徐明發(fā)

[中鐵上海工程局集團(tuán)（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(shí)，由于無縫線路沒有軌縫，有效減少了列車的接縫處振動(dòng)，降低了運(yùn)行噪聲，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性與乘坐舒適性以及線路設(shè)備與機(jī)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(yùn)輸長(zhǎng)鋼軌，因此施工作業(yè)時(shí)對(duì)既有多采取將25m 標(biāo)準(zhǔn)軌進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)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(duì)其打磨的質(zhì)量要求極高。根據(jù)實(shí)際情況，人工打磨僅依靠打磨人員的操作經(jīng)驗(yàn)與熟練度，缺少高效快速的打磨檢測(cè)手段，這就對(duì)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(cè)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(jī)和手持砂輪機(jī)進(jìn)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(shí)需要施工現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)力，大多需要人工搬運(yùn)操作，人員需求量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作效率低。

使用的打磨工具中，仿形砂輪機(jī)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(jī)車車輪直接接觸，對(duì)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(jī)仍然無法打磨出與鋼軌母材完全擬合的斷面輪廓，而實(shí)際上作業(yè)結(jié)果是將鋼軌打磨成由多個(gè)平面擬合而成的曲面輪廓。手持砂輪機(jī)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(duì)焊縫的上述幾處部位對(duì)打磨結(jié)果并未做出定量標(biāo)準(zhǔn)，但仍然需達(dá)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(jī)還是手持砂輪機(jī)，其打磨效果均受作業(yè)人員操作經(jīng)驗(yàn)及熟練程度影響，打磨質(zhì)量不穩(wěn)定。其檢測(cè)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(cè)量來得出結(jié)果，測(cè)量精度差，軌底等部位完全無法測(cè)量，已不能滿足快速施工、高質(zhì)量打磨、定量檢測(cè)等作業(yè)需求。

2 鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測(cè)新技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測(cè)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(dòng)控制等輔助系統(tǒng)。全車車體長(zhǎng)7.78m、寬2.58m、高1.42m。其中，打磨裝置對(duì)稱置于車體中心部位兩側(cè)，單個(gè)打磨裝置長(zhǎng)1.27m、寬0.98m、高0.61m，通過直線導(dǎo)軌在車架體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。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(cè)裝置正視圖

圖2 鋼軌焊縫雙軌同步全斷面打磨檢測(cè)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(cè)裝置檢測(cè)到的待打磨區(qū)域鋼軌數(shù)據(jù)信息，通過PLC 計(jì)算鋼軌打磨時(shí)的進(jìn)給量[1]，控制相應(yīng)伺服電機(jī)，使打磨磨頭沿指定方向給打磨鋼軌焊縫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌焊縫的全自動(dòng)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(shí)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(duì)鋼軌的軌頭、軌腰、軌底三部分進(jìn)行打磨作業(yè)，因此出現(xiàn)打磨設(shè)備繁雜、整合度低、勞動(dòng)強(qiáng)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(tái)內(nèi)共有5 個(gè)仿形砂輪機(jī)，采用砂輪周面打磨的方式對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行打磨，達(dá)到了高速、精細(xì)的打磨效果。車體內(nèi)布置有2 處打磨平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了雙軌同步打磨作業(yè)。全斷面鋼軌打磨平臺(tái)如圖3所示[2]。

圖3 全斷面鋼軌打磨平臺(tái)實(shí)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(fèi)時(shí)、費(fèi)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(dòng)開合夾具夾持鋼軌，確保夾持作業(yè)的自動(dòng)化、高效化與安全性。同時(shí)采用液壓動(dòng)力提軌裝置進(jìn)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(shí)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(shí)物圖如圖4所示。

圖4 鋼軌提升裝置實(shí)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(dòng)會(huì)嚴(yán)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(duì)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(dòng)力來源，使用2 塊仿形夾持板對(duì)鋼軌進(jìn)行橫向夾持，然后采用自動(dòng)開合保險(xiǎn)銷板，防止出現(xiàn)鋼軌脫落之類的危險(xiǎn)情況。一段鋼軌采用有4 處精準(zhǔn)定位裝置共同進(jìn)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(dòng)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(shí)物圖

2.3.4 雙軌同步檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)打磨作業(yè)中，主要憑借操作人員的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)測(cè)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(gè)激光傳感器，采用激光三角法，對(duì)待打磨鋼軌進(jìn)行形狀采集。采集數(shù)據(jù)線性誤差小于20μm，再通過車載計(jì)算機(jī)對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與處理，得到實(shí)時(shí)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(dòng)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(tái)對(duì)整體進(jìn)行操作。

（1）操作面板用于操作2 處打磨平臺(tái)，面板上設(shè)置有觸摸顯示屏，既可以手動(dòng)輸入打磨參數(shù)，也可以實(shí)時(shí)觀測(cè)打磨作業(yè)情況。操作平臺(tái)也用于控制車輛轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛，可控制車輛前進(jìn)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(dòng)拉桿對(duì)于需要聯(lián)動(dòng)操作的設(shè)備實(shí)現(xiàn)單拉桿操作，同時(shí)也留有拉桿用于對(duì)任意液壓組件單獨(dú)操作，實(shí)現(xiàn)操作便捷性的同時(shí)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(tái)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(tái)實(shí)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(cè)車體展開作業(yè)時(shí)寬度小于3.5m、高度低于2m，轉(zhuǎn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)無障礙施工與運(yùn)輸。第二，應(yīng)用鋼軌提升與鋼軌精準(zhǔn)定位技術(shù)，機(jī)械化提升與固定打磨過程中的鋼軌，并能夠就平直度對(duì)鋼軌狀態(tài)進(jìn)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(dòng)化檢測(cè)與鋼軌全斷面打磨技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊縫形狀自動(dòng)檢測(cè)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(shí)也保證打磨精度與可靠性。