多功能鋼軌自動打磨設備研制

涂江洋，戴 虹，周世恒

（西南交通大學 焊接研究所，四川 成都610031）

多功能鋼軌自動打磨設備研制

涂江洋，戴 虹，周世恒

（西南交通大學 焊接研究所，四川 成都610031）

鋼軌焊接接頭的平直度與鋼軌表面的傷損病害均對線路的平順性產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)有打磨設備并不具備接頭打磨與線路打磨雙重功能，因此，研究一臺多功能鋼軌自動打磨設備對于現(xiàn)場實際應用具有重要意義。此設備的機械結(jié)構(gòu)是以西南交通大學自行研制的半自動焊頭仿形精磨機為基礎加以改進，以焊頭、病害兩側(cè)軌頭母材作為打磨廓形基準，以工控機為上位機、PLC為下位機的一體化進程控制，通過砂輪打磨壓力自動控制進給。經(jīng)過調(diào)試，打磨效果能夠達到《鋼軌焊接》TB/T1632的標準要求，在實際工程中具有重要意義。

焊接接頭；鋼軌病害；鋼軌打磨

0 前言

截至2014年底，中國高鐵運營里程達到1.6萬公里，超過全世界高鐵總運營里程的一半，高鐵已連接28個省份。中國正邁向“高鐵社會”。高鐵的快速發(fā)展無疑對高速無縫線路軌道質(zhì)量提出了更高的要求，鋼軌作為列車運行的重要載體，提高線路鋼軌的平順性，消除鋼軌表面的傷損病害具有重要意義[1]。

焊接接頭作為無縫線路軌道的薄弱環(huán)節(jié)，其平直度直接影響整條線路的平順性。因此，按照TB/ T1632.1《鋼軌焊接》中對焊接接頭行車面、導向面平直度的規(guī)定，必須對鋼軌焊接接頭外形進行仿形打磨作業(yè)。

此外，列車在軌道上運行時，車輪與鋼軌之間的摩擦導致鋼軌表面材料產(chǎn)生塑形變形。列車沿軌道縱向行駛，對軌頭產(chǎn)生擠壓使之產(chǎn)生縱向變形，同時，列車在運行過程中，同時會發(fā)生左右橫移，導致軌頭表面產(chǎn)生橫向變形。隨著時間延長，軌頭表面就會出現(xiàn)波磨（波浪形磨耗）、魚鱗紋等病害，嚴重時甚至會導致剝落、掉塊[2]。需要通過鋼軌打磨來消除病害，改善輪軌關(guān)系。

1 現(xiàn)有打磨設備

1.1 焊縫打磨設備

現(xiàn)階段，我國鐵路建設單位和工務養(yǎng)護部門在進行現(xiàn)場焊接接頭打磨作業(yè)時，主要采用各式仿形打磨機打磨（見圖1、圖2）?，F(xiàn)場使用的打磨機具種類繁多，但是各種類仿形打磨機的工作原理大致相同：打磨砂輪兩側(cè)設有仿形輪，兩個仿形輪與鋼軌接觸，兩接觸點形成一條直線，在作業(yè)過程中，打磨設備沿鋼軌縱向往復移動，砂輪不斷磨削焊縫凸起部位，砂輪與鋼軌接觸點不斷逼近該直線，從而達到磨削平順的目的；推行打磨的同時，人工扶持設備沿鋼軌橫向仿形，整個軌頭表面仿形打磨完成后既完成一次完整的打磨作業(yè)[3]。此類機具一般均需要1～2人進行操作，作業(yè)時，人工沿鋼軌縱向往復推行、橫向旋轉(zhuǎn)調(diào)整打磨角度、調(diào)整砂輪進給，打磨質(zhì)量的穩(wěn)定性取決于人員操作的熟練程度，操作不當極易造成低接頭。人工控制進給量，無法精確定量與微量控制，打磨質(zhì)量不穩(wěn)定。

圖1 FMG系列鋼軌仿形打磨機

圖2 MP5輕型鋼軌仿形打磨機

1.2 線路打磨設備

打磨鋼軌線路可以有效的治理和控制鋼軌表面病害，延長鋼軌的使用壽命?，F(xiàn)今各路局已配備了48磨頭或96磨頭的大型鋼軌打磨車對軌道線路進行預防性與修理性打磨[1]。大機打磨作業(yè)后，遺留下來的部分病害采用小機進行修復。

法國吉斯瑪公司生產(chǎn)的MV3垂直鋼軌打磨機與MC3道岔打磨機是目前較為先進的線路打磨小機設備（見圖3、圖4）。其中MV3垂直鋼軌打磨機適用于鋼軌頂面及軌角的打磨，而MC3道岔打磨機適用于鋼軌側(cè)面及軌角的打磨。兩類設備均配備走行架，打磨主體可沿走行架橫向移動，打磨砂輪可豎向調(diào)整，并且可以在垂直方向調(diào)整角度，以適合軌頭廓形。兩類設備結(jié)合使用，即可對波磨、魚鱗紋等進行打磨修復作業(yè)。

圖3 MV3垂直鋼軌打磨機

圖4 MC3道岔打磨機

因此，欲設計一臺新型多功能自動打磨設備，能夠針對焊接接頭進行自動快速高效打磨作業(yè)，焊頭平直度質(zhì)量穩(wěn)定達到TB/T1632標準，同時兼容線路打磨功能，打磨消除打磨列車作業(yè)遺留下來的魚鱗紋與短波波磨等病害。

2 前期工作

為滿足現(xiàn)場要求，達到鐵路標準，穩(wěn)定打磨質(zhì)量，提高打磨效率，西南交通大學戴虹教授已研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工地適用的半自動焊頭仿形精磨機，如圖5所示。該設備主要由鉗夾、機架、直線滑軌、進給電機、打磨電機、往復電機、仿形電機、仿形靠模、遙控接收器等部件組成。

半自動焊頭仿形精磨機與市面上仿形打磨機作業(yè)原理不同。作業(yè)時，可利用鉗夾快速夾住軌頭，精磨機固定在鋼軌上，設備沿鋼軌縱向無位移產(chǎn)生，以焊頭兩側(cè)各600 mm為定位基準，打磨砂輪沿高精度直線滑軌往復運動，無需人工扶持設備，降低了勞動強度。同時，鉗夾提供了額外的作用力，與設備自重同向，將設備緊壓在鋼軌上，保證打磨壓力，提高了打磨效率。與普通仿形打磨機相比，基準準確，打磨精度高。

采用該設備進行打磨作業(yè)時，不會因為人工操作產(chǎn)生的低接頭、判廢情況，打磨作業(yè)后，不僅接頭質(zhì)量穩(wěn)定達到TB/T1632鋼軌焊接標準要求，而且軌頭表面光滑平順、紋路整齊，軌頭輪廓達到鏡面效果。

在半自動焊頭仿形精磨機基礎之上，又研制出全自動焊頭程控仿形精磨小車，該套設備可以配在綜合工程車上，也可以采用集裝箱運載，抵達作業(yè)地點由起重機吊至線路上，人工推行小車，全自動數(shù)控方式雙股同時打磨，并可配套測量平直度。車載吊機可以將精磨機吊至線下，對線下接頭進行精磨作業(yè)。

圖5 半自動焊頭仿形精磨機

3 新型打磨設備設計

綜上所述，針對現(xiàn)有焊接接頭打磨設備使用弊端，線路打磨設備使用功能，在現(xiàn)有半自動焊頭仿形精磨機基礎之上，設計出一種適用于道岔的焊接接頭打磨與線路打磨兼顧的多功能鋼軌自動打磨設備。以定位打磨處理鋼軌焊接接頭為主要功能，輔以順軌推行打磨，解決魚鱗紋、短波波磨不平順等問題。

3.1 整體結(jié)構(gòu)設計

設備整體主要可分為兩個組件：打磨單元與承載單元。承載單元上放置動力源（柴油發(fā)電機）。承載單元與打磨單元通過套筒連接，可以拆卸，如圖6所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)設計

打磨單元以半自動焊頭仿形精磨機為基礎進行部分改造（見圖7），主要由機架外框、內(nèi)部偏轉(zhuǎn)支架、打磨電機、進給電機、往復電機、仿形電機、夾持裝置、壓緊裝置、旋轉(zhuǎn)鎖定裝置、移動鎖定裝置、仿形輪等部件組成。

圖7 打磨單元整體結(jié)構(gòu)

設備整體設計為積木模式，可組裝拆分：打磨單元與承載單元可拆分為兩個獨立整體，中間連接件亦可拆分；其中打磨單元可進一步拆分，兩側(cè)夾持裝置與壓緊裝置為一固定整體，通過螺栓與機架外框連接。線路作業(yè)過程中，如遇緊急情況，可將打磨單元與承載單元拆分，方便下道；作業(yè)結(jié)束后，打磨單元與承載單元分離，進一步拆分打磨單元，整體拆分可減少框架所占空間，便于運輸。

3.2 機械系統(tǒng)設計

半自動焊頭仿形精磨機以焊頭兩端各600 mm處母材軌頭廓面為打磨基準，內(nèi)部偏轉(zhuǎn)支架沿軌頭廓面旋轉(zhuǎn)，砂輪打磨焊頭，多個角度的包絡線實現(xiàn)對焊頭廓面的精確還原?，F(xiàn)有設備針對焊頭作業(yè)功能齊備，精磨質(zhì)量穩(wěn)定。主要設計思路是保有高質(zhì)量焊頭精磨作業(yè)功能，使其實現(xiàn)線路打磨功能，消除病害傷損。

（1）整體為小車模式。

為方便設備在線路上運行使用，將設備整體設計為小車模式，小車平板可放置動力源（柴油機）與控制系統(tǒng)。兩側(cè)各安裝兩車輪，負責線路行走。因此將半自動設備兩側(cè)車輪改造為固定式（原有車輪打磨時需抬起，走行時放下），兩側(cè)車輪、仿形靠模與鋼軌接觸點位于同一條直線上。車輪采用內(nèi)側(cè)單輪緣車輪設計，便于在道岔區(qū)域順利通行，無需因無法通行而搬運設備。

（2）仿形靠模改進。

兩側(cè)車輪、仿形靠模與鋼軌相接觸，然而原有半自動設備仿形靠模采用高硬度條狀方塊與鋼軌接觸，不利于設備行走。因此將其改為滾輪式靠模，滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減小推行阻力，如圖8所示。

圖8 仿形改進

（3）夾持裝置改進。

傳統(tǒng)的焊縫仿形打磨設備，依靠雙輪緣車輪人工操作模糊定位，打磨時設備沿鋼軌橫向、豎向均依靠人工定位，作業(yè)時設備在鋼軌上晃動較大，基準點易漂移。半自動焊頭仿形精磨機利用手閘夾鉗快速夾緊鋼軌，將設備固定于鋼軌上，使設備沿鋼軌縱向保持不動?？紤]線路打磨功能，需沿鋼軌縱向移動，因此將鉗夾與鋼軌膠皮接觸改為滾輪模式，且安裝于機架外側(cè)，夾持裝置以滾輪形式與軌頭下顎接觸，便于推行。夾持下顎可提供額外作用力，保證打磨壓力，提高打磨效率。如遇道岔等干涉路段，可將夾持輪向兩外側(cè)抬起，通行后再重新夾持。

（4）壓緊裝置設計（見圖9）。

由圖9可知，夾持裝置夾緊鋼軌時，設備可沿鋼軌縱向移動打磨。然而，作為半自動焊頭仿形精磨機的優(yōu)勢之一，整體設備沿鋼軌縱向始終不動，基準定位準確且不發(fā)生偏移便無法實現(xiàn)，因此在設備兩側(cè)增加壓緊裝置，通過旋轉(zhuǎn)手輪可控制壓緊裝置提升與下壓，壓緊裝置下壓時，利用45 mm×66 mm膠皮與軌頂面接觸，增加鋼軌縱向移動摩擦阻力。使用設備進行焊頭打磨作業(yè)時，啟用該裝置，設備沿鋼軌縱向無法移動，基準不發(fā)生偏移，進行線路打磨作業(yè)時，提升裝置，仍可沿線路移動打磨。

（5）鎖定裝置設計。

線路上魚鱗紋傷損呈條狀沿鋼軌縱向分布，因此打磨時需要固定某一角度，針對一段線路打磨。半自動焊頭仿形精磨機可沿軌頭廓面180°仿形，因此內(nèi)部偏轉(zhuǎn)支架與機架外框間增加旋轉(zhuǎn)鎖定裝置。該裝置主要由一塊弧形板與鎖定螺釘組成，弧形板與機架外框焊連，鎖定螺栓安裝于內(nèi)部偏轉(zhuǎn)機架一側(cè)，根據(jù)鎖定螺釘?shù)姆滦芜\動軌跡，模擬出弧形板外形尺寸。鎖定后，內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)支架則固定偏轉(zhuǎn)角度，人工推行設備，針對指定角度打磨，旋轉(zhuǎn)鎖定裝置如圖10所示。

進行線路魚鱗紋傷損打磨時，整體設備采用人工扶持推行，無需進給箱自動往復，為防止進給箱于設備推行作業(yè)時沿直線滑軌移動，進給箱與內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)支架間增設移動鎖緊裝置。將進給箱固定于偏轉(zhuǎn)支架中心，進給箱與偏轉(zhuǎn)支架鎖定為一整體，不沿支架縱向運動。

3.3 控制系統(tǒng)設計

在研制出的全自動焊頭程控仿形精磨小車基礎之上，綜合精磨小車現(xiàn)場使用情況，針對新設計設備使用工況改進控制系統(tǒng)，精簡程序（見圖11）。

系統(tǒng)采用研華PPC-154T型工控機為上位機，采用VB語言編寫軟件系統(tǒng)，能夠預制參數(shù)，調(diào)整工藝，顯示打磨單元工作狀態(tài)，如仿形角度、砂輪位移與打磨壓力等。采用三菱FX3U型PLC為下位機，工控機與PLC通過RS422接口進行通訊，通過軟件編程，對PLC輸入各項設定值及控制信號，并且能夠監(jiān)測打磨過程，將實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中[4]。

進刀控制系統(tǒng)預案為電機負載自動控制、砂輪打磨火花量自動控制與打磨壓力自動控制三種方案，這三種方案均可避免砂輪磨耗對焊頭打磨的影響。并將三種方案進行模擬試驗，模擬對比表明，打磨壓力控制簡單，數(shù)據(jù)量變化明顯。因此選用打磨壓力自動控制方案。

仿形控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)鋼軌仿形控制。由打磨單元一側(cè)仿形電機系統(tǒng)與兩端仿形轉(zhuǎn)動系統(tǒng)構(gòu)成。仿形控制可以實現(xiàn)磨頭沿著要仿形的鋼軌基準移動和旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)精磨過程的自動仿形。把鋼軌頭橫向廓面曲線劃分成n個控制點，由PLC控制系統(tǒng)控制仿形電機系統(tǒng)分別達到需要控制的旋轉(zhuǎn)角度。對每個控制點，角度傳感器檢測磨頭所在仿形位置，使用反饋控制系統(tǒng)進行控制，仿形控制精度達到0.5%以上。

圖9 壓緊裝置

圖10 旋轉(zhuǎn)鎖定裝置示意

圖11 電氣控制系統(tǒng)

往復控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對打磨電機整體在偏轉(zhuǎn)支架內(nèi)部往復運動的控制，在針對鋼軌焊接接頭往復打磨時，往復運動的距離大小、中心位置與速度均可控制調(diào)節(jié)。通過編碼器對運動位置進行檢測，采用變頻器對往復電機進行調(diào)速控制，同時配合PLC控制系統(tǒng)自動控制往復運動。

4 設備功能與工藝

4.1 設備功能

新設計的多功能自動打磨設備具備焊縫打磨與線路打磨雙重功能，因此作業(yè)模式有兩種：針對焊縫打磨的固定式打磨作業(yè)；針對線路打磨的移動式打磨作業(yè)。

固定式打磨作業(yè)時，將設備推行至指定位置，對準焊縫，啟用夾持裝置與壓緊裝置，快速夾緊鋼軌，設備整體沿鋼軌縱向不發(fā)生移動。作業(yè)時，工控機發(fā)出命令，與PLC進行通訊，PLC程序控制仿形、往復與進刀。同時工控機實時監(jiān)測打磨過程，可顯示設備運行狀態(tài)，如仿形角度、往復位移與打磨壓力等。系統(tǒng)自動控制完成整個打磨過程。

移動式打磨作業(yè)時，設備推行至指定工作地點后，啟用夾持裝置，壓緊裝置提升，啟用移動鎖緊裝置，進給箱與內(nèi)部偏轉(zhuǎn)支架鎖定，偏轉(zhuǎn)支架仿形旋轉(zhuǎn)至固定角度后，啟用旋轉(zhuǎn)鎖緊裝置，人工扶持推行設備，同時利用電控箱按鈕或遙控器控制砂輪主電機與進給電機，打磨消除傷損病害。

4.2 打磨工藝與試用

該設備在某工程中試用，由于整體為平板小車，發(fā)電機、打磨單元與控制系統(tǒng)集成一體，線上移動時無需人工搬運，人工推行至作業(yè)地點，對位方便。采用打磨壓力參數(shù)進行進刀控制，直尺和塞尺方法測量打磨前后接頭平直度，通過工藝試驗觀察打磨效果，結(jié)果如下：

（1）一次完整的焊接接頭打磨（兩側(cè)導向面與軌頂面均打磨）所需時間為10～12 min。打磨過程中設備自動運行，無需人工操作，明顯降低了工人勞動強度。

（2）針對不同的接頭余高，設置不同的打磨壓力參數(shù)，保證一次打磨作業(yè)后，接頭達到TB/T1632《鋼軌焊接》平直度要求。作業(yè)工藝如表1所示。

表1 作業(yè)工藝參數(shù)

（3）現(xiàn)場打磨試驗焊頭共586個，設備工作穩(wěn)定可靠。接頭經(jīng)打磨處理后，表面光滑平順，紋路整齊，達到鏡面效果。

5 結(jié)論

（1）該新型多功能自動打磨設備的打磨單元是在現(xiàn)有半自動焊頭仿形精磨機基礎上增添與修改而成。與普通仿形打磨機相比，基準準確，打磨精度高。設備自動化程度高，只需根據(jù)作業(yè)工藝參數(shù)設置打磨壓力，即可自動完成打磨。

（2）該設備通過打磨壓力控制砂輪進給，打磨時不因砂輪的磨耗而降低打磨壓力，保證了打磨效率，一次完整的焊接接頭打磨作業(yè)所需時間為10～12 min。

（3）該設備具備雙重功能，既能夠針對焊縫進行高質(zhì)量的打磨作業(yè)，同時吸取線路打磨設備的優(yōu)點，增添線路打磨功能，可以解決短波波磨、魚鱗紋等線路病害。達到一機兩用效果，滿足工程要求，具有工程實用價值。

[1]周清躍，田常海，張銀花.高速鐵路鋼軌打磨關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國鐵道科學，2012，33（2）：66-69.

[2]劉月明，李建勇，蔡永林.鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國鐵道科學，2014，35（4）：28-29.

[3]胡志成.NGM4.8型鋼軌仿形精密打磨機的設計及使用研究[J].上海鐵道科技，2009（1）：8-9.

[4] 周丹麥，周世恒，戴虹.一種高精度的鋼軌焊接接頭仿形打磨系統(tǒng)[J].電焊機，2013，43（12）：49-52.

[5] TB/T1632，鋼軌焊接[S].

Design of multifunctional rail automatic grinding equipment

TU Jiangyang，DAI Hong，ZHOU Shiheng
（Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The flatness of the rail welded joint and the surface flaw of the rail both have an important impact on the rail line.Existing grinding equipment does not have the dual function of joint grinding and rail line grinding.Therefore，the design of multifunctional automatic rail grinding equipment is important for the field application.This device mechanical structure is improved on the basis at the semi-automatic welding joint profiling grinding equipment that developed by Southwest Jiaotong University.It takes the both sides parent material of joint and flaw as the grinding profile datum.It takes the industrial computer as the central system and PLC as the slave system.And it takes automatic control of feeding through the grinding pressure.By debugging and running of this equipment，the effect of grinding can reach the standard requirement of TB/T1632-2005 in rail welding.It has important significance in practical engineering.

rail welded joints；rail flaw；rail grinding

TG409

：A

：1001-2303（2015）10-0063-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.14

2015-04-29；

：2015-06-16

涂江洋（1991—），男，江西靖安人，碩士，主要從事鋼軌焊縫打磨設備自動化研究工作。