钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术研究

钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术研究

徐明发

中铁上海工程局集团华海工程有限公司上海市201101

摘要：针对城市轨道交通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,研发形成钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术。采用新型钢轨夹持装置构造，实现对钢轨夹持固定的同时能够就钢轨平直度进行微调的功能，避免钢轨打磨过程中产生振动最终影响打磨效果，提高了打磨作业的打磨条件。

关键词：钢轨提升；系统设计；有限元分析

1 前言

钢轨焊缝打磨的过程中，钢轨处于悬空的状态，如若没有一个固定钢轨的装置，钢轨会由于打磨产生振动，严重影响最终的打磨效果。因此在打磨装置的基础上需要附加一组夹持装置。同时考虑到解除原先固定装置后，钢轨有可能出现形变，影响打磨的效果，所以夹持装置在固定钢轨的同时起到一定程度调节钢轨的作用。调节内容主要包括两侧钢轨的距离以及钢轨的平直度。因此，研发钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术十分必要。

2 钢轨提升技术关键技术

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，确保了夹持作业的自动化、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，使用四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1所示。

图1 钢轨提升装置实物图

（1）采用液压作为动力来源，使用两块仿形夹持板对钢轨进行横向夹持。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、安全的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2所示。

图2 钢轨精准定位装置实物图

3 钢轨提升及精确定位技术

3.1钢轨提升装置设计

钢轨提升装置用于提升钢轨，工作时将钢轨提升至钢轨定位器中，该装置一共设有四套，每股钢轨对应位置设有两套，均安装在车架体的支撑区段与作业区段的交界处，主要由承重梁、提升液压缸、连杆、钢轨夹具、限位套组成，如图3所示。承重梁位于钢轨提升装置最上端，与车架体在该位置的车架体横梁焊接，承重梁下方依次连接的是提升液压缸、连杆、以及钢轨夹具。钢轨夹具采用的剪刀型结构使其不需要额外的动力源即可完成夹取时对钢轨的固定。限位套设置在连杆的中部，连杆从其中穿过，起到约束连杆在水平方向摆动的功能。

图3钢轨提升装置结构图

（1：承重梁；2：提升液压缸；3：连杆；4：钢轨夹具；5：限位套）

3.2钢轨夹持定位系统设计

钢轨夹持定位装置最终由夹持座、活动夹持板、夹持液压油缸、保险结构四大部分构成，打磨工作车上设置有两组共八个钢轨定位装置即一根钢轨由4处定位装置定位。钢轨夹持定位装置示意图如图4所示。

图4钢轨夹持定位装置示意图

钢轨夹持装置使用液压油缸作为动力来源，使用两处仿形夹持块对钢轨进行夹持作业。在夹持块上均设置有调节螺栓，用于微调钢轨位置。为防止钢轨在打磨过程中发生脱落，夹持装置同时布置有自动保险销板，随着夹持机构的夹紧与放松，自行关闭与打开。整个钢轨定位系统实现了自动化定位夹持钢轨的同时，也保证了夹持定位作业的安全性。

3.3钢轨提升作业有限元分析

双轨同步自动检测钢轨焊缝打磨作业车进行钢轨焊缝打磨作业时，需要将松开扣件的钢轨进行抬升，靠夹轨装置对钢轨进行定位，再用打磨装置进行钢轨焊缝打磨，对钢轨抬升作业进行有限元分析。取无缝线路焊接完成、待打磨的钢轨为研究对象，钢轨总长60m，中间以焊缝位置左右松开各25m的扣件，钢轨提升0.3m，对钢轨的强度和刚度进行验证。钢轨结构模型如图5所示。

图5 钢轨提升结构模型

采用ANSYSWorkbench创建钢轨提升结构的有限元分析模型，采用六面体单元，其中钢轨的弹性模量为220GPa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m3，U71Mn材料屈服强度800MPa。当整车进行钢轨提升作业时，此时工况对钢轨结构最不利，在力学容许条件进行简化，划分节点数314694、单元数55430的有限元分析模型。钢轨提升结构有限元模型如图6所示。

图6 钢轨提升有限元模型

考虑钢轨提升时的受力状况，对钢轨两端设置固定约束，施加地球重力加速度，在中间施加钢轨提升位移0.3m，经过ANSYSWorkbench处理后，校核钢轨提升的最大应力和提升拉力，确保最大应力不超过材料屈服强度。

根据有限元分析结果可知，钢轨固定约束位置端变形较小，变形数值为0，中间变形最大，变形数值为305.15mm，大于钢轨提升高度300mm，符合钢轨提升受力变形后中间翘曲状况；钢轨整体应力较小，最大应力发生在钢轨提升位置处，应力数值为1104.9MPa，超过材料屈服强度800MPa，根据图示结果可知，该处应力为集中应力，对钢轨整体影响不大，建议增大钢轨提升装置与钢轨的接触面积。钢轨整体最大应力为472.64MPa，小于材料屈服强度800MPa，安全系数1.69，满足设计要求。钢轨提升作业变形云图、应力云图如图7、8所示。其中钢轨提升位置拉力分别为92.13.8N、9218.1N。

图7 钢轨提升作业变形云图

图8钢轨提升作业应力云图

考虑夹轨打磨时的受力状况，对钢轨两端设置位移约束0.3m，施加地球重力加速度，在中间施加钢轨提升位置和夹轨位置固定约束，其中夹轨约束4个，提轨约束2个，提轨约束分布于夹轨约束中间，经过ANSYSWorkbench处理后，校核夹轨时的最大应力和提升拉力，确保最大应力不超过材料屈服强度。

根据有限元分析结果可知，钢轨固定约束位置端变形较小，变形数值为0，中间变形最大，保持钢轨提升高度不变，变形数值为300mm，符合钢轨提升后夹轨校直要求；钢轨整体应力较小，最大应力发生在外侧夹轨位置处，应力数值为420.42MPa，对比钢轨提升时的整体应力472.64MPa，夹轨作业时钢轨力学性能有所改善，小于材料屈服强度800MPa，安全系数1.90，满足设计要求。钢轨夹轨作业变形云图、应力云图如图9、10所示。钢轨夹轨位置与提轨位置拉力依次分别为10659N、-1915.5N、1798N、1798N、-1915.5N、10659N，其中1798N、1798N分别为提轨位置拉力，正方向代表竖直向上，可知：钢轨夹持后，受力集中在外侧夹轨位置，提轨位置受力状况得以改善，同时由于钢轨翘曲影响，内侧夹轨位置产生竖直向下的压力，与实际钢轨受力变形状况相符合。

图9 钢轨夹轨作业变形云图

图10 钢轨夹轨作业应力云图

4 结论

通过研究形成了专用的钢轨提升和夹持定位机构，横向通过2块夹持板夹持住钢轨，并在底部设计保险装置防止钢轨因摩擦力不足而下落，实现钢轨提升和固定的功能，实现了钢轨自动提升和精准定位，半自动化卸落钢轨。

参考文献

[1]段德荣,曾越.城市轨道交通钢轨焊缝双轨同步电磁感应正火新技术研究[J].交通科技与管理,2020,000(009):P.1-2.

[2]吴超，徐明发.钢轨焊缝打磨车:.CN306150104S[P].2020.

[3]赵文君,郑康海,刘绩,等.钢轨焊缝全断面打磨作业车及其使用方法:,CN108842542A[P].2018.

[4]汪占龙,刘绩,刘习生,等.钢轨焊缝全断面打磨装置:,2019.