 、7 5 轨) 0 推凸刀最大行程( 衄) ：小型焊轨机为1 1 0 ；大型焊轨机为2 0 0 o 最大推凸力( 酬) ：4 6 0 0 推凸方式：保压推凸 。油泵功率( k w ) - 小型焊轨机为8 ；大型焊轨机为2 5 9 油泵流量( i j m i n ) 顶锻和推凸时，小型焊轨机为1 5 ，大型焊轨 机为4 6 , 摆火时为8 0 现场焊接效率( 接头天) ：单元焊8 ；锁定焊2 0 焊轨机外形尺寸( 蛐) ：1 7 0 0 x1 0 0 0 1 6 0 0 o 机头重量( j 【g ) ：3 5 0 0 其中额定项锻力和额定夹紧力均为自动夹紧机构的设计参数，在设计 小型卧式气压焊轨机时所采用的额定顶锻力和额定夹紧力参数与现有气 压焊轨机相当 3 4 新型工地焊轨机方案选择 根据工地焊轨机功能和性能要求，考虑新型气压焊机的设计方案。如 果现有的钢轨焊接装备机构能较好的保证焊接质量，在设计新型气压焊轨 机时，就可考虑借鉴其机构设计。 ( 一) 小型卧式机构 现有的双轴导向、卧式结构的气压焊设备虽然自动化程度不高，但其 体积小，焊接质量好，是目前普遍采用的一种机构形式该机构具有独立 的推凸动力油缸，保证了气压焊焊接接头的外观质量。在设计新型气压焊 轨机时，采用该种机构。 ， 。 采用上述机构设计的小型卧式气压焊轨机，设计技术参数依据现有气 压焊轨机，使用油缸摆火机构，并配套使用比例阀，对其油路系统进行改 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 造，保证系统的稳定性。这种小型卧式气压焊轨机机构与现有气压焊轨机 相似，控制系统和工艺参数改动小，容易实现。 ( 二) 大型钳式机构 为了提高夹紧、对轨机构的自动化程度，考虑采用钳式夹紧系统，通 过控制油缸实现自动夹紧。其中使