鋼軌焊接軌底焊筋自動打磨機設(shè)計

張 琪，李 力，丁 韋，宋宏圖，高振坤，彭 鵬

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

鋼軌焊接軌底焊筋自動打磨機設(shè)計

張 琪1，李 力2，丁 韋2，宋宏圖2，高振坤2，彭 鵬2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

鋼軌軌底焊筋打磨是軌道鋪設(shè)工程中必不可少的工作。現(xiàn)有工地鋼軌焊接軌底焊筋打磨多采用手持式棒砂輪，這種方式操作簡便，但效率低、勞動條件差、勞動力成本高，且打磨質(zhì)量穩(wěn)定性差。針對現(xiàn)有問題，設(shè)計了一種適合現(xiàn)場使用的新型軌底焊筋自動打磨機，采用厚度尺寸稍大于軌底寬度的砂輪，工作時通過手輪控制絲杠與螺母配合運動，實現(xiàn)垂直方向和沿鋼軌軸線方向的進給運動；同時采用同步帶輪系統(tǒng)保證垂直方向運動的平穩(wěn)性。新型軌底打磨機操作簡單、自動化程度高，可加快施工進度，降低人工成本，更好地控制了打磨質(zhì)量。

鋼軌軌底；焊筋；打磨

0 前言

目前，我國高鐵運營里程達1.6萬km，超過世界其他國家高鐵運營里程總和，成為高鐵發(fā)展最快的國家。鋼軌焊接作為鐵路行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性技術(shù)支撐，是鋪設(shè)無縫線路的核心環(huán)節(jié)，是線路行車安全的重要保證。鋼軌焊接接頭質(zhì)量直接關(guān)系著整條無縫線路的質(zhì)量和壽命。

鋼軌焊接按照作業(yè)地點可分為在基地或車間焊軌作業(yè)線的焊接工位焊接鋼軌和在工地焊接鋼軌兩類，前者又稱為廠焊。廠焊相關(guān)設(shè)備齊全、易操

作，工作條件相對優(yōu)于工地焊軌。工地焊軌又分為線下焊和線上焊。鋪設(shè)鐵路新線路時，一般采用標(biāo)準(zhǔn)定尺軌25 m或100 m短軌，在焊軌廠焊成200～500 m長軌條，再通過軌車運到現(xiàn)場，線下焊成1000～2000m超長軌條（線下焊），再與已鋪好的線上軌條焊接成全區(qū)間、跨區(qū)間無縫線路（線上焊）。

鋪設(shè)新無縫線路時，線上焊是重要環(huán)節(jié)。針對鋼軌線上焊接工藝要求，已出現(xiàn)移動式焊機、熱處理機、仿形打磨機等先進設(shè)備，其中移動式焊機和熱處理機已成熟應(yīng)用于工程實踐。焊機和熱處理機的出現(xiàn)滿足了鋼軌現(xiàn)場焊接及焊后熱處理過程的設(shè)備需求。

既有線原鋪設(shè)鋼軌達到一定的通過總重或出現(xiàn)疲勞傷損時，不能適應(yīng)運輸發(fā)展需要，就必須全面進行鋼軌大修，大修時線上焊亦是重要環(huán)節(jié)。換軌施工需根據(jù)列車運行圖，安排施工“天窗”，在盡量不影響列車運行的前提下逐段換軌。利用有限的“天窗”時間施工，對施工效率要求更高，可謂爭分奪秒。因此，應(yīng)盡量縮短每一道工序工時。另外，從現(xiàn)場施工安全方面考慮，應(yīng)盡量減少勞動力數(shù)量。

1 鋼軌焊后打磨要求

目前應(yīng)用較多的工地焊軌工藝有移動式閃光焊、鋁熱焊和氣壓焊。依照現(xiàn)行鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn)TB/ T1632-2014規(guī)定，鋼軌閃光焊、鋁熱焊、氣壓焊后均須對焊接接頭進行打磨，磨掉焊縫處凸出鋼軌輪廓尺寸的焊瘤，保證焊接接頭表面粗糙度滿足探傷掃查的需要，非工作面的垂直、水平方向錯邊平順過渡。

作為非工作面的軌底，由于工地焊接尤其是線上焊時受位置限制，打磨操作多有不便。但是為了保證線路質(zhì)量，必須將軌底的焊筋磨平，打磨至與鋼軌輪廓基本一致，以消除幾何不平順，減少應(yīng)力集中隱患。若打磨不徹底，會形成V型缺口，使接頭產(chǎn)生應(yīng)力集中的概率增高、探傷不便，增加接頭傷損甚至斷裂（根部開裂）幾率[1]。

因此，鋼軌焊后軌底焊筋需進行打磨，防止焊筋未打磨而引起軌底裂紋、過早失效等不良現(xiàn)象。

2 現(xiàn)有軌底焊筋打磨技術(shù)

鋼軌閃光焊、氣壓焊接頭打磨分粗磨和精磨?，F(xiàn)場粗磨多采用棒砂輪，分別對工作面和非工作面進行打磨至與鋼軌輪廓基本一致（按TB/T1632-2014）；精磨是采用精磨機對工作面進行打磨，保證軌道平順性及輪軌接觸配合合理關(guān)系[2-3]。作為非工作面的軌底，只進行粗磨。

目前，現(xiàn)場鋼軌焊接接頭軌底焊筋打磨一般采用手持式棒砂輪，通過外接電源，砂輪體上的小電機帶動片砂輪高速旋轉(zhuǎn)，手持棒砂輪柄，使高速旋轉(zhuǎn)的砂輪接觸軌底焊筋，實現(xiàn)磨削，通過人工控制磨削位置和接觸壓力，直至目測磨平為止。

手持式棒砂輪磨軌底焊筋不僅效率低，影響施工進度，勞動條件差，打磨質(zhì)量穩(wěn)定性差，且勞動力需求量大，增大施工安全風(fēng)險，且浪費勞動力成本。尤其在既有線換軌大修時，“天窗”時間有限，現(xiàn)有方法難以滿足高節(jié)奏的需求；另一方面，現(xiàn)場施工的勞動力數(shù)量越多，安全風(fēng)險越大。手持式棒砂輪打磨依賴于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度，質(zhì)量難以控制。因此這種陳舊的人工操作方法亟需改進，以跟上高速發(fā)展的鐵路行業(yè)步伐。

除普遍用于實際工地焊軌底焊筋打磨的手持式棒砂輪外，另外查到專利CN 102561119B名為小型鋼軌軌底焊縫自動打磨機，這種機構(gòu)依靠砂輪頭部打磨，效率一般；兩個操縱桿控制進給運動時，運動幅度和角度不好把握，可用性不強，因此在工地焊軌實踐中很少見到。

3 軌底焊筋自動打磨機設(shè)計

為了改進現(xiàn)場軌底焊筋打磨工作條件，提高打磨質(zhì)量的穩(wěn)定性，本研究設(shè)計了一種適用于工地焊軌用新型軌底焊筋自動打磨機。通過夾持機構(gòu)，將自動打磨機固定在待打磨的鋼軌上，通過液壓馬達提供動力，帶動杯形砂輪轉(zhuǎn)動，利用杯形砂輪外周打磨軌底焊筋；同時操作手輪，控制進給運動，實現(xiàn)軌底焊筋自動打磨，磨去焊后軌底焊筋凸出鋼軌輪廓尺寸的多余部分，使軌底平整，消除因軌底不平整而導(dǎo)致焊接接頭過早失效以及行車不安全隱患。

3.1 軌底焊筋自動打磨機整體結(jié)構(gòu)

軌底焊筋自動打磨機軸測結(jié)構(gòu)如圖1所示，主視結(jié)構(gòu)如圖2所示。

結(jié)構(gòu)圖中零件分別為：鋼軌1，壓緊件2，轉(zhuǎn)動銷3，固定夾板4，帶輪固定板5，水平進給絲杠6，水平進給螺母7，滾動軸承8，垂直進給絲杠9，同步帶輪10，同步帶11，厚同步帶輪12，垂直進給手輪13，厚帶輪固定板14，水平支撐環(huán)15，水平支杠

16，垂直進給絲杠17，垂直進給螺母18，支撐架19，水平支杠20，固定架支腳21，液壓馬達22，聯(lián)軸器罩23，水平進給手輪24，厚支撐架25，水平進給螺母固定架板26，水平進給支板27，固定架支板28，砂輪29，鎖緊螺釘30，銷軸31，活動壓緊塊32，鎖緊螺釘33。

圖1 軸測結(jié)構(gòu)示意

圖2 主視結(jié)構(gòu)示意

利用砂輪磨削軌底焊筋，砂輪厚度略大于軌底寬度尺寸，磨削效率高，且在與鋼軌軸線垂直水平方向不需要進給運動，只需在與鋼軌軸線垂直的豎直方向和水平沿鋼軌軸線兩個方向進給運動，易于控制。

本設(shè)計動力來源為液壓系統(tǒng)，液壓馬達22輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與砂輪軸連接，砂輪軸穿過砂輪架板處用軸承配合。彈性聯(lián)軸器外有鐘罩23，鐘罩一端與液壓馬達22固定，另一端與厚支撐架25固定配合，同時有四根水平支杠20穿過鐘罩法蘭，將砂輪、馬達和鐘罩相關(guān)組件固定在固定架上。

3.2 鋼軌夾持固定機構(gòu)

如圖3所示，夾持固定機構(gòu)由壓緊件2、轉(zhuǎn)動銷3、固定夾板4、鎖緊螺釘30、銷軸31、活動壓緊塊32、鎖緊螺釘33構(gòu)成。通過固定夾板4及其組件將設(shè)備固定到鋼軌上：利用輔助工具將線上已焊鋼軌支起一定高度，將固定夾板4底平板部分及砂輪29伸入軌底下；使砂輪29與焊縫基本平齊。轉(zhuǎn)動壓緊件2與活動壓緊塊32使其不影響裝夾，固定夾板4上有與軌腳形狀尺寸一致的卡槽，通過卡槽實現(xiàn)打磨機與鋼軌定位后，軌腳部位和軌頭部位分別有鎖緊裝置將其鎖緊。軌腳部位的鎖緊裝置為：相對于砂輪對稱分布的兩個活動壓緊塊32與鎖緊螺釘30；軌頭部位的鎖緊裝置為：分布于兩側(cè)的壓緊件2與鎖緊螺釘33。

圖3 夾持固定機構(gòu)

3.3 垂直方向進給系統(tǒng)

通過夾持固定機構(gòu)將打磨機與鋼軌相對固定后，即可通過手輪控制進給運動實現(xiàn)軌底焊筋磨削：轉(zhuǎn)動垂直進給手輪13，帶動厚同步帶輪12運動，通過兩根同步帶11把運動傳遞給另兩個同步帶10，則三個垂直進給絲杠同步旋轉(zhuǎn)，與三個固定在砂輪架上的進給螺母18配合，實現(xiàn)整體砂輪磨削系統(tǒng)垂直方向進給運動。

3.4 水平方向進給系統(tǒng)

水平進給絲杠靠水平進給支板27支撐，通過螺紋與水平螺母7配合；水平進給螺母7通過螺釘緊固在水平進給螺母固定架板26上；水平進給螺母固定架板26與帶輪固定板5、厚帶輪固定板14固定在一起，支撐垂直進給絲杠9、17；同時，垂直進給絲杠9、17通過其末端螺紋與固定在支撐架19、厚支撐架25上的垂直進給螺母18配合在一起；支撐架19、厚支撐架25是砂輪磨削系統(tǒng)中支撐水平支杠的支撐件，其移動時即可帶動整個

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Automatic grinding machine design for rail′s welding joint rib at the bottom

ZHANG Qi1，LI Li2，DING Wei2，SONG Hongtu2，GAO Zhenkun2，PENG Peng2
（1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Metal&Chemistry Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Grindingprocess for rail's weldingjoint rib at the bottomis essential in track construction engineeringwork，and the existingtool for that is handheld grinding wheel，which is convenient to operate，but with many disadvantages such as low efficiency，poor working conditions，high labor cost，and the unstable grindingquality.In viewofthe existingproblems，we design a newautomatic grindingmachine which is suitable for the construction site grinding.The new machine adopts thickness size grinding wheel slightly larger than rail bottom width.When working，control screws and nuts by two hand wheels to implement feed movements of vertical direction and along the axis of the rail，at the same time uses synchronous pulley system to guarantee the running smoothness of vertical direction.This new type of rail grinding machine has the advantages of simple operation，high automatic degree，high efficiency and low labor costs need，can control the grindingqualityreliably.

rail′s bottom；welding joint rib；grinding

TG439.9

A

1001－2303（2016）09－0034-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.08

2016-02-24；

2016-08-30

中國鐵道科學(xué)研究院基金資助項目（2014YJ059）

張琪（1986—），女，河南南陽人，在讀博士，主要從事鋼軌的焊接研究。