銑磨車銑加工鋼軌的鐵屑參數(shù)分析

翟中炎 謝江生 李海昆 江 河 方健康 孔雪平

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司研究院，650215，昆明∥第一作者，高級(jí)工程師）

銑磨車銑加工鋼軌的鐵屑參數(shù)分析

翟中炎 謝江生 李海昆 江 河 方健康 孔雪平

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司研究院，650215，昆明∥第一作者，高級(jí)工程師）

鐵屑是銑磨車收集系統(tǒng)的運(yùn)輸介質(zhì)。分析作為微觀的個(gè)體（單個(gè)鐵屑）和宏觀的物料（一個(gè)工作單位時(shí)間產(chǎn)生的鐵屑），對(duì)設(shè)計(jì)鐵屑收集系統(tǒng)和鐵屑收集系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究作用很大。從林辛格生產(chǎn)銑磨車的銑加工工作原理出發(fā)，分析微觀的個(gè)體鐵屑外形尺寸、體積和質(zhì)量，隨后在單個(gè)的鐵屑參數(shù)基礎(chǔ)上，計(jì)算出一段工作時(shí)間內(nèi)排出的鐵屑體積和質(zhì)量，最后計(jì)算出直徑為1 400 mm的銑刀排屑的參數(shù)。這個(gè)方法可以推廣到任何直徑銑刀盤的鐵屑收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中。

軌道交通；鋼軌銑磨車；銑刀盤；鐵屑收集系統(tǒng)

First-author'saddressChina Railway Large Maintenance Machinery CO.，Ltd.，650215，Kunming，China

隨著城市軌道交通發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展問題已成為我國(guó)城市軌道交通發(fā)展戰(zhàn)略的首要問題［1］。有效的鋼軌維修和維護(hù)能夠?qū)Τ鞘熊壍澜煌ǖ目煽啃?、可持續(xù)性和安全性起到不可忽視的重要作用。同時(shí)，隨著高速鐵路的發(fā)展，鐵路部門對(duì)鋼軌輪廓質(zhì)量的要求也日益嚴(yán)格，過去傳統(tǒng)的檢測(cè)和修護(hù)方法已不能滿足鐵路部門的要求［2］。鋼軌的磨耗，比如側(cè)面磨耗和波磨（見圖1），不僅造成了軌道運(yùn)行時(shí)的噪聲污染，而且增加了養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。利用鋼軌銑磨車定期對(duì)鋼軌進(jìn)行維護(hù)，不僅能消除鋼軌磨耗，同時(shí)也可清除鋼軌表面的接觸疲勞層，防止軌頭剝落掉塊，有效延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，降低輪軌噪聲，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性和旅客乘坐舒適度，有效降低運(yùn)輸故障率和事故率。

銑磨車的銑單元是對(duì)鋼軌粗銑床削加工，其產(chǎn)生的鐵屑量大而且不均勻程度高。對(duì)單個(gè)鐵屑和鐵屑物料同步分析，有助于鐵屑收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和后期的理論研究。

1 鋼軌截面分析和銑單元的銑削原理

標(biāo)準(zhǔn)鋼軌截面界面（見圖2）使用一段時(shí)間后軌頭形狀就會(huì)出現(xiàn)改變（見圖3）。這就會(huì)加速鋼軌不均勻磨損、破壞，甚至導(dǎo)致車輛故障和行車事故。

2010年6月頒發(fā)的《高速鐵路鋼軌養(yǎng)護(hù)維修實(shí)施細(xì)則（試行）》中規(guī)定：鋼軌軌頭的總磨耗=垂直磨耗+1/2側(cè)面磨耗。側(cè)面磨耗在鋼軌踏面（按標(biāo)準(zhǔn)斷面）下16 mm處測(cè)量（見圖4）。60 kg鋼軌在全國(guó)鐵路和城市軌道交通線路中的應(yīng)用最為普遍，因此以60 kg鋼軌為例進(jìn)行分析。刀片按軌頭截面輪廓排列，每個(gè)刀片切削軌頭的截面為一段小直線，通過N段小直線就能模擬出軌頭的曲線輪廓。即用N段直線仿真軌頭曲線。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的截面圖

圖3 使用中的各種軌頭截面

圖4 成型刀片切削截面圖

林辛格銑刀盤的一組成型刀由7個(gè)刀片組成（見圖5），外加一個(gè)刀片對(duì)軌頭輪廓以下小區(qū)域進(jìn)行修整，目的是更好地鞏固成型刀片修整效果。一次作業(yè)后，軌頭的外形輪廓和收集到的鐵屑見圖6及圖7。

圖5 林辛格銑刀盤

圖6 銑單元加工后的軌頭輪廓

圖7 鐵屑

鐵屑是銑刀盤加工后的排出物，需要及時(shí)輸送走，否則會(huì)打壞銑刀，影響作業(yè)效率。鐵屑也是鐵屑收集系統(tǒng)的運(yùn)輸物料，是鐵屑收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。單個(gè)鐵屑的參數(shù)（包含鐵屑的長(zhǎng)度a、寬度b、厚度h等）由銑刀刀片參數(shù)和切削深度決定。

下面以林辛格銑磨車銑刀盤（直徑為600 mm）在極限作業(yè)速度1.5 km/h的工況條件下，計(jì)算單個(gè)鐵屑和物料鐵屑的參數(shù)。銑磨車銑刀盤切屑鋼軌示意圖見圖8。刀片參數(shù)為長(zhǎng)11 mm、寬20 mm，切屑深度為1.5 mm，得到的單個(gè)鐵屑為51.06 mm× 20.00 mm×1.50 mm長(zhǎng)方體模型（見圖9）。按照調(diào)研收集的鐵屑參數(shù)，對(duì)長(zhǎng)方體模型進(jìn)行仿真變形得到鐵屑模型（見圖10）。當(dāng)作業(yè)2個(gè)天窗時(shí)間（6 h）、作業(yè)的距離為9 km時(shí)，切屑鐵屑的顆粒為176 263.22個(gè)，物料鐵屑的質(zhì)量為9 876.96 kg。（說明：現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)2個(gè)天窗時(shí)間，剔除準(zhǔn)備和收車等時(shí)間，一般作業(yè)時(shí)間為4 h左右，但設(shè)計(jì)必須按滿負(fù)荷工況。）同理，可以以林辛格銑單元為例算出不同工況下銑刀鐵屑參數(shù)（見表1）。這對(duì)鐵屑收集系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和輸送管的參數(shù)設(shè)計(jì)（式4～6）提供了重要基礎(chǔ)。

表1 銑刀鐵屑參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

單個(gè)鐵屑的質(zhì)量

作業(yè)時(shí)間后的鐵屑總質(zhì)量

作業(yè)時(shí)間后的鐵屑總體積

單個(gè)銑刀盤排屑鐵屑的鐵屑輸送率

每個(gè)銑刀處風(fēng)管單位時(shí)間輸送鐵屑質(zhì)量

單根輸送鐵屑風(fēng)管所需要的風(fēng)量［3］

式中：

ρ——鋼的密度，kg/m3；

ρ0——鐵屑的密度，kg/m3；

a——鐵屑長(zhǎng)度，mm；

b——鐵屑寬度，mm；

h——鐵屑厚度，mm；

v——作業(yè)速度，km/h；

K2——考慮遠(yuǎn)景發(fā)展的儲(chǔ)蓄系數(shù)；

γa——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣重度，N/m3；

t——作業(yè)時(shí)間，h；

m——混合比；

K1——供料不均勻系數(shù)［3］。

圖8 銑刀盤切屑示意圖

圖9 鐵屑長(zhǎng)方體模型

2 理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2個(gè)工作天窗作業(yè)后，根據(jù)鐵屑占鐵屑倉的高度比例，大致估算出鐵屑的質(zhì)量和體積，然后通過運(yùn)輸帶排出鐵屑，過磅稱出鐵屑的質(zhì)量（鐵屑回收為煉鋼的原料）。表2是理論計(jì)算結(jié)果和上海鐵路維修基地使用林辛格生產(chǎn)的銑磨車加工鋼軌得到鐵屑數(shù)據(jù)的比較。

從調(diào)研得到的表2中可以看到，收集到的鐵屑質(zhì)量比較精確。由于線路本身的破損情況不同，另外作業(yè)和排卸過程中小部分鐵屑遺失，所以相同作業(yè)時(shí)間下，得到的鐵屑質(zhì)量為9 000～10 000 kg。理論計(jì)算得到的鐵屑質(zhì)量為9 876.96 kg。兩者較為接近，說明對(duì)單個(gè)鐵屑和鐵屑物料的計(jì)算方法可行。這也是鐵屑收集系統(tǒng)計(jì)算的重要參數(shù)。

圖10 鐵屑的模擬模型

表2 上海林辛格銑磨車實(shí)際作業(yè)銑削參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累得到，長(zhǎng)鋼鐵屑的密度ρ0為1.0 ×103kg/m3，短鋼鐵屑的密度ρ0為1.7×103kg/m3。可以根據(jù)客戶要求銑磨車連續(xù)作業(yè)時(shí)間的長(zhǎng)短來設(shè)計(jì)鐵屑收集箱的體積。

某廠商將研發(fā)新型銑磨車，采用直徑為1 400 mm的銑刀盤，軌面輪廓由9個(gè)刀片加工完成，作業(yè)更平穩(wěn)，仿形精度更高。由以上的計(jì)算方法可以比較精確地計(jì)算出新車型加工鋼軌時(shí)排出鐵屑參數(shù)。這對(duì)后期的研發(fā)設(shè)計(jì)新車型的鐵屑收集系統(tǒng)幫助很大。表3是對(duì)該款新車型加工60 kg鋼軌時(shí)排出鐵屑參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

表3 銑刀鐵屑質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語

從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對(duì)鐵屑質(zhì)量做了對(duì)比分析，從而為鐵屑收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。鐵屑質(zhì)量的研究不但為鐵屑收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和鐵屑收集箱的設(shè)計(jì)起指導(dǎo)性作用，還為作業(yè)過程中整車軸重變化對(duì)整車的平穩(wěn)性和安全性評(píng)估提供理論依據(jù)。所以，銑磨車銑加工鋼軌的鐵屑參數(shù)分析研究具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 張曉莉.城市軌道交通“三位一體”發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］.城市軌道交通研究，2008（7）：1.

［2］ 于金帆，苗麗雯，李克順，等.現(xiàn)代鐵路工程師手冊(cè)［M］.長(zhǎng)春：吉林科技出版社，2004.

［3］ 楊倫，謝一華.氣力輸送工程［M］.北京：機(jī)械工程出版社，2006.

Analysis of Swarf Parameters Produce in Rail Milling by Rail Milling Wagon

Zhai Zhongyan，Xie Jiangsheng，Li Haikun，Jiang He，F(xiàn)ang Jiankang，Kong Xueping

Swarf is the transport medium in rail milling suction system.Analysis of the microcosmic swarf（a swarf unit）and the microscopically materiel（the swarfs produced at a time unit）is of great significance inthe design of swarf suction system and for the basic theory.Based on a study of the working principle of the milling wagon manufacture in Lisinger Company，the figure dimension，volume and mass of the swarf are analyzed；on this basis，the volume and mass of the swarf at a certain working time period are calculated，the swarf parameters of the 1 400 mm milling cutter is obtained.This method is available for the design of swarf suction system with different milling diameters.

rail transit；rail milling wagon；milling cutter；swarf suction system

U 216.65

2013-03-05）