一種全自動(dòng)自定位鋼軌打磨機(jī)的設(shè)計(jì)

林吉靚，朱 峰

（開(kāi)封大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，開(kāi)封 475004）

0 引言

鐵路運(yùn)輸是各個(gè)國(guó)家最主要的運(yùn)輸方式，隨著鐵路運(yùn)輸對(duì)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(wú)縫鋼軌的優(yōu)越性日益凸顯，它已成為各國(guó)鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。無(wú)縫鋼軌有25m的短軌焊接而成，其鋼軌焊縫（見(jiàn)圖1所示）的平直度會(huì)引起車輛振動(dòng)，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(wèn)題[1,2]。另外，鋼軌在使用的過(guò)程中會(huì)因此磨損、振動(dòng)及雨水腐蝕等原因會(huì)出現(xiàn)毛刺（見(jiàn)圖2）、表面腐蝕、剝落等各種問(wèn)題，因此需要定期的對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨修復(fù)或者對(duì)焊縫進(jìn)行加強(qiáng)焊接[3]。目前國(guó)內(nèi)在軌道維護(hù)中使用的鋼軌打磨機(jī)仍處于手工操作階段（見(jiàn)圖3），鋼軌的質(zhì)量完全取決于工作人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度[6]，無(wú)法實(shí)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(shè)計(jì)具有自動(dòng)進(jìn)給控制系統(tǒng)的自動(dòng)鋼軌打磨機(jī)具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[4,5]。下面對(duì)全自動(dòng)自定位鋼軌打磨機(jī)的設(shè)計(jì)及工作過(guò)程進(jìn)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(dòng)自定位打磨機(jī)的總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 工人使用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力鋼軌打磨機(jī)維護(hù)鋼軌

圖4 全自動(dòng)自定位鋼軌打磨機(jī)

如圖4所示：鋼軌打磨機(jī)包括定位機(jī)構(gòu)、磨削機(jī)構(gòu)和電機(jī)控制三部分。機(jī)械部分主要有機(jī)架、絲杠螺母、導(dǎo)柱導(dǎo)套、行走機(jī)構(gòu)、加緊機(jī)構(gòu)和支撐裝置等組成。機(jī)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(jī)構(gòu)5上，下端安裝有砂輪電機(jī)9及打磨砂輪等磨削機(jī)構(gòu)，兩側(cè)對(duì)稱安裝著四個(gè)行走輪7，行走輪在磨削時(shí)如圖左側(cè)所示提起以保證打磨機(jī)精確定位。打磨機(jī)的定位機(jī)構(gòu)分三個(gè)部分，一是左右兩側(cè)對(duì)稱安裝的垂直定位調(diào)整機(jī)構(gòu)，如圖所示的垂直定位電機(jī)1、垂直導(dǎo)向?qū)е鶎?dǎo)套2和配套的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)3；二是前后兩側(cè)對(duì)稱安裝的縱向定位調(diào)整機(jī)構(gòu)，包括縱向定位電機(jī)8和調(diào)節(jié)手輪10及絲杠螺母機(jī)構(gòu)；三是中間安裝的橫向定位調(diào)整機(jī)構(gòu)，包括一個(gè)步進(jìn)電機(jī)4、絲杠螺母及兩套導(dǎo)軌導(dǎo)套5。鋼軌打磨機(jī)可以完成砂輪磨頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，磨削機(jī)構(gòu)沿砂輪的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及鋼軌方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，有2個(gè)夾緊電機(jī)、3個(gè)磨削電機(jī)和5個(gè)定位調(diào)節(jié)電機(jī)進(jìn)行完成，均采用PLC控制進(jìn)行，通過(guò)觸摸屏可進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，利用PLC與步進(jìn)電機(jī)的控制器通信,來(lái)控制其正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止運(yùn)行；同時(shí)能夠在運(yùn)行過(guò)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(jìn)電機(jī)的的運(yùn)行情況。

鋼軌打磨機(jī)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(guò)人工一次性對(duì)刀，調(diào)整打磨參數(shù)后直接打磨完成。2）鋼軌的對(duì)中夾緊機(jī)構(gòu)。利用位于打磨機(jī)下部的專用夾緊定位裝置,完成鋼軌的對(duì)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(gè)步進(jìn)電機(jī)在PLC及驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)同步升降運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由水平傳感器檢測(cè)機(jī)架水平度發(fā)出傳輸信號(hào)給PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)現(xiàn)水平方向的調(diào)整進(jìn)行打磨。

3 全自動(dòng)自定位打磨機(jī)的工作過(guò)程及技術(shù)要求

根據(jù)鋼軌的截面特點(diǎn)、組合形式及質(zhì)量要求，鋼軌打磨機(jī)需要滿足一下技術(shù)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(diǎn)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(jī)的工作過(guò)程主要包括打磨機(jī)的夾緊定位、磨削砂輪的對(duì)刀、磨削參數(shù)的輸入和自動(dòng)磨削模式的執(zhí)行，具體工作流程如圖5所示。

圖5 全自動(dòng)自定位鋼軌打磨機(jī)工作流程圖

首先準(zhǔn)備工作，將鋼軌打磨機(jī)移動(dòng)到打磨鋼軌位置，提起行走裝置，將打磨機(jī)支撐在鋼軌之上，接通電源，啟動(dòng)夾緊電機(jī)帶動(dòng)夾緊裝置通過(guò)夾緊力將打磨機(jī)固定。之后的磨頭對(duì)刀可以是人工直接操作或者通過(guò)觸摸屏(又稱人機(jī)對(duì)話界面)對(duì)打磨頭砂輪進(jìn)行對(duì)刀操作，其操作界面見(jiàn)圖6和圖7所示，夾具松開(kāi)，設(shè)定磨削所需的參數(shù)，至此準(zhǔn)備工作結(jié)束，可以進(jìn)入自動(dòng)磨削模式。圖7所示的參數(shù)設(shè)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(shè)置，對(duì)刀及參數(shù)調(diào)整完成后,就可以對(duì)鋼軌焊接接頭工作面進(jìn)行自動(dòng)磨削加工。鋼軌打磨機(jī)安裝的縱向及橫向進(jìn)給裝置可以實(shí)現(xiàn)鋼軌上工作頂面的打磨和兩個(gè)側(cè)面的打磨，打磨完成后自動(dòng)完成退刀。之后檢測(cè)磨削精度是否合格，是否還需要進(jìn)行磨削加工，此時(shí)若檢測(cè)沒(méi)達(dá)到要求則重復(fù)上述鋼軌夾緊、鋼軌打磨、鋼軌檢測(cè)等步驟直至符合工藝要求。打磨機(jī)始終以已經(jīng)打磨好的工作面為精基準(zhǔn)進(jìn)行定位，當(dāng)機(jī)器沿軌道移動(dòng)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(shí)現(xiàn)精確定位并夾緊鋼軌，以此實(shí)現(xiàn)高精度打磨。鋼軌打磨機(jī)可以實(shí)現(xiàn)雙側(cè)砂輪同時(shí)打磨，避免了單個(gè)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，按數(shù)控插補(bǔ)的形式進(jìn)行兩軸半聯(lián)動(dòng)分級(jí)進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)軌道拐角的仿形打磨。

鋼軌打磨機(jī)利用PLC控制兩側(cè)的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平，由水平傳感器檢測(cè)機(jī)架水平度，反饋信號(hào)給PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證打磨過(guò)程中工作臺(tái)的水平，實(shí)現(xiàn)高精度打磨。在實(shí)際工程自動(dòng)化應(yīng)用中,還可以通過(guò)觸摸屏設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌打磨機(jī)變頻PLC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6 初始界面

圖7 參數(shù)設(shè)定界面

4 結(jié)論

鋼軌打磨是鐵路養(yǎng)護(hù)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(zhǎng)鋼軌的使用年限；消除軌面不平順性以提高列車的運(yùn)行平穩(wěn)性和旅客的乘車舒適性。目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的內(nèi)燃型鋼軌打磨機(jī)主要依靠人工操作，手動(dòng)進(jìn)給，效率低且成本高。本文所研究設(shè)計(jì)的全自動(dòng)自定位鋼軌打磨機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給功能，可實(shí)現(xiàn)高精度打磨，并具有穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)、快捷高效和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，大大減少工作人員的作業(yè)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，實(shí)用性強(qiáng)，其設(shè)計(jì)也可以給同類設(shè)備的設(shè)計(jì)者們提供了有益的參考和啟示。

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