高速铁路长轨生产系统研究的必要性

无缝线路是把标准长度的钢轨焊连而成长钢轨线路，又称焊接长钢轨线路。无缝线路由于消灭了大量钢轨接头，因而具有行车平稳，机车车辆及轨道维修费用低，使用寿命长等优点，是铁路轨道现代化的主要内容之一。

1.4.1.1　高速铁路技术要求

高速铁路对轨道结构的技术要求主要是保证轨道高平顺性、高可靠性、长寿命和高稳定性。

（1）高平顺性

以追求车辆速度提高为目的，而采取的完善线路平顺度措施是铁路人一直努力的方向。高平顺性是高速铁路对轨道的最根本的要求，也是建设高速铁路的控制性条件。高平顺性是消除轮轨接触面上的短波不平顺和中长波不平顺，保持轨道弹性的均匀性。

轮轨相互作用的理论研究指出，轨道不平顺所引起的轮轨动力响应及其对行车安全性、平稳性和乘车舒适性的影响，均随行车速度的提高而显著增大。在平顺的轨道上，车辆处于稳态运行状态，列车速度低于临界速度时，即使速度很高，轮轨动力附加荷载也很小。反之，即使轨道、路基和桥梁结构在强度方面完全满足要求，而平顺性不良时，列车运行虽未接近临界速度，但由线路引起的车辆振动和轮轨动作用力将大幅度增加。

1）轨道不平顺是引起机车车辆产生振动的主要原因。根据国内外的计算机仿真和动测试验等研究，在120km/h速度条件下，被认为是很小的大量存在的不平顺，在300km/h高速时会引起车体产生不能允许的振动。例如，幅值10mm、波长40m接连不断的高低不平顺，在常规速度下引起的车体振动和轮轨动作用都很小，可以不加管理，容许大量存在，但在速度达到300km/h时，就可使车体垂向产生频率为2Hz，加速度为176m/s2（rms值为1.27m/s2）的持续振动。又如幅值仅5mm（波长40m）的方向不平顺，在常规速度下引起的振动更小，而在300km/h时，却可能使车体横向产生频率为2Hz，加速度为0.65m/s2（rms值为0.44m/s2）的振动。而根据国际振动环境标准ISO2631的规定，对于振动频率为1～2Hz，累计持续时间为4h车体振动环境，保持舒适感不减退的允许加速度，横向为0.17m/s2（rms值为0.12m/s2），垂向为0.34～0.49m/s2（rms值为0.25～0.34m/s2）。

2）轨道不平顺是引起轮轨作用力增大的主要根源。焊缝不平顺，轨面剥离、擦伤、波形磨耗等短波不平顺幅值虽然很小，但在高速行车条件下也可能引起很大的轮轨作用力和冲击振动，例如一个0.2mm的微小焊缝引起的轮台阶形不平顺，300km/h时引起的冲击性轮轨高频动作作用力可达722kN，低频轮轨力达321kN，可加速道砟破碎、道床路基产生不均沉陷，从而形成较大的中长波不平顺，并能引起很大的噪声。另一方面，轨面短波不平顺引起的巨大轮轨作用力，还可能引发钢轨、轮、轴断裂，导致恶性脱轨事故。

3）轨道不平顺是线路方面直接限制行车速度的主要因素。各国铁路根据在高速行车条件下各种轨道不平顺对车辆振动、轮轨作用力的影响，及这种影响与行车平稳舒适、安全性的直接关系，都对高速铁路提出了高平顺性的要求。并且还规定必须对轨道的平顺性用轨检车等经常进行检查，若发现超限，立即整修，恢复平顺性，来不及整修时就发布降速命令，限制行车速度。轨道不平顺便成了线路方面直接限制行车速度的主要因素。

（2）高可靠性、长寿命

高可靠性主要是指轨道结构保持平顺性，维持线路正常运营的能力。列车荷载的特点主要在于高频冲击和振动，这种高频荷载容易造成扣件松动、轨下胶垫磨耗、混凝土轨枕轨槽破损，特别是有砟轨道中道砟破碎、粉化，道床沉降和变形。

长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大修周期。由于我国铁路的行车密度大、速度高，因此其维修工作量必须少，维修周期必须长，才能保证不中断列车，维持列车正常运行。

（3）高稳定性

高速列车的高频冲击和振动会使轨道自身保持稳定的能力降低，而高速列车的蛇行和横向振动又会使作用到轨道上的横向荷载加大，增加轨道横向失稳（胀轨、路道）的可能性。高稳定性是要提高轨道结构的纵、横向阻力，保持轨道结构的稳定性。采用跨区间无缝线路是提高轨道结构连续性、均匀性的重大举措。

1.4.1.2　既有生产系统存在的问题

（1）高速铁路所需长轨不应由临时焊轨基地供轨(www.xing528.com)

高速铁路所需长轨对产品质量要求较高，临时焊轨基地一般由工程局组织生产，操作人员复杂，流动性大，较难组织专业培训；焊机多为K900系列焊机；其他设备一般为移动式调直机、仿形精磨机等较落后的设备。焊接成品率低，质量难以保证。

临时焊轨基地需新征土地及新建临时设施，根据统计，若采用临时焊轨基地的方案，需新建100多个临时焊轨基地［每处需要200亩（1亩≈666.67平方米，后同）以上的临时用地，20万以上的土石方，3km以上的铺轨工程］。不仅浪费大量的土地资源，对社会影响较大，而且摊销成本较高，造成钢轨加工成本的上升。

临时焊轨基地工作效率与铺轨能力不匹配，焊轨生产线的生产率远大于铺轨能力需求，造成焊轨生产线台班成本居高不下。

由于以上原因百米定尺钢轨的加工成本比永久焊轨基地的加工成本高3倍以上，将增加高速铁路的铺轨工程的建设成本。

（2）铁路的发展对焊轨基地的供轨能力提出了较高的要求

直线地段钢轨的寿命周期为8～10年，曲线地段钢轨的寿命周期为1～2年，线路大修年维修量约占累计无缝线路铺轨量的17%。

焊轨基地可同时满足25m、50m、100m轨的焊接要求，且焊接能力不受影响，焊轨基地均为利用既有设备改建，因此还需要承担既有路局25m轨（旧轨）焊接的生产任务。若每年预计焊接200km，换算百米轨生产能力需求约700km。

长轨前期的需求量主要为新建和改建铁路，后期的需求量主要为大修用轨，预计每个基地的年供轨能力必须满足1 500～3 000km。

（3）既有焊轨基地工作效率低，工艺流程落后，不能满足需求

既有焊轨基地均采用25m间距工位布置，生产效率极低，不能满足高速铁路基建用轨的需求。需要根据生产力布局调整情况进行新建或改扩建。

1）在一段时间内25m定尺长轨仍有一定的需求。在铁路速度目标值低于200km时，25m定尺长轨由于价格较低，仍有一定的市场需求。在一定时期内，必然会出现25m定尺长轨和100m定尺长轨共存的局面。

2）25m定尺长轨生产线工作效率较低，不能满足需求。若焊接焊后生产线的工位布局不改动，则必须采用牺牲焊头效率的方法完成长轨焊接（即：焊1个头，停3个头）。设备利用率较低。长轨生产成本较高。而每条生产线最大年焊接钢轨能力（三班制）约900km。不能满足铁路建设对百米定尺长轨日益增长的需求。

3）既有焊轨基地25m定尺长轨生产线的适应性改造困难。既有焊轨线焊接100m长定尺钢轨时，短轨存放场、配轨台、配轨间必须进行技术改造，焊前部分至少需要350m。既有焊轨厂受地形限制改造困难。若不想牺牲焊头效率，则必须将焊轨厂场地长度延长两倍以上，需要拆除长轨存放场、造成大量的生产房屋废弃，工程周期及投资较大，这对既有焊轨基地来说是很难实现的。

（4）既有焊轨生产设备绝大部分依赖进口，设备成本高、维护困难

提高焊轨基地钢轨生产质量，保障了铁路运输的平顺性和安全性；减少了对国外设备进口的依赖，为焊轨基地的设备维护、维修提供了便利；解决了焊轨基地既有工艺的缺陷，提出更先进的解决方案。