電子測量方式下高速鐵路鋼軌焊接接頭平直度控制方法的研究

宋宏圖，張紅衛(wèi)，王永建，丁 韋，高振坤

(1.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081;2.中鐵十二局集團(tuán)有限公司第三工程公司，山西太原 030024;3.中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司，湖北武漢 430071)

跨區(qū)間無縫線路的焊接接頭部位的軌道幾何狀態(tài)較難保持優(yōu)良狀態(tài)，而鋼軌焊接接頭的初始平直度對日后運(yùn)營中接頭部位的幾何平順性具有重要影響。由于焊接熱影響和接頭對接的特定結(jié)構(gòu)形式，在施工中應(yīng)保障焊接接頭焊后及熱處理后的接頭平直度良好，及確保外形精整?，F(xiàn)階段，我國鐵路建設(shè)單位和工務(wù)養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行現(xiàn)場接頭外形精整時(shí)，主要采用直尺和塞尺的三點(diǎn)式前后測量，打磨采用仿形打磨機(jī)。前后測量時(shí)必須要了解接頭的平直度狀況才能判斷打磨范圍和打磨量，而傳統(tǒng)的接觸式測量方式受限于固有精度，無法給予后期打磨足夠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這就會(huì)影響打磨質(zhì)量。有鑒于此，為進(jìn)一步提高高速鐵路鋼軌接頭平直度質(zhì)量，大范圍采用電子測量方式以提供精準(zhǔn)的打磨參數(shù)。本研究通過使用電子平直度儀測量接頭平直度，依據(jù)測量結(jié)果制訂打磨方案，控制打磨過程，實(shí)現(xiàn)高速鐵路接頭平直度控制。

1 打磨方案及平直度目標(biāo)

電子測量量測范圍為1 m，每隔5 mm自動(dòng)進(jìn)行采樣，共測量200個(gè)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)連線，繪出該接頭的平直度曲線。實(shí)際接頭精整作業(yè)前，在鋼軌溫度處于設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍時(shí)，測量鋼軌焊接接頭平直度，記錄測量時(shí)的軌溫。結(jié)合該接頭測量獲得的平直度曲線，可獲得以下信息:

1)接頭軌頂面的平直度變化趨勢(判斷軌頂面打磨長度);

2)接頭工作邊的平直度變化趨勢(判斷工作邊打磨長度);

3)接頭軌頂面和工作邊的錯(cuò)邊情況(判斷打磨長度);

4)接頭軌頂面最大值和最小值(確定打磨深度);

5)超過規(guī)定值的長度及部位(確定重點(diǎn)打磨區(qū)域)。

高速鐵路接頭平直度要求為軌頂面平直度0～0.2 mm/m，不允許出現(xiàn)低接頭。工作邊平直度要求為－0.2～0 mm/m，不允許向軌距減少方向突出?？紤]到后續(xù)工程車輛行駛及一定的接頭沉降，內(nèi)控成品接頭軌頂面平直度為軌頂面上拱量0.2～0.4 mm/m，工作邊平直度為－0.2～0 mm/m，不允許向軌距減少方向突出。

2 平直度控制方法實(shí)例

2.1 軌頂面平直度控制方法

進(jìn)行接頭精整前，測量經(jīng)粗磨及正火后的接頭軌頂面平直度曲線見圖1。由該實(shí)測曲線可以看出，對軌、夾持焊接和正火矯直這三個(gè)在接頭精整前的軌頂面平直度控制工序控制效果較好，鋼軌焊接接頭在以焊縫為中心的1 m范圍內(nèi)，軌頂面平直度測量曲線呈上拋物線形，沒有接頭錯(cuò)邊超標(biāo)的情況，最高點(diǎn)高度為0.66 mm，說明上拱量控制合理，屬于滿足接頭精整條件的合格接頭。同時(shí)，根據(jù)測量結(jié)果可以確定主打磨范圍為接頭左側(cè)165 mm至右側(cè)285 mm(圖中虛線標(biāo)識區(qū)域)，其他部位輔助過渡打磨即可，總體打磨長度未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最大打磨深度為0.66 mm－0.20 mm=0.46 mm(最高點(diǎn)值－下限值=最大打磨深度)，合理打磨深度為0.66 mm－0.40 mm=0.26 mm(最高點(diǎn)值－上限值=合理打磨深度)，打磨深度未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該接頭可進(jìn)行打磨。

圖1 接頭精整前實(shí)測的軌頂面平直度曲線

確定打磨范圍及打磨深度后，并將打磨范圍于焊接接頭上進(jìn)行標(biāo)識后，結(jié)合仿形打磨機(jī)特點(diǎn)，制訂該接頭的具體打磨工藝為:兩次打磨，首次打磨進(jìn)刀0.20 mm，重點(diǎn)對主打磨區(qū)進(jìn)行處理，兼顧對主打磨區(qū)之外的過渡;復(fù)測接頭平直度，結(jié)合首次打磨后的結(jié)果進(jìn)行二次進(jìn)刀及打磨。

首次打磨后的軌頂面平直度測量結(jié)果見圖2。由該實(shí)測曲線可以看出，經(jīng)頭道打磨后，最高點(diǎn)高度由0.66 mm變?yōu)?.47 mm，說明基本符合預(yù)設(shè)首道打磨控制量0.20 mm(0.66 mm－0.47 mm=0.19 mm)，同時(shí)根據(jù)測量結(jié)果可以確定主打磨范圍變?yōu)榻宇^左側(cè)115 mm至右側(cè)65 mm區(qū)域(圖中虛線標(biāo)識區(qū)域)，已對大部分主打磨范圍進(jìn)行了處理，同時(shí)對其他部位輔助打磨過渡沒有出現(xiàn)局部范圍內(nèi)的高低點(diǎn)超限情況，總體形成的軌頂面平直度曲線較光滑，打磨效果良好，可進(jìn)入末道打磨過程。

圖2 首次打磨后實(shí)測的軌頂面平直度曲線

確定末道打磨工藝為進(jìn)刀量0.07 mm，對接頭左側(cè)115 mm至右側(cè)65 mm區(qū)域進(jìn)行進(jìn)刀打磨，其余區(qū)域進(jìn)行過渡處理，保證接頭軌頂面平直度曲線較平滑。經(jīng)末道打磨后，對軌頂面平直度進(jìn)行測量，結(jié)果見圖3。由圖3可見，該接頭軌頂面符合接頭外形精整內(nèi)控要求，接頭軌頂面平直度上拱量為0.40 mm/m，沒有出現(xiàn)局部范圍內(nèi)的高低點(diǎn)超限情況，該接頭屬于合格的成品接頭。

在上述過程中，接頭軌頂面平直度的變化情況見圖4。整體打磨量較少，過程可控，最終效果較好。

圖3 打磨后最終實(shí)測的軌頂面平直度曲線

圖4 軌頂面平直度變化情況

2.2 工作邊平直度控制方法

對軌頂面進(jìn)行接頭精整之后，還需對接頭工作邊進(jìn)行接頭精整，工作邊主要作用為導(dǎo)向，因此該部分的平直度亦應(yīng)該加以控制。和軌頂面類似，進(jìn)行接頭精整前，測量經(jīng)粗磨及正火后的接頭工作邊平直度曲線見圖5。由該實(shí)測曲線可以看出，對軌、夾持焊接和正火矯直這三個(gè)在接頭精整前的工作邊平直度控制工序控制效果較好，鋼軌焊接接頭在以焊縫為中心的1 m范圍內(nèi)基本水平，沒有接頭錯(cuò)邊超標(biāo)的情況，最高點(diǎn)高度為0.12 mm、最低點(diǎn)為－0.04 mm，最大最小差異0.16 mm，整體較直，屬于適合接頭精整的合格接頭。同時(shí)根據(jù)測量結(jié)果可以確定主打磨范圍為接頭左側(cè)450 mm至50 mm，及右側(cè)180 mm至450 mm(圖中虛線標(biāo)識區(qū)域)，為形成整體平直度水平或呈下凹形對其他部位輔助過渡打磨即可，總體打磨長度未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最大打磨深度為0.32 mm－(－0.02)mm=0.34 mm(最高點(diǎn)值－下限值=最大打磨深度)，合理打磨深度為0.12 mm－0=0.12 mm(最高點(diǎn)值－上限值=合理打磨深度)，打磨深度未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該接頭可進(jìn)行打磨。

圖5 接頭精整前實(shí)測的工作邊平直度曲線

確定打磨范圍及打磨深度后，并將打磨范圍于焊接接頭上進(jìn)行標(biāo)識后，結(jié)合仿形打磨機(jī)特點(diǎn)，制訂該接頭的具體打磨工藝為:兩次打磨，首次打磨進(jìn)刀0.12 mm，重點(diǎn)對主打磨區(qū)進(jìn)行處理，兼顧對主打磨區(qū)之外的過渡;復(fù)測接頭平直度，結(jié)合首次打磨后的結(jié)果進(jìn)行二次進(jìn)刀及打磨。

首次打磨后的工作邊平直度測量結(jié)果見圖6。由該實(shí)測曲線可以看出，經(jīng)頭道打磨后，最高點(diǎn)高度由0.12 mm變?yōu)?.06 mm，焊縫近區(qū)由0變?yōu)?－0.11 mm，說明首道打磨控制量在0.06～－0.11 mm范圍內(nèi)，同時(shí)根據(jù)測量結(jié)果可以確定主打磨范圍變?yōu)榻宇^左側(cè)375 mm至155 mm，及右側(cè)270 mm至450 mm(圖中虛線標(biāo)識區(qū)域)，已對大部分主打磨范圍進(jìn)行了處理，同時(shí)對其他部位輔助打磨過渡既使得工作邊平直度曲線呈下凹狀，又沒有出現(xiàn)局部范圍內(nèi)的高低點(diǎn)超限情況，總體形成的工作邊平直度曲線較光滑，打磨效果良好?？蛇M(jìn)入末道打磨過程。

圖6 首次打磨后實(shí)測的工作邊平直度曲線

確定末道打磨工藝為進(jìn)刀量0.06 mm，對接頭左側(cè)375 mm至155 mm，及右側(cè)270 mm至450 mm區(qū)域進(jìn)行進(jìn)刀打磨，其余區(qū)域進(jìn)行過渡處理，保證接頭工作邊平直度曲線較平滑。經(jīng)末道打磨后，對工作邊平直度進(jìn)行測量，結(jié)果見圖7。由圖7可見，該接頭工作邊符合接頭外形精整內(nèi)控要求，接頭工作邊平直度為凹進(jìn)－0.13 mm/m，沒有向軌距減少方向突出，沒有出現(xiàn)局部范圍內(nèi)的高低點(diǎn)超限情況，該接頭屬于合格的成品接頭。

在上述過程中，接頭工作邊平直度的變化情況見圖8。整體打磨量較少，過程可控，最終效果較好。

圖7 打磨后最終實(shí)測的工作邊平直度曲線

圖8 工作邊平直度變化情況

3 結(jié)論

如上所述，采用電子測量方式對高速鐵路鋼軌焊接接頭進(jìn)行平直度控制，體現(xiàn)了電子平直度儀應(yīng)用于接頭軌頂面及工作邊精整作業(yè)中的指導(dǎo)作用，通過該方式實(shí)現(xiàn)了打磨量可控、打磨范圍可控、打磨效果可控的質(zhì)量控制目標(biāo)，避免了傳統(tǒng)直尺塞尺測量方式造成的盲目打磨，減少了因測量及打磨方式不合理造成的接頭精整作業(yè)出現(xiàn)廢頭。采用電子平直度儀進(jìn)行測量及指導(dǎo)打磨，能夠更好地滿足高鐵對焊接接頭軌頂面及工作邊平直度的處理要求。

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