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———文章编号:10094539(2018)增1025805・装备与制造・钢轨铣磨车磨削装置优化设计研究曹佐权(中国铁建高新装备股份有限公司云南昆明650215)摘要:应用钢轨铣磨车在工作运行中对线路上的钢轨进行在线整修,能消除钢轨伤损、有效延长钢轨使用寿命。作为钢轨铣磨车的核心工作装置,磨削装置可在工作中消除铣削装置作业后残留在钢轨顶面的多条凸起棱线,进一步提高钢轨平顺性及钢轨表面质量。对磨削装置进行深入研究,以提高其作业性能、降低作业成本,带来较大的社会、经济及技术效益。关键词:钢轨伤损磨削力矩动平衡恒力磨削低阻尼油缸中图分类号:U216.65文献标识码:A—DOI:10.3969/j.issn.10094539.2018.S1.068OptimizationDesignResearchonGrindingDeviceofRailMillingandGrindingTrainCaoZuoquan(CRCCHig}l-teehEquipmentCorporationLimited,KunmingYunnan650215,China)Abstract:Therailmilling—andndingtrainisusedtorepairtherailsintheoperation.Itcaneffectivelyeliminatetheraildefectsandprolongtheservicelifeoftherails.Asthecoreworkingdeviceoftherailmillingandgrindingtrain,thegrindingdevicecaneliminateapluralityofconvexedgesremainingontherailsurfaceaftertheoperation,furthermore,itcanimprovetheridecomfortandsurfacequalityoftherails.Inordertoimprovetheperformanceofthe—gndingdeviceandreducetheoperatingcost,itisnecessarytoresearchthegrindingdevicethoroughly,andwhichwillbringgreatsocial,economicandtechnicalbenefits.Keywords:raildefects;grindingtorque;dynamicbalance;constantgrindingforce;lowdampingoilcylinder1引言钢轨从铺设使用开始,随着时间的推移,钢轨表面甚至内部必然会产生接触疲劳,发生各种伤损(包括波磨、裂纹、肥边和剥落等)。目前线路上发生的主要伤损与钢轨的制造质量、焊接质量及工艺、线路状况、钢轨养护维修和机车起动及制动等‘使用条件有关1J。采用钢轨在线整修技术是提高工务部门钢轨养修管理水平、延长钢轨寿命的重要手段嵋一,而对钢轨进行打磨能够消除因制造工艺和环境变化所引起的钢轨表面不平顺po,既延长了钢轨的使用寿命,也减小了对机车、车辆轮对的磨耗——收稿13期:20180309基金项目:原铁道部科技研究开发计划课题(2012C;004一A)作者简介:曹佐权(1984一),男,工程师,主要从事铁路大型养路机械研究设计。和破坏,提高了行车安全H1。有关文件规定,当钢轨顶面连续或多处擦伤深度大于0.5mm时,应使用打磨车打磨或铣磨车铣磨"。3~,这也充分体现了钢轨铣磨车磨削作业的重要性。为此,本文对某型号钢轨铣磨车的磨削装置进行深入研究,分析该装置在使用中出现的问题,提出优化设计方案,使得该装备能更好地应用于我国铁路干线的钢轨维护,以满足中国铁路发展的需要。2研究现状钢轨铣磨车磨削装置的研究覆盖光、机、液及电等方面的内容,是一个集合多学科研究的领域,目前相关学者对磨削装置进行了大量的研究工作,并且部分理论已应用到工程实际中。刘真兵等在分析磨削装置特点的基础上,提出以重力式进给与258铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018f增7J万方数据・装备与制造・主动磨削力控制相结合的方式,采用力外环一位置内环的主动力控制策略,实现铣磨车磨削过程的恒力控制怕J。胡军科等在分析铣磨车磨削力控制系统的过程中,发现空载时主轴电机的电流不为零,这主要是由于主轴摩擦力矩和砂轮主轴不平衡等造成的。川。韩继光等提出,若砂轮不平衡,不仅会引起机床的振动和噪声,还严重制约磨削表面质量和精度的提高旧J。刘春林对控制力磨削的液压系统进行了分析,提出精磨时采用恒进给量磨削法pj。徐剑等提出一种基于内置传感器和控制器的自适应控制系统,以主轴功率为控制对象,通过模糊控制来实时改变机床的进给速度¨…。由此可知,对钢轨铣磨车磨削装置进行优化设计,需重点对主轴动平衡、磨削力控制工艺等方面进行深入研究。3钢轨铣磨车的工作原理如图l所示,钢轨铣磨车的主要原理是利用圆周铣削及圆周磨削技术,采用钢轨在线仿形加工的方式实现铣削及磨削作业,主要用于钢轨修理性维护。其铣削装置布置在前,磨削装置布置在后,分别设置左右两套独立单元作用于轨道左右股。铣削装置由不同形状的刀粒构成一个完整的钢轨横断面轮廓,安装在刀盘圆周径向面上,通过刀盘与钢轨之间的快速相对运动,一次切除大量的金属,消除肥边、波磨、裂纹及剥落等钢轨伤损,将伤损廓形整修成为近似标准廓形的过程。由铣削装置加工成型的钢轨顶面会残留沿轨道方向的多条凸起棱线,若不将此棱线消除,列车通过时会产生额外的轮轨噪声。布置在后方的磨削装置,通过砂轮圆周主动式磨削,消除棱线,进一步提高钢轨平顺性及表面质最.刀盘图1钢轨铣屠车作业不恿4磨削装置的主要结构及控制工艺4.1磨削装置的主要结构某型号钢轨铣磨车的磨削装置主要结构如图2所示,按照钢轨铣磨车的作业要求,磨削装置采用两铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY个完全对称的磨削单元,安装在钢轨铣磨车的车架底部。作业过程中,磨削单元扫描定位在钢轨面上,通过定位靴支撑在钢轨面上随车滑行,左右砂轮在各自钢“”轨顶而卜与钢轨铣磨车前行方向成顺摩方向旋转一1一车身;2-油缸;3-主轴电机;4-砂轮:5-粉尘收集口6一定位靴:?-Z向进给丝杆:8-Y向进给丝杆图2磨削装置结构示意如图3所示,磨削装置采用西门子840D数控系统、611D驱动系统和S7PLC进行磨削作业控制,其坐标为:(1)Y轴一与钢轨铣磨车作业方向垂直,横向移动;(2)z轴一与钢轨顶面垂直,上下进给移动;(3)s轴一丰轴旋转图3磨削装置坐标示意Y轴、z轴和s轴移动既町以单轴控制,也可以多通道同时联动控制;Y轴和z轴移动支撑采用直线滚柱导轨支撑,采用丝杆驱动,其中z轴丝杆具有小螺距可自锁的功能;Y轴和z轴采用绝对式编码器,具有Y轴左右、z轴上下极限位置检测、定位和反馈装置,确保直线轴安全移动和磨削定位。4.2磨削装置的控制工艺磨削装置的砂轮进给是采用重力式进给、z向精密伺服控制及主轴电机的磨削力矩控制相结合的方式。主轴系统依靠其自重向下,使砂轮贴向钢轨表面,通过控制平衡油缸的反推力,来控制砂轮向下的进给推力。2018(增1)259万方数据・装备与制造・如图4所示,为防止瞬间由于Z向进给推力过大,引起砂轮进给过多而烧伤钢轨顶面,设计有z向进给机构来控制砂轮的最大磨削深度,而对于磨削中砂轮的正常损耗及进刀补偿,则依靠定制磨削力矩来实现。当砂轮正常磨削时,磨削力矩设定在一定范1馨‘-、凿l一油缸;2-Z向伺服电机;3-减速机;4-联轴器;5-Z向进给丝杆:6-直线轴承:7-定位靴图4Z向进给机构围内,当砂轮损耗,磨削余量减小时,磨削力矩将减小,到达一定极限值后,数控系统将发出指令,指示z轴向上移动,砂轮在自重作用下继续进给,磨削余量继续增加,磨削力矩值到达正常范围时,z轴停止进给,以此类推,当磨削余量突然增加,磨削力矩值升高到设定安全值时,系统将认为是砂轮产生碰撞,指示z轴迅速向下进给,抬起砂轮,起到安全保护作用¨1|。5磨削装置的应用分析及优化设计5。1磨削装置的应用分析钢轨铣磨车磨削装置的原始设计目标是在磨削作业过程中能够消除一定程度的波磨,而在砂轮实时快速跟随钢轨方面有所忽略。在实际作业中,出现磨削单元频繁抬刀、钢轨纵向磨削不连续、钢轨顶面大面积烧伤及砂轮损耗过快等问题,未能达“到用户提出的磨削作业应该始终跟随钢轨并消除”铣削作业残留的棱线,而不是消除波磨的要求。5.2主轴系统原磨削装置出厂时,其主轴动平衡是按照磨削深度为0.1mm的要求进行设定,磨削力矩比值设定范围为30%一60%;此外,如图5所示,主轴电机外形尺寸过长,安装型式却采用IMB5,运转时因悬臂产生弯矩,在空载运转情况下就已产生30%的空载损耗,实际磨削作业中砂轮接触到钢轨顶面时,主轴电机的功率消耗频繁超过60%,大于磨削力矩设定值,伴随砂轮频繁烧伤钢轨顶面,并导致磨削单元频繁抬刀,整套装置不能长时间正常工作。要满足用户提出的?肖除铣削作业后残留的棱线,—磨削深度需控制在0.030.05rnlTl,结合运用经验,铁道建筑技术磨削力矩比值的设定范围应为10%一20%,对整个主轴系统的平衡精度要求提高了一个等级,不仅原有的动平衡值已经不能满足要求,而且需要解决主轴电机频繁超力矩比值的问题。通过以上分析,对主轴系统提出下列优化设计方案:1一主轴电机:2-安装底座;3-传动皮带:4-主轴:5-钢轨;6-砂轮:7-法兰盘(1)原砂轮及法兰盘图5主轴系统进行减重设计,并将法兰盘更换为带动平衡调整功能的法兰盘,在磨削作业转速条件下将法兰盘的动平衡等级调整到G1以上。(2)主轴电机的安装型式更改为IMB35,避免主轴电机振动,提高其动平衡等级,从而降低空载功率损耗。依据上述方案实施整改后,按高精度磨床G0.4级重新做主轴动平衡,通过检测,主轴电机的振动位移量由优化前的15.5斗m降低到1.3斗m,主轴的振动位移量由优化前的6.5Ixm降低到1.8斗m,主轴电机的空载功率损耗由30%降低到10%。5.3液压系统原磨削装置的液压系统原理如图6所示,该设计方案具有起始位置快速下压磨削单元并实现定位靴快速平稳定位,工作时保持磨削力动态平衡以及作业位置快速抬起磨削单元等功能,所采用的控制主阀是平衡阀和减压阀,各项压力值采用手动调节。图6磨削装置液压系统原理当钢轨铣磨车在几何形态较差的线路作业,或铣削装置未将波磨彻底消除时,钢轨表面一旦存在RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018l增1)万方数据・装备与制造・0.2mm以上的波磨,磨削装置的下压力就无法实现恒定;同时,在磨削过程中,要求油缸的A.B口压力差灵敏度在O.1~0.2MPa,而所采用的标准型油缸的启动压力小于0.56MPa¨2I,其缸内的阻尼偏大,在微量进给中反应慢,不能实现z向快速微量进给。这两个问题都会导致液压系统响应滞后,不能实现恒力磨削作业,也就无法实现走行中砂轮始终跟随钢轨的功能,最终出现纵向磨削不连续的问题。通过以上分析,对液压系统提出下列优化设计方案:(1)采用平衡阀和比例伺服阀替换原平衡阀和减压阀的控制模式,由带有控制器的高频响比例伺服阀和高分辨率的压力传感器组成压力闭环系统。在磨削作业过程中,将砂轮和定位靴始终以设定的压力压在钢轨表面,并保持油缸两腔的压力差为恒定值。当钢轨表面出现波峰时,定位靴向上移动,推动油缸缸筒,有杆腔的压力基本等于油源压力,缸筒受向上的合力增大,无杆腔的压力上升。此时比例伺服阀迅速将无杆腔中工作介质排出,保证油缸的两腔压力差值为定值,反映在动作上即是油缸缸筒带动磨削单元上升,旋转的砂轮以微量值离开波峰。当钢轨表面出现波谷时,定位靴向下移动,对油缸缸筒的支撑力消失,有杆腔的压力基本等于油源压力,缸筒受向上的合力减小,无杆腔的压力下降。此时比例伺服阀迅速向无杆腔中补充工作介质,保证油缸的两腔压力差值为定值,反映在动作上即是油缸缸筒带动磨削单元下降,旋转的砂轮以微量值靠近波谷。当砂轮损耗和需要增大磨削量时,通过z向伺服电机主动调节定位靴的上下移动,比例伺服阀也按同样的方式排出或补充工作介质,由于比例伺服阀的反应速度达到毫秒级,磨削单元可实现快速、实时纵向跟随钢轨,从而解决纵向磨削不连续的问题。(2)将原标准型油缸替换为开启压力小于0.1MPa的低阻尼油缸,以满足z向微量快速进给跟随的磨削要求。5.4电气系统在磨削作业中,每个磨削单元采用一个独立通道进行磨削动作控制。砂轮z向进给控制、Y向跟随控制、液压跟随控制同时占用通道资源,通过设定的优先等级来进行中断控制。为达到砂轮连续铁道建笳技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGy跟随钢轨进行磨削的控制效果,需提高液压跟随控制的优先等级,但势必要占用额外系统资源,影响到数控系统运行和处理速度。通过以上分析,对电气系统提出下列优化设计方案:(1)左右磨削单元各增加一套液压系统专用控制器,对液压跟随进行独立控制,一方面可以大幅提高液压跟随控制的精度和速度;另一方面,该控制器与数控系统之间只有简单的指令传输,减少对资源的占用,释放出来的资源可以提高z向进给控制的运行速度。(2)对砂轮z向磨削控制软件进行优化,提高磨削力矩控制精度。6钢轨铣磨车磨削装置的试验效果按上述方案对磨削装置的主轴系统、液压系统及电气系统进行优化后,经过作业试验,钢轨加工质量及磨削性能检测数据如下:(1)钢轨横向轮廓精度:在±0.3mm范围内。(2)钢轨纵向平顺性精度:①10≤≤mmA100mm时,在±0.02mm范围内;②100≤mm<A300mm时,在±0.04mm范围内;③300≤mm<A1000mm时,在±0.13mm范围内。≤“(3)作业后钢轨表面粗糙度:10m。≥(4)每个砂轮使用寿命:1.5km。≥(5)磨削连续性:85%以上检测数据达到‘‘相关验收标准51922,该型号的钢轨铣磨车磨削效果如图7所示。叠===臣工正●●●●●●_l・置譬i3墨j图7磨削效果7结束语钢轨铣磨车作为一种新型的钢轨在线整修设备,已成为我国铁路钢轨的主要维护装备之一,而采用圆周磨削去除钢轨表面金属的方式,对提高钢轨的疲劳寿命有积极的影响,是改善轮轨接触应力、提高列车运行平稳性和控制噪声的有效途径之一。通过对某型号钢轨铣磨车磨削装置进行优化2018(增1)261万方数据・装备与制造・设计研究,提高磨削装置的主轴动平稳等级后,采用恒压和磨削力矩两种控制模式相结合的方式,实现了微量快速进给的磨削工艺,使得磨削装置在作业中能连续消除铣削作业后残留在钢轨顶面的棱线,并解决了磨削装置频繁抬刀、钢轨顶面烧伤及砂轮损耗过快等问题。参考文献田常海,龚佩毅,马子河.在役钢轨发生伤损的规律及—减少伤损的对策[J].中国铁路,2005(7):5456.周宇,许玉德,曹亮.城市轨道交通钢轨表面在线整修技术的应用分析[J].城市轨道交通研究,2010,13—(11):3034.王立乾.铁路钢轨波磨研究及其治理[J].铁道建筑技—术,2013(12):101104.候玉碧.重载铁路钢轨伤损形成分析及对策[J].铁道—建筑技术,2007(S2):2630.中国铁路总公司办公厅.高速铁路钢轨打磨管理办法:铁总运[2014]357号[s].北京:中国铁路总公司,・+-+一+一+-+一+一+-+一+一+一—2014:122.[6]刘真兵,胡军科,王清标,等.钢轨铣磨车恒力磨削的内模控制研究[J].铁道科学与工程学报,2013,10—(1):117122.[7]胡军科,蒋亚军,方健康,等.钢轨铣磨车磨削力的广—义预测控制[J].中国铁道科学,2014,35(6):8490.[8]韩继光,王贵成.精密磨床的砂轮自动平衡系统[J].—徐州师范大学学报(自然科学版),2007(1):6568.[9]刘春林.控制力磨削液压系统在自动磨削中的应用—[J].液压与气动,2005(5):6062.[10]徐剑,叶文华,胡国志,等.基于开放式数控系统的恒功率自适应控制研究[J].制造技术与机床,2015(8):—3842.[1I]湖南海捷精密工业有限公司.适用于钢轨修磨的移动式数控装置及其控制方法:201210336900.4[P].2012—09一13.[12]中华人民共和国机械电子工业部.TGl系列伸缩式套筒液压缸:JB/T—51241991[s].中国农业机械化科—学研究院,1991:16.””——一+-+一+一+一+一+一+一+-+一+一+一+-++-+一+一+一+n+・}-+一+一+一+一+-+一+*卜-+・(上接第212页)(2)根据现有沉降资料结合理论估算,试验工点(黄淮冲积平原)在6~7m的路堤填高情况下,若能保证足够的预压时间,地基不进行深层处理而采用超载预压措施控制地基的工后沉降是也有可能的。实际设计时需考虑各种不利因素,采用浅层处理并结合预压措施,地基的工后沉降可以满足无砟轨道的铺设要求。(3)天然地基和处理地基沉降对比分析表明,桩筏结构具有更好地均化基底应力和横向差异沉降的作用。天然地基总沉降主要由浅层地基土压缩变形组成,地表以下20nl深度范围内压缩变形占地基总沉降约80%;而管桩桩筏结构地基总沉降主要由深部下卧层组成,加固区沉降仅3~4mm,仅占总沉降的10%左右。管桩桩筏结构地基总沉降约为天然地基总沉降的27.5%,且沉降收敛速度更快,表明桩筏结构对高速铁路深厚第四系地层的沉降控制是十分有效的。参考文献[1]雷正敏.CFG桩复合地基的加固机理及应用[J].铁道建筑技术,2012(SI):178.[2]付强,刘汉龙,庄妍,等.高速铁路CFG桩筏复合地基262钐}道建篱技术沉降变形特性研究[J].铁道科学与工程学报,2014,11(6):46.[3]李波,冷景岩.高速铁路CFG桩一筏结构沉降控制现场试验[J].铁道工程学报,2014(2):52.[4]肖启航.高速铁路CFG桩复合地基的沉降特性研究[D].成都:西南交通大学,2010:66.[5]左砷,王敏,徐林荣,等.高速铁路中低压缩性土桩一筏(网)地基加固效果研究[J].中南大学学报(自然科学版),2014,45(5):1596.[6]苏维,杨怀志,马建林,等.高速铁路深厚松软土层CFG桩桩筏和桩网复合地基沉降特性的试验研究[J].铁道建筑,2009(7):68.[7]孙红林.高速铁路路基疏桩筏基研究及应用[J].岩土工程技术,2013,27(2):99.[8]陈尚勇.管桩桩筏基础在宿州站地基处理中的应用[J].铁道建筑,2009(7):108.[9]沈伟升.京沪高速铁路宿州东站地基土的基本特性及其地基处理测试分析[J].铁道勘察,2011,37(1):30.[10]刘庆.某深厚软土路基处理方案分析[J].铁道建筑技术,2006(2):68.[11]赵新益.无砟轨道中低压缩性土地基高路堤变形控制分析[J].路基工程,2012(6):140.[12]王建,周俊,徐建业.高速铁路CFG桩一帽一网结构路基沉降控制的现场试验研究[J].铁道勘察,2012,38(4):21.RAILWAYCONSTRUCTlONTECHNOLOGY2018(增111J1j1jl2345rILrLr!万方数据
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