一種全自動自定位鋼軌打磨機的設計

林吉靚，朱 峰

（開封大學 機械與汽車工程學院，開封 475004）

0 引言

鐵路運輸是各個國家最主要的運輸方式，隨著鐵路運輸對高速度需求的不斷提高，要求軌道具有更高的平順性和更高的穩(wěn)定性，因此無縫鋼軌的優(yōu)越性日益凸顯，它已成為各國鐵路現(xiàn)代化的重要標志之一。無縫鋼軌有25m的短軌焊接而成，其鋼軌焊縫（見圖1所示）的平直度會引起車輛振動，增大的輪軌受力，因此焊縫質(zhì)量是限制高速鐵路行車速度的核心問題[1,2]。另外，鋼軌在使用的過程中會因此磨損、振動及雨水腐蝕等原因會出現(xiàn)毛刺（見圖2）、表面腐蝕、剝落等各種問題，因此需要定期的對鋼軌進行打磨修復或者對焊縫進行加強焊接[3]。目前國內(nèi)在軌道維護中使用的鋼軌打磨機仍處于手工操作階段（見圖3），鋼軌的質(zhì)量完全取決于工作人員的經(jīng)驗和熟練程度[6]，無法實現(xiàn)精確定量和微量控制，工作效率低下，打磨質(zhì)量難以保證，因此，研究設計具有自動進給控制系統(tǒng)的自動鋼軌打磨機具有極強的現(xiàn)實意義[4,5]。下面對全自動自定位鋼軌打磨機的設計及工作過程進行介紹。

圖1 未打磨的鋼軌焊縫

圖2 磨損之后的鋼軌

1 全自動自定位打磨機的總體機構(gòu)設計

圖3 工人使用內(nèi)燃機動力鋼軌打磨機維護鋼軌

圖4 全自動自定位鋼軌打磨機

如圖4所示：鋼軌打磨機包括定位機構(gòu)、磨削機構(gòu)和電機控制三部分。機械部分主要有機架、絲杠螺母、導柱導套、行走機構(gòu)、加緊機構(gòu)和支撐裝置等組成。機架11是用槽鋼焊接而成的結(jié)構(gòu)，其上端安裝在橫向?qū)驒C構(gòu)5上，下端安裝有砂輪電機9及打磨砂輪等磨削機構(gòu)，兩側(cè)對稱安裝著四個行走輪7，行走輪在磨削時如圖左側(cè)所示提起以保證打磨機精確定位。打磨機的定位機構(gòu)分三個部分，一是左右兩側(cè)對稱安裝的垂直定位調(diào)整機構(gòu)，如圖所示的垂直定位電機1、垂直導向?qū)е鶎?和配套的絲杠螺母傳動機構(gòu)3；二是前后兩側(cè)對稱安裝的縱向定位調(diào)整機構(gòu)，包括縱向定位電機8和調(diào)節(jié)手輪10及絲杠螺母機構(gòu)；三是中間安裝的橫向定位調(diào)整機構(gòu)，包括一個步進電機4、絲杠螺母及兩套導軌導套5。鋼軌打磨機可以完成砂輪磨頭的旋轉(zhuǎn)運動，磨削機構(gòu)沿砂輪的軸向進給運動及鋼軌方向的進給運動，有2個夾緊電機、3個磨削電機和5個定位調(diào)節(jié)電機進行完成，均采用PLC控制進行，通過觸摸屏可進行手動或自動控制，利用PLC與步進電機的控制器通信,來控制其正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止運行；同時能夠在運行過程中在觸摸屏上直接修改PLC的控制參數(shù)以及在觸摸屏界面上監(jiān)視步進電機的的運行情況。

鋼軌打磨機主要完成的工作[6]：1）初始焊縫及缺陷鋼軌的打磨。因打磨地方集中可通過人工一次性對刀，調(diào)整打磨參數(shù)后直接打磨完成。2）鋼軌的對中夾緊機構(gòu)。利用位于打磨機下部的專用夾緊定位裝置,完成鋼軌的對中和夾緊鎖死操作。3）鋼軌頂面的打磨。利用垂直方向的兩個步進電機在PLC及驅(qū)動器的驅(qū)動下實現(xiàn)同步升降運動，同時由水平傳感器檢測機架水平度發(fā)出傳輸信號給PLC進行實時調(diào)整實現(xiàn)水平方向的調(diào)整進行打磨。

3 全自動自定位打磨機的工作過程及技術要求

根據(jù)鋼軌的截面特點、組合形式及質(zhì)量要求，鋼軌打磨機需要滿足一下技術要求：

打磨加工范圍：鋼軌的軌頂面、軌側(cè)工作面以及軌底面，加工范圍為以焊接接頭及破損點為中心左右各500mm的范圍；

打磨加工精度：鋼軌頂面及側(cè)工作面的平直度在0～0.02mm/m范圍內(nèi)；

可以完成鋼軌的圓弧面和平面的仿形打磨。

鋼軌打磨機的工作過程主要包括打磨機的夾緊定位、磨削砂輪的對刀、磨削參數(shù)的輸入和自動磨削模式的執(zhí)行，具體工作流程如圖5所示。

圖5 全自動自定位鋼軌打磨機工作流程圖

首先準備工作，將鋼軌打磨機移動到打磨鋼軌位置，提起行走裝置，將打磨機支撐在鋼軌之上，接通電源，啟動夾緊電機帶動夾緊裝置通過夾緊力將打磨機固定。之后的磨頭對刀可以是人工直接操作或者通過觸摸屏(又稱人機對話界面)對打磨頭砂輪進行對刀操作，其操作界面見圖6和圖7所示，夾具松開，設定磨削所需的參數(shù)，至此準備工作結(jié)束，可以進入自動磨削模式。圖7所示的參數(shù)設定界面可以根據(jù)所打磨的部位不同及打磨方式不同自行設置，對刀及參數(shù)調(diào)整完成后,就可以對鋼軌焊接接頭工作面進行自動磨削加工。鋼軌打磨機安裝的縱向及橫向進給裝置可以實現(xiàn)鋼軌上工作頂面的打磨和兩個側(cè)面的打磨，打磨完成后自動完成退刀。之后檢測磨削精度是否合格，是否還需要進行磨削加工，此時若檢測沒達到要求則重復上述鋼軌夾緊、鋼軌打磨、鋼軌檢測等步驟直至符合工藝要求。打磨機始終以已經(jīng)打磨好的工作面為精基準進行定位，當機器沿軌道移動到需要打磨的位置后其夾緊裝置在水平儀的輔助下可以實現(xiàn)精確定位并夾緊鋼軌，以此實現(xiàn)高精度打磨。鋼軌打磨機可以實現(xiàn)雙側(cè)砂輪同時打磨，避免了單個砂輪軸線以一定角度旋轉(zhuǎn)而引起的誤差，雙側(cè)砂輪以步進電機驅(qū)動，按數(shù)控插補的形式進行兩軸半聯(lián)動分級進給，實現(xiàn)軌道拐角的仿形打磨。

鋼軌打磨機利用PLC控制兩側(cè)的步進電機實現(xiàn)自動調(diào)平，由水平傳感器檢測機架水平度，反饋信號給PLC進行實時調(diào)整，以保證打磨過程中工作臺的水平，實現(xiàn)高精度打磨。在實際工程自動化應用中,還可以通過觸摸屏設置和修改PLC和變頻器內(nèi)部的參數(shù),直接查看PLC和變頻器的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對鋼軌打磨機變頻PLC控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

圖6 初始界面

圖7 參數(shù)設定界面

4 結(jié)論

鋼軌打磨是鐵路養(yǎng)護維修中的重要手段，打磨可以消除鋼軌軌面的各種磨損以延長鋼軌的使用年限；消除軌面不平順性以提高列車的運行平穩(wěn)性和旅客的乘車舒適性。目前國內(nèi)廣泛使用的內(nèi)燃型鋼軌打磨機主要依靠人工操作，手動進給，效率低且成本高。本文所研究設計的全自動自定位鋼軌打磨機可以實現(xiàn)自動進給功能，可實現(xiàn)高精度打磨，并具有穩(wěn)定性高、適應性強、快捷高效和操作簡單等優(yōu)點，大大減少工作人員的作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率，實用性強，其設計也可以給同類設備的設計者們提供了有益的參考和啟示。

[1] 王文健等.高速鐵路鋼軌打磨技術及其應用[J].西南交通大學學報,2007,42(5):574-577

[2] 李江華,高速鐵路鋼軌平順性的影響因素及其整治措施初探[J].現(xiàn)代交通技術,2011(6):90-93

[3] 金學松,杜星,等,鋼軌打磨技術研究進展[J].西南交通大學學報,2010,45(1):1-10.

[4] 焦作市月山工務機械廠,一種鋼軌仿形精磨機[P].中國,實用新型專利,200820230614.9,2009(11).

[5] 江蘇華金鐵路軌道科技有限公司,移動式仿形自動磨軌機[P].中國,實用新型專利,200920043658.5,2010(02).

[6] 胡志成.NMG-4.8 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):8-10.