道岔尖/心軌加工廓形檢驗(yàn)基準(zhǔn)及偏差取值

趙振華 王樹國 王璞

（1.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 102200；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

道岔區(qū)輪軌關(guān)系直接影響高速行車平穩(wěn)性，道岔尖/心軌機(jī)加工廓形決定了輪載過渡范圍的輪軌匹配關(guān)系，是道岔設(shè)計(jì)、制造和鋪設(shè)過程中的關(guān)鍵控制參數(shù)［1］。因此，TB/T 3307.1—2014《高速鐵路道岔制造技術(shù)條件第1 部分：制造與組裝》［2］對道岔尖/心軌廓形偏差進(jìn)行了較為嚴(yán)格的規(guī)定，要求在道岔生產(chǎn)過程中對尖/心軌廓形進(jìn)行詳細(xì)檢查與控制。由于未規(guī)定廓形檢測基準(zhǔn)和檢測范圍，廓形檢測在實(shí)踐過程中仍存在較大爭議，廓形極限偏差也有待進(jìn)一步商榷。

針對此問題，本文開展了系統(tǒng)的廓形測試，基于大量廓形檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、對比和趨勢分析，對高速鐵路道岔尖/心軌廓形檢測方法及極限偏差進(jìn)行了研究，為標(biāo)準(zhǔn)條款的制定和修訂提供參考，為不同速度等級(jí)的尖/心軌廓形加工提供更合理的指導(dǎo)。

1 既有廓形檢驗(yàn)方法及存在的問題

在高速鐵路道岔生產(chǎn)過程中，軌件廓形檢測屬于過程檢驗(yàn)。采用抽檢方式，軌件抽樣比例約占各類型軌件總量的5%。目前廓形檢測主要針對處于輪載轉(zhuǎn)換區(qū)域的尖/心軌特征斷面進(jìn)行。以客運(yùn)專線系列道岔為例，尖/心軌廓形檢測特征斷面見表1。

表1 不同型號(hào)的客運(yùn)專線道岔尖/心軌廓形檢測特征斷面

采集廓形數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)圖紙所示尺寸，利用卷尺確定軌件上特征斷面的位置，用鋼軌廓形測量儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?；诩?心軌在工廠內(nèi)的存儲(chǔ)條件，不能保證所有采集斷面的y軸與水平面處于垂直狀態(tài)。因此，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，部分廓形要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)才能具備檢測條件。此外，各制造企業(yè)和質(zhì)量監(jiān)督單位對廓形檢測基準(zhǔn)、檢測范圍的理解也存在差異［3］。

2 廓形檢測基準(zhǔn)及檢測范圍

2.1 廓形檢測基準(zhǔn)

針對廓形檢測中存在的問題，提出了中點(diǎn)基準(zhǔn)和工作邊基準(zhǔn)2 種廓形偏差檢測基準(zhǔn)，并分別確定了采用這2種基準(zhǔn)進(jìn)行廓形檢測的方法，見圖1、圖2。

1）中點(diǎn)基準(zhǔn)

首先確定實(shí)測廓形最高點(diǎn)并過最高點(diǎn)做水平線，將水平線向下偏移16 mm；將水平線用實(shí)測廓形剪切并保留實(shí)測廓形工作邊和非工作邊的部分，得到實(shí)測廓形參考線。采用相同的方法得到設(shè)計(jì)廓形參考線。

圖1 廓形檢測基準(zhǔn)（單位：mm）

圖2 廓形檢測方法（單位：mm）

將實(shí)測廓形參考線與設(shè)計(jì)廓形參考線的中點(diǎn)對齊，檢測實(shí)測廓形和設(shè)計(jì)廓形的最大偏差值。實(shí)測廓形凸出設(shè)計(jì)廓形時(shí)偏差為正，反之為負(fù)。

2）工作邊基準(zhǔn)

采用上述方法得到實(shí)測廓形參考線和設(shè)計(jì)廓形參考線后，將參考線與工作邊的交點(diǎn)對齊，檢測實(shí)測廓形和設(shè)計(jì)廓形的最大偏差值。

2.2 廓形檢測范圍

文獻(xiàn)［4-5］規(guī)定，高速鐵路鋼軌廓形打磨面的最大寬度為軌頂圓弧范圍。文獻(xiàn)［6］規(guī)定，鋼軌打磨廓形和目標(biāo)廓形的分析比對方法為：在y-z坐標(biāo)系內(nèi)以軌頂切線為基準(zhǔn)（實(shí)測廓形不旋轉(zhuǎn)），實(shí)際廓形與目標(biāo)廓形在軌頂最高點(diǎn)處上下對齊、在Z-16處左右對齊（Z-16為最高點(diǎn)向下16 mm 處），廓形驗(yàn)收范圍為鋼軌軌頭橫向-25～32 mm。

綜上，建議將道岔尖/心軌廓形檢測范圍定義為廓形最高點(diǎn)至軌肩R13 圓弧終點(diǎn)?？紤]到各特征斷面R13圓弧終點(diǎn)與廓形最高點(diǎn)距離不同，為便于檢測，將廓形檢測范圍終點(diǎn)與最高點(diǎn)距離確定為16 mm，即實(shí)測廓形與設(shè)計(jì)廓形參考線位置處，見圖3。

圖3 廓形檢測范圍（單位：mm）

3 尖/心軌廓形偏差分布及分析

尖/心軌前端呈尖型，分別與相應(yīng)的基本軌/翼軌配合，引導(dǎo)車輪從基本軌/翼軌過渡至尖/心軌，需要進(jìn)行軌頭加工的區(qū)域?yàn)榧?心軌尖端到尖/心軌整軌頭斷面。以尖軌為例，加工區(qū)域如圖4 所示。軌頭加工采用分步驟加工的方式，一般按照非工作邊→工作邊→軌頂?shù)捻樞?，其中工作邊加工和軌頂加工的工序?huì)在尖軌工作面接刀。

圖4 尖軌加工區(qū)域

為確定既有尖/心軌廓形偏差分布，以客運(yùn)專線道岔為例，采用國內(nèi)4 家主要的道岔制造企業(yè)（分別用A 廠—D 廠表示）近期生產(chǎn)的尖/心軌實(shí)測廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 尖/心軌廓形偏差分布

采集尖軌廓形共329 個(gè)，分別以中點(diǎn)基準(zhǔn)和工作邊基準(zhǔn)進(jìn)行檢測，得到廓形偏差分布見表2。

表2 4家制造企業(yè)尖軌廓形偏差分布

心軌左右側(cè)均為工作邊，均須進(jìn)行檢測。檢測完成后，取同一廓形兩側(cè)偏差中的較大值作為該廓形的偏差。采集心軌廓形335 個(gè)，分別以中點(diǎn)基準(zhǔn)和工作邊基準(zhǔn)進(jìn)行檢測，得到廓形偏差分布見表3。

表3 4家制造企業(yè)心軌廓形偏差分布

3.2 尖/心軌廓形合格率

根據(jù)TB/T 3307.1—2014進(jìn)行評(píng)估，得出4家制造企業(yè)的尖/心軌廓形合格率，見表4。可以看出，各制造企業(yè)生產(chǎn)的尖/心軌廓形合格率普遍較低。分步加工的工藝是尖/心軌廓形合格率低的原因之一［7］，但目前行業(yè)內(nèi)尚無更好的加工工藝。

表4 4家制造企業(yè)尖/心軌廓形合格率

4 尖/心軌廓形合理公差取值及檢測基準(zhǔn)探討

4.1 廓形公差取值探討

TB/T 3307.1—2014 規(guī)定，尖/心軌機(jī)加工區(qū)域廓形和設(shè)計(jì)廓形的偏差不應(yīng)大于0.2 mm。尖/心軌非機(jī)加工區(qū)域與廓形相關(guān)的形狀公差為軌冠飽滿度。TB/T 3109—2013《鐵路道岔用非對稱斷面鋼軌》［8］按線路速度等級(jí)對軌頭飽滿度公差值進(jìn)行了規(guī)定：運(yùn)行速度小于200 km/h 時(shí)為±0.6 mm；運(yùn)行速度大于等于200 km/h時(shí)為+0.6，-0.3 mm。其中正公差為凸出，負(fù)公差為凹入。

現(xiàn)場調(diào)研表明，引起晃車的廓形偏差在15 mm 斷面為+1.6 mm，在35 mm 斷面為+1.9 mm，在40 mm 斷面為+2.7 mm，均遠(yuǎn)大于0.2 mm。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況和生產(chǎn)現(xiàn)狀，建議參考尖/心軌非機(jī)加工區(qū)域軌冠飽滿度公差，按線路速度等級(jí)對尖/心軌機(jī)加工區(qū)域廓形公差進(jìn)行規(guī)定：運(yùn)行速度小于200 km/h 時(shí)取0.6 mm；運(yùn)行速度大于等于200 km/h 時(shí)取0.3 mm。

4.2 廓形檢測基準(zhǔn)選取

對廓形公差值取0.20，0.25，0.30，0.35，0.40 mm時(shí)的尖/心軌廓形合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖5。

圖5 不同廓形檢測基準(zhǔn)下尖/心軌廓形合格率

由圖5可知：在廓形公差取值較小的情況下，不同的檢測基準(zhǔn)對尖軌廓形合格率有較大影響，以中點(diǎn)基準(zhǔn)進(jìn)行檢測時(shí)，軌頭寬度公差會(huì)對廓形公差產(chǎn)生影響；隨著公差取值的增加，2 種基準(zhǔn)對應(yīng)的尖軌合格率不斷接近；公差取值為0.3 mm 時(shí)，2 種基準(zhǔn)下尖軌合格率僅相差6%，工作邊基準(zhǔn)合格率高于中點(diǎn)基準(zhǔn)；不同的檢測基準(zhǔn)對心軌合格率無明顯影響。

綜上，為避免軌頭寬度尺寸對廓形檢測產(chǎn)生影響，建議尖軌廓形檢測時(shí)采用工作邊基準(zhǔn)。為避免心軌加工偏中，建議心軌廓形檢測時(shí)采用中點(diǎn)基準(zhǔn)。

5 結(jié)論與建議

本文提出了2 種道岔尖/心軌廓形檢驗(yàn)基準(zhǔn)，給出了2 種基準(zhǔn)下的廓形檢測范圍，并對國內(nèi)4 家道岔制造企業(yè)近期生產(chǎn)的客專線系列道岔進(jìn)行了廓形偏差數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況和尖/心軌生產(chǎn)現(xiàn)狀，建議參考尖/心軌非機(jī)加工區(qū)域軌冠飽滿度公差，按線路速度等級(jí)規(guī)定尖/心軌機(jī)加工區(qū)域廓形公差：運(yùn)行速度小于200 km/h 時(shí)取0.6 mm，運(yùn)行速度大于等于200 km/h 時(shí)取0.3 mm。為避免軌頭寬度對廓形偏差產(chǎn)生影響，建議尖軌廓形檢測采用工作邊基準(zhǔn)；為避免心軌加工偏中，建議心軌廓形檢測采用中點(diǎn)基準(zhǔn)。

下一步工作擬針對不同速度等級(jí)的道岔尖/心軌廓形進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果選取現(xiàn)場試驗(yàn)道岔進(jìn)行跟蹤觀測，根據(jù)觀測結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化廓形公差取值。