一種自動鋼軌校直工藝

胡彬彬 趙 磊 倪歡歡

（合肥合鍛智能制造股份有限公司 高端成形機床成套裝備安徽省技術創新中心，合肥 230000）

隨著鐵路運輸向高速重載發展，社會對鋼軌的需求量越來越大，要求的質量越來越高，要求生產效率也越來越高。鋼軌校直設備是鋼軌生產企業加工鋼軌的設備之一。鋼軌在軋制、冷卻和運輸過程中，由于各種因素的影響，往往產生各種形狀缺陷，如出現弧形缺陷、斷面時可能會產生邊緣內并、外擴和扭曲等。為消除這些缺陷，鋼軌需要在校直機上進行校直。校直是鋼軌生產不可缺少的重要工序之一，對鋼軌的質量有重大影響。

借助于各種模具，鋼軌校直設備可對各種規格的鋼軌進行校直。由于鋼軌的較長，鋼軌校直設備需要送料裝置為其輸送鋼軌。此外，校直設備需要對鋼軌的軌頭、軌腰以及軌底等進行校直。因此，人們對鋼軌的水平彎曲、垂直彎曲以及扭曲校直提出了更高的精度要求和效率要求。在這一背景條件下，為滿足鐵路行業的需求，本文基于國內外同類產品，提出了一種自動鋼軌校直工藝。

1 傳統鋼軌校直工藝簡介

鋼軌校直原理[1]，如圖1所示。具有初始變形量（初始撓度）δ0的鋼軌零件，校直時兩端簡支，中間施加集中壓力F后，零件發生彈塑性變形，并使零件產生反彎變形量δW。卸去壓力后，零件發生一部分的永久塑性變形，另一部分彈性回彈。若彈復量剛好等于反彎變形量δW，則零件被校直。此時，總壓下量即校直行程，即δZ=δ0+δW。

圖1 鋼軌校直原理

鋼軌類工件一般較長，在長度方向上初始變形方向并不單一朝某一個方向，也可能在總長度上有多個方向的變形，如S形。此外，鋼軌類工件具有一定的截面形狀，在軌頭、軌腰以及軌底的任意一處均有可能存在變形，且形變方式復雜。既可能有彎曲也可能有扭曲，也可能兩者都有。所以，長久以來鋼軌類工件一般采用人工校直方式，即由操作人員辨別待校直鋼軌究竟存在何種待校直變形、每種變形處于鋼軌何位置以及通過操作人員自身經驗估算校直量。這種方式依賴操作人員的經驗，且一般需要反復校直才能達到合格標準。傳統鋼軌校直工藝路線，見圖2。

圖2 傳統鋼軌校直工藝路線

2 自動鋼軌校直工藝簡介

自動鋼軌校直工藝是在傳統鋼軌校直工藝基礎上引入一系列自動化檢測與控制技術，是以機器操作取代人工操作的一種簡單自動化加工的嘗試與運用，工藝路線見圖3。

圖3 自動鋼軌校直工藝路線

鋼軌自動校直的第一個問題是如何讓機器知道需校直鋼軌的實際形狀。目前的解決方案是建立鋼軌類工件的模型。鋼軌類工件如常用的43 kg·m-1、50 kg·m-1、60 kg·m-1、50AT、60AT、UIC60D40、60TY共7種規格的鋼軌，每一種都按實際截面形狀建好初始模型，再在需校直的長度范圍類每間隔一段距離用傳感器對正鋼軌描出鋼軌輪廓，如圖4所示。通過這種描輪廓的方法，可簡易地將鋼軌輪廓數據傳送給液壓機控制單元。

圖4 用傳感器對正鋼軌描出鋼軌輪廓示意圖

如圖4所示，所有傳感器端面所構成的面是預先調整好的，所有傳感器可以看成在一個面上，且與工作臺面保持相同的距離。將待校直鋼軌通過支撐塊固定在工作臺面上，如果鋼軌本身不直，那么在整個采樣長度上各處傳感器所采集到的間距數值不可能全部相同，即可根據采樣數據粗略繪制鋼軌輪廓。

鋼軌自動校直的第二個問題是如何讓機器知道待校直鋼軌的需校直量[2]。基于已經完成的描輪廓步驟，通過樣條曲線的擬合技術，可粗略計算待校直鋼軌在整個取樣長度上的最大變形量及其所處位置。這個數值并不需要很精確，因為在實際校直過程中并不追求一次校直就能合格，因為二次校直在所難免。本文提到的校直工藝，設計的基本思想是通過逐步逼近、逐次減小誤差來獲得合格的工件。

鋼軌自動校直的第三個問題是如何讓機器知道“下一步該怎么做”。這個問題是整個鋼軌自動校直過程中的難點。例如，前面兩個問題相對簡單，可通過簡易數學模型調整傳感器陣列，采樣并得出粗略輪廓和擬合出曲線獲得理論校直量及位置[3]。針對第三個問題，多由人工處理，因為人是高度智慧的生物，自身可以快速準確做出判斷。這里的解決方案并不是讓機器具有初步“智能”而自主做出判斷，本文介紹的設備采取迂回辦法，繞開這一問題將問題簡單化處理。

3 自動鋼軌校直工藝實現途徑簡介

實際生產中，判斷鋼軌取樣長度內各處截面輪廓是否合格，只需要考慮有限的幾個問題，包括取樣長度內是否存在彎曲（或扭曲）、取樣長度內如果有彎曲（或扭曲）在什么位置以及如何設置校直量進行修正。基于上述邏輯，結合實際鋼軌截面形狀，對鋼軌截面上易產生變形的位置進行編號。可以明確知道，實際可能出現的鋼軌變形總類型是有限的。

以60AT軌為例（圖5），實際易變形位置有8處。每處都可能有彎曲或扭曲的情況發生，那么邏輯上最多有16種需校直的變形種類（表1）。實際生產中，因為機器不能提前確定待校直鋼軌到底有多少種需校直種類存在，那么最簡單的辦法就是假定16情況都存在，逐項檢測并進行校直，直到16項都檢測合格，那么鋼軌一定是合格件。

圖5 鋼軌易產生變形的位置

表1 鋼軌校直16種變形種類對照表及編號

將鋼軌放在校直工作臺上，如果先校直位置1，壓頭從上往下進行校直時，底部位置2也存在被關聯校直現象。因此，當位置1被校直后，位置2的變形會極大地被改善，從而減少了總體需校直工作量。同樣的，關聯關系有4對，見圖6。

圖6 鋼軌截面4對校直關聯關系示意圖

實際生產中，雖然是按16種情況都存在這一假設進行校直，但是實際并不會進行16項校直，絕大多數情況下只需進行4～5項校直就可以達到合格水平[4]。以60AT軌為例，假定當壓機從變形種類1開始校直，此時變形種類2一般都是成對存在的。完成變形種類1校直后，變形種類2很大概率就沒有了，且這種情況是實際存在的。按內置程序走向，校直完位置1后會對位置1進行復檢，此時如果位置1達到了合格標準，那么程序自動進入位置2檢測環節。如前文所述，很大概率位置2此時已經也達到了合格標準，那么程序自動進入位置3檢測環節，以此類推。這些連貫的過程會省掉很多校直環節，因為所檢測的位置在合格范圍內（大部分鋼軌需校直都是因為加工及運輸造成的，本身缺陷并不嚴重，否則會按廢品處理）。所以，實際生產中，并不會因為程序鏈有16項環節而導致校直時間過長象，很多步驟很快即可完成（因為16種情況可以看做8組，且現實中基本不會出現8組都進入校直環節這一極端情況）。

4 自動鋼軌校直工藝對液壓機的要求

從鋼軌截面可以看出，自動鋼軌校直機對工作臺臺面要求是左右尺寸大、前后尺寸小。對于壓機行程來說，一般只要大于鋼軌需校直量，再考慮必要的元件安裝空間即可。本文涉及到的自動校直液壓機工作臺面前后尺寸約300 mm，左右約1 300 mm，壓頭行程約450 mm，開口約800 mm。從圖6可以看出，鋼軌需要能從垂直和水平兩個方向上進行校直，所以液壓機主體也許按能滿足兩個方向進行校直來設計。

鋼軌校直液壓機公稱壓力一般在4 000～5 000 kN，目前最常用的是4 000 kN校直液壓機[5]。該噸位液壓機的校直力基本可以適用于各類鋼軌的校直，是目前使用范圍最廣的一種校直液壓機。

5 結語

本文介紹了一種自動鋼軌校直工藝，淺述了如何實現這一工藝的途徑。檢測描點環節采取布置傳感器陣列的做法，優點是實現途徑簡單、費用低，缺點是傳感器數量眾多，多個方向需要總計幾十個傳感器，導致安裝和數據運算不方便。現代技術更迭迅速，已經出現的新技術以視覺成像技術最典型。如果將傳感器陣列更換為視覺檢測處理系統，可能會更好地提升自動校直效率及準確性，下一步將對其進行深入探討。