林吉靓，朱 峰

（开封大学 机械与汽车工程学院，开封 475004）

0 引言

铁路运输是各个国家最主要的运输方式，随着铁路运输对高速度需求的不断提高，要求轨道具有更高的平顺性和更高的稳定性，因此无缝钢轨的优越性日益凸显，它已成为各国铁路现代化的重要标志之一。无缝钢轨有25m的短轨焊接而成，其钢轨焊缝（见图1所示）的平直度会引起车辆振动，增大的轮轨受力，因此焊缝质量是限制高速铁路行车速度的核心问题[1,2]。另外，钢轨在使用的过程中会因此磨损、振动及雨水腐蚀等原因会出现毛刺（见图2）、表面腐蚀、剥落等各种问题，因此需要定期的对钢轨进行打磨修复或者对焊缝进行加强焊接[3]。目前国内在轨道维护中使用的钢轨打磨机仍处于手工操作阶段（见图3），钢轨的质量完全取决于工作人员的经验和熟练程度[6]，无法实现精确定量和微量控制，工作效率低下，打磨质量难以保证，因此，研究设计具有自动进给控制系统的自动钢轨打磨机具有极强的现实意义[4,5]。下面对全自动自定位钢轨打磨机的设计及工作过程进行介绍。

图1 未打磨的钢轨焊缝

图2 磨损之后的钢轨

1 全自动自定位打磨机的总体机构设计

图3 工人使用内燃机动力钢轨打磨机维护钢轨

图4 全自动自定位钢轨打磨机

如图4所示：钢轨打磨机包括定位机构、磨削机构和电机控制三部分。机械部分主要有机架、丝杠螺母、导柱导套、行走机构、加紧机构和支撑装置等组成。机架11是用槽钢焊接而成的结构，其上端安装在横向导向机构5上，下端安装有砂轮电机9及打磨砂轮等磨削机构，两侧对称安装着四个行走轮7，行走轮在磨削时如图左侧所示提起以保证打磨机精确定位。打磨机的定位机构分三个部分，一是左右两侧对称安装的垂直定位调整机构，如图所示的垂直定位电机1、垂直导向导柱导套2和配套的丝杠螺母传动机构3；二是前后两侧对称安装的纵向定位调整机构，包括纵向定位电机8和调节手轮10及丝杠螺母机构；三是中间安装的横向定位调整机构，包括一个步进电机4、丝杠螺母及两套导轨导套5。钢轨打磨机可以完成砂轮磨头的旋转运动，磨削机构沿砂轮的轴向进给运动及钢轨方向的进给运动，有2个夹紧电机、3个磨削电机和5个定位调节电机进行完成，均采用PLC控制进行，通过触摸屏可进行手动或自动控制，利用PLC与步进电机的控制器通信,来控制其正转、反转、停止运行；同时能够在运行过程中在触摸屏上直接修改PLC的控制参数以及在触摸屏界面上监视步进电机的的运行情况。

钢轨打磨机主要完成的工作[6]：1）初始焊缝及缺陷钢轨的打磨。因打磨地方集中可通过人工一次性对刀，调整打磨参数后直接打磨完成。2）钢轨的对中夹紧机构。利用位于打磨机下部的专用夹紧定位装置,完成钢轨的对中和夹紧锁死操作。3）钢轨顶面的打磨。利用垂直方向的两个步进电机在PLC及驱动器的驱动下实现同步升降运动，同时由水平传感器检测机架水平度发出传输信号给PLC进行实时调整实现水平方向的调整进行打磨。

3 全自动自定位打磨机的工作过程及技术要求

根据钢轨的截面特点、组合形式及质量要求，钢轨打磨机需要满足一下技术要求：

打磨加工范围：钢轨的轨顶面、轨侧工作面以及轨底面，加工范围为以焊接接头及破损点为中心左右各500mm的范围；

打磨加工精度：钢轨顶面及侧工作面的平直度在0～0.02mm/m范围内；

可以完成钢轨的圆弧面和平面的仿形打磨。

钢轨打磨机的工作过程主要包括打磨机的夹紧定位、磨削砂轮的对刀、磨削参数的输入和自动磨削模式的执行，具体工作流程如图5所示。

图5 全自动自定位钢轨打磨机工作流程图

首先准备工作，将钢轨打磨机移动到打磨钢轨位置，提起行走装置，将打磨机支撑在钢轨之上，接通电源，启动夹紧电机带动夹紧装置通过夹紧力将打磨机固定。之后的磨头对刀可以是人工直接操作或者通过触摸屏(又称人机对话界面)对打磨头砂轮进行对刀操作，其操作界面见图6和图7所示，夹具松开，设定磨削所需的参数，至此准备工作结束，可以进入自动磨削模式。图7所示的参数设定界面可以根据所打磨的部位不同及打磨方式不同自行设置，对刀及参数调整完成后,就可以对钢轨焊接接头工作面进行自动磨削加工。钢轨打磨机安装的纵向及横向进给装置可以实现钢轨上工作顶面的打磨和两个侧面的打磨，打磨完成后自动完成退刀。之后检测磨削精度是否合格，是否还需要进行磨削加工，此时若检测没达到要求则重复上述钢轨夹紧、钢轨打磨、钢轨检测等步骤直至符合工艺要求。打磨机始终以已经打磨好的工作面为精基准进行定位，当机器沿轨道移动到需要打磨的位置后其夹紧装置在水平仪的辅助下可以实现精确定位并夹紧钢轨，以此实现高精度打磨。钢轨打磨机可以实现双侧砂轮同时打磨，避免了单个砂轮轴线以一定角度旋转而引起的误差，双侧砂轮以步进电机驱动，按数控插补的形式进行两轴半联动分级进给，实现轨道拐角的仿形打磨。

钢轨打磨机利用PLC控制两侧的步进电机实现自动调平，由水平传感器检测机架水平度，反馈信号给PLC进行实时调整，以保证打磨过程中工作台的水平，实现高精度打磨。在实际工程自动化应用中,还可以通过触摸屏设置和修改PLC和变频器内部的参数,直接查看PLC和变频器的工作状态，从而实现对钢轨打磨机变频PLC控制系统的实时监控。

图6 初始界面

图7 参数设定界面

4 结论

钢轨打磨是铁路养护维修中的重要手段，打磨可以消除钢轨轨面的各种磨损以延长钢轨的使用年限；消除轨面不平顺性以提高列车的运行平稳性和旅客的乘车舒适性。目前国内广泛使用的内燃型钢轨打磨机主要依靠人工操作，手动进给，效率低且成本高。本文所研究设计的全自动自定位钢轨打磨机可以实现自动进给功能，可实现高精度打磨，并具有稳定性高、适应性强、快捷高效和操作简单等优点，大大减少工作人员的作业时间，提高生产效率，实用性强，其设计也可以给同类设备的设计者们提供了有益的参考和启示。

[1] 王文健等.高速铁路钢轨打磨技术及其应用[J].西南交通大学学报,2007,42(5):574-577

[2] 李江华,高速铁路钢轨平顺性的影响因素及其整治措施初探[J].现代交通技术,2011(6):90-93

[3] 金学松,杜星,等,钢轨打磨技术研究进展[J].西南交通大学学报,2010,45(1):1-10.

[4] 焦作市月山工务机械厂,一种钢轨仿形精磨机[P].中国,实用新型专利,200820230614.9,2009(11).

[5] 江苏华金铁路轨道科技有限公司,移动式仿形自动磨轨机[P].中国,实用新型专利,200920043658.5,2010(02).

[6] 胡志成.NMG-4.8 型钢轨仿形精密打磨机的设计及使用研究[J].上海铁道科技,2009(1):8-10.