徐明發(fā)

[中鐵上海工程局集團（蘇州）軌道交通科技研究院有限公司，江蘇蘇州 215100]

0 引言

目前，城市軌道交通無縫線路作為現(xiàn)代軌道工程的發(fā)展方向，相較于原先的有縫線路，大大減少了軌道接頭處的零件數(shù)量與線路維修工作量。同時，由于無縫線路沒有軌縫，有效減少了列車的接縫處振動，降低了運行噪聲，提高了運行穩(wěn)定性與乘坐舒適性以及線路設(shè)備與機車車輛的使用壽命。城市軌道交通施工區(qū)域多為市區(qū)地下，受到交通等多方面因素制約，無法直接運輸長鋼軌，因此施工作業(yè)時對既有多采取將25m 標(biāo)準(zhǔn)軌進行現(xiàn)場焊接與打磨。地下線施工作業(yè)面較為狹小，專業(yè)施工作業(yè)設(shè)備無法展開，因而不得不采取人工方式進行鋼軌焊縫接頭處的打磨作業(yè)。為確保鋼軌在打磨處斷面輪廓線形與平整度符合要求，不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致鋼軌疲勞，對其打磨的質(zhì)量要求極高。根據(jù)實際情況，人工打磨僅依靠打磨人員的操作經(jīng)驗與熟練度，缺少高效快速的打磨檢測手段，這就對焊縫打磨工作帶來挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)城市軌道交通鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測新技術(shù)十分必要。

1 鋼軌焊縫打磨技術(shù)現(xiàn)狀

鋼軌焊接接頭打磨作業(yè)目前多采用人工操作的仿形砂輪機和手持砂輪機進行打磨作業(yè)。這類設(shè)備均不是專用鋼軌作業(yè)設(shè)備，作業(yè)時需要施工現(xiàn)場發(fā)電、人工起升鋼軌等輔助手段，需要配備的輔助設(shè)備繁雜，整合程度低，不自帶動力，大多需要人工搬運操作，人員需求量大，勞動強度高，工作效率低。

使用的打磨工具中，仿形砂輪機主要用于打磨鋼軌軌頭頂面及側(cè)面，這是由于軌頭頂面及側(cè)面分別為行車踏面和導(dǎo)向面，與機車車輪直接接觸，對鋼軌接頭的斷面輪廓線形及平整度要求較高。顯然這種人工操作的仿形砂輪機仍然無法打磨出與鋼軌母材完全擬合的斷面輪廓，而實際上作業(yè)結(jié)果是將鋼軌打磨成由多個平面擬合而成的曲面輪廓。手持砂輪機主要用于打磨鋼軌軌腰以及軌底等部位，雖然目前規(guī)范中對焊縫的上述幾處部位對打磨結(jié)果并未做出定量標(biāo)準(zhǔn)，但仍然需達到焊縫表面平整、焊縫與鋼軌母材過渡平順的要求，以免在凸起部位應(yīng)力集中從而導(dǎo)致鋼軌疲勞，或影響鋼軌超聲探傷結(jié)果。

無論是仿形打磨機還是手持砂輪機，其打磨效果均受作業(yè)人員操作經(jīng)驗及熟練程度影響，打磨質(zhì)量不穩(wěn)定。其檢測手段仍然是通過肉眼觀察、接觸觀感來判斷，或是采用直靠尺，利用不同厚度的塞尺反復(fù)測量來得出結(jié)果，測量精度差，軌底等部位完全無法測量，已不能滿足快速施工、高質(zhì)量打磨、定量檢測等作業(yè)需求。

2 鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測新技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測裝置由框架結(jié)構(gòu)的車架體構(gòu)成主體，內(nèi)部設(shè)置有鋼軌提升、鋼軌定位、輪組、支腿、自動控制等輔助系統(tǒng)。全車車體長7.78m、寬2.58m、高1.42m。其中，打磨裝置對稱置于車體中心部位兩側(cè)，單個打磨裝置長1.27m、寬0.98m、高0.61m，通過直線導(dǎo)軌在車架體內(nèi)運動。打磨車整車結(jié)構(gòu)形式圖如圖1、圖2所示。

圖1 鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測裝置正視圖

圖2 鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測裝置俯視圖

2.2 技術(shù)原理

鋼軌焊縫打磨過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)檢測裝置檢測到的待打磨區(qū)域鋼軌數(shù)據(jù)信息，通過PLC 計算鋼軌打磨時的進給量[1]，控制相應(yīng)伺服電機，使打磨磨頭沿指定方向給打磨鋼軌焊縫，實現(xiàn)了對鋼軌焊縫的全自動化打磨。鋼軌焊縫打磨完成后，通過放下走行輪組、收起支撐支腿，打磨車能夠在已鋪設(shè)好的鋼軌上行駛，無需其他牽引裝置，實現(xiàn)了打磨焊縫后的自行轉(zhuǎn)移。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 全斷面鋼軌打磨技術(shù)

傳統(tǒng)焊縫打磨需要對鋼軌的軌頭、軌腰、軌底三部分進行打磨作業(yè)，因此出現(xiàn)打磨設(shè)備繁雜、整合度低、勞動強度大等問題。

鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨車采用全斷面鋼軌打磨技術(shù)，1 處打磨平臺內(nèi)共有5 個仿形砂輪機，采用砂輪周面打磨的方式對鋼軌焊縫進行打磨，達到了高速、精細的打磨效果。車體內(nèi)布置有2 處打磨平臺，實現(xiàn)了雙軌同步打磨作業(yè)。全斷面鋼軌打磨平臺如圖3所示[2]。

圖3 全斷面鋼軌打磨平臺實物圖

2.3.2 鋼軌提升技術(shù)

鋼軌焊縫打磨作業(yè)中需要拆除鋼軌扣件并使用千斤頂頂升鋼軌。手持式千斤頂使用費時、費力，無法滿足目前施工高速化的需求。

鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨車采用半自動開合夾具夾持鋼軌，確保夾持作業(yè)的自動化、高效化與安全性。同時采用液壓動力提軌裝置進行鋼軌提升作業(yè)，使用4 處提升裝置同步起落一段鋼軌，保證提升時鋼軌的平順度，為后續(xù)的鋼軌打磨作業(yè)打好基礎(chǔ)。鋼軌提升裝置實物圖如圖4所示。

圖4 鋼軌提升裝置實物圖

2.3.3 鋼軌精準(zhǔn)定位技術(shù)

鋼軌焊縫打磨的過程中，鋼軌處于懸空的狀態(tài)，打磨作業(yè)過程中產(chǎn)生的振動會嚴重影響最終的打磨效果，因而需要在提升裝置的基礎(chǔ)上加裝相對應(yīng)的精準(zhǔn)定位裝置，以確保焊縫打磨的效果[3]。

（1）采用液壓作為動力來源，使用2 塊仿形夾持板對鋼軌進行橫向夾持，然后采用自動開合保險銷板，防止出現(xiàn)鋼軌脫落之類的危險情況。一段鋼軌采用有4 處精準(zhǔn)定位裝置共同進行固定，以確保能夠高效、安全地固定打磨過程中的鋼軌。

（2）在夾持塊上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺栓，可用于手動微調(diào)鋼軌狀態(tài)，確保了鋼軌定位的精確性。鋼軌夾持裝置如圖5所示。

圖5 鋼軌精準(zhǔn)定位裝置實物圖

2.3.4 雙軌同步檢測技術(shù)

傳統(tǒng)打磨作業(yè)中，主要憑借操作人員的經(jīng)驗判斷需要打磨的深度，缺少直觀化、可視化的打磨數(shù)據(jù)。打磨后的鋼軌外形往往采用煩瑣的人工方式行進測量，無法滿足如今快速作業(yè)的需求。

鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨車使用2 個激光傳感器，采用激光三角法，對待打磨鋼軌進行形狀采集。采集數(shù)據(jù)線性誤差小于20μm，再通過車載計算機對采集后的數(shù)據(jù)進行擬合與處理，得到實時的鋼軌焊縫數(shù)據(jù)。其中，激光傳感器采集數(shù)據(jù)如圖6所示，處理形成的鋼軌擬合后形狀圖如圖7所示。

圖6 激光傳感器采集數(shù)據(jù)圖

圖7 鋼軌擬合后形狀圖

2.3.5 自動化控制與操作技術(shù)

鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨車設(shè)置有專用操作平臺對整體進行操作。

（1）操作面板用于操作2 處打磨平臺，面板上設(shè)置有觸摸顯示屏，既可以手動輸入打磨參數(shù)，也可以實時觀測打磨作業(yè)情況。操作平臺也用于控制車輛轉(zhuǎn)場行駛，可控制車輛前進后退以及行駛速度，保證了車輛電氣部分操作的可視化操作。

（2）液壓操作手柄用于操作鋼軌夾持、鋼軌精準(zhǔn)定位、車體的液壓部分結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置有聯(lián)動拉桿對于需要聯(lián)動操作的設(shè)備實現(xiàn)單拉桿操作，同時也留有拉桿用于對任意液壓組件單獨操作，實現(xiàn)操作便捷性的同時保留有突發(fā)情況下的應(yīng)急操作空間。鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨車操作平臺如圖8所示[4]。

圖8 鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨車操作平臺實物圖

3 結(jié)論

第一，城市軌道交通鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測車體展開作業(yè)時寬度小于3.5m、高度低于2m，轉(zhuǎn)場過程中能無碰撞通過人防門等狹窄空間，保證整車設(shè)備實現(xiàn)無障礙施工與運輸。第二，應(yīng)用鋼軌提升與鋼軌精準(zhǔn)定位技術(shù)，機械化提升與固定打磨過程中的鋼軌，并能夠就平直度對鋼軌狀態(tài)進行微調(diào)，有效解決打磨過程中鋼軌發(fā)生位移的問題。第三，采用自動化檢測與鋼軌全斷面打磨技術(shù)，實現(xiàn)焊縫形狀自動檢測與鋼軌全斷面打磨作業(yè)，解放打磨作業(yè)所需人力資源的同時也保證打磨精度與可靠性。