鋼軌銑磨車刀盤國(guó)產(chǎn)化的試驗(yàn)與研究

尹民中 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海大機(jī)運(yùn)用檢修段

隨著我國(guó)鐵路線路建設(shè)高速發(fā)展，輪軌關(guān)系、鋼軌病害處理技術(shù)理論也不斷發(fā)展更新。中國(guó)鐵科院最早在2014年通過(guò)試驗(yàn)提出，鋪設(shè)60 N鋼軌可以減少甚至避免鋼軌在軌距角部位出現(xiàn)肥邊、剝離掉塊和疲勞核傷，產(chǎn)生的輪軌接觸光帶在25 mm～30 mm范圍內(nèi)。一些新建高鐵相繼已采用60 N廓形鋼軌鋪設(shè)。經(jīng)過(guò)最近幾年的鋼軌打磨實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，現(xiàn)在普遍認(rèn)為按照設(shè)計(jì)廓形或者介于60 N及設(shè)計(jì)廓形之間的廓形方案打磨，在各項(xiàng)輪軌關(guān)系指標(biāo)上更優(yōu)。各類打磨車、銑磨車作為鋼軌軌廓"整形師"要適應(yīng)新的要求，按照60 N或者設(shè)計(jì)軌廓進(jìn)行準(zhǔn)確修理。要適應(yīng)新的軌廓修理要求對(duì)普通打磨車不難，只需按廓形要求重新調(diào)整打磨方案即可。而鋼軌銑磨車整形修理中決定廓形的關(guān)鍵部件是刀盤，其適應(yīng)新廓形要求的靈活性不足，無(wú)法按需調(diào)整。在此情況下，我們積極調(diào)整思路，聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)專家、有實(shí)力的刀盤設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家展開(kāi)銑磨車刀盤國(guó)產(chǎn)化的試驗(yàn)與研究。

1 銑磨車國(guó)產(chǎn)刀盤的設(shè)計(jì)制造

（1）精確測(cè)量刀盤原始尺寸

目前國(guó)內(nèi)普遍使用的銑磨車為奧地利LINSINGER公司生產(chǎn)，該車共有4個(gè)銑輪，每個(gè)銑輪有22組銑削刀粒組合，每組包含8個(gè)刀粒，分兩排排列。

使用非接觸式三維掃描儀掃取刀盤各維度型面，逆向還原現(xiàn)有銑磨車刀盤，確保尺寸測(cè)量的精確度。通過(guò)測(cè)量，掌握銑磨車既有的60 kg/m、1:40軌底坡刀盤的特征，包括刀粒分布、刀盤尺寸、各類接口尺寸、刀盤凹槽特征等。

（2）根據(jù)現(xiàn)有銑磨車刀盤尺寸，考慮實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)廓形銑磨的要求，制定出國(guó)產(chǎn)刀盤設(shè)計(jì)方案

①現(xiàn)有銑磨刀盤采用標(biāo)準(zhǔn)60軌廓形。為實(shí)現(xiàn)軌頭更凸的60設(shè)計(jì)廓形，每排刀粒槽增加1個(gè)，即每組增加2個(gè)，這樣可以更加平緩地完成鋼軌軌頭廓形覆蓋，避免出現(xiàn)臺(tái)階現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 60設(shè)計(jì)廓形刀盤刀粒布置情況

②將國(guó)產(chǎn)刀盤刀粒槽設(shè)計(jì)為斜向排列，使得刀粒工作邊與作業(yè)方向成一定斜角，減少作業(yè)中的作用力及振動(dòng)，提高切削穩(wěn)定性，減少崩刃次數(shù)。

③不改變刀粒槽尺寸，這樣便可以使用標(biāo)準(zhǔn)刀粒，更加客觀地評(píng)價(jià)國(guó)產(chǎn)刀盤性能效果。

（3）根據(jù)國(guó)產(chǎn)刀盤設(shè)計(jì)方案，結(jié)合上海局的銑磨車刀盤刀粒的布置情況，進(jìn)行高精度的刀盤總體機(jī)械設(shè)計(jì)、仿真分析，優(yōu)化刀粒的布置形式，繪制出刀盤技術(shù)圖紙。

（4）委托國(guó)內(nèi)有實(shí)力的刀具制造公司，完成一組（一左一右）國(guó)產(chǎn)化刀盤加工制造。

2 開(kāi)展國(guó)產(chǎn)刀盤銑磨作業(yè)試驗(yàn)與研究

2.1 試驗(yàn)

于2018年先后兩次在皖贛線銑磨作業(yè)，對(duì)國(guó)產(chǎn)刀盤的銑削效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。第一次試驗(yàn)時(shí)，線路鋼軌初始狀態(tài)較差，出現(xiàn)多次崩刃。在7月份再次選擇鋼軌狀態(tài)稍好的區(qū)段進(jìn)行第二次試驗(yàn)?？紤]到作業(yè)后鋼軌廓形反映的主要是后一組單元的作業(yè)效果，因此試驗(yàn)前將兩個(gè)國(guó)產(chǎn)刀盤分別安裝在4、5銑削單元。

鋼軌型面測(cè)量采用RS2015-2W型便攜式鋼軌外形測(cè)量裝置，該廓形儀重復(fù)測(cè)量精度0.05 mm，外形測(cè)量精度為±0.1 mm。

銑磨車作業(yè)區(qū)段為一段圓曲線，曲線半徑為600 m，銑磨作業(yè)距離約500 m，測(cè)點(diǎn)7處。

銑磨后實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形、60 N廓形和標(biāo)準(zhǔn)60廓形在各徑向角度上的距離見(jiàn)表1，其中，正值表示實(shí)測(cè)廓形在該徑向角度方向上高于對(duì)比廓形，負(fù)值表示實(shí)測(cè)廓形在該徑向角度方向上低于對(duì)比廓形。

表1 實(shí)測(cè)廓形與對(duì)比廓形徑向距離（單位：mm）

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，銑磨后內(nèi)軌實(shí)測(cè)廓形高于設(shè)計(jì)廓形，最大值1.2 mm；高于60 N廓形，最大值接近2 mm；高于標(biāo)準(zhǔn)60廓形，最大值1.0 mm。銑磨后廓形最接近標(biāo)準(zhǔn)60廓形，其次接近60設(shè)計(jì)廓形，高于60 N廓形，此結(jié)果可能與現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)軌垂磨較大有關(guān)。

檢查4、5單元刀粒損傷情況，發(fā)現(xiàn)各組第3、第4刀粒傷損情況較多，但沒(méi)有出現(xiàn)刀粒松動(dòng)、突然崩刃的現(xiàn)象。

整體來(lái)看，第一次加工的國(guó)產(chǎn)刀盤廓形方面偏保守，內(nèi)、外軌軌距角均存在欠銑磨。下一步需基于60設(shè)計(jì)廓形，將軌頭兩側(cè)輪廓降低，最大降低位置+0.2 mm，以達(dá)到設(shè)計(jì)軌廓銑磨效果。

2.2 國(guó)產(chǎn)刀盤的設(shè)計(jì)改進(jìn)

為了避免崩刃情況，所有刀粒的朝向均為正前角布置，并保證切削時(shí)鐵屑飛出的方向一致，軌頂?shù)读A斜角度7度。為達(dá)到預(yù)期銑削效果，軌頭軌距角部分的下傾角度加大。將改進(jìn)后的刀粒切面組合的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)廓形對(duì)比，如圖2。

圖2 刀粒切面廓形與設(shè)計(jì)廓形的對(duì)比

從圖2可以看出，-100～300角度范圍內(nèi)，徑向距離小于0.05 mm；300～600角度范圍內(nèi)，最大相差0.2 mm，其中正值為過(guò)銑磨。

2.3 對(duì)國(guó)產(chǎn)刀盤改進(jìn)設(shè)計(jì)后，于2019年12月再次進(jìn)行線上試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為寧蕪線江寧鎮(zhèn)-銅井區(qū)間一曲線段，曲線半徑788 m，超高85 mm。國(guó)產(chǎn)刀盤仍然安裝在4、5單元使用。鋼軌型面測(cè)量采用RS2015-2W型便攜式鋼軌外形測(cè)量裝置。銑磨前，確定鋼軌廓形測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行第一次測(cè)量。第一次測(cè)量結(jié)束，銑磨車進(jìn)行銑磨，結(jié)束后進(jìn)行第二次測(cè)量。

2.3.1 測(cè)點(diǎn)布置

銑磨車作業(yè)區(qū)段為一段圓曲線，順著銑磨車作業(yè)方向選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次標(biāo)記為1、2、3、4、5，測(cè)點(diǎn)間距約2.5 m～3 m。

2.3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

（1）銑磨精度分析

選取測(cè)點(diǎn)1、2、3數(shù)據(jù)分析，將銑磨后廓形與設(shè)計(jì)廓形進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算兩者徑向距離，得到其銑磨精度。其中，正值表示銑磨后廓形高于設(shè)計(jì)廓形，負(fù)值表示銑磨后廓形低于設(shè)計(jì)廓形。

①測(cè)點(diǎn)1各角度銑磨精度對(duì)比如圖3所示，可以看出：

圖3 測(cè)點(diǎn)1徑向銑磨精度

內(nèi)軌非工作邊（-16°～0°）銑磨后廓形基本與60設(shè)計(jì)廓形吻合，略高于設(shè)計(jì)廓形，銑磨精度為0 mm～0.36 mm；

內(nèi)軌軌肩到工作邊（0°～60°）廓形基本與60設(shè)計(jì)廓形吻合，普遍低于設(shè)計(jì)廓形，銑磨精度在-0.34 mm～0.13 mm，即略有過(guò)銑磨，廓形略偏于60 N廓形；

外軌非工作邊（-16°～0°）與60設(shè)計(jì)廓形吻合較好，銑磨精度范圍在0 mm～0.14 mm之間；

外軌軌肩到工作邊（0°～60°）廓形與60設(shè)計(jì)廓形吻合，略低于設(shè)計(jì)廓形，精度范圍在-0.45 mm～0.45 mm，即存在略微的過(guò)銑磨。

②測(cè)點(diǎn)2各角度銑磨精度對(duì)比如圖4所示,可以看出：

圖4 測(cè)點(diǎn)2徑向銑磨精度

內(nèi)軌非工作邊（-16°～0°）與60設(shè)計(jì)廓形吻合較好，銑磨精度在-0.28 mm～-0.04 mm；

內(nèi)軌軌頂中心至工作邊（0°～60°）基本與60設(shè)計(jì)廓形吻合較好，銑磨精度在-0.40 mm～0.08 mm之間；

內(nèi)軌軌距角處銑磨后廓形基本與60設(shè)計(jì)廓形吻合，銑磨精度在-0.11 mm～0.08 mm之間；

外軌整體廓形（-16°～60°）與60設(shè)計(jì)廓形吻合良好，銑磨精度在-0.4 mm～0.09 mm；

③測(cè)點(diǎn)3各角度銑磨精度對(duì)比如圖5所示，可以看出：

圖5 測(cè)點(diǎn)3徑向銑磨精度

內(nèi)軌非工作邊（-16°～0°）略高于60設(shè)計(jì)廓形，銑磨精度范圍在-0.09 mm～0.31 mm；

內(nèi)軌軌頂中心至軌距角處（0°～60°）略低于60設(shè)計(jì)廓形，存在過(guò)銑磨，銑磨精度范圍在-0.39 mm～0 mm；軌距角處與設(shè)計(jì)廓形吻合較好；

外軌整體與設(shè)計(jì)廓形吻合較好，非工作邊（-16°～0°）略高于設(shè)計(jì)廓形，范圍在0 mm～0.15 mm之間；

外軌軌頂中心至軌距角（0°～16°）銑磨廓形略低于設(shè)計(jì)廓形，范圍在-0.17 mm～0.4 mm；16°以上無(wú)銑磨量。

（2）銑磨廓形分析

根據(jù)上海局高速鐵路鋼軌打磨實(shí)施細(xì)則關(guān)于打磨后軌頭廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2），結(jié)合銑磨后廓形與60設(shè)計(jì)廓形在軌頭橫向不同位置的垂向差值，繪制差值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比圖，如圖6、圖7中，其中紅色線是行車速度＜200 km/h的標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)色線是行車速度≥200的標(biāo)準(zhǔn)。黑色線為不同測(cè)點(diǎn)處的廓形與60設(shè)計(jì)廓形在不同橫向位置時(shí)的垂向差值。

表2 鋼軌打磨軌頭廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

圖6 內(nèi)軌銑磨后廓形與60設(shè)計(jì)廓形的垂向差值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

從圖6可以看出：

內(nèi)軌軌頭橫向-25 mm～+25 mm，所有廓形的軌頭橫向大部分位置的點(diǎn)滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，軌頭橫向位置+15 mm的部分點(diǎn)、橫向+20 mm的個(gè)別點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)的偏差在-0.08 mm～-0.02 mm。這些點(diǎn)處于內(nèi)軌軌頂扁平、外側(cè)有肥邊的過(guò)渡區(qū)域，銑磨后該處廓形需要降低和圓順，所需銑磨量較大。

內(nèi)軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的軌頭橫向點(diǎn)均滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)軌軌頭橫向-25 mm～0 mm，大部分廓形的點(diǎn)均滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；

內(nèi)軌軌頭橫向0 mm～+25 mm，有部分廓形的點(diǎn)不滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn)的偏差在-0.18 mm～-0.04 mm；

內(nèi)軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的點(diǎn)基本滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 外軌銑磨后廓形與60設(shè)計(jì)廓形的垂向差值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

從圖7可以看出：

外軌軌頭橫向-25 mm～+25 mm，所有廓形的軌頭橫向的點(diǎn)均滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；

外軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的軌頭橫向點(diǎn)均滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；

外軌軌頭橫向-25 mm～0 mm，大部分廓形的點(diǎn)均滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；

外軌軌頭橫向0 mm～+25 mm，有部分點(diǎn)廓形不滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn)的偏差在-0.09 mm～-0.04 mm；

外軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的點(diǎn)基本滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3 通過(guò)對(duì)銑磨車刀盤國(guó)產(chǎn)化的試驗(yàn)與研究，得出以下結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)銑磨車刀盤經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)改進(jìn)，左、右刀盤基本滿足60設(shè)計(jì)廓形的作業(yè)要求，內(nèi)、外軌均達(dá)到了-0.4 mm～0.3 mm的銑磨精度，且軌頂中心到工作邊內(nèi)主要為過(guò)銑磨。

（2）國(guó)產(chǎn)銑磨刀盤改進(jìn)了刀粒排列方式，增加刀粒的銑削角度覆蓋面，鋼軌修理后廓形更為圓順。

（3）對(duì)比打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，曲線內(nèi)軌、外軌銑磨后廓形滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足速度≥200km/h的打磨廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)軌在軌頭橫向0 mm～+25 mm略超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，外軌在軌頭橫向0 mm～+20 mm略超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，但超限都為負(fù)值，即過(guò)銑磨，與銑磨前廓形狀態(tài)有關(guān)。

（4）銑磨車刀盤國(guó)產(chǎn)化，不僅可以擺脫對(duì)進(jìn)口刀盤技術(shù)的依賴，也便于今后拓展到銑磨刀粒的國(guó)產(chǎn)化研究，可以預(yù)見(jiàn)將大大節(jié)省銑磨作業(yè)成本，而且能滿足新的軌廓修理要求，實(shí)現(xiàn)鋼軌銑磨型面和鋼軌打磨型面的有效統(tǒng)一，保證鐵路平穩(wěn)運(yùn)行，在銑磨車運(yùn)用及鋼軌修理技術(shù)探索方面具有重要意義。