提高道岔鋼軌銑削質量的可行性探討

徐濟松，張世紅，高春雷，王發(fā)燈，游彥輝

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

道岔作為鐵路的核心要素之一，其加工質量直接影響鐵路的總體運能和安全性［1］。與正線鋼軌相比，岔區(qū)鋼軌結構和承載方式有所差異。因此，在道岔鋼軌銑削過程中，強化加工工藝的同時，應采用科學的檢測技術和手段，嚴格控制和管理道岔鋼軌的斷面尺寸參數(shù)［2］。目前，國內道岔裝備廠家對道岔鋼軌的加工主要采用數(shù)控龍門鏜銑床進行，道岔鋼軌的銑削精度主要依賴銑床及控制系統(tǒng)的精度［3-5］。

本文針對B1-297 型數(shù)控龍門鏜銑床，利用鋼軌輪廓在線檢測系統(tǒng)和數(shù)控算法對檢測數(shù)據(jù)進行分析評估，對提高道岔鋼軌銑削質量的可行性進行探討。

1 B1-297型鏜銑床

1.1 主要結構

B1-297型數(shù)控龍門鏜銑床是集機、電、液等先進技術于一體的高效多功能的大型定梁式數(shù)控龍門鏜銑床，適用于加工各種高碳鋼材料的鋼軌，包括鐵路道岔的各種尖軌、基本軌、翼軌和心軌。該設備為固定橫梁式工作臺移動龍門鏜銑床，在固定的橫梁上設置2套加工單元，配置有2個大功率、交流調速的立式鏜銑頭。使用1個主軸（SP軸）和3個方向的進給軸：SP軸——鏜銑頭作回轉運動；進給軸x——工作臺在床身上沿導軌作前后縱向運動；進給軸y——溜板在橫梁上沿導軌作左右橫向運動；進給軸z——滑枕在溜板上沿導軌作上下垂直運動，其中滑枕截面尺寸為500 mm×500 mm。

1.2 控制系統(tǒng)

該龍門鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS公司原裝進口的SINUMERIK-840D系統(tǒng)［6］，PLC裝置采用SIMATIC S7-300PLC。其中，主軸和進給軸控制模塊均采用SIEMENS公司生產(chǎn)的SIMODRIVE 611D全數(shù)字式驅動模塊，各驅動電機均采用SIEMENS公司生產(chǎn)的交流數(shù)字式伺服電機。龍門鏜銑床軸參數(shù)見表1。

表1 龍門鏜銑床軸參數(shù)

主軸SP 和進給軸x定向裝置采用德國SIEMENS公司生產(chǎn)的6FX20018AJ05 型和6FX20018RA051G 型磁圓環(huán)編碼盤，進給軸y，z位置檢測元件均采用德國HEIDENHAIN 公司原裝進口的金屬直線LB382C 光柵尺。進給軸y，z采用全閉環(huán)控制，而進給軸x采用雙檢測雙反饋半閉環(huán)控制。

2 銑削質量優(yōu)化方案

2.1 當前檢測方案

當前檢測方案如圖1所示。

圖1 當前檢測方案

2.2 優(yōu)化方案

2.2.1 硬件配置

鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)控制單元為NCU（Numerical Control Unit）模塊［7］。其中：X122 接口為 MPI（Multi Point Interface）通訊接口，波特率為187.5 kB/s，可通過轉換模塊與外部計算機進行通訊［8-10］?，F(xiàn)場經(jīng)軟硬件設置和調試后，已通過X122接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

道岔鋼軌銑削質量優(yōu)化方案硬件由鋼軌輪廓在線檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)2 部分組成，如圖2所示。鋼軌輪廓在線檢測系統(tǒng)是在鏜銑床的2個滑枕上分別安裝1 套二維移動裝置，根據(jù)加工道岔規(guī)格尺寸的不同可調整水平和垂直2個方向的位置。二維移動裝置上安裝2 個二維激光掃描傳感器，在線掃描道岔鋼軌斷面輪廓參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端、數(shù)據(jù)處理中心、轉換模塊、840D數(shù)控中心組成。

圖2 道岔鋼軌銑削質量優(yōu)化方案硬件組成

2.2.2 銑削過程優(yōu)化方案

銑削過程優(yōu)化方案如圖3所示。在道岔鋼軌銑削加工過程中，首先由鋼軌輪廓在線檢測系統(tǒng)實時對道岔鋼軌銑削斷面進行檢測，包括道岔鋼軌軌頭寬度、軌底寬度、斷面輪廓尺寸等參數(shù)。然后利用數(shù)據(jù)處理中心對道岔鋼軌的各項參數(shù)進行計算和處理，并在數(shù)據(jù)終端上顯示分析結果，模擬優(yōu)化加工控制參數(shù)，對檢測結果進行模擬計算和修正。最后將鋼軌斷面加工過程中的控制參數(shù)調整后反饋給鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)，進行加工。

圖3 銑削過程優(yōu)化方案

3 檢測驗證

以B1-297 型數(shù)控龍門鏜銑床在線銑削CNR6403型60 kg/m 鋼軌18 號單開道岔曲線尖軌（應用在無砟軌道）為例，對鋼軌銑削質量檢測方案進行驗證。

3.1 道岔鋼軌斷面位置的選定

為了檢驗CNR6403型鋼軌加工精度，在銑削過程中對鋼軌控制斷面進行檢測。檢測內容主要包括鋼軌軌頭寬度與厚度、軌底寬度、斷面輪廓尺寸。道岔鋼軌銑削控制斷面位置及其參考尺寸如圖4所示。

圖4 道岔鋼軌銑削控制斷面位置及其參考尺寸（單位：mm）

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

利用鋼軌輪廓在線檢測系統(tǒng)對道岔鋼軌銑削過程中的數(shù)據(jù)進行實時采集。通過智能化的檢測和數(shù)字處理技術，對在線實測數(shù)據(jù)進行預處理、轉換、擬合，計算分析CNR6403 型鋼軌不同控制斷面的參數(shù)。軟件分析結果見圖5。

圖5 軟件分析結果

將銑削質量模擬優(yōu)化前后計算結果進行對比，見表2。

表2 模擬優(yōu)化前后計算結果對比 mm

由表2可見：優(yōu)化前抽檢的B～F斷面中只有斷面D的軌頭寬度偏差在允許誤差-0.2～+0.2 mm 范圍內，其他斷面軌頭寬度偏差均超出允許范圍；優(yōu)化前B～F斷面中只有C和E斷面輪廓偏差均值在允許誤差-0.2～+0.2 mm 范圍內，其值分別為 -0.16 mm和-0.13 mm。經(jīng)模擬計算和優(yōu)化處理，優(yōu)化后B斷面軌頭寬度偏差最大，其值為+0.17 mm；D斷面輪廓偏差均值最大，其值為+0.18 mm。由此可見，該優(yōu)化方案能有效改善鋼軌銑削質量。

在確定能提高道岔鋼軌輪廓加工質量的前提下，方可將優(yōu)化后的加工控制參數(shù)，逐級輸入到銑削控制系統(tǒng)，以保證銑削精度逐步得到提升。

4 結語

本文針對道岔鋼軌銑削質量控制探討了優(yōu)化方案的可行性。首先介紹了B1-297 型鏜銑床的主要結構和控制系統(tǒng)；然后闡述了當前檢測方案，道岔鋼軌銑削質量優(yōu)化方案的硬件配置和優(yōu)化過程；最后，選取道岔鋼軌進行現(xiàn)場加工，對優(yōu)化方案進行驗證。數(shù)據(jù)分析結果表明：該優(yōu)化方案中硬件配置系統(tǒng)穩(wěn)定，軟件操作便利，能夠優(yōu)化加工過程，提高銑削質量。