鋼軌打磨最佳策略的制定研究

何元?jiǎng)?，熊伶俐，賈駿豪

（1. 中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 武漢大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，湖北 武漢 430012；2. 武漢外國語學(xué)校 美加分校，湖北 武漢 430223）

0 引言

隨著我國鋼軌打磨技術(shù)工藝不斷的精細(xì)化、智能化，對(duì)鋼軌打磨作業(yè)提出了更高要求和挑戰(zhàn)[1-3]。以往鋼軌打磨作業(yè)完全依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，從模式庫中選擇現(xiàn)有常用模式或現(xiàn)場編制模式進(jìn)行作業(yè)，主觀性、隨意性均較大，缺乏精準(zhǔn)性及科學(xué)性，作業(yè)質(zhì)量不便于掌控，存在大量過打磨或欠打磨現(xiàn)象，已不符合當(dāng)前鋼軌打磨技術(shù)的發(fā)展趨勢[4-6]。因此，根據(jù)鋼軌打磨作業(yè)基準(zhǔn)廓形、磨損軌廓形，結(jié)合GMC-96x型鋼軌打磨車性能及相關(guān)作業(yè)條件進(jìn)行分析，推算出打磨各控制參量的配比原則和方法，制定鋼軌最佳打磨策略，實(shí)現(xiàn)以最小打磨量達(dá)到最佳廓形的精確打磨，對(duì)今后鋼軌打磨技術(shù)工藝發(fā)展具有重大意義。

1 鋼軌打磨策略工法

根據(jù)鋼軌病害情況設(shè)定鋼軌頂面最小磨削深度h0，通過對(duì)比鋼軌既有廓形與基準(zhǔn)廓形（即設(shè)計(jì)廓形）存在的差值，計(jì)算出計(jì)劃打磨磨削量（見圖1）。根據(jù)計(jì)劃打磨磨削量，通過鋼軌打磨車磨削量與各控制參數(shù)的關(guān)系，科學(xué)配比計(jì)算作業(yè)速度、角度分布及打磨功率等打磨控制參量，制定出最佳打磨策略[7-8]，利用鋼軌打磨車對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨作業(yè)，使打磨后的鋼軌廓形達(dá)到設(shè)計(jì)廓形，實(shí)現(xiàn)以最小的打磨量達(dá)到設(shè)定的基準(zhǔn)廓形的目的，從而實(shí)現(xiàn)鋼軌精確打磨，提升打磨質(zhì)量和延長鋼軌使用壽命。

圖1 鋼軌磨削廓形示意圖

2 鋼軌打磨最佳策略設(shè)計(jì)原則

鋼軌打磨最佳策略的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是通過利用GKY10-A01鋼軌廓形打磨檢測診斷儀檢測并計(jì)算出鋼軌廓形斷面磨削面積，再根據(jù)打磨車常用控制參數(shù)與總磨削量的關(guān)系式由智能專家策略系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算[9-10]，選擇生成最佳打磨策略的組合。

根據(jù)打磨技術(shù)運(yùn)用實(shí)踐及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，鋼軌打磨策略制定的最佳選擇順序?yàn)椋菏紫却_定打磨遍數(shù)，再選擇打磨速度、分布打磨電機(jī)個(gè)數(shù)，最后選擇配比功率。打磨策略制定模式常用選擇參數(shù)及依據(jù)見表1。

表1 打磨策略制定模式常用選擇參數(shù)及依據(jù)

（1）速度選擇原則：先選擇最佳速度，根據(jù)最佳速度來配比打磨電機(jī)個(gè)數(shù)和打磨功率。

（2）電機(jī)個(gè)數(shù)選擇原則：根據(jù)不同打磨區(qū)域的打磨切削總量確定打磨電機(jī)個(gè)數(shù)。

（3）電機(jī)功率選擇原則：根據(jù)打磨速度和打磨電機(jī)個(gè)數(shù)合理設(shè)置不同區(qū)域打磨電機(jī)功率。

3 鋼軌打磨最佳策略制定

3.1 打磨遍數(shù)選擇與初始單遍打磨量分配

利用GKY10-A01鋼軌廓形打磨檢測診斷儀測量既有鋼軌廓形，設(shè)定頂面最小磨削深度h0后，選擇基準(zhǔn)廓形，將磨損軌廓形與基準(zhǔn)廓形進(jìn)行對(duì)比，利用廓形檢測診斷儀計(jì)算出計(jì)劃打磨磨削量△S，設(shè)定單個(gè)磨頭基準(zhǔn)磨削量S0，執(zhí)行打磨遍數(shù)與初始單遍打磨量選擇流程。打磨遍數(shù)及總打磨量初始分配見表2，打磨遍數(shù)與初始單遍打磨量選擇流程見圖2。

表2 打磨遍數(shù)及總打磨量初始分配表

圖2 打磨遍數(shù)與初始單遍打磨量選擇流程

（1）當(dāng)△S≤11S0時(shí)，采用整理模式作業(yè)。按表2選擇打磨遍數(shù)及單遍打磨量，取v=18 km/h、P=68%，電機(jī)個(gè)數(shù)N通過后續(xù)步驟計(jì)算得出。

（2）當(dāng)11S0＜△S≤102S0時(shí)，采用一般模式作業(yè)。按表2選擇打磨遍數(shù)及單遍打磨量。

（3）當(dāng)△S＞102S0時(shí)，采用過渡模式作業(yè)。確定過渡打磨磨削量的方法如下：將h0減少0.14 mm，生成過渡模式進(jìn)行打磨作業(yè)，然后重新計(jì)算△S′。若△S′≤102S0，按表2選擇打磨遍數(shù)及單遍打磨量，執(zhí)行一般模式作業(yè)；若△S′＞102S0，再將h0減少0.05 mm進(jìn)行過渡打磨作業(yè)，如此循環(huán)直至△S′≤102S0，再按表2選擇打磨遍數(shù)及單遍打磨量，執(zhí)行一般模式作業(yè)。

3.2 選擇作業(yè)速度

通過現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及專家專業(yè)知識(shí)，總結(jié)得出《單遍打磨量與作業(yè)速度對(duì)照表》，作業(yè)速度選擇原則見圖3。

圖3 單遍打磨量與作業(yè)速度對(duì)照

3.3 選擇打磨電機(jī)個(gè)數(shù)

打磨電機(jī)個(gè)數(shù)N按《鋼軌各打磨區(qū)域內(nèi)電機(jī)個(gè)數(shù)分布表》（見表3）規(guī)則選取，其中：N為電機(jī)總個(gè)數(shù)，Na～Nd為區(qū)域電機(jī)個(gè)數(shù)，N=Na+Nb+Nc+Nd；Sa～Sd為區(qū)域磨削量。

表3 鋼軌各打磨區(qū)域內(nèi)電機(jī)個(gè)數(shù)分布

（1）根據(jù)測量計(jì)算出的區(qū)域磨削量計(jì)算各區(qū)域電機(jī)個(gè)數(shù)Ni，Ni值按四舍五入規(guī)則取偶數(shù)。當(dāng)v＜15 km/h時(shí)，取Ni=43/46·△Si/S0；當(dāng)v=15 km/h時(shí)，取Ni=△Si/S0；當(dāng)v＞15 km/h時(shí)，取Ni=△Si/S0+0.4。

（2）當(dāng)N≥46時(shí)，取N=46。

（3）電機(jī)數(shù)量不足時(shí)，依次滿足外側(cè)區(qū)域（Nd）、內(nèi)側(cè)區(qū)域（Na、Nb）、頂面區(qū)域（Nc），單股電機(jī)個(gè)數(shù)

N=Na+Nb+Nc+Nd。

（4）人工確認(rèn)打磨車可用電機(jī)個(gè)數(shù)。

3.4 磨削功率計(jì)算

根據(jù)打磨量與各打磨要素之間的關(guān)系，可得：

經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算，b≈0，k≈1，即：

式中：△S為鋼軌斷面總磨削量，mm2；S0為基準(zhǔn)磨削量，mm2；P為磨削功率，%；P0為基準(zhǔn)磨削功率，取值77%；N為砂輪個(gè)數(shù)；v為作業(yè)速度，km/h；v0為基準(zhǔn)作業(yè)速度，取值15 km/h。

3.5 打磨區(qū)域內(nèi)磨頭分布

為保證鋼軌打磨車按計(jì)劃打磨量進(jìn)行打磨，各區(qū)域內(nèi)磨頭根據(jù)△S區(qū)域進(jìn)行計(jì)算分布，同時(shí)為保證鋼軌打磨后的圓滑過渡，打磨區(qū)域內(nèi)磨頭應(yīng)均勻分布。

3.6 P/v值優(yōu)化

（1）檢查生成策略中第一遍作業(yè)速度及各區(qū)域磨削功率，當(dāng)區(qū)域P1max＞78%，且v1＞14 km/h時(shí)，取v1優(yōu)化=v1-1，重新計(jì)算各區(qū)域磨削功率。

（2）檢查生成策略中第二遍作業(yè)速度及各區(qū)域磨削功率，當(dāng)區(qū)域P2max＜72%，且v2＜14 km/h時(shí)，取v2優(yōu)化=v2+1，重新計(jì)算各區(qū)域磨削功率。

（3）左右股作業(yè)速度不一致時(shí)，則取v優(yōu)化= v低速進(jìn)行同步，重新計(jì)算磨削功率。

3.7 P/N值優(yōu)化

（1）檢查生成策略中第一遍磨頭數(shù)N1，當(dāng)N1≥打磨車可用磨頭數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)P/N值進(jìn)行優(yōu)化。

（2）檢查d區(qū)和a區(qū)的打磨功率，當(dāng)區(qū)域Pmin＜72%時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)Pmin所在區(qū)域P/N值進(jìn)行優(yōu)化。

（3）檢查Pmin所在區(qū)域的Ni值，當(dāng)Ni≥4時(shí)，則取 Ni優(yōu)化=Ni-2。

（4）重新生成策略。不改變打磨速度，改變Pmin所在區(qū)域打磨功率、磨頭個(gè)數(shù)及分布。

3.8 N/A值優(yōu)化

當(dāng)N＜46時(shí)，需進(jìn)行N/A值優(yōu)化。檢查生成策略中打磨模式的打磨角度分布情況，當(dāng)a區(qū)角度分布間隔大于5°及b區(qū)角度分布間隔大于3°時(shí)，應(yīng)對(duì)打磨模式的角度分布進(jìn)行優(yōu)化，安排角度進(jìn)行圓滑過渡，A過渡=（An+An-1）/2，功率P取63%。當(dāng)n=1時(shí)，An-1為區(qū)域左、右邊界角度。

4 最佳策略生成及運(yùn)用效果

打磨作業(yè)前，運(yùn)用GKY10-A01鋼軌廓形打磨檢測診斷儀對(duì)磨損軌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、處理，再通過試打磨作業(yè)計(jì)算確定單個(gè)磨頭的基準(zhǔn)磨削量S0值，設(shè)定基準(zhǔn)目標(biāo)廓形，通過研制的策略系統(tǒng)智能生成最佳打磨策略，制定程序結(jié)構(gòu)及流程（見圖4）。

圖4 打磨策略制定程序流程

打磨前后廓形對(duì)比見圖5，打磨前鋼軌各區(qū)域均較基準(zhǔn)目標(biāo)廓形尺寸相差較大，通過試打磨算出基準(zhǔn)磨削量S0值為0.223 mm2，h0設(shè)定為0.1 mm，策略系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)及設(shè)定參數(shù)的分析運(yùn)算，自動(dòng)生成最佳打磨策略。

自2011年開始武漢大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段對(duì)鋼軌打磨策略進(jìn)行研究探索，于2013年全面普及運(yùn)用，通過不斷測試和完善，系統(tǒng)生成的打磨策略能夠較為精準(zhǔn)地達(dá)到設(shè)計(jì)廓形的打磨要求，打磨精度能控制在0.07 mm以內(nèi)，打磨后鋼軌輪廓幾何尺寸與設(shè)計(jì)廓形近乎吻合，廓形弧面均為平滑過渡（見圖5），有效消除鋼軌廓形弧面R13 mm、R80 mm、R300 mm區(qū)域打磨平面寬度過大及過渡問題，表面粗糙度Ramax在3～8 μm，無連續(xù)點(diǎn)狀或線狀發(fā)藍(lán)帶情況，光帶寬度在20～30 mm（見圖6），打磨作業(yè)遍數(shù)由2013年以前的平均2.38遍，下降至目前的平均1.58遍，較好實(shí)現(xiàn)了以最小打磨磨削量達(dá)到設(shè)計(jì)廓形的精確打磨要求。

圖5 打磨前后廓形對(duì)比

圖6 打磨作業(yè)后輪軌接觸光帶

5 結(jié)論與展望

結(jié)合目前鋼軌打磨技術(shù)的工藝、工法，基于鋼軌打磨智能專家策略系統(tǒng)質(zhì)量控制理論，制定鋼軌打磨最佳策略，在京廣高鐵和滬蓉、京廣、京九、武九、漢丹及向莆、北同蒲、大秦等線路均得到普及應(yīng)用，達(dá)到了以最小打磨量實(shí)現(xiàn)設(shè)定基準(zhǔn)廓形的精準(zhǔn)打磨效果，為全路鋼軌打磨保護(hù)技術(shù)工藝提供了參考依據(jù)。

同時(shí)，隨著鋼軌打磨技術(shù)工藝的成熟發(fā)展和深入研究，將鋼軌打磨最佳策略制定理論進(jìn)行深化完善，運(yùn)用于鋼軌打磨車作業(yè)質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車載化動(dòng)態(tài)智能檢測分析，將是今后重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也具有重大的戰(zhàn)略意義和實(shí)用價(jià)值，需要不斷總結(jié)和探索。