鋼軌在線銑磨維護技術(shù)分析與研究

蔡昌勝，方健康，張文麗

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團公司，云南昆明 650215)

目前，國內(nèi)主要的鋼軌在線維護方式有鋼軌打磨和鋼軌銑磨兩種。鋼軌打磨車有作業(yè)效率高、打磨靈活的特點，在預(yù)防性軌形修整、處理病害較輕的鋼軌、線路內(nèi)側(cè)軌形修整、特殊鋼軌輪廓打磨方面具有優(yōu)勢;鋼軌銑磨機在鋼軌維護性輪廓修復(fù)、處理病害較重的鋼軌方面具有優(yōu)勢，作業(yè)效率較高，作業(yè)過程環(huán)保，火花飛濺少，利于防護。鋼軌打磨車和鋼軌銑磨機在鐵路維護方面各有優(yōu)勢，具有很強的互補性，未來的鐵路養(yǎng)護應(yīng)該是結(jié)合鋼軌實際情況，選擇合理的維護方式，達到最佳的維護效果，目前，國內(nèi)有一臺林辛格公司的SF03-FFS鋼軌銑磨機在上海鐵路局使用。

作為一種新型的鋼軌在線維護方法，鋼軌在線銑磨維護有以下關(guān)鍵技術(shù):銑磨單元Z向定位及伺服控制技術(shù)、銑磨單元的Y向定位及伺服控制技術(shù)、整機低速穩(wěn)定控制技術(shù)、轉(zhuǎn)向架調(diào)平控制技術(shù)等。其中，銑、磨單元動態(tài)定位控制原理基本一致，主要在實現(xiàn)鋼軌銑削加工的硬件組態(tài)、組網(wǎng)、Z向伺服控制方面有所不同，從首臺鋼軌銑磨車的應(yīng)用情況看，其銑磨單元伺服控制均采用NCU數(shù)控單元，控制配置復(fù)雜，成本較高。

因此，本文重點對磨單元控制原理分析，并提出優(yōu)化的鋼軌在線銑磨控制網(wǎng)絡(luò)集成圖，達到優(yōu)化硬件配置，降低系統(tǒng)集成度，提高整機控制性能的作用，并對后續(xù)鋼軌在線銑磨維護技術(shù)的方向及重點進行展望，對未來鋼軌在線銑磨維護技術(shù)的研究有重要的指導意義。

1 鋼軌在線銑磨技術(shù)打磨單元的控制邏輯

磨單元的作用是對鋼軌銑磨機銑過的鋼軌表面進行在線打磨，圓周徑向打磨技術(shù)可以提高鋼軌表面粗糙度，達到提高鋼軌縱向平順性和橫斷面輪廓質(zhì)量、降低運行噪音、提高路網(wǎng)運行安全和運營效率的目的。結(jié)合國內(nèi)首臺銑磨機的應(yīng)用，鋼軌銑磨技術(shù)作為一種新型的鋼軌在線維護技術(shù)，其打磨的優(yōu)化控制邏輯應(yīng)該為:

①啟動車輛控制系統(tǒng)，確定整車壓力、外圍連鎖開關(guān)、轉(zhuǎn)向架調(diào)整等信號滿作業(yè)條件;②啟動磨單元控制系統(tǒng)，磨單元到預(yù)工作位，包括:啟動激光掃描儀，掃描鋼軌形狀和軌距，根據(jù)掃描結(jié)果，在Y向?qū)崿F(xiàn)磨單元的零點加工坐標對位;啟動磨單元Z向液壓提升油缸，將定位靴以恒壓力矩加載到鋼軌上，磨單元到預(yù)加工位置，磨單元垂向距軌面保證預(yù)設(shè)值間隙，側(cè)向距軌面保證預(yù)設(shè)值間隙;③啟動整機作業(yè)走行，使作業(yè)速度達到預(yù)設(shè)值;④啟動磨單元進給控制系統(tǒng)，Y、Z伺服電機按照設(shè)定進給值進行精確進給，Y軸、Z軸與定位靴的位移傳感器形成隨動系統(tǒng)，并動態(tài)檢測位置進行位置補償反饋，保證加工精度;⑤加工過程中實時監(jiān)控主軸功率，當功率超過設(shè)定值，磨單元延時后會自動提升磨削裝置，并發(fā)出故障信號。其中，磨單元的定位控制技術(shù)是銑磨在線維護技術(shù)中打磨模塊的關(guān)鍵技術(shù)，決定了打磨的精度及打磨質(zhì)量。

2 鋼軌在線銑磨技術(shù)打磨單元定位原理

磨單元定位裝置包括Z向定位靴及Y向定位尺，保證磨單元的Z向、Y向進給伺服控制，磨單元的X向進給由整機的走行速度實現(xiàn)，相對于磨床的工件運動、床身固定的磨削加工方式，鋼軌在線銑磨技術(shù)的打磨方式為工件固定、床身運動，因此，其控制方式需動態(tài)定位控制，通過基準反饋伺服控制參數(shù)，達到打磨精度及質(zhì)量的要求，同時該打磨方式與整機銑、整機走行控制、安全連鎖等信號集成，其控制集成度更高，控制復(fù)雜，因此，分析其定位控制原理，優(yōu)化系統(tǒng)集成將有重要的現(xiàn)實意義。

1)打磨單元Z軸有兩種運動。由于鋼軌在線加工中，工件的不平順、缺陷對打磨過程中打磨的剛度、打磨精度、磨盤傷損等影響很大，因此Z軸的運動控制通過以下兩點控制實現(xiàn):①通過液壓提升油缸把整個裝置放到鋼軌上，并保證一定的恒定壓力，在作業(yè)過程中定位靴始終壓在鋼軌上，保證Z向剛性，從而保證打磨精度。②在定位靴壓在鋼軌上后，Z向磨單元的精確進給是通過Z向伺服電機實現(xiàn)，通過控制Z向小螺距絲桿來控制定位靴提升和下降(定位靴與磨盤后罩可移動)，從而滿足實際磨頭磨削進給量和磨頭磨損后的補償量的切削要求。

2)打磨單元Y軸運動。由于鋼軌在線打磨既有直線、又有曲線段的鋼軌打磨要求，同時需考慮鋼軌缺陷、較大肥邊等異常打磨工況，因此打磨單元Y軸定位控制對鋼軌在線銑磨技術(shù)的打磨單元非常重要，應(yīng)能有效保證鋼軌在線打磨需求及磨盤的異常傷損，Y向定位尺傳感器安裝在定位靴裝置上，定位尺靠壓在鋼軌內(nèi)側(cè)的導向面上，當Y向有串動或在彎道上作業(yè)時，定位尺產(chǎn)生位移推動定位尺杠桿檢測元件發(fā)出信號，由閉環(huán)口反饋至系統(tǒng)，經(jīng)過運算實時修正Y軸進給，保持Y向切削軌跡不變。

3 銑磨機銑磨電氣系統(tǒng)集成原理

目前，國內(nèi)首臺銑磨機的銑磨控制技術(shù)采用NCU伺服系統(tǒng)控制技術(shù)，控制配置復(fù)雜，成本較高，結(jié)合磨單元控制原理分析，可進行以上的系統(tǒng)集成優(yōu)化:可采用3層組網(wǎng)方式，如圖1所示，上位數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP以太網(wǎng)，中間數(shù)據(jù)傳輸采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，底層元件級網(wǎng)采用ASI網(wǎng)絡(luò)。

集成思路為銑單元、磨單元的顯示集成到一個屏幕中，并通過TCP/IP以太網(wǎng)進行上位數(shù)據(jù)的交互，并開發(fā)共同的主顯示監(jiān)控界面，便于操作者動態(tài)了解銑、磨單元的作業(yè)主參數(shù)及作業(yè)狀態(tài);作業(yè)工況下，銑單元可采用兩套S7系列的PLC實現(xiàn)銑單元的作業(yè)控制，一套S7系列的PLC通過擴展兩個ET200S的從站控制左、右銑的作業(yè)控制動作，一套S7系列的PLC控制作業(yè)走行控制動作，該層級采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。磨單元可采用一套S7系列的PLC、運動控制模塊CU320進行作業(yè)控制，S7系列的PLC通過DP耦合器實現(xiàn)與CU320運動控制模塊的數(shù)據(jù)交互，并通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與銑單元進行數(shù)據(jù)交互，包括作業(yè)走行速度、銑單元與磨單元安全連鎖信息等，同時擴展一個ET200S從站對激光掃描對位系統(tǒng)進行控制;元件級網(wǎng)絡(luò)采用3個ASI接口，分別對左、右磨單元、附屬單元控制動作、安全信息等內(nèi)容進行監(jiān)控及反饋。

銑磨機作業(yè)控制及高速走行控制均可采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，同時集成運動控制模塊，實現(xiàn)磨單元的Z向、Y向和S軸的運動控制，控制復(fù)雜，控制精度高，技術(shù)難度大，其控制系統(tǒng)達到同類產(chǎn)品世界先進水平。

4 結(jié)語

20世紀80年代我國開始進口和使用磨軌車，經(jīng)過部分路局長期開展鋼軌打磨作業(yè)的實踐和近年來我國鐵路快速網(wǎng)路的發(fā)展需要，鋼軌整形作業(yè)是快速線路必不可少的養(yǎng)護作業(yè)方式，鋼軌銑磨機是快速線路不可缺少的工務(wù)裝備。目前全路鋼軌整形作業(yè)裝備數(shù)量少，作業(yè)覆蓋面水平較低，使得銑磨機具有良好的市場發(fā)展前景。另一方面，隨著我國城市化進程的快速推進，各地正在掀起地鐵、輕軌的建設(shè)高潮。而鋼軌銑磨機對于地鐵、輕軌的養(yǎng)護具有環(huán)保、高效等特點，必將擁有較大的使用市場。因此，對鋼軌銑磨機關(guān)鍵技術(shù)和銑、磨裝置的研究有重要的現(xiàn)實意義，今后應(yīng)在銑單元的模型接口和控制系統(tǒng)進行深入研究，優(yōu)化完善銑、磨單元的集成方案及控制系統(tǒng);研究滿足不同輪廓需求、維護使用方便的銑刀模型、磨盤模型及更換裝置;研究鋼軌維護方向及維護技術(shù)，確定鋼軌維護的最優(yōu)組合方案，包括鋼軌維護方案、故障診斷方案、鋼軌檢測等解決方案，滿足普通線路、高速鐵路、輕軌、地鐵線路要求的鋼軌在線維護控制技術(shù)。

圖1 銑磨單元電氣集成示意

[1]毛文力.鋼軌銑磨車性能及應(yīng)用探討[J].上海鐵道科技，2009(3):20-22.

[2]金衛(wèi)鋒.鋼軌銑磨車作業(yè)性能和效果分析[J].上海鐵道科技，2009(4):37-40.