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        鋼軌銑磨車刀盤國產(chǎn)化的試驗(yàn)與研究

        2020-11-05 16:33:26尹民中中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海大機(jī)運(yùn)用檢修段
        上海鐵道增刊 2020年2期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

        尹民中 中國鐵路上海局集團(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。中國鐵科院最早在2014年通過試驗(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)廠家展開銑磨車刀盤國產(chǎn)化的試驗(yàn)與研究。

        1 銑磨車國產(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)國產(chǎn)刀盤性能效果。

        (3)根據(jù)國產(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)委托國內(nèi)有實(shí)力的刀具制造公司,完成一組(一左一右)國產(chǎn)化刀盤加工制造。

        2 開展國產(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,但沒有出現(xiàn)刀粒松動(dòng)、突然崩刃的現(xiàn)象。

        整體來看,第一次加工的國產(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,其中正值為過銑磨。

        2.3 對(duì)國產(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 通過對(duì)銑磨車刀盤國產(chǎn)化的試驗(yàn)與研究,得出以下結(jié)論

        (1)國產(chǎn)銑磨車刀盤經(jīng)過現(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)主要為過銑磨。

        (2)國產(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略超過標(biāo)準(zhǔn),外軌在軌頭橫向0 mm~+20 mm略超過標(biāo)準(zhǔn),但超限都為負(fù)值,即過銑磨,與銑磨前廓形狀態(tài)有關(guān)。

        (4)銑磨車刀盤國產(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產(chǎn)化研究,可以預(yù)見將大大節(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。

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