CRTSⅡ型無砟軌道板打磨關鍵技術研究

秦小光，胡 媛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

自20世紀60年代以來，先行發展高速鐵路的日本、德國等國家大力開發以混凝土或瀝青混合料等產品取代散粒道砟道床(有砟軌道)的各類新型軌道，統稱為無砟軌道。與有砟軌道相比，無砟軌道具有穩定性高、剛度均勻性好、結構耐久性強、維修工作量小的特點，能夠滿足高速列車安全性、平穩性、舒適性的要求，成為高速鐵路、客運專線軌道結構的發展方向［1-2］。已建成的京津城際和京滬高鐵，設計時速350 km，均采用CRTSⅡ型無砟軌道板。

1 CRTSⅡ型板結構

圖1 標準軌道板結構示意

CRTSⅡ型板分標準版和異型板。標準板為預應力混凝土結構，質量達 8.6 t，每塊長 6.45 m，寬 2.55 m，厚0.2 m，結構如圖1所示。標準板縱向分20個承軌臺，承軌臺設計適應于有擋肩扣件，每塊板的承軌臺的參數均不同，經過打磨后確定了其在線路上唯一位置屬性，每塊板都有一個唯一的身份識別代碼，鋪裝時須“對號入座”。異型板包括補償板、特殊板、小曲線半徑板以及道岔板，其中補償板、特殊板、小曲線半徑板均在標準板基礎上發展變化而來，與標準板有著類似的結構特點，分別用于補償調整線路長度、道岔前后過渡、曲線半徑小于1 500 m地段。道岔板用于單獨設計道岔區。圖1為標準軌道板結構示意。

CRTSⅡ型板的設計、生產、施工工藝復雜、技術標準高、科技含量大，對各工序的精度要求高。承軌槽精密加工是各道工序中最關鍵的，精度要求為0.1 mm，采用數控機床進行打磨。打磨系統的研發是CRTSⅡ型板技術體系建設中的最繁雜和最困難的，不但涉及到鐵路、機械制造、自動控制、計算機等多個行業，而且跨越鐵路設計、軌道板制造、磨床制造、軟件開發、無砟軌道施工等多個不同領域，自主開發前一直依賴高價引進的國外軟件。隨著CRTSⅡ型板技術體系攻關和創新，我國已研發出自主的CRTSⅡ型板設計、生產、施工等一系列成套技術，打磨技術是該技術體系的一部分，也是最關鍵的生產技術。

2 CRTSⅡ型板打磨技術體系

CRTSⅡ型板打磨技術體系，是CRTSⅡ型板技術體系建設的最繁雜、最難研發的部分。打磨軟件是其靈魂，統領著打磨系統。其通過對毛坯板的檢測，結合從生產管理系統中的得到的布板數據，生成一個優化的打磨控制程序，控制機床研磨，采用激光測量糾偏，生產出與對應布板參數數據一致的 CRTSⅡ型板。CRTSⅡ型板數控機床打磨軟件是基于西門子840D數控系統開發的，包括生產管理、磨床控制、打磨操作、激光測量、雕刻5個子系統。圖2所示為打磨軟件的構成。

圖2 打磨軟件的構成

2.1 生產管理系統

生產管理系統是基于Windows操作系統的一款CRTSⅡ型板打磨生產管理程序，它實現了從讀取FFB布板數據，安排打磨任務、傳輸數據到打磨機、打磨結束獲取數據、儲板場管理、到發送成品板，提高了軌道板打磨的自動化程度，使生產效率得到了極大提高。

2.2 磨床控制系統

該系統用來和生產計劃系統進行通訊并用于控制打磨機及生成數據程序。它是打磨軟件的核心，相當于人體的大腦，流程控制、打磨量的計算、左右線板的判斷、各種參數的傳遞以及測量數據的處理都通過磨床控制軟件來完成。

2.3 打磨操作系統

CRTSⅡ型板打磨操作是數控機床根據待完成的幾何額定值、毛坯板的精度以及最終確定的打磨次數對軌道板進行打磨的過程。磨床是打磨軟件的具體執行者，相當于人體的手和腳，根據磨床控制軟件來執行具體的操作。按照磨床控制軟件的流程，根據磨床控制軟件傳遞過來的各種參數，進行具體的打磨工作。

2.4 激光測量系統

激光測量系統使用激光掃描儀，根據磨床控制系統提供的測量命令對軌道板上的幾個點進行數據讀取記錄，主要負責毛坯板和成品板的測量。打磨軟件根據激光測量出來的數據計算毛坯板打磨量，并與布板數據比較判斷打磨是否合格。

2.5 刻字系統

每塊CRTSⅡ型板都有一個唯一的身份識別代碼，激光測量合格后，刻字系統把此塊CRTSⅡ型板專屬的識別代碼刻上去，用于發送和鋪設管理。刻字系統就是根據軌道板生產要求，把要求雕刻的尺寸，工藝路線、數值參數等內容，用數控系統能夠接受的數字及文字代碼表示出來，并按一定的規則進行組合。

3 打磨技術體系關鍵技術

3.1 打磨操作流程

軌道板的打磨由打磨機完成，工作過程需要水、電、氣及污水處理系統協同運行，正常情況下，軌道板打磨時間約15 min。主要工作程序如下。

固定軌道板:托架線將軌道板運送到打磨工位，然后通過設置在軌道板下的6個油缸將毛坯板頂起并進行找平調整，從側面6個夾緊油缸將軌道板卡緊。此時即可開始對毛坯板進行測量和磨削加工。

生成子程序:通過磨床內激光測量系統測量軌道板承軌臺的各個關鍵點，計算出板平面相對于加工面的位置，然后將加工面轉換到軌道板上，并借助路線控制數據(每個承軌臺的Y、Z坐標和傾斜角)自動生成加工該塊板的數控打磨子程序。

打磨軌道板:根據打磨程序給出的打磨次數和打磨量，打磨機的2個磨輪對軌道板進行打磨行程，直至符合質量標準。

雕刻編號:軌道板打磨完成后，測量系統自動對軌道板打磨質量進行檢測，經檢測合格后，自動生成雕刻程序將軌道板的布板編號雕刻在軌道板上。

清洗出板:編號雕刻完成，用固定在機床上的沖洗裝置沖洗軌道板。然后松開夾緊油缸，將軌道板放到滾輪托架線上，打開打磨室的進出料口，打磨完成的軌道板被運出，下一塊毛坯板進入打磨室。

3.2 打磨關鍵技術

(1)五軸機床聯動技術:在這里可以把軌道板看成一個待加工的三維曲面零件，可以用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，一臺五軸聯動機床的效率可以等于2臺三軸聯動機床，特別是使用磨輪對承軌臺進行多角度打磨，五軸聯動加工發揮更高的效益［3］。

(2)數控機床技術:磨床控制系統使用數控程序對磨床進行控制。數控程序的編譯是根據需要被打磨的軌道板圖紙和技術要求、工藝要求，將軌道板加工的工藝順序、工序內的工步安排、刀具相對于軌道板運動的軌跡與方向、工藝參數及輔助動作等，用數控系統所規定的規則、代碼和格式編制成文件，并將程序單的信息制作成控制介質的整個過程。在本系統中使用NC語言作為數控加工語言。在打磨現場可以對程序修改或編譯后直接輸入到840D數控系統中，其打磨精度還可以利用軟件進行校正及補償。由于NC語言是由后置處理器產生，可以直接輸入機床，所以有廣泛的適應性和較大的靈活性［4-7］。

(3)一刀磨和兩刀磨技術:為了與不同的打磨機相匹配，打磨軟件設計了2套不同的打磨程序——一刀磨NC程序與兩刀磨NC程序。兩刀磨指使用半磨輪分2次打磨成型。它的打磨過程是根據待完成的幾何額定值、毛坯板的精度以及預定的最大打磨量確定打磨次數。軌道幾何額定值將先按承軌臺一半寬度進行打磨。每次打磨完一半承軌臺后C軸需要旋轉180°繼續打磨。一半承軌臺打磨完成后兩主軸分離，并完成180°回轉，A軸反偏。刀架對回轉中心偏置后成功對準另一半承軌臺，再打磨承軌臺的另一半。圖3左側為打磨了一側的承軌臺。

圖3 兩刀磨與一刀磨

一刀磨即為采用整體磨輪一次打磨，打磨機使用整體磨輪，它的設備與采用半磨輪拼接打磨機械構造上有較大不同。理論上一刀磨需要的驅動力應為兩刀磨的2倍，在軟件開發的過程中采用液壓驅動技術的整體磨輪進行一次打磨。它的打磨成功，標志著中國有能力自主研制打磨機、開發打磨程序，自行研制的打磨機將明顯提高打磨效率，是打磨機技術的突破性創新。圖3右側為使用整體磨輪打磨后的承軌臺。

整體磨輪打磨出的軌道板，承軌臺更為平整，減少了列車過軌時的顛簸，增強了乘車舒適度。一刀磨與兩刀磨相比，大大節省了打磨時間，提高了生產效率。

(4)刻字與模腔循環技術

刻字系統的工作過程是指接收操作雕刻指令到執行完成指令的過程，整個過程都是在系統軟件的統一管理下進行的。圖4為刻字系統的工作過程。在一塊軌道板上進行雕刻，系統首先從刻字程序中接收雕刻信息，然后進行編碼轉換為系統可識別的代碼，根據譯碼的結果進行數據處理，輸出不同的控制功能，如雕刻軸的旋轉、控制進給坐標軸運動等。

圖4 刻字系統的工作過程

刻字系統采用了模腔循環技術，可以靈活地調用數字庫。模腔循環是一個工藝子程序，使用此循環可以實現雕刻一組識別號碼的加工過程。通過具體參數的設定，可以使模腔循環與具體的雕刻要求相匹配。使用模腔循環可以銑削一個以直線排列的或者以圓弧排列的文字，圓弧排列的文字可以上面或者下面對齊。字體高度和文字總寬度，字符間距或者圓弧排列時的張角，以及字體的對齊均可以通過不同的參數進行改變。通過使用模腔循環，程序簡潔、明了，在編制雕刻程序時，只需調用子程序并對其中變量賦值［8-10］。圖5所示為使用模腔循環的刻字系統對鋼板進行的雕刻試驗結果。由于鋼板與混凝土的硬度不同，在實際的軌道板刻字系統中個別參數設置與鋼板試驗中略有不同。

圖5 鋼板雕刻試驗

4 結語

為適應我國高速鐵路建設發展的需要，建立自己的無砟軌道技術體系，打破國外無砟軌道的技術壟斷，鐵道部進行了CRTSⅡ型板技術體系攻關和創新，CRTSⅡ型板式無砟軌道打磨系統技術體系就是這次攻關和創新的一個重要成果。通過中鐵二十局石武客專項目部、十七局京滬高速項目部使用和驗證，表明自主系統比國外系統有更強的適應性，填補了國內空白。

高速鐵路無砟軌道技術是一個系統工程，本文僅研究分析了CRTSⅡ型無砟軌道打磨系統技術體系的關鍵技術，該研究也是一個不斷研究摸索與實踐相結合的過程，在實際應用結合方面仍有許多地方需要改進和完善，這是下一步所要進行的工作。

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