鋼軌銑磨車刀盤國產化的試驗與研究

尹民中 中國鐵路上海局集團有限公司上海大機運用檢修段

隨著我國鐵路線路建設高速發展，輪軌關系、鋼軌病害處理技術理論也不斷發展更新。中國鐵科院最早在2014年通過試驗提出，鋪設60 N鋼軌可以減少甚至避免鋼軌在軌距角部位出現肥邊、剝離掉塊和疲勞核傷，產生的輪軌接觸光帶在25 mm～30 mm范圍內。一些新建高鐵相繼已采用60 N廓形鋼軌鋪設。經過最近幾年的鋼軌打磨實驗實踐，現在普遍認為按照設計廓形或者介于60 N及設計廓形之間的廓形方案打磨，在各項輪軌關系指標上更優。各類打磨車、銑磨車作為鋼軌軌廓"整形師"要適應新的要求，按照60 N或者設計軌廓進行準確修理。要適應新的軌廓修理要求對普通打磨車不難，只需按廓形要求重新調整打磨方案即可。而鋼軌銑磨車整形修理中決定廓形的關鍵部件是刀盤，其適應新廓形要求的靈活性不足，無法按需調整。在此情況下，我們積極調整思路，聯合同濟大學專家、有實力的刀盤設計生產廠家展開銑磨車刀盤國產化的試驗與研究。

1 銑磨車國產刀盤的設計制造

（1）精確測量刀盤原始尺寸

目前國內普遍使用的銑磨車為奧地利LINSINGER公司生產，該車共有4個銑輪，每個銑輪有22組銑削刀粒組合，每組包含8個刀粒，分兩排排列。

使用非接觸式三維掃描儀掃取刀盤各維度型面，逆向還原現有銑磨車刀盤，確保尺寸測量的精確度。通過測量，掌握銑磨車既有的60 kg/m、1:40軌底坡刀盤的特征，包括刀粒分布、刀盤尺寸、各類接口尺寸、刀盤凹槽特征等。

（2）根據現有銑磨車刀盤尺寸，考慮實現設計廓形銑磨的要求，制定出國產刀盤設計方案

①現有銑磨刀盤采用標準60軌廓形。為實現軌頭更凸的60設計廓形，每排刀粒槽增加1個，即每組增加2個，這樣可以更加平緩地完成鋼軌軌頭廓形覆蓋，避免出現臺階現象，如圖1所示。

圖1 60設計廓形刀盤刀粒布置情況

②將國產刀盤刀粒槽設計為斜向排列，使得刀粒工作邊與作業方向成一定斜角，減少作業中的作用力及振動，提高切削穩定性，減少崩刃次數。

③不改變刀粒槽尺寸，這樣便可以使用標準刀粒，更加客觀地評價國產刀盤性能效果。

（3）根據國產刀盤設計方案，結合上海局的銑磨車刀盤刀粒的布置情況，進行高精度的刀盤總體機械設計、仿真分析，優化刀粒的布置形式，繪制出刀盤技術圖紙。

（4）委托國內有實力的刀具制造公司，完成一組（一左一右）國產化刀盤加工制造。

2 開展國產刀盤銑磨作業試驗與研究

2.1 試驗

于2018年先后兩次在皖贛線銑磨作業，對國產刀盤的銑削效果進行現場試驗。第一次試驗時，線路鋼軌初始狀態較差，出現多次崩刃。在7月份再次選擇鋼軌狀態稍好的區段進行第二次試驗?？紤]到作業后鋼軌廓形反映的主要是后一組單元的作業效果，因此試驗前將兩個國產刀盤分別安裝在4、5銑削單元。

鋼軌型面測量采用RS2015-2W型便攜式鋼軌外形測量裝置，該廓形儀重復測量精度0.05 mm，外形測量精度為±0.1 mm。

銑磨車作業區段為一段圓曲線，曲線半徑為600 m，銑磨作業距離約500 m，測點7處。

銑磨后實測廓形與設計廓形、60 N廓形和標準60廓形在各徑向角度上的距離見表1，其中，正值表示實測廓形在該徑向角度方向上高于對比廓形，負值表示實測廓形在該徑向角度方向上低于對比廓形。

表1 實測廓形與對比廓形徑向距離（單位：mm）

對比發現，銑磨后內軌實測廓形高于設計廓形，最大值1.2 mm；高于60 N廓形，最大值接近2 mm；高于標準60廓形，最大值1.0 mm。銑磨后廓形最接近標準60廓形，其次接近60設計廓形，高于60 N廓形，此結果可能與現場內軌垂磨較大有關。

檢查4、5單元刀粒損傷情況，發現各組第3、第4刀粒傷損情況較多，但沒有出現刀粒松動、突然崩刃的現象。

整體來看，第一次加工的國產刀盤廓形方面偏保守，內、外軌軌距角均存在欠銑磨。下一步需基于60設計廓形，將軌頭兩側輪廓降低，最大降低位置+0.2 mm，以達到設計軌廓銑磨效果。

2.2 國產刀盤的設計改進

為了避免崩刃情況，所有刀粒的朝向均為正前角布置，并保證切削時鐵屑飛出的方向一致，軌頂刀粒傾斜角度7度。為達到預期銑削效果，軌頭軌距角部分的下傾角度加大。將改進后的刀粒切面組合的數據與設計廓形對比，如圖2。

圖2 刀粒切面廓形與設計廓形的對比

從圖2可以看出，-100～300角度范圍內，徑向距離小于0.05 mm；300～600角度范圍內，最大相差0.2 mm，其中正值為過銑磨。

2.3 對國產刀盤改進設計后，于2019年12月再次進行線上試驗

試驗地點為寧蕪線江寧鎮-銅井區間一曲線段，曲線半徑788 m，超高85 mm。國產刀盤仍然安裝在4、5單元使用。鋼軌型面測量采用RS2015-2W型便攜式鋼軌外形測量裝置。銑磨前，確定鋼軌廓形測點，進行第一次測量。第一次測量結束，銑磨車進行銑磨，結束后進行第二次測量。

2.3.1 測點布置

銑磨車作業區段為一段圓曲線，順著銑磨車作業方向選擇5個測點，依次標記為1、2、3、4、5，測點間距約2.5 m～3 m。

2.3.2 測試結果及分析

（1）銑磨精度分析

選取測點1、2、3數據分析，將銑磨后廓形與設計廓形進行對比，并計算兩者徑向距離，得到其銑磨精度。其中，正值表示銑磨后廓形高于設計廓形，負值表示銑磨后廓形低于設計廓形。

①測點1各角度銑磨精度對比如圖3所示，可以看出：

圖3 測點1徑向銑磨精度

內軌非工作邊（-16°～0°）銑磨后廓形基本與60設計廓形吻合，略高于設計廓形，銑磨精度為0 mm～0.36 mm；

內軌軌肩到工作邊（0°～60°）廓形基本與60設計廓形吻合，普遍低于設計廓形，銑磨精度在-0.34 mm～0.13 mm，即略有過銑磨，廓形略偏于60 N廓形；

外軌非工作邊（-16°～0°）與60設計廓形吻合較好，銑磨精度范圍在0 mm～0.14 mm之間；

外軌軌肩到工作邊（0°～60°）廓形與60設計廓形吻合，略低于設計廓形，精度范圍在-0.45 mm～0.45 mm，即存在略微的過銑磨。

②測點2各角度銑磨精度對比如圖4所示,可以看出：

圖4 測點2徑向銑磨精度

內軌非工作邊（-16°～0°）與60設計廓形吻合較好，銑磨精度在-0.28 mm～-0.04 mm；

內軌軌頂中心至工作邊（0°～60°）基本與60設計廓形吻合較好，銑磨精度在-0.40 mm～0.08 mm之間；

內軌軌距角處銑磨后廓形基本與60設計廓形吻合，銑磨精度在-0.11 mm～0.08 mm之間；

外軌整體廓形（-16°～60°）與60設計廓形吻合良好，銑磨精度在-0.4 mm～0.09 mm；

③測點3各角度銑磨精度對比如圖5所示，可以看出：

圖5 測點3徑向銑磨精度

內軌非工作邊（-16°～0°）略高于60設計廓形，銑磨精度范圍在-0.09 mm～0.31 mm；

內軌軌頂中心至軌距角處（0°～60°）略低于60設計廓形，存在過銑磨，銑磨精度范圍在-0.39 mm～0 mm；軌距角處與設計廓形吻合較好；

外軌整體與設計廓形吻合較好，非工作邊（-16°～0°）略高于設計廓形，范圍在0 mm～0.15 mm之間；

外軌軌頂中心至軌距角（0°～16°）銑磨廓形略低于設計廓形，范圍在-0.17 mm～0.4 mm；16°以上無銑磨量。

（2）銑磨廓形分析

根據上海局高速鐵路鋼軌打磨實施細則關于打磨后軌頭廓形驗收標準（見表2），結合銑磨后廓形與60設計廓形在軌頭橫向不同位置的垂向差值，繪制差值與標準值對比圖，如圖6、圖7中，其中紅色線是行車速度＜200 km/h的標準，藍色線是行車速度≥200的標準。黑色線為不同測點處的廓形與60設計廓形在不同橫向位置時的垂向差值。

表2 鋼軌打磨軌頭廓形驗收標準

圖6 內軌銑磨后廓形與60設計廓形的垂向差值與標準值對比

從圖6可以看出：

內軌軌頭橫向-25 mm～+25 mm，所有廓形的軌頭橫向大部分位置的點滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗收標準，軌頭橫向位置+15 mm的部分點、橫向+20 mm的個別點與標準的偏差在-0.08 mm～-0.02 mm。這些點處于內軌軌頂扁平、外側有肥邊的過渡區域，銑磨后該處廓形需要降低和圓順，所需銑磨量較大。

內軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的軌頭橫向點均滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗收標準。

內軌軌頭橫向-25 mm～0 mm，大部分廓形的點均滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗收標準；

內軌軌頭橫向0 mm～+25 mm，有部分廓形的點不滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗收標準，與標準的偏差在-0.18 mm～-0.04 mm；

內軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的點基本滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗收標準。

圖7 外軌銑磨后廓形與60設計廓形的垂向差值與標準值對比

從圖7可以看出：

外軌軌頭橫向-25 mm～+25 mm，所有廓形的軌頭橫向的點均滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗收標準；

外軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的軌頭橫向點均滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗收標準；

外軌軌頭橫向-25 mm～0 mm，大部分廓形的點均滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗收標準；

外軌軌頭橫向0 mm～+25 mm，有部分點廓形不滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗收標準，與標準的偏差在-0.09 mm～-0.04 mm；

外軌軌頭橫向+25 mm～32 mm，所有廓形的點基本滿足速度≥200 km/h的打磨廓形驗收標準。

3 通過對銑磨車刀盤國產化的試驗與研究，得出以下結論

（1）國產銑磨車刀盤經過現場試驗、設計改進，左、右刀盤基本滿足60設計廓形的作業要求，內、外軌均達到了-0.4 mm～0.3 mm的銑磨精度，且軌頂中心到工作邊內主要為過銑磨。

（2）國產銑磨刀盤改進了刀粒排列方式，增加刀粒的銑削角度覆蓋面，鋼軌修理后廓形更為圓順。

（3）對比打磨驗收標準，曲線內軌、外軌銑磨后廓形滿足速度＜200 km/h的打磨廓形驗收標準，基本滿足速度≥200km/h的打磨廓形驗收標準。內軌在軌頭橫向0 mm～+25 mm略超過標準，外軌在軌頭橫向0 mm～+20 mm略超過標準，但超限都為負值，即過銑磨，與銑磨前廓形狀態有關。

（4）銑磨車刀盤國產化，不僅可以擺脫對進口刀盤技術的依賴，也便于今后拓展到銑磨刀粒的國產化研究，可以預見將大大節省銑磨作業成本，而且能滿足新的軌廓修理要求，實現鋼軌銑磨型面和鋼軌打磨型面的有效統一，保證鐵路平穩運行，在銑磨車運用及鋼軌修理技術探索方面具有重要意義。