城市轨道交通钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测新技术研究

徐明发

[中铁上海工程局集团（苏州）轨道交通科技研究院有限公司，江苏苏州 215100]

0 引言

目前，城市轨道交通无缝线路作为现代轨道工程的发展方向，相较于原先的有缝线路，大大减少了轨道接头处的零件数量与线路维修工作量。同时，由于无缝线路没有轨缝，有效减少了列车的接缝处振动，降低了运行噪声，提高了运行稳定性与乘坐舒适性以及线路设备与机车车辆的使用寿命。城市轨道交通施工区域多为市区地下，受到交通等多方面因素制约，无法直接运输长钢轨，因此施工作业时对既有多采取将25m 标准轨进行现场焊接与打磨。地下线施工作业面较为狭小，专业施工作业设备无法展开，因而不得不采取人工方式进行钢轨焊缝接头处的打磨作业。为确保钢轨在打磨处断面轮廓线形与平整度符合要求，不出现应力集中现象导致钢轨疲劳，对其打磨的质量要求极高。根据实际情况，人工打磨仅依靠打磨人员的操作经验与熟练度，缺少高效快速的打磨检测手段，这就对焊缝打磨工作带来挑战。因此，研发城市轨道交通钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测新技术十分必要。

1 钢轨焊缝打磨技术现状

钢轨焊接接头打磨作业目前多采用人工操作的仿形砂轮机和手持砂轮机进行打磨作业。这类设备均不是专用钢轨作业设备，作业时需要施工现场发电、人工起升钢轨等辅助手段，需要配备的辅助设备繁杂，整合程度低，不自带动力，大多需要人工搬运操作，人员需求量大，劳动强度高，工作效率低。

使用的打磨工具中，仿形砂轮机主要用于打磨钢轨轨头顶面及侧面，这是由于轨头顶面及侧面分别为行车踏面和导向面，与机车车轮直接接触，对钢轨接头的断面轮廓线形及平整度要求较高。显然这种人工操作的仿形砂轮机仍然无法打磨出与钢轨母材完全拟合的断面轮廓，而实际上作业结果是将钢轨打磨成由多个平面拟合而成的曲面轮廓。手持砂轮机主要用于打磨钢轨轨腰以及轨底等部位，虽然目前规范中对焊缝的上述几处部位对打磨结果并未做出定量标准，但仍然需达到焊缝表面平整、焊缝与钢轨母材过渡平顺的要求，以免在凸起部位应力集中从而导致钢轨疲劳，或影响钢轨超声探伤结果。

无论是仿形打磨机还是手持砂轮机，其打磨效果均受作业人员操作经验及熟练程度影响，打磨质量不稳定。其检测手段仍然是通过肉眼观察、接触观感来判断，或是采用直靠尺，利用不同厚度的塞尺反复测量来得出结果，测量精度差，轨底等部位完全无法测量，已不能满足快速施工、高质量打磨、定量检测等作业需求。

2 钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测新技术

2.1 结构设计

钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测装置由框架结构的车架体构成主体，内部设置有钢轨提升、钢轨定位、轮组、支腿、自动控制等辅助系统。全车车体长7.78m、宽2.58m、高1.42m。其中，打磨装置对称置于车体中心部位两侧，单个打磨装置长1.27m、宽0.98m、高0.61m，通过直线导轨在车架体内运动。打磨车整车结构形式图如图1、图2所示。

图1 钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测装置正视图

图2 钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测装置俯视图

2.2 技术原理

钢轨焊缝打磨过程中，控制系统根据光学检测装置检测到的待打磨区域钢轨数据信息，通过PLC 计算钢轨打磨时的进给量[1]，控制相应伺服电机，使打磨磨头沿指定方向给打磨钢轨焊缝，实现了对钢轨焊缝的全自动化打磨。钢轨焊缝打磨完成后，通过放下走行轮组、收起支撑支腿，打磨车能够在已铺设好的钢轨上行驶，无需其他牵引装置，实现了打磨焊缝后的自行转移。

2.3 关键技术

2.3.1 全断面钢轨打磨技术

传统焊缝打磨需要对钢轨的轨头、轨腰、轨底三部分进行打磨作业，因此出现打磨设备繁杂、整合度低、劳动强度大等问题。

钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车采用全断面钢轨打磨技术，1 处打磨平台内共有5 个仿形砂轮机，采用砂轮周面打磨的方式对钢轨焊缝进行打磨，达到了高速、精细的打磨效果。车体内布置有2 处打磨平台，实现了双轨同步打磨作业。全断面钢轨打磨平台如图3所示[2]。

图3 全断面钢轨打磨平台实物图

2.3.2 钢轨提升技术

钢轨焊缝打磨作业中需要拆除钢轨扣件并使用千斤顶顶升钢轨。手持式千斤顶使用费时、费力，无法满足目前施工高速化的需求。

钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车采用半自动开合夹具夹持钢轨，确保夹持作业的自动化、高效化与安全性。同时采用液压动力提轨装置进行钢轨提升作业，使用4 处提升装置同步起落一段钢轨，保证提升时钢轨的平顺度，为后续的钢轨打磨作业打好基础。钢轨提升装置实物图如图4所示。

图4 钢轨提升装置实物图

2.3.3 钢轨精准定位技术

钢轨焊缝打磨的过程中，钢轨处于悬空的状态，打磨作业过程中产生的振动会严重影响最终的打磨效果，因而需要在提升装置的基础上加装相对应的精准定位装置，以确保焊缝打磨的效果[3]。

（1）采用液压作为动力来源，使用2 块仿形夹持板对钢轨进行横向夹持，然后采用自动开合保险销板，防止出现钢轨脱落之类的危险情况。一段钢轨采用有4 处精准定位装置共同进行固定，以确保能够高效、安全地固定打磨过程中的钢轨。

（2）在夹持块上设置有调节螺栓，可用于手动微调钢轨状态，确保了钢轨定位的精确性。钢轨夹持装置如图5所示。

图5 钢轨精准定位装置实物图

2.3.4 双轨同步检测技术

传统打磨作业中，主要凭借操作人员的经验判断需要打磨的深度，缺少直观化、可视化的打磨数据。打磨后的钢轨外形往往采用烦琐的人工方式行进测量，无法满足如今快速作业的需求。

钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车使用2 个激光传感器，采用激光三角法，对待打磨钢轨进行形状采集。采集数据线性误差小于20μm，再通过车载计算机对采集后的数据进行拟合与处理，得到实时的钢轨焊缝数据。其中，激光传感器采集数据如图6所示，处理形成的钢轨拟合后形状图如图7所示。

图6 激光传感器采集数据图

图7 钢轨拟合后形状图

2.3.5 自动化控制与操作技术

钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车设置有专用操作平台对整体进行操作。

（1）操作面板用于操作2 处打磨平台，面板上设置有触摸显示屏，既可以手动输入打磨参数，也可以实时观测打磨作业情况。操作平台也用于控制车辆转场行驶，可控制车辆前进后退以及行驶速度，保证了车辆电气部分操作的可视化操作。

（2）液压操作手柄用于操作钢轨夹持、钢轨精准定位、车体的液压部分结构，其中设置有联动拉杆对于需要联动操作的设备实现单拉杆操作，同时也留有拉杆用于对任意液压组件单独操作，实现操作便捷性的同时保留有突发情况下的应急操作空间。钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车操作平台如图8所示[4]。

图8 钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车操作平台实物图

3 结论

第一，城市轨道交通钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测车体展开作业时宽度小于3.5m、高度低于2m，转场过程中能无碰撞通过人防门等狭窄空间，保证整车设备实现无障碍施工与运输。第二，应用钢轨提升与钢轨精准定位技术，机械化提升与固定打磨过程中的钢轨，并能够就平直度对钢轨状态进行微调，有效解决打磨过程中钢轨发生位移的问题。第三，采用自动化检测与钢轨全断面打磨技术，实现焊缝形状自动检测与钢轨全断面打磨作业，解放打磨作业所需人力资源的同时也保证打磨精度与可靠性。