秦小光，胡 媛

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

自20世紀(jì)60年代以來，先行發(fā)展高速鐵路的日本、德國(guó)等國(guó)家大力開發(fā)以混凝土或?yàn)r青混合料等產(chǎn)品取代散粒道砟道床(有砟軌道)的各類新型軌道，統(tǒng)稱為無砟軌道。與有砟軌道相比，無砟軌道具有穩(wěn)定性高、剛度均勻性好、結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)、維修工作量小的特點(diǎn)，能夠滿足高速列車安全性、平穩(wěn)性、舒適性的要求，成為高速鐵路、客運(yùn)專線軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向［1-2］。已建成的京津城際和京滬高鐵，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，均采用CRTSⅡ型無砟軌道板。

1 CRTSⅡ型板結(jié)構(gòu)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)軌道板結(jié)構(gòu)示意

CRTSⅡ型板分標(biāo)準(zhǔn)版和異型板。標(biāo)準(zhǔn)板為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，質(zhì)量達(dá) 8.6 t，每塊長(zhǎng) 6.45 m，寬 2.55 m，厚0.2 m，結(jié)構(gòu)如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)板縱向分20個(gè)承軌臺(tái)，承軌臺(tái)設(shè)計(jì)適應(yīng)于有擋肩扣件，每塊板的承軌臺(tái)的參數(shù)均不同，經(jīng)過打磨后確定了其在線路上唯一位置屬性，每塊板都有一個(gè)唯一的身份識(shí)別代碼，鋪裝時(shí)須“對(duì)號(hào)入座”。異型板包括補(bǔ)償板、特殊板、小曲線半徑板以及道岔板，其中補(bǔ)償板、特殊板、小曲線半徑板均在標(biāo)準(zhǔn)板基礎(chǔ)上發(fā)展變化而來，與標(biāo)準(zhǔn)板有著類似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別用于補(bǔ)償調(diào)整線路長(zhǎng)度、道岔前后過渡、曲線半徑小于1 500 m地段。道岔板用于單獨(dú)設(shè)計(jì)道岔區(qū)。圖1為標(biāo)準(zhǔn)軌道板結(jié)構(gòu)示意。

CRTSⅡ型板的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工工藝復(fù)雜、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、科技含量大，對(duì)各工序的精度要求高。承軌槽精密加工是各道工序中最關(guān)鍵的，精度要求為0.1 mm，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行打磨。打磨系統(tǒng)的研發(fā)是CRTSⅡ型板技術(shù)體系建設(shè)中的最繁雜和最困難的，不但涉及到鐵路、機(jī)械制造、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)行業(yè)，而且跨越鐵路設(shè)計(jì)、軌道板制造、磨床制造、軟件開發(fā)、無砟軌道施工等多個(gè)不同領(lǐng)域，自主開發(fā)前一直依賴高價(jià)引進(jìn)的國(guó)外軟件。隨著CRTSⅡ型板技術(shù)體系攻關(guān)和創(chuàng)新，我國(guó)已研發(fā)出自主的CRTSⅡ型板設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等一系列成套技術(shù)，打磨技術(shù)是該技術(shù)體系的一部分，也是最關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)。

2 CRTSⅡ型板打磨技術(shù)體系

CRTSⅡ型板打磨技術(shù)體系，是CRTSⅡ型板技術(shù)體系建設(shè)的最繁雜、最難研發(fā)的部分。打磨軟件是其靈魂，統(tǒng)領(lǐng)著打磨系統(tǒng)。其通過對(duì)毛坯板的檢測(cè)，結(jié)合從生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的得到的布板數(shù)據(jù)，生成一個(gè)優(yōu)化的打磨控制程序，控制機(jī)床研磨，采用激光測(cè)量糾偏，生產(chǎn)出與對(duì)應(yīng)布板參數(shù)數(shù)據(jù)一致的 CRTSⅡ型板。CRTSⅡ型板數(shù)控機(jī)床打磨軟件是基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的，包括生產(chǎn)管理、磨床控制、打磨操作、激光測(cè)量、雕刻5個(gè)子系統(tǒng)。圖2所示為打磨軟件的構(gòu)成。

圖2 打磨軟件的構(gòu)成

2.1 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

生產(chǎn)管理系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)的一款CRTSⅡ型板打磨生產(chǎn)管理程序，它實(shí)現(xiàn)了從讀取FFB布板數(shù)據(jù)，安排打磨任務(wù)、傳輸數(shù)據(jù)到打磨機(jī)、打磨結(jié)束獲取數(shù)據(jù)、儲(chǔ)板場(chǎng)管理、到發(fā)送成品板，提高了軌道板打磨的自動(dòng)化程度，使生產(chǎn)效率得到了極大提高。

2.2 磨床控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)用來和生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行通訊并用于控制打磨機(jī)及生成數(shù)據(jù)程序。它是打磨軟件的核心，相當(dāng)于人體的大腦，流程控制、打磨量的計(jì)算、左右線板的判斷、各種參數(shù)的傳遞以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理都通過磨床控制軟件來完成。

2.3 打磨操作系統(tǒng)

CRTSⅡ型板打磨操作是數(shù)控機(jī)床根據(jù)待完成的幾何額定值、毛坯板的精度以及最終確定的打磨次數(shù)對(duì)軌道板進(jìn)行打磨的過程。磨床是打磨軟件的具體執(zhí)行者，相當(dāng)于人體的手和腳，根據(jù)磨床控制軟件來執(zhí)行具體的操作。按照磨床控制軟件的流程，根據(jù)磨床控制軟件傳遞過來的各種參數(shù)，進(jìn)行具體的打磨工作。

2.4 激光測(cè)量系統(tǒng)

激光測(cè)量系統(tǒng)使用激光掃描儀，根據(jù)磨床控制系統(tǒng)提供的測(cè)量命令對(duì)軌道板上的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取記錄，主要負(fù)責(zé)毛坯板和成品板的測(cè)量。打磨軟件根據(jù)激光測(cè)量出來的數(shù)據(jù)計(jì)算毛坯板打磨量，并與布板數(shù)據(jù)比較判斷打磨是否合格。

2.5 刻字系統(tǒng)

每塊CRTSⅡ型板都有一個(gè)唯一的身份識(shí)別代碼，激光測(cè)量合格后，刻字系統(tǒng)把此塊CRTSⅡ型板專屬的識(shí)別代碼刻上去，用于發(fā)送和鋪設(shè)管理?？套窒到y(tǒng)就是根據(jù)軌道板生產(chǎn)要求，把要求雕刻的尺寸，工藝路線、數(shù)值參數(shù)等內(nèi)容，用數(shù)控系統(tǒng)能夠接受的數(shù)字及文字代碼表示出來，并按一定的規(guī)則進(jìn)行組合。

3 打磨技術(shù)體系關(guān)鍵技術(shù)

3.1 打磨操作流程

軌道板的打磨由打磨機(jī)完成，工作過程需要水、電、氣及污水處理系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，正常情況下，軌道板打磨時(shí)間約15 min。主要工作程序如下。

固定軌道板:托架線將軌道板運(yùn)送到打磨工位，然后通過設(shè)置在軌道板下的6個(gè)油缸將毛坯板頂起并進(jìn)行找平調(diào)整，從側(cè)面6個(gè)夾緊油缸將軌道板卡緊。此時(shí)即可開始對(duì)毛坯板進(jìn)行測(cè)量和磨削加工。

生成子程序:通過磨床內(nèi)激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量軌道板承軌臺(tái)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，計(jì)算出板平面相對(duì)于加工面的位置，然后將加工面轉(zhuǎn)換到軌道板上，并借助路線控制數(shù)據(jù)(每個(gè)承軌臺(tái)的Y、Z坐標(biāo)和傾斜角)自動(dòng)生成加工該塊板的數(shù)控打磨子程序。

打磨軌道板:根據(jù)打磨程序給出的打磨次數(shù)和打磨量，打磨機(jī)的2個(gè)磨輪對(duì)軌道板進(jìn)行打磨行程，直至符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

雕刻編號(hào):軌道板打磨完成后，測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)軌道板打磨質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)合格后，自動(dòng)生成雕刻程序?qū)④壍腊宓牟及寰幪?hào)雕刻在軌道板上。

清洗出板:編號(hào)雕刻完成，用固定在機(jī)床上的沖洗裝置沖洗軌道板。然后松開夾緊油缸，將軌道板放到滾輪托架線上，打開打磨室的進(jìn)出料口，打磨完成的軌道板被運(yùn)出，下一塊毛坯板進(jìn)入打磨室。

3.2 打磨關(guān)鍵技術(shù)

(1)五軸機(jī)床聯(lián)動(dòng)技術(shù):在這里可以把軌道板看成一個(gè)待加工的三維曲面零件，可以用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用磨輪對(duì)承軌臺(tái)進(jìn)行多角度打磨，五軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益［3］。

(2)數(shù)控機(jī)床技術(shù):磨床控制系統(tǒng)使用數(shù)控程序?qū)δゴ策M(jìn)行控制。數(shù)控程序的編譯是根據(jù)需要被打磨的軌道板圖紙和技術(shù)要求、工藝要求，將軌道板加工的工藝順序、工序內(nèi)的工步安排、刀具相對(duì)于軌道板運(yùn)動(dòng)的軌跡與方向、工藝參數(shù)及輔助動(dòng)作等，用數(shù)控系統(tǒng)所規(guī)定的規(guī)則、代碼和格式編制成文件，并將程序單的信息制作成控制介質(zhì)的整個(gè)過程。在本系統(tǒng)中使用NC語(yǔ)言作為數(shù)控加工語(yǔ)言。在打磨現(xiàn)場(chǎng)可以對(duì)程序修改或編譯后直接輸入到840D數(shù)控系統(tǒng)中，其打磨精度還可以利用軟件進(jìn)行校正及補(bǔ)償。由于NC語(yǔ)言是由后置處理器產(chǎn)生，可以直接輸入機(jī)床，所以有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性［4-7］。

(3)一刀磨和兩刀磨技術(shù):為了與不同的打磨機(jī)相匹配，打磨軟件設(shè)計(jì)了2套不同的打磨程序——一刀磨NC程序與兩刀磨NC程序。兩刀磨指使用半磨輪分2次打磨成型。它的打磨過程是根據(jù)待完成的幾何額定值、毛坯板的精度以及預(yù)定的最大打磨量確定打磨次數(shù)。軌道幾何額定值將先按承軌臺(tái)一半寬度進(jìn)行打磨。每次打磨完一半承軌臺(tái)后C軸需要旋轉(zhuǎn)180°繼續(xù)打磨。一半承軌臺(tái)打磨完成后兩主軸分離，并完成180°回轉(zhuǎn)，A軸反偏。刀架對(duì)回轉(zhuǎn)中心偏置后成功對(duì)準(zhǔn)另一半承軌臺(tái)，再打磨承軌臺(tái)的另一半。圖3左側(cè)為打磨了一側(cè)的承軌臺(tái)。

圖3 兩刀磨與一刀磨

一刀磨即為采用整體磨輪一次打磨，打磨機(jī)使用整體磨輪，它的設(shè)備與采用半磨輪拼接打磨機(jī)械構(gòu)造上有較大不同。理論上一刀磨需要的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為兩刀磨的2倍，在軟件開發(fā)的過程中采用液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的整體磨輪進(jìn)行一次打磨。它的打磨成功，標(biāo)志著中國(guó)有能力自主研制打磨機(jī)、開發(fā)打磨程序，自行研制的打磨機(jī)將明顯提高打磨效率，是打磨機(jī)技術(shù)的突破性創(chuàng)新。圖3右側(cè)為使用整體磨輪打磨后的承軌臺(tái)。

整體磨輪打磨出的軌道板，承軌臺(tái)更為平整，減少了列車過軌時(shí)的顛簸，增強(qiáng)了乘車舒適度。一刀磨與兩刀磨相比，大大節(jié)省了打磨時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

(4)刻字與模腔循環(huán)技術(shù)

刻字系統(tǒng)的工作過程是指接收操作雕刻指令到執(zhí)行完成指令的過程，整個(gè)過程都是在系統(tǒng)軟件的統(tǒng)一管理下進(jìn)行的。圖4為刻字系統(tǒng)的工作過程。在一塊軌道板上進(jìn)行雕刻，系統(tǒng)首先從刻字程序中接收雕刻信息，然后進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的代碼，根據(jù)譯碼的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出不同的控制功能，如雕刻軸的旋轉(zhuǎn)、控制進(jìn)給坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)等。

圖4 刻字系統(tǒng)的工作過程

刻字系統(tǒng)采用了模腔循環(huán)技術(shù)，可以靈活地調(diào)用數(shù)字庫(kù)。模腔循環(huán)是一個(gè)工藝子程序，使用此循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)雕刻一組識(shí)別號(hào)碼的加工過程。通過具體參數(shù)的設(shè)定，可以使模腔循環(huán)與具體的雕刻要求相匹配。使用模腔循環(huán)可以銑削一個(gè)以直線排列的或者以圓弧排列的文字，圓弧排列的文字可以上面或者下面對(duì)齊。字體高度和文字總寬度，字符間距或者圓弧排列時(shí)的張角，以及字體的對(duì)齊均可以通過不同的參數(shù)進(jìn)行改變。通過使用模腔循環(huán)，程序簡(jiǎn)潔、明了，在編制雕刻程序時(shí)，只需調(diào)用子程序并對(duì)其中變量賦值［8-10］。圖5所示為使用模腔循環(huán)的刻字系統(tǒng)對(duì)鋼板進(jìn)行的雕刻試驗(yàn)結(jié)果。由于鋼板與混凝土的硬度不同，在實(shí)際的軌道板刻字系統(tǒng)中個(gè)別參數(shù)設(shè)置與鋼板試驗(yàn)中略有不同。

圖5 鋼板雕刻試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

為適應(yīng)我國(guó)高速鐵路建設(shè)發(fā)展的需要，建立自己的無砟軌道技術(shù)體系，打破國(guó)外無砟軌道的技術(shù)壟斷，鐵道部進(jìn)行了CRTSⅡ型板技術(shù)體系攻關(guān)和創(chuàng)新，CRTSⅡ型板式無砟軌道打磨系統(tǒng)技術(shù)體系就是這次攻關(guān)和創(chuàng)新的一個(gè)重要成果。通過中鐵二十局石武客專項(xiàng)目部、十七局京滬高速項(xiàng)目部使用和驗(yàn)證，表明自主系統(tǒng)比國(guó)外系統(tǒng)有更強(qiáng)的適應(yīng)性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

高速鐵路無砟軌道技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，本文僅研究分析了CRTSⅡ型無砟軌道打磨系統(tǒng)技術(shù)體系的關(guān)鍵技術(shù)，該研究也是一個(gè)不斷研究摸索與實(shí)踐相結(jié)合的過程，在實(shí)際應(yīng)用結(jié)合方面仍有許多地方需要改進(jìn)和完善，這是下一步所要進(jìn)行的工作。

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