鋼軌軌腰焊縫磨床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱紹軍 田錫龍 董秀芬

(貴陽險(xiǎn)峰機(jī)床有限責(zé)任公司，貴州 惠水 550601)

隨著我國高速鐵路技術(shù)的飛速發(fā)展，對鋼軌焊接質(zhì)量提出了更高的要求，尤其是在焊接接頭外觀質(zhì)量方面，受到了越來越多的重視。對于焊接接頭焊后打磨的處理工作，也提出了越來越多的功能需求，從傳統(tǒng)意義的鋼軌軌頭外觀平直度打磨和軌腳打磨工藝，擴(kuò)展到了軌底打磨、軌腰打磨等工藝措施。長期以來，由于鋼軌軌腰部分焊縫截面形狀復(fù)雜，加工難度較大，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家少有涉足，一直是加工工藝技術(shù)上的難點(diǎn)和瓶頸，尚無成熟的工藝技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備。但在工廠焊接過程中，如果軌腰焊縫不進(jìn)行徹底處理，焊縫推凸時(shí)產(chǎn)生的表面較深劃痕或焊渣擠入物就不能有效消除，對于焊縫外觀質(zhì)量會產(chǎn)生較大影響，同時(shí)也會在焊縫承受疲勞載荷時(shí)帶來不利影響。因此，研制出適應(yīng)軌腰焊縫處理工藝的專用設(shè)備已成為一種必然需求。在這一思想指導(dǎo)下，筆者公司技術(shù)開發(fā)部與某鐵路局合作開發(fā)了這款自動化程度高，功能齊備，作業(yè)效率高的鋼軌軌腰焊縫打磨專用設(shè)備(參見圖1效果圖)，在國內(nèi)為首例設(shè)計(jì)制造，具有領(lǐng)先水平。

1 加工件介紹

該臺設(shè)備要加工的工件為高速鐵路無縫鋼軌(輪廓尺寸如圖2)。高速鐵路的軌道由無縫鋼軌組成，而鋼廠生產(chǎn)的鋼軌長度為每件100 m，因此需要把多件鋼軌焊接成500～600 m一根的長鋼軌。鋼軌在焊接生產(chǎn)線上采用高頻對接焊，焊后將留下高約2mm寬為20mm的焊縫凸起(以下簡稱焊縫)，為了列車運(yùn)行平穩(wěn)以及減少焊接應(yīng)力和定位、探傷等用途，焊縫必須修磨。目前，國內(nèi)鋼軌軌腰部分焊縫的磨削均采用人工手持砂輪機(jī)修磨，這種傳統(tǒng)的修磨方式效率低，修磨后焊縫不平整，高度不均勻。為此，為提高磨削工效、提高成品質(zhì)量，我們設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)出用于磨削鋼軌腰部兩側(cè)及軌腳兩側(cè)焊縫的磨床。

2 磨床主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能

如圖3所示，機(jī)床由夾持定位裝置、3組磨頭(軌腰磨頭、軌腳1:9斜面磨頭、軌腳邊磨頭)、金剛滾筒修整裝置、床身及拖板、防護(hù)罩殼等部件組成。

磨削共分3個工位(如圖4)，每個工位設(shè)計(jì)有2個磨頭，分別磨削鋼軌兩側(cè):焊縫段1，由軌腰曲線磨頭完成;焊縫段2，由軌腳1∶9斜面磨頭完成;焊縫段3，由軌腳邊磨頭完成。焊縫段1和焊縫段3采用成型砂輪磨削，焊縫段2采用一個垂直于1:9斜面的杯形砂輪磨削。整個工作采用干磨方式，機(jī)床加防塵罩殼并加吸塵裝置，達(dá)到環(huán)保要求。該設(shè)備采用西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)及1FK7系列交流伺服電動機(jī)分別控制各數(shù)控軸，達(dá)到自動磨削效果。

3 磨床主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 磨床主要技術(shù)指標(biāo)

3 主要功能部件介紹(圖3)

3.1 床身結(jié)構(gòu)

床身采用一次性整體澆筑鑄件構(gòu)成，具有較好的剛性和抗變形能力。為了便于設(shè)備移動，在帶走行軌的基礎(chǔ)上，配有3組滾輪(中間1組滾輪帶有偏心套，偏心量為5mm，用于調(diào)整與另外兩組滾輪的水平)，通過減速機(jī)經(jīng)過錐齒輪傳動，驅(qū)動底座縱向移動，實(shí)現(xiàn)焊縫與設(shè)備的初步對位。床身移動結(jié)構(gòu)見圖5。

3.2 縱向拖板結(jié)構(gòu)

縱向拖板共2件，分別安裝在床身上平面的兩組V－平導(dǎo)軌上，拖板導(dǎo)軌采用貼塑導(dǎo)軌。由安裝在床身端面的伺服電動機(jī)經(jīng)行星減速機(jī)減速后通過滾珠絲杠螺母副帶動縱向拖板往復(fù)運(yùn)動(見圖6)。移動行程為1250mm。滾珠絲杠螺母副由安裝在滾珠絲杠上的甩油環(huán)供油潤滑。在縱向拖板上安裝有行程開關(guān)，拖板運(yùn)行到極限位置，碰到床身上的行程撞塊后將停止運(yùn)動。

3.3 橫進(jìn)給拖板結(jié)構(gòu)

橫進(jìn)給拖板共4件，分別安裝在縱向拖板上平面的兩組V－平導(dǎo)軌上，拖板導(dǎo)軌采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌潤滑采用自動注油潤滑，柔性風(fēng)琴式防護(hù)罩防護(hù)。由安裝在縱向拖板側(cè)面的伺服電動機(jī)經(jīng)行星減速機(jī)減速后通過滾珠絲杠螺母副帶動橫進(jìn)給拖板運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)軌腰曲線磨頭和軌腳側(cè)面磨頭的進(jìn)給(見圖7)。

在橫進(jìn)給拖板上設(shè)有行程撞塊，橫進(jìn)給拖板運(yùn)行到極限位置，碰到縱向拖板上的行程開關(guān)后將停止運(yùn)動。行程撞塊在出廠前已調(diào)整好，不得隨意移動，以免損壞相關(guān)零件。

3.4 夾持定位裝置結(jié)構(gòu)

為了能夠在加工過程中獲得良好的定位基準(zhǔn)，設(shè)備考慮了較為完善的鋼軌(工件)夾持定位系統(tǒng)。整個鋼軌被分成3個部位進(jìn)行定位夾持，采用的均是液壓夾緊方式，分別為設(shè)備兩端軌腰夾持定位，焊縫中部軌頂與滾輪輔助定位(如圖8)。

3.5 焊縫高度測量裝置結(jié)構(gòu)

設(shè)備在各鋼軌(工件)磨削面共設(shè)有6套測量頭組件，每個測量頭組件分別由驅(qū)動氣缸、直線短光柵組成，能夠在打磨前后精確測量各打磨面焊縫高度，并將測量數(shù)據(jù)自動傳送到各打磨頭數(shù)控系統(tǒng)，指導(dǎo)各磨頭自動實(shí)現(xiàn)焊縫打磨，并及時(shí)反映打磨后的實(shí)際效果(見圖9)。

3.6 磨頭結(jié)構(gòu)

軌腰、軌腳1∶9斜面、軌腳邊側(cè)面等處的3個磨頭除主進(jìn)刀方向全部采用伺服控制外，所有磨頭均安裝在兩側(cè)帶V型導(dǎo)軌的橫向拖板上，該拖板同樣采用伺服電動機(jī)經(jīng)行星減速機(jī)減速進(jìn)行驅(qū)動，打磨時(shí)能夠帶動所有磨頭沿鋼軌(工件)縱向往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對鋼軌焊縫的逐次打磨。該種打磨方式與其它加工方式相比，能夠有效消除焊縫因鋼軌錯牙產(chǎn)生的臺階，更有利于提高對焊縫的打磨質(zhì)量。

(1)軌腰曲線磨頭結(jié)構(gòu)

軌腰曲線磨頭用于磨削軌腰曲線，該磨頭共兩套，分別安裝在兩側(cè)的橫進(jìn)給拖板上，由軸承座、主軸系統(tǒng)、砂輪夾盤、砂輪、皮帶、電動機(jī)支架、電動機(jī)、皮帶張緊裝置等組成，見圖10。

(2)軌腳1∶9斜面磨頭結(jié)構(gòu)

軌腳1∶9斜面磨頭用于磨削軌腳1∶9斜面。該磨頭共兩套，由立柱、磨頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)、軸承座、主軸系統(tǒng)、砂輪等組成，見圖11。兩件立柱分別安裝在兩件縱向拖板的上平面上，可隨縱向拖板往復(fù)運(yùn)動。立柱與縱向拖板的聯(lián)接孔為腰形孔，中間設(shè)有導(dǎo)向鍵。如果磨頭與鋼軌在水平橫向的相對位置不對，可松開聯(lián)接螺栓進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整好后需要重新緊固。軸承座安裝在立柱上，軸承座與立柱采用燕尾導(dǎo)軌聯(lián)接，自動注油潤滑。由安裝在立柱上的伺服電動機(jī)經(jīng)行星減速機(jī)減速后通過滾珠絲杠螺母副帶動軸承座運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)軌腳1∶9斜面磨頭的進(jìn)給。在軸承座上也設(shè)有行程撞塊，軸承座運(yùn)行到極限位置，碰到立柱上的行程開關(guān)后將停止運(yùn)動。

(3)軌腳邊側(cè)面磨頭結(jié)構(gòu)

軌腳邊側(cè)面磨頭用于磨削軌腳兩側(cè)面，采用Y112M－4三相異步電動機(jī)通過3根SPB皮帶帶動磨頭旋轉(zhuǎn)。砂輪采用400×32×127的平形砂輪，該磨頭與軌腰曲線磨頭的結(jié)構(gòu)形式和工作原理相似。

3.7 修整裝置

修整裝置安裝在軌腳1∶9斜面磨頭的立柱上，共3組，每組由金剛滾輪和驅(qū)動電動機(jī)組成，可以根據(jù)需要任意對軌腰磨削砂輪、軌腳斜面磨削砂輪、軌腳邊側(cè)面磨削砂輪進(jìn)行自動修磨。金剛滾輪驅(qū)動電動機(jī)采用交流變頻調(diào)速電動機(jī)，能夠方便調(diào)節(jié)金剛滾輪的轉(zhuǎn)速，以確保砂輪修磨后的精度(見圖12)。

3.8 防護(hù)罩殼及吸塵裝置

設(shè)備采用了全封閉的防護(hù)罩殼，兩側(cè)中部開有帶夾膠玻璃的防護(hù)門，滿足加工視線的需要，也防止砂輪等設(shè)備轉(zhuǎn)動部件對操作人員的意外傷害，同時(shí)還起到了防止砂輪磨屑外溢、收集的作用。除塵裝置:設(shè)備配備了大功率脈沖除塵設(shè)備，能夠有效吸除打磨時(shí)產(chǎn)生的粉塵及氣體，滿足了環(huán)境保護(hù)和作業(yè)人員主要的勞動保護(hù)問題，改善了作業(yè)環(huán)境和操作條件。

3.9 集中潤滑裝置

設(shè)備配有集中式自動潤滑泵和油侵式導(dǎo)軌，供油管路遍布各設(shè)備主要部件，由設(shè)備控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定，能夠自動確保各運(yùn)動部件潤滑充足。

4 結(jié)語

該設(shè)備采用了國家規(guī)范的機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和功能強(qiáng)大的西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，磨削工藝先進(jìn)合理，具有較高的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化程度。當(dāng)待磨削的鋼軌焊縫由滾筒線輸送到設(shè)備停放位置后，通過人工操作機(jī)床走行裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)備初步對位，再按下啟動按鈕，設(shè)備即可進(jìn)行焊縫高度自動測量、自動對刀、自動進(jìn)刀磨削、退刀等全部作業(yè)過程，從而一次性同時(shí)完成鋼軌兩側(cè)焊縫自動磨削的工作任務(wù)。當(dāng)各成型砂輪磨損后輪廓達(dá)不到精度要求時(shí)，操作者可以根據(jù)需要啟動砂輪修整程序，設(shè)備可以自動完成各個成型砂輪的修磨，以保證磨削焊縫輪廓的準(zhǔn)確性。目前，這種軌底、軌腰磨削加工的工藝措施，在國內(nèi)尚屬首例，同時(shí)，我們也可以根據(jù)用戶的要求增加軌頭、軌腳等部分焊縫的磨削工位，以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。軌頭部分與火車車輪直接接觸，軌頭焊縫的磨削具有更高的要求，目前均由進(jìn)口設(shè)備完成。增加該磨削工位可替代這種國外進(jìn)口主流設(shè)備，解決進(jìn)口設(shè)備配件供應(yīng)困難、技術(shù)服務(wù)滯后、價(jià)格昂貴等問題，為提升我國鋼軌焊接接頭質(zhì)量和加工裝備水平做出貢獻(xiàn)。

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