鋼軌銑磨車60N軌廓銑刀盤研發(fā)與銑削工藝參數(shù)改進(jìn)

桂衛(wèi)東， 程華， 黃佳樂

（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）

鋼軌銑磨車自帶運(yùn)行動力，是用于鐵路鋼軌傷損處理和廓形修復(fù)的大型養(yǎng)路機(jī)械[1]。我國引進(jìn)鋼軌銑磨車近十年來，在60 軌傷損修復(fù)中的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)不斷積累，工藝也在不斷完善，取得了良好的運(yùn)用效果。隨著60N 軌在部分高鐵線路的推廣應(yīng)用[2]，運(yùn)營周期不斷累積，近年來傷損情況也逐漸顯現(xiàn)。如何在60N軌傷損修復(fù)中發(fā)揮鋼軌銑磨車的性能優(yōu)勢，是鋼軌養(yǎng)護(hù)面臨的新課題，需要不斷進(jìn)行運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和工藝探索。

1 鋼軌銑磨車在鋼軌傷損修復(fù)中的優(yōu)勢

我國引進(jìn)的SF03-FFS型鋼軌銑磨車，使用2組銑刀盤和1組磨盤對每股鋼軌進(jìn)行銑磨作業(yè)［3］（見圖1）。銑刀盤作業(yè)面為60軌廓，磨盤作業(yè)面為近似軌廓的凹面。

銑刀盤沿圓周分布22 組銑削斷面，每組銑削斷面由9顆銑削刀粒組成。每組銑削刀粒構(gòu)成一組鋼軌斷面包絡(luò)線，隨銑盤圓周轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對鋼軌表面材質(zhì)的切削剝離。鋼軌銑磨車主要通過控制銑刀盤進(jìn)刀量進(jìn)行銑削作業(yè)，修復(fù)軌廓。磨盤圓周是凹面形狀，磨盤（直徑800 mm）勻速圓周轉(zhuǎn)動，對銑削后的鋼軌頂面進(jìn)行仿形精磨，目的是消除鋼軌頂面刀粒銑痕間的細(xì)小凹面，提高銑削后的軌面粗糙度。

鋼軌銑磨車能夠處理鋼軌表面疲勞裂紋、剝離、掉塊以及波磨、肥邊等傷損，修復(fù)后軌廓一次成型，作業(yè)速度一般為7～12 m/min。在鋼軌傷損修復(fù)中，相比于鋼軌打磨列車，鋼軌銑磨車具有以下優(yōu)勢。

1.1 安全性

1.1.1 作業(yè)參數(shù)調(diào)整靈活

鋼軌銑磨車可根據(jù)鋼軌狀態(tài)實(shí)時調(diào)整Y方向（鋼軌內(nèi)側(cè)）和Z方向（鋼軌頂面）進(jìn)刀量，作業(yè)控制系統(tǒng)響應(yīng)及時。鋼軌打磨列車在作業(yè)過程中可對每個砂輪功率和角度進(jìn)行調(diào)整，但需要一定的響應(yīng)時間和距離，作業(yè)控制系統(tǒng)響應(yīng)滯后。

圖1 SF03-FFS型鋼軌銑磨車

1.1.2 作業(yè)中可緊急停車

作業(yè)中遇線路異常、設(shè)備故障等緊急情況，鋼軌銑磨車可立即停車，鋼軌打磨列車需要通過一定的降速距離后才能停車。

1.1.3 無消防隱患

鋼軌銑磨車作業(yè)單元配備有負(fù)壓吸塵裝置，對銑削和磨削產(chǎn)生的飛濺火星進(jìn)行密封收集。鋼軌打磨列車安裝的防火簾無法對磨削產(chǎn)生的飛濺火星實(shí)現(xiàn)完全遮擋，作業(yè)全程需跟隨消防人員及機(jī)具。

1.1.4 無線路清掃輔助工作

鋼軌銑磨車作業(yè)單元配備的負(fù)壓吸塵裝置，可對銑屑和磨屑進(jìn)行集中回收。鋼軌打磨列車作業(yè)后，需組織人員和機(jī)具對線路、設(shè)備遺留的磨屑和積渣進(jìn)行清除。

1.2 先進(jìn)性

1.2.1 傷損處理能力高

鋼軌銑磨車銑削平均深度1.5 mm/遍，一次作業(yè)軌面銑削最大深度3.5 mm，軌距角銑削最大深度5.0 mm。鋼軌打磨列車磨削平均深度0.2 mm/遍，一次作業(yè)軌面磨削最大深度0.3 mm，軌距角磨削最大深度0.5 mm。

1.2.2 軌廓成型能力高

鋼軌銑磨車安裝的銑刀盤與軌型匹配，每個銑盤都能實(shí)現(xiàn)全斷面銑削，銑削后軌廓保持高度一致。鋼軌打磨列車是由一組旋轉(zhuǎn)砂輪構(gòu)成的包絡(luò)線與鋼軌進(jìn)行徑向接觸磨削，每個砂輪有獨(dú)立的壓力、角度控制系統(tǒng)，對于原始軌廓一致性差的鋼軌，磨削后軌廓難以達(dá)到高度一致。

1.2.3 位置控制精度高

鋼軌銑磨車每套銑削裝置配有一套定位標(biāo)尺，監(jiān)控銑刀盤與鋼軌相對位置，保證銑削后軌廓的連續(xù)精度。鋼軌打磨列車的砂輪，由于車輛輪對踏面磨耗與鋼軌的相對運(yùn)動、車架的晃動、車輛的顛簸、進(jìn)給油缸和偏轉(zhuǎn)油缸的伺服系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差影響，無法保持砂輪與鋼軌接觸位置的準(zhǔn)確性，對軌廓位置的控制精度差。

1.2.4 作業(yè)質(zhì)量高

鋼軌銑磨車作業(yè)后軌廓精度±0.15 mm，軌面粗糙度≤5 μm；縱向平順性精度±0.02 mm。鋼軌打磨列車作業(yè)后軌廓精度±0.30 mm，軌面粗糙度≤10 μm；縱向平順性精度±0.2 mm。鋼軌銑磨車作業(yè)后質(zhì)量明顯優(yōu)于鋼軌打磨列車。

1.3 不可替代性

鋼軌銑磨車的全斷面銑磨與高精度位置控制，對于局部傷損處理或軌廓質(zhì)量要求較高的鋼軌，能夠發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。鋼軌銑磨車無污染作業(yè)的特點(diǎn)，對于長大隧道、地鐵等環(huán)境具有明顯的裝備優(yōu)勢［4］。尤其是在波磨、擦傷、小半徑曲線（r≤1000 m）傷損修復(fù)中，鋼軌銑磨車具有不可替代的優(yōu)勢［5］。

2 鋼軌銑磨車60軌傷損銑削修復(fù)工藝

2.1 60軌傷損特點(diǎn)

60 軌傷損主要有：頂面擦傷（緊急制動、輪對空轉(zhuǎn)等造成）、頂面鉻傷（異物碾壓造成）、軌頭磨耗（小半徑曲線、側(cè)磨、波磨等造成）、表面魚鱗傷（表層疲勞傷損造成）、表面裂紋（材質(zhì)缺陷、表面應(yīng)力集中、表面魚鱗傷縱深發(fā)展等造成）、剝離掉塊（擦傷、鉻傷、材質(zhì)、表面?zhèn)麚p發(fā)展等造成）［6］。

對于連續(xù)或多處擦傷、鉻傷深度＞0.5 mm 的傷損修復(fù)，使用鋼軌打磨列車修復(fù)需多次打磨，修復(fù)效率低，宜采用鋼軌銑磨車作業(yè)［3］。

2.2 60軌傷損銑削修復(fù)工藝

2.2.1 作業(yè)遍數(shù)選擇

結(jié)合設(shè)備性能和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，針對不同的傷損深度（擦傷、鉻傷、掉塊、裂紋、波磨深度和肥邊厚度），可根據(jù)《60 軌傷損深度與銑削作業(yè)遍數(shù)選擇參照表》（見表1）選擇作業(yè)遍數(shù)。

表1 60軌傷損深度與銑削作業(yè)遍數(shù)選擇參照表

2.2.2 作業(yè)模式選擇

根據(jù)不同鋼軌狀態(tài)和傷損情況，60 軌傷損修復(fù)工藝主要分為軌廓預(yù)處理作業(yè)、肥邊線路作業(yè)和傷損線路作業(yè)3種模式。

（1） 軌廓預(yù)處理作業(yè)。鋼軌傷損深度不大于0.5 mm 或無傷損鋼軌恢復(fù)軌廓時，使用軌廓預(yù)處理作業(yè)模式。每遍作業(yè)按照《60 軌軌廓預(yù)處理作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表》（見表2）控制銑削參數(shù)。

（2）肥邊線路作業(yè)。鋼軌肥邊量＞0.5 mm 時，使用肥邊線路作業(yè)模式。根據(jù)作業(yè)區(qū)段鋼軌肥邊量，合理選擇刀粒類型以及分配和調(diào)整前后刀盤的橫向進(jìn)刀量。按照《60 軌肥邊線路作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表》（見表3）選擇刀粒類型和控制銑削參數(shù)。

表2 60軌軌廓預(yù)處理作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表

在Y方向進(jìn)刀同時，Z方向進(jìn)刀量以達(dá)到軌廓頂面覆蓋為目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際控制，但應(yīng)隨時注意負(fù)載功率不超過刀盤自保護(hù)提升的最大限制。為提高肥邊鋼軌軌廓恢復(fù)效率，建議在作業(yè)前使用內(nèi)燃鋼軌銑軌機(jī)或內(nèi)燃道岔打磨機(jī)對肥邊進(jìn)行預(yù)打磨處理至剩余肥邊量≤2 mm，銑磨車可以1遍作業(yè)成型。

（3）傷損線路作業(yè)。適用于難以1遍銑磨處理完成的馬鞍形、擦傷、鉻傷、嚴(yán)重剝離掉塊等傷損鋼軌。按照《60 軌傷損線路作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表》（見表4）控制銑削參數(shù)。

當(dāng)肥邊和上述傷損同時存在時，應(yīng)先使用肥邊線路作業(yè)模式切除肥邊，再使用傷損線路作業(yè)模式修復(fù)軌廓頂面。使用傷損線路作業(yè)模式修復(fù)鋼軌傷損時，可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)效果增加作業(yè)遍數(shù)，以確保傷損消除。但同時應(yīng)注意，單次作業(yè)后軌頭厚度不得小于25 mm，多次作業(yè)后軌頭厚度不得小于18 mm。

3 60 軌傷損銑削修復(fù)工藝應(yīng)用于60N 軌存在的主要問題

3.1 60N軌傷損特點(diǎn)

60N軌主要鋪設(shè)于高鐵線路，鋼軌傷損主要是波磨和頂面擦傷（緊急制動造成）［7］、頂面鉻傷（異物碾壓造成）。高鐵鋼軌波磨量較小，一般通過鋼軌打磨列車作業(yè)可以完全消除［8］。頂面擦傷、鉻傷一般在短距離內(nèi)呈點(diǎn)狀分布，深度一般大于0.5 mm，為保證修復(fù)效率和質(zhì)量，應(yīng)使用鋼軌銑磨車進(jìn)行修復(fù)。

3.2 主要問題

60 軌與60N 軌之間存在軌廓差，在軌矩角處相差1.04 mm（見圖2）。鋼軌銑磨車使用60 軌廓銑刀盤對60N軌銑削作業(yè)后，鋼軌銑削與未銑削部分的軌廓差過大，影響動車組高速運(yùn)行的平穩(wěn)性。高鐵無砟軌道靜態(tài)幾何尺寸軌距作業(yè)驗(yàn)收容許偏差值±1 mm［9］，高鐵有砟軌道靜態(tài)幾何尺寸軌距作業(yè)驗(yàn)收容許偏差值±2 mm［10］，因鋼軌銑磨車銑削作業(yè)造成的誤差在軌矩容許偏差值中占比較大，使得60N 軌軌矩維護(hù)難度加大。

表3 60軌肥邊線路作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表

表4 60軌傷損線路作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表

圖2 60軌與60N軌廓對比

因此，為保證60N 軌傷損經(jīng)鋼軌銑磨車銑削修復(fù)后的軌廓一致性，在使用60 軌廓銑刀盤進(jìn)行銑削作業(yè)后，還必須使用鋼軌打磨列車進(jìn)行軌廓過渡修復(fù)，這使得60N 軌傷損修復(fù)工藝變得更加復(fù)雜，現(xiàn)場施工組織和質(zhì)量控制難度增大。

要改善鋼軌銑磨車60N 軌傷損銑削修復(fù)工藝，首先需要解決銑刀盤廓形與鋼軌廓形差異過大的問題，其次需要研究銑削工藝參數(shù)的改進(jìn)，保證作業(yè)前后軌廓的高度一致性。

4 60N軌傷損銑削修復(fù)工藝改進(jìn)

4.1 改進(jìn)思路

通過對60 軌傷損銑削修復(fù)工藝應(yīng)用于60N 軌存在主要問題的分析，提出以下2方面工藝改進(jìn)思路：一是改進(jìn)銑刀盤工作面廓形，突破原車配置的60 軌廓銑刀盤的單一廓形限制，研發(fā)60N 軌廓銑刀盤；二是研究適用于60N軌廓銑刀盤的銑削工藝參數(shù)。

4.2 工藝改進(jìn)

4.2.1 銑刀盤工作面廓形改進(jìn)

通過與國內(nèi)銑刀盤產(chǎn)品生產(chǎn)廠家進(jìn)行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，研制出的第1 代60N 軌廓銑刀盤（見圖3），于2018年4月裝車試驗(yàn)。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以下2個問題：一是Y方向（鋼軌內(nèi)側(cè)）刀粒銑削面與未銑削面形成約2 mm 錯臺；二是Z方向（鋼軌頂面）銑刀盤工作面沒有覆蓋軌面，且最外側(cè)小刀粒銑削面與鋼軌未銑削外側(cè)邊緣處形成約4 mm 錯臺。以上問題會直接導(dǎo)致銑削作業(yè)后軌廓狀態(tài)無法達(dá)到列車運(yùn)行條件，第1代60N軌廓銑刀盤試驗(yàn)失敗。

圖3 第1代60N軌廓銑刀盤工作面設(shè)計圖示

圖4 第2代60N軌廓銑刀盤工作面設(shè)計圖示

經(jīng)過對試驗(yàn)失敗原因的分析，找出了橫移量自由度設(shè)計不足的問題，重新對工作面進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。第2 代60N 軌廓銑刀盤（見圖4）主要做了以下2 方面改進(jìn)：一是延長刀具有效刃長，從71.60 mm 延長到75.84 mm；二是增大軌距角處刀粒傾斜角度，從78°增大到81°。

改進(jìn)后的第2 代60N 軌廓銑刀盤，于2018年10月再次裝車試驗(yàn)。試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果，銑削后軌廓過渡圓順，銑刀盤銑削痕跡覆蓋軌面，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)設(shè)計目標(biāo)。

4.2.2 工藝參數(shù)改進(jìn)

在60 軌傷損銑削修復(fù)工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合高鐵軌廓一致性的要求，限制單遍作業(yè)最大銑削量，固化每遍作業(yè)模式，以提高銑削后軌面質(zhì)量、降低銑削對軌廓的影響為目標(biāo)，制作出《高鐵60N 軌傷損線路作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表》（見表5），指導(dǎo)高鐵60N 軌傷損銑削修復(fù)。

表5 高鐵60N軌傷損線路作業(yè)模式銑削工藝參數(shù)控制表

4.3 60N軌傷損銑削修復(fù)工藝應(yīng)用

2018年12月，鋼軌銑磨車安裝第2 代60N 軌廓銑刀盤，按照高鐵60N 軌銑削工藝參數(shù)作業(yè)，對京廣高鐵下行K1353+100 處鋼軌擦傷進(jìn)行修復(fù)。作業(yè)速度7～8 m/min，Y方向最大銑削量0.2 mm，Z方向最大銑削量2.1 mm（單側(cè)前后刀盤進(jìn)刀量之和）。銑削作業(yè)2遍后，傷損消除，銑削作業(yè)前后軌廓差最大0.1 mm，銑削作業(yè)區(qū)段前后軌廓基本一致，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

鋼軌銑磨車60N軌廓銑刀盤的研發(fā)，為60N軌傷損提供了一種更加優(yōu)質(zhì)、高效的修復(fù)方式。鋼軌銑磨車在京廣高鐵60N軌傷損修復(fù)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了60N軌廓銑刀盤與銑削工藝參數(shù)改進(jìn)效果，積累了高鐵線路鋼軌傷損銑磨修復(fù)經(jīng)驗(yàn)。隨著60N軌在高鐵線路的不斷推廣應(yīng)用和60N軌傷損銑磨修復(fù)工藝的持續(xù)改進(jìn)探索，鋼軌銑磨車將會在60N軌傷損修復(fù)中發(fā)揮越來越重要的作用。