孫立瑞,鄭漢斌,陳昌皓,劉 洋,王雨石,宋金秋

(1.金鷹重型工程機(jī)械股份有限公司,湖北 襄陽 441000;2.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司博士后科研工作站,湖北 武漢 430061)

0 引言

隨著我國鐵路運(yùn)輸朝著高速化和重載化的方向發(fā)展,輪軌間的載荷大幅增加,鋼軌傷損如波磨、疲勞裂紋、剝落和肥邊等病害也日趨嚴(yán)重[1-2],其不僅會加劇列車運(yùn)行時的振動與噪聲,還會對列車的行車安全造成威脅。因此,在鋼軌損傷達(dá)到一定程度時,須對鋼軌進(jìn)行周期性的打磨養(yǎng)護(hù)工作[3-4]。國外生產(chǎn)和研制小型打磨機(jī)具的設(shè)備廠家主要有法國的吉斯瑪(Geismar),德國的GEA、諾貝爾(Robel)和高德斯密特-施密特(Goldschmidt -Thermit)等,其產(chǎn)品特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,打磨質(zhì)量好且性能穩(wěn)定。我國已經(jīng)從學(xué)習(xí)借鑒國外打磨經(jīng)驗(yàn)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾骰匿撥壌蚰ゼ夹g(shù)和產(chǎn)品,但是對于小型打磨機(jī)具配套技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)還有許多不足的地方。武漢局下屬的各工務(wù)段目前使用的大部分是法國吉斯瑪(Geismar)和德國諾貝爾(Robel)的打磨機(jī)具,還有少量國產(chǎn)品牌,山東澤榮NGM內(nèi)燃仿形精磨機(jī)和山東智沃鋰電池砂帶打磨機(jī)。

以砂輪端面打磨機(jī)和砂帶打磨機(jī)為例,2種鋼軌打磨機(jī)的打磨效果分別如圖1和圖2所示。可以看出,2種打磨方式均需要隨著鋼軌軌頭廓形逐步調(diào)整磨石和砂帶垂直方向的打磨角度,砂輪端面打磨后的鋼軌表面往往存在較多的平面和棱線,砂帶打磨的鋼軌表面則更加均勻規(guī)整[5- 6]。但操作過程中,機(jī)具的下刀力度、走行速度、打磨角度和打磨接觸面等人為因素會影響鋼軌的打磨質(zhì)量,當(dāng)軌頭踏面不平整或波磨較為嚴(yán)重時,砂帶打磨的光帶還可能存在不平順和打磨不均勻的情況。

圖1 砂輪端面打磨效果

圖2 砂帶打磨效果

目前,我國鐵路各工務(wù)部門普遍使用的小型鋼軌打磨機(jī)主要采用砂輪端面磨削的方式,對大機(jī)打磨不到位、道岔打磨受限區(qū)和打磨盲區(qū)、線路上的周期性點(diǎn)狀病害進(jìn)行預(yù)防性和修復(fù)性打磨,這也是目前小型機(jī)具打磨鋼軌的主流作業(yè)方式,但在使用過程中存在一些問題,例如：機(jī)具多為一體式結(jié)構(gòu),不可拆裝,使用車輛運(yùn)輸時占據(jù)空間較大;大部分機(jī)具設(shè)計質(zhì)量過大,需要多人同時搬運(yùn),非常耗費(fèi)作業(yè)人員的體力[7];打磨機(jī)具自動化程度不高,打磨作業(yè)的效果受人為因素影響大,作業(yè)效率低等。

針對目前小型打磨機(jī)具普遍存在的問題,本文基于周面磨削原理研制一種輕便型電驅(qū)動鋼軌損傷打磨機(jī)具,周面打磨技術(shù)利用砂輪周面作為工作面,通過在軌頭不同角度布置3～5個砂輪完全包絡(luò)鋼軌的軌頭廓形,打磨鋼軌病害與廓形修復(fù),保證打磨后鋼軌廓形斷面的連續(xù)曲線特征,在不影響打磨質(zhì)量的前提下,避免占用較大橫斷面空間,以及包括與道岔的尖軌區(qū)域和轍叉區(qū)域的干涉問題,特別符合道岔、平交道口和結(jié)構(gòu)復(fù)雜線路的打磨作業(yè)要求[8]。通過對其總體方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋼軌打磨試驗(yàn)開展研究,以期提高小型打磨機(jī)具的自動化程度,降低人為因素對打磨質(zhì)量的影響,減輕作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。

1 打磨機(jī)具總體方案設(shè)計

根據(jù)既有小型打磨機(jī)具在結(jié)構(gòu)設(shè)計、搬運(yùn)、運(yùn)輸和作業(yè)過程中存在的諸多問題,結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際需求,自行研制的輕便型電驅(qū)動鋼軌損傷打磨機(jī)具示意圖如圖3所示。設(shè)計方案采用砂輪周面磨削方式,以鋰電池作為動力源驅(qū)動打磨電機(jī)和電氣設(shè)備。

圖3 輕便型電驅(qū)動鋼軌損傷打磨機(jī)具示意圖

機(jī)具整體以模塊化、輕量化和小型化為設(shè)計原則,由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)(電氣結(jié)構(gòu)與上位機(jī)布置在電池包上方的層板上,未在圖示中畫出)兩部分組成,各結(jié)構(gòu)部分通過定位孔、快接接頭和緊固接頭與車身進(jìn)行緊固連接,可實(shí)現(xiàn)快速拆裝,便于現(xiàn)場運(yùn)輸、搬運(yùn)和打磨作業(yè),且該機(jī)具能夠?qū)崿F(xiàn)人工和自動化2種方式進(jìn)行鋼軌打磨作業(yè)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括打磨模塊、走行模塊和驅(qū)動模塊等。打磨模塊以直流永磁同步電機(jī)作為動力源,通過預(yù)先設(shè)定的打磨壓力值,進(jìn)給機(jī)構(gòu)控制砂輪下降至指定位置或者壓力進(jìn)行打磨作業(yè)。走行模塊采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計,包括車架、車軸和車輪等部分,主要用于安裝各模塊以及實(shí)現(xiàn)打磨設(shè)備的自走行功能。驅(qū)動模塊安裝在走行模塊的底部,通過控制面板控制驅(qū)動電機(jī)的換向、剎車和調(diào)速等功能。

電氣結(jié)構(gòu)部分包括電氣控制模塊、供電模塊。電氣控制模塊由上位機(jī)、傳感器模塊、采集模塊和電機(jī)等部分組成,可實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)通過信號控制打磨電機(jī)和走行電機(jī)啟停,實(shí)現(xiàn)打磨機(jī)具的打磨作業(yè)。在打磨機(jī)具作業(yè)的過程中,打磨電機(jī)的工作電壓、電流,打磨模塊的進(jìn)給量、橫向位移,打磨機(jī)具的走行速度等參數(shù)通過傳感器和采集卡實(shí)時反饋到上位機(jī),便于在作業(yè)過程中監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)與數(shù)據(jù)存儲。供電模塊主要由三元鋰電池包和各直流交換器組成,用于給各傳感器、電機(jī)控制器、CAN控制器和采集卡供電。

2 打磨機(jī)具機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

打磨機(jī)具的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分每個模塊不超過75 kg,作業(yè)人員可在現(xiàn)場拆裝,便于運(yùn)輸、搬運(yùn)和打磨作業(yè)。同時,相比于“控制器驅(qū)動伺服電機(jī)”控制打磨模塊的進(jìn)給和橫移,采用“CAN控制器結(jié)合大減速比力矩電機(jī)”的控制方式可以達(dá)到相同的效果,而且一個CAN控制器可以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的級聯(lián)控制,進(jìn)一步減少打磨設(shè)備的總質(zhì)量和占用空間。本方案選用力矩電機(jī)和梯形絲桿的連接方式可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給量的自動調(diào)整并通過梯形絲桿進(jìn)行自鎖,顯著提高鋼軌打磨的自動化作業(yè)程度,有效避免人為因素對鋼軌打磨質(zhì)量的影響。

打磨模塊如圖4所示,采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過定位孔和緊固接頭與橫移框架連接,便于現(xiàn)場搬運(yùn)與快速拆裝,其主要由直流永磁同步電機(jī)、進(jìn)給調(diào)整機(jī)構(gòu)、垂向角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、縱向角度調(diào)整機(jī)構(gòu)和打磨砂輪等組成。在打磨作業(yè)過程中,電機(jī)通過帶傳動驅(qū)動砂輪實(shí)現(xiàn)鋼軌打磨作業(yè),當(dāng)砂輪打磨過載時,皮帶打滑可以起到對設(shè)備保護(hù)的作用。進(jìn)給調(diào)整機(jī)構(gòu)由手輪、力矩電機(jī)和梯形絲桿組成,手輪和力矩電機(jī)通過鏈傳動的方式實(shí)現(xiàn)手動或自動調(diào)整砂輪打磨的進(jìn)給量。由于砂輪的垂向角度在打磨過程中不需要經(jīng)常調(diào)整,該機(jī)構(gòu)在一側(cè)通過人工轉(zhuǎn)動手輪的方式調(diào)整砂輪的垂直打磨角度,再使用定位插銷以及另一側(cè)的緊定手柄進(jìn)行定位和緊固。砂輪縱向角度調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4(b)所示,圖中紅色框選的區(qū)域1處和區(qū)域2處設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu),通過人工調(diào)整砂輪端面相對鋼軌的縱向打磨角度并在區(qū)域2處紅色框選的2個區(qū)域使用螺栓進(jìn)行緊固。

圖4 打磨模塊示意圖

2.2 基本技術(shù)參數(shù)計算與校驗(yàn)

在打磨電機(jī)的選型過程中,已知砂輪打磨鋼軌的最佳打磨壓力(法向磨削力Fn)為120 N～180 N,由于磨削加工的力比(即砂輪法向磨削力Fn與切向磨削力Ft之比)較大,一般在3～14[9]。此處計算取砂輪法向磨削力Fn為300 N,那么砂輪切向磨削力Ft在21.4 N～100 N。為了滿足鋼軌打磨試驗(yàn)研究,保留充足的功率裕量,打磨模塊選用一款額定功率10 kW、額定轉(zhuǎn)速為5 000 r/min的低壓直流永磁同步電機(jī)以及配套的控制器?？刂破魍ㄟ^弱磁控制的方法可讓電機(jī)調(diào)速范圍更大,其控制器采用正弦波信號的控制方式,相比方波信號的控制方式,該控制器的控制精度更高,噪音更小,也是永磁同步電機(jī)的一個發(fā)展趨勢。參考公式計算得到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T為：

(1)

式中：n為額定轉(zhuǎn)速,r/min;P為額定功率,kW。

如圖5所示,電機(jī)驅(qū)動的小帶輪上的A點(diǎn)和B點(diǎn)上的力矩相等,那么TA=TB,從而有：

圖5 帶傳動力與力矩計算示意圖 圖6 打磨模塊退刀時受力分析

(2)

式中：FB為B點(diǎn)受力,N;dd1為小帶輪直徑,m。

在帶傳動條件下的B點(diǎn)和C點(diǎn)上的力相等,則有FC=FB,將式(2)帶入后得：

(3)

式中：FC為C點(diǎn)受力,N;dd2為大帶輪直徑,m;TC為C點(diǎn)力矩,N·m。

大帶輪上C點(diǎn)以及與其固連砂輪的D點(diǎn)上的力矩相等,則有TC=TD。將式(3)代入后得：

(4)

式中：FD為D點(diǎn)受力,N;r砂輪為砂輪半徑,m。

該值大于砂輪切向磨削力的最大值(100 N)。經(jīng)計算可得電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計要求。

如圖6所示,當(dāng)打磨模塊在進(jìn)行砂輪退刀操作時,力矩電機(jī)的負(fù)載最大,力矩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作用在絲桿上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩要完全克服由打磨模塊的整個重力和導(dǎo)軌摩擦力產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩,才能使砂輪以恒定的速度遠(yuǎn)離鋼軌。打磨模塊在絲桿和螺母上的受力分析如圖7所示,由于打磨模塊的重力在絲桿軸向力中占比較大,因此忽略由導(dǎo)軌運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力。在三維模型中給打磨模塊設(shè)置對應(yīng)的材料屬性,其質(zhì)量約為75 kg(其中,g近似取10 N/kg)。對于梯形絲桿的設(shè)計,參考機(jī)械設(shè)計手冊[10]計算得到梯形絲桿副的螺桿中徑d2為18 mm,導(dǎo)程角γ為4.046°(小于4.5°,滿足自鎖要求),當(dāng)量摩擦角ργ=9.98°。

圖7 絲桿和螺母的受力分析

絲桿上產(chǎn)生的螺紋摩擦轉(zhuǎn)矩為：

(5)

經(jīng)計算T1=1.69 N·m,電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計要求,并有較大的裕量用于試驗(yàn)研究。打磨模塊的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 打磨模塊主要技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動模塊和走行模塊如圖8所示,主要由走行框架、水平移動框架、水平調(diào)整機(jī)構(gòu)、走行電機(jī)、鏈傳動組合、框架緊固件和可拆裝車輪等部分組成。走行電機(jī)采用既有直流永磁同步電機(jī)并安裝在走行框

圖8 驅(qū)動模塊和走行模塊示意圖

架底部,通過鏈傳動為小車提供驅(qū)動力。水平調(diào)整機(jī)構(gòu)由手輪、力矩電機(jī)和梯形絲桿等組成,轉(zhuǎn)動手輪或者通過力矩電機(jī)驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)水平移動框架的橫向移動。

3 打磨機(jī)具電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 電氣控制模塊設(shè)計

電氣控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示,模塊內(nèi)的各直流交換器、傳感器模塊和采集模塊均布置在工具架的層板上并通過螺栓緊固。

圖9 電氣控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖

電氣控制模塊由上位機(jī)(PC端)、各控制器、各傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和電機(jī)等部分組成。打磨電機(jī)控制器和CAN控制器分別控制力矩打磨電機(jī)與力矩電機(jī)的方向、運(yùn)行與停止。2個力矩電機(jī)通過水平絲桿和進(jìn)給絲桿調(diào)節(jié)打磨總成的水平位移和砂輪進(jìn)給量,2個磁柵尺采集打磨總成的水平位移和進(jìn)給量。電壓和電流變送器采集打磨電機(jī)的實(shí)時功耗,通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)通過打磨控制程序?qū)崿F(xiàn)自動化打磨作業(yè),并通過控制器、采集卡和轉(zhuǎn)換接口反饋的實(shí)時數(shù)據(jù)時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。打磨電機(jī)也配有一個大電流的示數(shù)表,便于試驗(yàn)人員現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測打磨電機(jī)的工作電壓、電流和功率值。

圖10為走行控制的結(jié)構(gòu)示意圖,通過調(diào)節(jié)司控端可將電壓信號傳遞給走行電機(jī)控制器,從而控制走行電機(jī)轉(zhuǎn)速。司控端配有一個電壓/電流表,便于試驗(yàn)人員現(xiàn)場監(jiān)測司控端的調(diào)節(jié)電壓和電流。在走行控制面板上裝有剎車和換向控制開關(guān),可實(shí)現(xiàn)打磨小車的走行、剎車和換向的功能。

圖10 走行控制示意圖

3.2 供電模塊設(shè)計

供電模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示,主要包括三元鋰電池包和外置直流交換器,用于給打磨電機(jī)控制器、走行電機(jī)控制器和CAN控制器供電。相比于內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動方式,采用鋰電池供電可以有效減小在鋼軌打磨作業(yè)過程中產(chǎn)生的噪聲和廢氣污染等問題。為了滿足10 kW打磨電機(jī)在額定功率下連續(xù)工作1 h的使用要求,以及在盡量控制增加整車自重的條件下選擇三元鋰電池并提供1路(10 kW)大功率輸出口和1路(2 kW)小功率輸出口。其基本技術(shù)參數(shù)為額定電壓74 V、額定能量12.876 kW·h、額定容量174 Ah、質(zhì)量75 kg。

圖11 供電模塊示意圖

4 鋼軌打磨試驗(yàn)

鋼軌打磨試驗(yàn)主要研究砂輪進(jìn)給量、砂輪打磨轉(zhuǎn)速、走行速度和砂輪端面偏轉(zhuǎn)角度等參數(shù)對鋼軌打磨后表面粗糙度、鋼軌廓形和平順度的影響及其變化規(guī)律。本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究該設(shè)備的走行速度對鋼軌表面粗糙度的影響規(guī)律,試驗(yàn)場地選在金鷹重工工業(yè)園內(nèi)的打磨試驗(yàn)線路,自行研制的輕便型電驅(qū)動鋼軌打磨機(jī)具和試驗(yàn)線路如圖12所示,本次試驗(yàn)用到的試驗(yàn)設(shè)備主要有圖13所示的TR200便攜式粗糙度儀和筆記本。

圖12 輕便型電驅(qū)動鋼軌損傷打磨機(jī)具

圖13 TR200便攜式粗糙度儀

試驗(yàn)用砂輪參數(shù)為250 mm×32 mm×30 mm-A16N5BF,砂輪轉(zhuǎn)速在4 000 r/min,進(jìn)給量為0.15 mm左右。選取的鋼軌試驗(yàn)段分為3段,每段長7 m,每段選取3個參考點(diǎn),每段對應(yīng)的打磨小車車速分別為2 km/h、4 km/h和6 km/h。試驗(yàn)采用TR200鋼軌粗糙度采集儀分別采集各試驗(yàn)段測量點(diǎn)累積磨削10次前后的粗糙度值,每個試驗(yàn)點(diǎn)均測量3次鋼軌表面粗糙度值。表2～表4分別是不同車速下的鋼軌表面粗糙度統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表2 車速2 km/h鋼軌表面粗糙度統(tǒng)計 μm

表3 車速4 km/h鋼軌表面粗糙度統(tǒng)計 μm

表4 車速6km/h鋼軌表面粗糙度統(tǒng)計 μm

由以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：由于試驗(yàn)區(qū)段的鋼軌長期未使用,鋼軌在砂輪累積打磨10遍后,其表面粗糙度值得到明顯改善,總體粗糙度值可減小至1 μm左右;隨著車速增加(由2 km/h到6 km/h),鋼軌表面的粗糙度值會略微增加(由1 μm增加至1.4 μm左右)。在磨削過程中,砂輪受到的法向力一般偏大且切向力偏小,其法向磨削力數(shù)學(xué)模型一般如下所述[11-12]：

(6)

式中：vm為小車走行速度,vs為砂輪周面線速度,ap為砂輪磨削深度,c為法向磨削力的比摩擦力,K為法向磨削力的比切削力,α為砂輪周面上切刃分布指數(shù)。由上式可以發(fā)現(xiàn)砂輪法向磨削力正相關(guān)于小車走行速度vm、砂輪磨削深度ap和砂輪厚度T,負(fù)相關(guān)于砂輪周面線速度vs,這一結(jié)論與試驗(yàn)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)一致。通過磨削試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)小型打磨機(jī)具一般需要較高的砂輪轉(zhuǎn)速(建議達(dá)到砂輪的最大線速度50 m/s)和較低的走行速度(不宜超過2 km/h),可使鋼軌表面獲得較好的粗糙度值。這也為小型鋼軌打磨機(jī)具的磨削參數(shù)設(shè)置和人工現(xiàn)場操作提供了指導(dǎo)建議。

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有小型鋼軌打磨機(jī)在運(yùn)輸、搬運(yùn)和作業(yè)過程中存在的諸多問題,設(shè)計并研制了一種輕便型電驅(qū)動鋼軌損傷打磨機(jī)具,主要包括打磨機(jī)具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋼軌打磨試驗(yàn)研究。相對于現(xiàn)有大部分打磨機(jī)具來說,該機(jī)具的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：采用鋰電池作為動力源,在現(xiàn)場使用過程中不會產(chǎn)生廢氣和噪聲,減少了環(huán)境污染 ;整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計,便于現(xiàn)場的搬運(yùn)、拆裝與操作;采用打磨控制程序,提高了設(shè)備的自動化程度和作業(yè)效率,減少人為因素對打磨質(zhì)量的影響。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié),建議小型打磨機(jī)具在砂輪高轉(zhuǎn)速(最大線速度50 m/s)和低走行速度(≤2 km/h)時,鋼軌表面可以獲得較好的粗糙度值。