Zgrzewanie szyn

Zgrzewanie doczołowe oporowe iskrowe szyn jest procesem, w którym trwałe połą-czenie uzyskuje się przez nagrzanie oporowe obszaru styku zgrzewanych szyn poprzez wyiskrzanie ciekłego metalu z obszaru styku w wyniku przepływu prądu, a następnie wy-warcie docisku spęczania [28].

W praktyce kolejowej nazwa tej metody spajania jest w różny sposób odmieniana lub bardzo często skracana do pierwszego słowa i określana jako zgrzewanie.

Zgrzewane szyny zostają zamocowane w szczękach i dociśnięte do siebie powierzch-niami czołowymi. Przepływający prąd powoduje stopienie metalu obszarów stykowych,

121 utworzenie ciekłych mostków prądowych, a następnie ich gwałtowne rozerwanie i usunię-cie zanieczyszczeń. Gdy nagrzewanie w procesie wyiskrzania sprawi, że na powierzchniach stykowych zostanie utworzona warstwa ciekłego metalu, a przyległe obszary nagrzane zostaną na odpowiedniej głębokości do stanu plastycznego, rozpoczyna się proces spęcza-nia ze znacznie zwiększonym dociskiem i większą prędkością przesuwu szczęk zgrzewarki.

Prowadzi to do wyciśnięcia ciekłego metalu wraz z ewentualnymi zanieczyszczeniami na zewnątrz zgrzeiny do wypływki. W przypadku zgrzewania stali wymagającej obróbki cieplnej po zgrzewaniu przez wykonane złącze przepuszcza się jeden lub kilka impulsów prądu. Zabieg ten zapewnia – poprzez nagrzanie oporowe – regulację tempa chłodzenia złącza lub odpowiednich zabiegów obróbki cieplnej [40].

Zgrzewanie szyn w torze wykonuje się z użyciem mobilnych maszyn, które poruszają się wyłącznie po szynach, lub pojazdów dwudrogowych. Proces spajania powinien być prowadzony urządzeniami automatycznymi z programowanym ciągiem technologicznym, zgodnie z normą PN-EN 14587-2 [99].

Zgrzewarka powinna wyświetlać i umożliwiać zapisanie informacji dotyczących pro-gramu spajania i identyfikacji złącza szynowego oraz szczegółów ustawień, takich jak:

natężenie prądu, siła lub nacisk spęczniania, przemieszczenie (skrócenie) szyny i czas zgrzewania [122].

Proces zgrzewania obejmuje poszczególne fazy, zwane także krokami [28]:

— przygotowanie szyn do zgrzewania (odpowiednie zbliżenie do siebie płaszczyzn czoło-wych szyn);

— wyiskrzanie wstępne mające na celu wyrównanie powierzchni czołowych;

— nagrzewanie wstępne;

— wyiskrzanie właściwe;

— wyiskrzanie z rosnącą prędkością;

— spęczanie pod prądem charakteryzujące się wysoką prędkością skrócenia;

— spęczanie;

— obcięcie wypływki;

— obróbka cieplna.

Program zgrzewania nie musi zawierać wszystkich faz, a zgrzewanie szyn może prze-biegać przy różnych parametrach natężenia prądu, czasu i siły docisku spęczniania.

Obróbka złącz wykonywana przez zgrzewarkę powinna spełniać następujące wyma-gania [122]:

— nadmiar wypływki powinien być automatycznie przycięty (rys. 7.2);

— zgrzeina powinna być ściskana podczas usuwania nadmiaru wypływki, a zwolnienie nacisku musi się odbywać jednostronnie;

— obcinanie wypływki nie może powodować mechanicznych ani termicznych uszkodzeń na powierzchni szyny;

— powierzchnia cięcia powinna być wolna od wad;

— wykańczanie zgrzeiny po wycięciu wypływki nie może spowodować uszkodzeń szyny i zmiany jej profilu;

— maksymalna grubość wypływki po jej obcięciu (rys. 7.2) nie powinna przekraczać 2÷3 mm, w zależności od miejsca na przekroju poprzecznym.

Końcowa obróbka złącza poprzez szlifowanie powinna się odbywać w torze z szyną przytwierdzoną przynajmniej do trzech podkładów po obu stronach zgrzeiny. Jeśli jest wymagana korekta prostoliniowości zgrzeiny, może być ona dokonana w temperaturze nie wyższej niż 200°C. Prostoliniowość zgrzeiny mierzy się po ostatecznej obróbce, zarówno

w płaszczyźnie pionowej, jak i poziomej, na bazie 1 m. Prostoliniowość mierzona w płaszczyźnie poziomej dotyczy wyłącznie powierzchni tocznej. Odchyłki prostoliniowo-ści mierzone w temperaturze otoczenia powinny być zgodne z wymogami normy PN-EN 14587-2 [99].

Rys. 7.2. Wypływka obcięta przez noże zgrzewarki [76]

W Polsce do łączenia szyn w torze bezstykowym najczęściej wykorzystuje się samo-jezdne zgrzewarki PRSM (rys. 7.3) i ZS.

Rys. 7.3. Zgrzewarka PRSM-4 z głowicą zgrzewającą

Proces zgrzewania jest sterowany i kontrolowany przez komputer pokładowy. Układ pomiarowy mierzy trzy parametry zgrzewania: drogę, ciśnienie robocze oraz natężenie prądu w funkcji czasu. W przypadku przekroczenia dopuszczalnych wartości parametrów na ekranie monitora wyświetla się sygnał alarmowy, a na wykresie pojawia się napis „stan zgrzewania niewłaściwy” (NON CORRETTO). W takiej sytuacji operator decyduje o wy-cięciu wadliwego złącza [28].

Firma Schlatter jest producentem stacjonarnych i mobilnych zgrzewarek szyn z auto-matycznymi głowicami zgrzewającymi AMS60 (rys. 7.4) i AMS100 (rys. 7.5).

123

Rys. 7.4. Głowica AMS60 firmy Schlatter [76]

Rys. 7.5. Pojazd dwudrogowy z głowicą zgrzewającą AMS100 [76]

Głowica zgrzewająca AMS100 może być również zabudowana w kontenerze (rys. 7.6), ustawianym na platformie kolejowej.

Rys. 7.6. System kontenerowy z głowicą zgrzewającą AMS100 [76]

Korpus głowicy zgrzewającej umożliwia uchwycenie szyny szczękami z miedzianymi elektrodami, a następnie automatyczne ustawienie w odpowiednim położeniu w płaszczyź-nie pionowej i poziomej. Proces zgrzewania może być indywidualpłaszczyź-nie programowany, a sam program może obejmować dziesięć kroków [28]. Cały proces jest monitorowany przez układ sterowania, który rejestruje trzy parametry: drogę, siłę i wartość natężenia prądu w funkcji czasu (rys. 7.7).

Rys. 7.7. Zgrzewanie doczołowe z wyiskrzaniem ciągłym z podgrzewaniem wstępnym:

siła, natężenie prądu i droga w funkcji czasu [28]

Każdy z tych parametrów może się zmieniać w określonym polu tolerancji. Jeżeli dowolny parametr podczas procesu zgrzewania przekroczy pole tolerancji, to operator otrzymuje dźwiękowy sygnał o błędzie. Zgrzewanie zostaje zakończone, a operator decy-duje, czy złącze należy wyciąć [28].

W ostatnich latach na rynku kolejowym można odnotować dużą liczbę zgrzewarek szyn różnych producentów, szczególnie na podwoziu dwudrogowym (rys. 7.8). Spełniają one najczę-ściej wymagania normy PN-EN 14587-2 [99], jednak wykonawca robót musi dysponować potwierdzonym systemem zarządzania jakością procesu zgrzewania szyn kolejowych [122].

Rys. 7.8. Zgrzewarka dwudrogowa firmy Vossloh [82]

125 Firma Plasser & Theurer jest producentem kilku typów zgrzewarek torowych, między innymi APT500 (rys. 7.9), APT600 (rys. 7.10) czy też APT1500.

Rys. 7.9. Zgrzewarka dwudrogowa APT500 [68]

Rys. 7.10. Zgrzewarka dwudrogowa APT600 [68]

Rys. 7.11. Zgrzewarka szyn APT1500 RA [68]

Najnowsza zgrzewarka mobilna APT1500 jest w pełni zautomatyzowaną maszyną przystosowaną do zgrzewania szyn w torze kolejowym i rozjazdach. Zgrzewarka jest pro-dukowana na podwoziu kolejowym APT1500 RA (rys. 7.11) lub APT1500 RL dwudrogo-wym (rys. 7.12).

Głównym zespołem roboczym maszyny APT1500R (rys. 7.13) jest głowica zgrzewa-jąca, która bez manualnej interwencji człowieka wykonuje wszystkie sekwencje spajania szyn, co pozwala uzyskać wysoką powtarzalność procesu zgrzewania szyn w torze kolejo-wym.

Rys. 7.12. Zgrzewarka szyn APT1500 RL [68]

Rys. 7.13. Głowica zgrzewająca maszyny APT1500 [68]

Końce szyny są automatycznie podnoszone w głowicy zgrzewającej i ustawiane (cen-trowane) w płaszczyźnie pionowej (rys. 7.14), a konstrukcja szczęk zaciskowych eliminuje konieczność szlifowania znaków wypukłych na szynie.

Rys. 7.14. Ustawienie szyn w płaszczyźnie pionowej [68]

Specjalny układ pomiarowy monitoruje proces ustawienia szyn w płaszczyźnie pio-nowej i poziomej, dopasowując automatycznie ich krawędzie do siebie. Podobnie,

127 w automatyczny sposób monitorowany jest luz pomiędzy płaszczyznami czołowymi szyn.

Jeżeli to konieczne, szyna może być dociągnięta za pomocą siłowników (z siłą do N), które są zintegrowane z głowicą zgrzewającą (rys. 7.15).

Rys. 7.15. Pozycjonowanie szyny w płaszczyźnie poziomej i dosunięcie szyn powierzchniami czołowymi [68]

W dalszej kolejności automatycznie następuje etap wyiskrzania i spęczniania, a cały proces zgrzewania jest rejestrowany i przechowywany w systemie maszyny (rys. 7.16).

Rys. 7.16. Etap wyiskrzania i spęczniania [68]

Kolejny etap procesu zgrzewania stanowi obcięcie wypływki za pomocą specjalnych noży, które są integralną częścią głowicy zgrzewającej (rys. 7.17).

Rys. 7.17. Obcięcie wypływki [68]

Zakończeniem procesu zgrzewania jest uzyskanie połączenia dwóch szyn z obciętą wypływką (rys. 7.18), którą należy jeszcze oszlifować.

Rys. 7.18. Zgrzana szyna kolejowa z obciętą wypływką [68]