鋼軌銑磨車60D 廓形刀盤設計和驗證研究

毛文力，吳琰超，許玉德，錢 海，周 宇

（1. 上海鐵路局上海大機運用檢修段，上海 200439； 2. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

輪軌接觸關系的匹配是影響列車平穩(wěn)運行和輪軌材料傷損的重要因素之一，尋求合理的輪軌廓形匹配對提高列車平穩(wěn)運行、延長輪軌使用壽命具有重要意義[1]。世界各國鐵路在改善輪軌關系、減少和控制鋼軌傷損、延長鋼軌使用壽命方面，分別提出適合各自線路特點的輪軌廓形[2]。中國鐵道科學研究院針對我國鐵路LMA、LMB、XP55、LM 車輪踏面在線路上混跑的實際情況， 以直線線路鋼軌上的輪軌接觸光帶居中、 曲線線路上車輪輪緣貼靠鋼軌時形成共形接觸為預期目標，在CHN60 廓形的基礎上設計了60N 廓形[3]，經過普速和高速鐵路鋪設使用考核，2017 年起在我國高速鐵路全面推廣使用[4]，此外從改善輪軌匹配關系和減少打磨量的角度設計研發(fā)了鋼軌打磨設計廓形60D，經過現(xiàn)場試驗采用該設計打磨廓形可將打磨周期延長4～5 a，且不易出現(xiàn)動車組構架橫向加速度超限和晃車[5]。

優(yōu)化的鋼軌廓形實施及其精度依賴于其實現(xiàn)的方法，主要包括鋼軌打磨和銑磨兩種辦法[6-7]。 鋼軌打磨是通過電機驅動分布在軌頭不同位置的磨頭進行旋轉、平移、滾動等運動磨耗掉相應部位的表面材料，從而使軌頭貼近目標廓形[8]。 但從其對軌頭廓形的整修原理和傷損程度上來說，對于目標廓形和既有廓形相差較大、 表面?zhèn)麚p較嚴重的情況下，打磨遍數(shù)多，效率較低，此外打磨還存在作業(yè)時容易產生飛濺的火花、金屬粉塵等問題[9]。 鋼軌銑磨技術包括銑削和磨削兩種裝置，是由鑲嵌在銑削刀盤上的刀粒對鋼軌頂面、軌距角和工作邊同時進行銑削加工，而后磨削盤將銑削過的鋼軌表面進行打磨, 消除掉鋼軌表面的棱角, 從而獲得目標廓形，相比打磨作業(yè)，銑磨作業(yè)具有效率高，受原始廓形影響很小，切削能力強精度高，表面平順度恢復好、能用較少遍數(shù)來消除較大傷損等特點[10]。 但銑磨的廓形由刀盤和刀粒布局確定，一旦刀粒布局和刀盤確定則只能銑削出對應的廓形，靈活度不高。

為了擴展鋼軌銑磨對不同鋼軌廓形的應用能力，發(fā)揮銑磨車的優(yōu)勢，彌補不足，本文根據(jù)逆向工程設計原理和方法，采用3D 掃描技術，還原銑磨車刀盤及其上的刀粒組合特征， 結合鋼軌60D 廓形，對銑磨車刀盤刀粒布局進行調整以實現(xiàn)廓形重構，制作了相應的刀盤，并進行現(xiàn)場試驗驗證其銑磨精度和效果。

1 打磨設計廓形60D

對CHN60，60N，60D 3 種廓形， 分別取軌頂最高點和靠工作邊一側軌頂面以下16 mm 軌距角處對齊，如圖1 所示。 計算CHN60 廓形與60D 廓形，60D 廓形與60N 廓形的垂向差值，如圖2 所示。

圖2 各廓形間垂向差值Fig.2 Vertical difference between profiles

如圖1 所示， 與CHN60 和60N 廓形相比，60D 廓形在非工作邊和外側角與CHN60 保持一致，略平緩；在軌距角和軌肩區(qū)域介于CHN60 和60N 廓形之間，略低凹。 如圖2 所示，在距離軌頂中心向工作邊一側0～30 mm，60D 廓形與60N 廓形的垂向差值在-0.07～0.97 mm， 即在距離軌頂中心偏工作邊5 mm 處高凸0.07 mm， 在距離軌頂中心偏工作邊30 mm 處低凹近0.97 mm；在同樣范圍內，CHN60 廓形與60D 廓形的垂向差值在0～0.6 mm，其中在距離軌頂中心偏工作邊25 mm處高凸近0.60 mm。

根據(jù)各廓形間差值以及考慮到60N 廓形的設計初衷是直線光帶居中和曲線共形接觸，本文在基于60D 廓形進行銑磨車刀盤和刀粒布局設計時，軌肩軌距角處允許一定量的過銑磨，即考慮刀盤加工誤差和現(xiàn)場作業(yè)誤差的情況下， 使得目標廓形與60D 廓形貼合或略偏向60N 廓形。

2 銑磨車刀盤測量

逆向工程[11]是一種對既有實物進行技術再現(xiàn)的手段，來源于商業(yè)及軍事領域中的硬件分析，即從目標產品的原型出發(fā)， 將其轉化為如CAD 模型等相關的數(shù)字化模型，從而實現(xiàn)幾何模型重建和產品制造，是對已有產品再設計、再創(chuàng)造的過程，其工作流程一般為三維數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、三維模型重構和模型制造。

從逆向工程的思路出發(fā)，采用3D 掃描儀[12]測量既有刀盤，獲得既有刀盤的三維點云數(shù)據(jù)，如圖3 所示。 將測量數(shù)據(jù)導入Rapidform XOR/Redesign軟件進行噪點和無效數(shù)據(jù)刪除后，獲得刀盤實測模型；進一步通過建立基準面、劃分領域組、回轉、拉伸等操作得到刀盤框架圖，將其導入CAM 軟件測量各部分尺寸； 最后對測量數(shù)據(jù)適當處理以滿足加工以及銑磨車安裝要求， 刀盤的輪廓加工尺寸見表1。

表1 刀盤輪廓尺寸Tab.1 Outline size of milling cutter

圖3 銑磨刀盤表面3D 掃描Fig.3 3D Scanning of facing cutter surface

3 銑磨車刀粒布局

目前國內普遍使用奧地利LINSINGER 公司生產的SF03-FFS 型銑磨車，該車左右兩側各裝備2個銑盤和1 套磨盤[13]。銑盤用于切削鋼軌，每個銑盤有22 組銑削刀粒組合，每組包含8 個刀粒，分2 排排列；磨盤用于提高鋼軌表面的光潔度。 銑磨目標廓形由刀盤上的刀粒布局決定，而既有銑磨刀盤采用標準60 軌廓形， 因此需要根據(jù)鋼軌打磨設計廓形60D 對刀盤的刀粒布局進行調整，為實現(xiàn)軌頭更凸的60D 設計廓形，將每排刀粒槽增加1 個，即每組增加2 個刀粒。 這樣可以更加平緩地完成鋼軌軌頭廓形覆蓋，避免出現(xiàn)臺階現(xiàn)象。

為考察本文設計的刀粒布局與60D 廓形貼合狀態(tài)，將相鄰2 排刀粒（1 組）投影到同一橫斷面上與CHN60 廓形進行比較。 第1 排刀粒序號從軌距角到外側角依次為1，3，5，7，9；第2 排刀粒序號從軌距角到外側角依次為2，4，6，8，10，如圖4 所示。

圖4 銑磨刀盤的刀粒布局Fig.4 Grain layout of milling cutter

《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》[14]第二十條要求，打磨平面寬度應符合：軌頂縱向中心線兩側10 mm 區(qū)域為10 mm，10～25 mm 區(qū)域為7 mm，其余打磨區(qū)域為5 mm，如圖5 所示。 統(tǒng)計各刀粒切削出的棱面寬度，并與圖5 所示的打磨痕跡最大平面寬度對比；計算相鄰兩刀粒切削形成的棱面夾角和交點與目標廓形的徑向距離，統(tǒng)計結果見表2。

圖5 銑磨后最大平面寬度Fig.5 Maximum plane width after milling

表2 各刀粒切削線寬度實測值Tab.2 Measured width of cutting line of each cutter grain

從表2 中可以看出，除去刀粒2 外，各刀粒切削出的棱面寬度均小于允許值；對于刀粒2，雖然銑磨棱面較寬， 但考慮到刀粒2 切削線是大圓弧，其它刀粒切削線為直線，整個棱面仍比較平滑。 可以認為本文采取的刀粒布局符合銑磨后的最大平面寬度的要求。

從表3 中可以看出，相鄰兩刀粒切削形成的棱面夾角接近180°， 交點與60D 廓形的徑向距離在0.06～0.20 mm 范圍內，貼合效果良好，在磨盤的作用下，可實現(xiàn)銑磨后廓形與60D 廓形的進一步貼合。

表3 相鄰刀粒切削線組合特征Tab.3 Characteristics of the combination of adjacent cutting lines

4 銑磨車刀盤試驗

將本文設計的60D 廓形刀盤（分左右軌兩個刀盤）安裝到銑磨車上，在某線路曲線上進行現(xiàn)場試驗。 內、外股鋼軌各布置測點5 個，每個測點間距約50 m，分別測量銑磨作業(yè)前、后各測點鋼軌軌頭廓形進行對比，以驗證所制銑磨刀盤的銑磨效果。 待銑鋼軌為60 kg/m 磨耗軌，目標廓形為60D 鋼軌，鋼軌型面測量采用RS2015-2W 型便攜式鋼軌外形測量裝置，利用緊鎖的伸縮桿將測量裝置的測量截面垂直于鋼軌，通過滑動滾輪讀取廓形。

銑磨前后的鋼軌廓形軌底坡與標準60D 鋼軌不一致。 為了更準確的統(tǒng)計型面測量差異，首先將銑磨前后鋼軌廓形進行旋轉，至非工作邊與60D 鋼軌廓形的非工作邊斜率一致。 按照《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》要求，將銑磨后鋼軌廓形和標準60D鋼軌廓形“在軌頂最高點處上下對齊，在Z-16 處左右對齊”，兩者間的差值作為銑磨誤差。 銑磨前鋼軌廓形按照“非工作邊軌下顎固定點位置不變”原則與銑磨后廓形對齊，兩者間的差值作為銑磨量。 銑磨前鋼軌廓形， 銑磨后廓形，60D 廓形3 者對齊后的型面如圖6 所示。 銑磨后軌頭各角度相對于銑磨前廓形的銑磨量以及相對于60D 廓形的銑磨誤差如表4 所示（負值代表過銑磨），銑磨量和銑磨誤差的統(tǒng)計范圍為軌頭頂部-10°～10°。

圖6 銑磨前后鋼軌廓形與60D 廓形對齊Fig.6 Rail profile before and after milling aligned with the 60D profile

表4 某測點軌頭頂部各角度銑磨量和銑磨誤差Tab.4 Milling amount and milling error of each angle at the top of the rail head

從圖6 可以看出，該測點左、右股鋼軌廓形在-20°～60°均有銑磨。 其中左股鋼軌軌頂區(qū)域-20°～20°銑磨效果較好，銑磨后鋼軌廓形與目標60D 廓形基本貼合； 但是軌距角區(qū)域20°～40°未完全銑磨至目標60D 廓形，對于這種肥邊較嚴重的鋼軌，工作邊的銑削量仍需增加；右股鋼軌主要銑磨范圍是軌頭頂部-20°～10°區(qū)域， 軌頭內側10°～60°區(qū)域內銑磨量較小，銑磨后鋼軌廓形與目標60D 廓形基本貼合。

從表4 可以看出，在軌頭頂部-10°～10°，該測點左股鋼軌廓形最大銑磨量為1.68 mm，平均銑磨量為1.68 mm，最大銑磨誤差絕對值為0.15 mm，平均銑磨誤差為0.11 mm； 右股鋼軌廓形最大銑磨量為1.71 mm，平均銑磨量為0.93 mm，最大銑磨誤差絕對值為0.23 mm，平均銑磨誤差為0.14 mm。 因此，該刀盤銑磨效果較好，單次銑磨量在1 mm 左右，銑磨誤差小于0.3 mm。

5 結論

采用3D 掃描技術以及逆向工程方法設計和制作了鋼軌打磨設計廓形60D 銑磨車刀盤，并對其進行了現(xiàn)場試驗，驗證了其銑磨精度，主要結論如下：

1） 60D 廓形在軌肩和軌距角處位于CHN60 廓形和60N 廓形之間， 與60N 廓形相比，60D 廓形在軌肩處靠近60N 廓形，在軌距角處則高出60N 廓形0.8～1.0 mm；根據(jù)60D 廓形以及60N 廓形相互位置及差值，銑磨作業(yè)后廓形應貼近60D 廓形或適當偏向60N 廓形。

2） 通過3D 掃描技術獲取銑磨車刀盤點云數(shù)據(jù)， 利用逆向工程設計方法獲取刀盤的幾何參數(shù)，并根據(jù)60D 設計廓形調整刀粒布局，檢驗刀粒切削出的棱面寬度、相鄰兩刀粒切削形成的棱面夾角和交點與60D 廓形的徑向距離等參數(shù)，表明在磨削盤的配合下，本文設計的銑磨刀盤刀粒布局與60D 廓形貼合良好。

3） 對本文設計的60D 廓形刀盤進行現(xiàn)場試驗，結果表明，該刀盤對鋼軌銑磨效果較好，軌頭頂部-10°～10°單次銑磨量在1 mm 左右， 銑磨精度小于0.3 mm； 然而鋼軌肥邊對銑磨效果有一定的影響，建議肥邊嚴重區(qū)段進行多次銑磨。