（机械工程专业论文）钢轨打磨列车打磨模式研究.pdf

中文摘要 中文摘要 本论文基于铁道部的重点课题大型养路机械关键技术研究钢轨打 磨列车打磨控制技术研究( 课题编号2 0 1 0 g 0 0 8 c ) 。 随着铁路高速重载趋势的发展，钢轨打磨列车的作用日益重要。本文以g m c 9 6 型钢轨打磨列车为研究对象，对钢轨打磨作业过程中的数据采集与处理、打磨模 式中的打磨头的分布与打磨量的计算进行深入的分析和研究，并且开发了钢轨打 磨模式软件，为钢轨打磨作业提供更多种、更优化、更高效的打磨模式。主要研 究内容如下： 1 为了准确的描述钢轨的轮廓形状，采用b 样条曲线的j 下算反算对采集的数 据点进行加密处理；为了保证曲线、曲面重构的高效性和光顺性，采用沿圆弧等 分的方法来实现对采集数据的精简，保证数据点在曲率较大处分布密集，曲率较 小处分布稀疏，实现了数据的精简。 2 对非均匀b 样条曲线、曲面相关算法进行了研究。采用m a t l a b 编程实 现了非均匀b 样条曲线、曲面的正算、反算、导矢等算法。对精简后的数据，在 m a t l a b 7 0 环境下生成钢轨横断面的曲线、曲面图。并且对钢轨纵向不平顺进行 分析，在打磨i j 可以通过波形磨耗的深度来确定打磨的遍数，在打磨后可以对打 磨质量进行评价。 3 通过对g m c 9 6 型钢轨打磨列车的现场跟车和调研，完成对打磨模式1 9 、 模式2 和模式1 3 的工艺参数采集，并且推算出每种打磨模式下打磨角度和打磨压 力所对应的打磨量，为下一步打磨量的计算以及打磨头的分布设计提供实验和数 据支持。 4 以g m c 9 6 型钢轨打磨列车为研究对象，确定了打磨头的角度分布范围为 7 0 0 + 1 5 。，以打磨精度和打磨深度的打磨准则来约束打磨头的分布。针对打磨头 的分布，一方面从几何角度考虑，根据我国的铁路状况以及打磨后的钢轨表面粗 糙度的要求( 描述钢轨横断面轮廓曲线所要求的6 0 个离散点坐标； 钢轨有效打磨部分上的多个纵向横断面数据。 2 2 2 3 精简结果与算法分析 采用上述算法对加密数据进行数据精简，本论文通过m a t l a b 语言编 程来实现以上算法，在m a t l a b 7 0 的环境下，较好的实现了数据点的精简 和精简后二维图形显示。图2 1 0 显示的是加密的原始数据【3 3 。 原始数据 图2 1 0 钢轨横断面的原始数据图 钢轨面数据预处理与造型 图2 1 1 显示的是数据精简之后的钢轨横断面数据的二维图形。数据精 简之后每个横断面有6 0 个关键的数据点，并且保证在曲率较大的地方，分 布密集，在曲率较小的地方，分布稀疏。精简后的数据为下一步曲线盐面 的重构奠定了一定的基础。 精简后的数据 图2 11 精简后的钢轨横断面数据点图 通过图2 1 0 与图2 一1 1 的对比，可以看出该算法很好的实现了钢轨横断面 数据的精简，精简速度快，精简效果较好，而且较好地保持了原有对象的 特征。有效地减少钢轨横断面轮廓的数据点，为后续高效的、快速的曲线、 曲面重构奠定了基础。 2 3 钢轨横断面造型 本论文中研究的是钢轨的横断面，虽然钢轨的横断面曲面不是复杂曲 面，但是打磨之后对钢轨的表面要求较高，打磨后钢轨表面粗糙度要求小 于r a l 0 ，曲面数据通过采集得到。目前对于曲线曲面的数据处理方法主要 有参数样条曲线曲面法、孔斯曲面法、贝齐尔( b e z i e r ) 曲线曲面法、b 样 条曲线曲面法、有理b 样条曲线曲面法等，其中非均匀有理b 样条( n u i s ) 曲线、曲面应用最为广泛。n u r b s 曲面相对于b 样条曲面最大的优点是对 简单曲面的描述，缺点在于计算过程复杂并且繁琐。因此在工程实际应用 1 9 北京交通大学硕士论文 中，b 样条方法具有强大功能而成为形状数学描述的主流方法，被广泛应用 于各行各业的自由曲面造型设计中。对于所研究的钢轨横断面，根据b 样条 曲线曲面方法的各种几何特性，完全可以准确、快捷的造型，满足特定的 要求，所以本论文采用非均匀b 样条的方法对采集的钢轨横断面数据进行处 硼【2 8 】 j j ： o 2 3 1 曲线曲面造型的数学基础 2 3 1 1 非均匀b 样条曲面的正算 非均匀有理b 样条曲面则是由( 聊+ 1 ) ( 刀+ 1 ) 个的控制顶点 哆，( f = o ，l ，m ；j = o ，1 ，1 ) 所构成的控制网格。因此当分别给定了参数 与参数1 ，的次数后与，以及相应的两个参数方向上的节点的矢量 u = 【，甜l 一，u r a m 。】和节点的矢量y = 【，m ，小。】，也就定义了一张b 样条曲面。方程表示为： p ( u ，w - e z a , v , ，。 比，) ， l = oj = oz 一z - ， 甜i “+ i ，y 屹+ 1 在式( 2 2 1 ) 中，b 样条基f ，。( 甜) o = o ，1 ，m ) 与，( 1 ，) ( = o ，1 ，疗) 分 别由节点矢量u 与y 按德布尔一考克斯递推公式决定。因此，定义在子矩形 域“。“l g e 卅，吩1 ，v m 上的b 样条曲面片仅仅和控制点阵中的部分顶 点喀，o = e - k ，e - k + l ，e ；j = f 一，f - l + l ，f ) 有关。b 样条曲线的相 应算法都可以推广到b 样条曲面，而曲面是两个方向上的参数，曲线仅仅 一个方向上的参数，因此b 样条曲面就是把双参数问题转化为一系列的b 样条曲线单参数曲线问题。 非均匀的b 样条曲面的正算首先需要确定材、1 ，两个方向上的两个节 点的矢量u = 【“。，+ 川】和矿= 【，u ，+ ，+ l 】，就可按如下的步骤求 取曲面上的对应点p ( u ，v ) ： 1 ) 首先，以v 参数值对沿1 ，参数的方向上的m + 1 个控制多边形执行用 于计算非均匀b 样条曲线上点的德布尔的算法，就可以求得m + 1 个点作为 中间顶点，可以构成中间多边形。 2 ) 然后，以“参数值对这个中间的多边形执行非均匀b 样条曲线上点 的德布尔算法，所得的点即为所求b 样条曲面上的点p ( u ，1 ，) 。这样就可以 得到b 样条曲面上的所有点。 钢轨面数据预处理与造型 另外，在计算b 样条曲面上的点时，也可以按照不同的顺序来进行相 应的计算，先u 后1 ，或者同时进行。无论采取哪种顺序，最后得到的结果 都完全相同。由于b 样条曲面是张量积曲面，按照单参数递推更加简便易 行。如果为了显示等目的的需要计算曲面上一条等参数线时，就不应该按 照任意的顺序进行。计算曲面上的一条u 线，则应该按照先，后u 的顺序 进行，同理在计算曲面上的一条1 ，线，则应该按照先u 后 ，的顺序进行。 2 3 3 2 非均匀b 样条曲面的反算 b 样条曲面的反算或逆过程就是要构造一张k x l 次的b 样条曲面的插 值给定的数据点只，“= 0 ，l ，；= o ，1 ，j ) 。一般把曲面的反算问题化解 为两阶段的曲线反算问题。先确定u 、y 的节点矢量，然后可按如下的步骤 确定曲面的控制顶点： 1 ) 首先，选取u 参数方向上的型值点，可以得到j + 1 组数据点，且每 组数据点有，+ 1 个型值点。然后对这j + l 组的数据点按b 样条曲线反算的 方法，就可以分别相应的计算出s + l 组中间的控制顶点，而且每组分别含 厂+ 尼个中间控制顶点。 2 ) 然后，在，参数的方向上，对中间的控制顶点按照b 样条曲线反算 的方法，就可以分别相应的计算出，+ 七组的控制顶点，并且每组分别含有 s + z 个控制顶点。 综上所述，总共可以得到( r + k ) x ( s + ，) 个控制顶点，而这些控制顶点 的数据点阵构成了b 样条曲面的控制多边形网格，由该网格所定义的非均 匀b 样条曲面的插值给定的型值点p i ，( f = o ，l ，；，= o ，l ，s ) 。 2 3 2 钢轨横断面曲线造型 本论文的研究对象是钢轨的轮廓，采集到并经过精简的数据为钢轨横 断面轮廓点阵数据。采用b 样条曲线曲面方法处理钢轨的曲面造型时，可 按以下算法步骤执行： 1 ) 已知的钢轨横断面轮廓的型值点数据以点阵形式给出，精简之后， 每个横断面有6 0 个数据点，首先采用b 样条曲线的反算方法计算出钢轨横 断面轮廓的控制顶点数据和节点矢量，程序中控制定点是d 印，节点矢 量用里森费尔德参数化为u ； 2 ) 由钢轨轮廓线的控制顶点和节点矢量，按照德布尔算法可以正算出 密化的型值点和其它几何数据。 2 l 北京交通大学硕士论文 1 0 5 n 0 0 5 1 5 f l 钢轨横断面曲线 v 1 0 柏 j x 图2 1 2 钢轨横断面轮廓曲线 由图2 1 2 看到由经过精简的6 0 个原始数据点经过非均匀有理b 样条 造型到转化为曲线的过程。原始数据的6 0 个点用红色圆点表示，生成的钢 轨横断面轮廓曲线用黄色线表示。在实现的过程中，主要编写了控制顶点 的反算子程序、德布尔算法子程序、导矢计算子程序等，利用以上这些主 要的子程序，实现钢轨轮廓曲线的可视化，生成钢轨横断面轮廓曲线。 2 3 3 钢轨面的造型 由于每隔5 m m 采集一个钢轨横断面的数据，因此得到多个钢轨横断面 的点阵数据。可以将这些离散数据采用三次非均匀有理b 样条拟合成曲面 具体步骤如下所示： 1 ) 分别对这些离散点进行反求控制定点，将所求的控制定点的x 、y 、z 坐标分别存在q x , q y 、q z 下； 2 ) 分别求在u 、v 方向的节点矢量队y ； 3 ) 用m a t l a b 编写曲面生成程序。 通过m a t l a b 程序的运行，实现钢轨面曲面的可视化，生成的钢轨面 的图形如图2 1 3 所示。对于打磨后的钢轨横断面轮廓曲线也可以用上述方 法表示。 4 0 钢轨面数据预处理与造型 锕轨面曲面 1 0 4 0 图2 1 3 钢轨面形状图 2 4 钢轨的纵向不平顺分析 在钢轨的纵向上，对钢轨轨头顶部区域的离散点在纵向上利用三次非 均匀有理b 样条进行拟合，利用该拟合的非均匀有理b 样条曲线可对钢轨 打磨前后轨顶的纵向不平顺做出准确描述，即所得打磨前后非均匀有理b 样条曲线的波峰、波谷和波长。具体打磨前后所得的波形示意图如2 1 4 所 示。并且对钢轨纵向不平顺的分析在打磨前可以通过波形磨耗的深度来确 定打磨的遍数，在打磨后可以对打磨质量进行评定【5 2 1 。因此对钢轨纵向不 平顺的分析对钢轨打磨具有重要的作用和意义。 i 波峰 一， 波长 波谷 - 一 i d , 图2 1 4 钢轨纵向不平顺分析示意图 - _ 一 一 j 们 11liollltiilf叶lfli 即 如 加 口 北京交通大学硕士论文 2 4 1 打磨遍数确定 通常对于已经使用并且发生了波形磨耗的钢轨，需要的打磨的遍数主 要是根据波形磨耗的深度和单遍的打磨量共同决定，打磨的遍数可以用以 下所示的公式所确定。 打磨遍数2 平巧毒通等鼍戛 ( 27 3 、 通常把波长小于2 5 0 m m ( 因为砂轮直径为2 5 0 r a m ) 的波形磨耗归属为 短波：把波长大于2 5 0 m m 的波形磨耗归属为长波。通过对钢轨的打磨作业， 可以消除短波磨耗，但长波波磨消除比较困难，有一定的残余量，因为随 着打磨的进行，波长逐渐变长，而且实际比较难以消除，但是打磨到一定 的限度满足打磨的要求即可【5 2 】。 本论文主要是对钢轨的预防性打磨的研究，因此钢轨的磨耗量相对比 较少，基本没有波形磨耗【5 3 , 5 4 1 ，以北京铁路局客运专线基础设施维修基地 在河北省沧州市京沪高铁沧州段的打磨经验，预防性打磨的打磨遍数为一 遍，平均每遍的打磨深度为0 2 m m 。 2 4 2 打磨质量评定 钢轨打磨列车的打磨头在打磨过程中随着波形的起伏变化，沿着钢轨 的轮廓线，从波峰到波谷全部磨削，随着打磨的进行，波长逐渐增加，而 磨削的深度逐渐减少。波深消除到一定程度，再继续打磨时，其残留的波 磨深度再无明显的变化【5 5 】。 g m c 9 6 钢轨打磨列车打磨后的钢轨，3 0 0 m m 、1 0 0 0 m m 范围最大幅值 分别为0 0 2 和0 2 m m 。我国也制定了以下的打磨标准：( 1 ) 打磨后的钢轨 面无连续或过度发蓝的现象。( 2 ) 表面粗超度小于r a1 0 。( 3 ) 对于短波 波峰在1 0 m m 以下时，打磨后波峰小于等于0 2 m m 为优，0 2 m m - 0 3 m m 为 合格，大于0 3 m m 为不合格：对于短波波峰在1 0 m m 1 5 m m 时，打磨后波 峰小于等于0 3 m m 为优，0 3 m m , - , 0 5 m m 为合格，大于0 5 m m 为不合格；对 于长波波峰在1 0 m m 以下时，打磨后波峰小于等于0 3 m m 为优， 0 3 m m 0 5 m m 为合格，大于0 5 m m 为不合格；对于长波波峰在1 0 m m 1 5 m m 时，打磨后波峰小于等于0 5 m m 为优，0 , 5 m m , - - , 0 7 m m 为合格，大于0 7 m m 为不合格【5 6 j 。 钢轨面数据预处理与造型 2 5 本章小结 本章系统介绍了在进行钢轨打磨时，钢轨横断面数据采集的设备以及 所采集的数据，通过非均匀有理b 样条曲线正算与反算理论实现采集数据 点的加密，更好的描述钢轨的轮廓形状；通过数据精简算法较好的实现钢 轨横断面加密数据的精简，提高了钢轨横断面重构的速度和效率；通过非 均匀有理b 样条曲面理论，采用m a t l a b 语言编写曲线、曲面造型程序，在 m a t l a b 7 0 环境下运行，分别实现了打磨前后钢轨横断面轮廓曲线和钢轨面 的三维图形显示。最后通过对钢轨纵向不平顺的分析，确定钢轨打磨所需 的遍数以及对钢轨的打磨质量进行评价。为后续打磨量的计算和打磨头的 分布设计提供了必要的依据和支持。 打磨量的分析 3 打磨量的分析 钢轨打磨列车在实际打磨作业过程中，打磨小车上的打磨机构通过打磨列车 的拖动以某个走行速度在钢轨上行进，形成打磨头与钢轨之间的相对进给运动， 打磨机构上的打磨电机驱动打磨砂轮旋转，同时由液压缸( 或气缸) 对打磨头施 加压力，从而实现对钢轨的打磨作业。而打磨压力可根据打磨量来实时控制，最 终实现对钢轨的施压打磨【3 5 】。 钢轨的打磨量是指打钢轨磨列车打磨头的打磨砂轮和钢轨由于磨削作用而 产生的磨屑的体积。钢轨打磨列车打磨头分布的角度不同，所对应的打磨量就不 相同，在相同的打磨角度下，打磨压力不同产生的打磨量也不相同【3 6 1 。对于新 铺设的钢轨进行预防性打磨，打磨遍数为1 遍，并且单遍的打磨深度为0 3 m m ， 打磨钢轨的有效长度一定，因此钢轨的打磨量可以用磨削的钢轨横断面的面积来 表示。通过对打磨模式的采集和打磨量的分析，为下一步打磨头的分布设计提供 数据和理论支持。 3 1 打磨模式采集 通过跟随北京客运专线基础设施维修基地工作人员在北京市怀柔区庙城镇 和河北省沧州市的两次对g m c 9 6 型钢轨打磨列车的现场跟车和调研，分别对京 承线怀柔段和京沪高铁沧州段的打磨过程进行跟车实验，了解钢轨打磨列车的作 业过程以及打磨操作流程，对钢轨打磨列车的作业速度、打磨质量、打磨遍数以 及打磨时间进行分析，并完成对打磨模式的采集。采集的打磨模式主要包括打磨 模式编号、打磨头的编号、打磨头的设定压力、打磨头的实际压力、打磨头的设 定角度以及打磨头的实际压力。 3 1 1 飞边打磨模式 2 0 1 0 年7 月1 6 日至2 0 1 0 年7 月2 0 日，g m c 9 6 型钢轨打磨列车在北京市 怀柔区庙城镇对京承线怀柔段进行钢轨打磨作业。本次钢轨打磨作业主要采用的 钢轨打磨模式1 9 ，打磨作业速度为1 3 3 k m h ，打磨遍数为2 遍。主要是对已经 使用的并且发生磨损的钢轨的飞边进行打磨，以消除飞边。采用钢轨打磨模式 1 9 打磨后的钢轨面如图3 1 所示。由于打磨的钢轨磨损严重，因此需要进行2 次打磨。 2 7 北京交通人学硕十论文 图3 一l 打磨i 毛边作业幽 通过对g m c 9 6 钢轨打磨列车在北京市怀柔区庙城镇对京承线段进行打磨 作业的现场跟踪和调研，完成对钢轨打磨模式1 9 的数据采集，打磨模式1 9 的工 艺参数如图3 2 所示，经过整理打磨模式1 9 的工艺参数如表3 1 所示，一：艺参 数包括打磨角度和打磨压力。并且真实的角度值存设定值0 i 。之间摆动，真实 的压力值在设定值+ i a 之问摆动，角度单位为o ，压力单位为a 。 图3 2 采集的模式1 9 部分工艺参数 瓣 打磨量的分析 表3 1 打磨模式1 9 的t 艺参数 角度设定值打磨头压力设定值角度设定值打磨头压力设定值 ( o ) 编号 ( a )( o ) 编号 ( a ) 6 5 0 1 32 5 4 8 02 - 42 5 - 4 8 o5 72 56 5 o6 82 5 3 1 09 1 l2 53 1 0l o 1 22 5 1 3 01 3 一1 52 51 3 01 4 - 1 62 5 - 4 01 7 1 92 6- 4 o1 8 2 02 6 2 1 2 32 62 2 2 42 6 - 4 o2 5 2 7 2 6 _ 4 o2 6 2 8 2 6 2 9 3 12 6 3 0 3 2 2 6 3 03 3 3 52 63 o3 4 3 62 6 3 7 3 92 6 3 8 _ 4 0 2 6 8 o4 1 _ 4 32 68 04 2 铂2 6 4 5 - 4 72 64 6 - 4 82 6 2 o4 9 5 12 62 05 0 。5 22 6 5 3 5 5 2 6 5 4 5 62 6 3 05 7 5 92 63 05 8 6 02 6 6 1 6 32 66 2 6 42 6 7 o6 5 6 7 2 67 06 6 6 82 6 6 9 7 12 67 0 7 22 6 1 3 o7 3 7 52 61 3 o7 4 7 62 6 7 7 7 92 67 8 8 02 6 5 0 08 1 8 32 55 0 08 2 8 42 5 - 4 2 58 5 8 72 5_ 4 2 58 6 8 82 5 。 3 2 58 9 9 12 53 2 59 0 9 22 5 2 2 59 3 9 52 52 2 59 4 9 62 5 从表3 1 打磨模式1 9 的各项工艺参数可以看出：由于钢轨打磨模式1 9 是用 来打磨已经使用发生磨损的钢轨的飞边，其主要的作用就是用来消除已使用钢轨 的飞边磨耗，提高列车轮子与钢轨的接触效果。因此钢轨打磨模式1 9 的打磨头 的分布范围主要在钢轨的侧边，主要是轨距的内侧( 角度为负值，负值表示打磨 头向钢轨内侧偏移) ，而且打磨压力稳定，b 车和c 车打磨压力不同。对于已经 磨损的钢轨是修复性打磨，采用多遍打磨，单遍的打磨深度为0 3 m m 。 3 1 2 侧边打磨模式 2 0 1 1 年3 月1 1 日，g m c 9 6 钢轨打磨列车在河北省沧州市对京沪高铁沧州 段进行打磨作业，本次打磨作业主要采用打磨模式2 和1 3 ，主要是对新铺设的 北京交通大学硕士论文 钢轨预打磨，主要是消除新轨表面的铁锈和小裂纹，打磨后的钢轨横断面如图 3 3 所示。 图3 3 新轨预防性打磨 通过对g m c 9 6 钢轨打磨列车在河北省沧州市对京沪高铁沧州段进行打磨 作业的现场跟踪和调研，完成对钢轨打磨模式2 的工艺参数采集，工艺参数包括 打磨时的打磨角度和打磨压力。钢轨打磨模式2 是用来打磨新铺设的钢轨的侧 边。采集的打磨模式如图3 4 所示，整理后模式2 各项工艺参数具体值如表3 2 所示。并且真实的角度值在设定值o 1 。之间摆动，真实的压力值在设定值+ i a 之间摆动，角度单位为o ，压力单位为a 。 图3 4 采集的模式2 3 0 打磨量的分析 表3 - 2 打磨模式2 的工艺参数 角度设定值 打磨头 压力设定值角度设定值打磨头压力设定值 ( o ) 编号( a )( o ) 编号 ( a ) 6 5 o1 32 5_ 4 8 o2 _ 42 5 - 4 8 0 5 7 2 56 5 06 82 5 3 1 09 1 l2 5 3 1 o1 0 一1 2 2 5 1 4 01 3 1 52 5一1 4 o1 4 1 62 5 8 01 7 1 93 08 01 8 - 2 03 0 2 1 2 3 3 02 2 2 43 0 1 02 5 2 73 01 02 6 2 83 0 2 9 3 13 0 3 0 3 23 0 03 3 3 53 003 4 3 63 0 3 7 3 93 03 8 4 03 0 - 1 o4 l _ 4 33 01 o4 2 斟3 0 4 5 4 73 04 6 - - 4 83 0 o4 9 5 13 0o5 0 5 23 0 5 3 5 53 05 4 5 63 0 2 55 7 5 93 02 55 8 枷3 0 6 1 6 3 3 06 2 6 43 0 ! - 4 06 5 6 73 04 o 6 6 6 83 0 6 9 7 13 07 0 7 23 0 1 0 o7 3 7 53 01 0 o7 4 7 63 0 7 7 7 9 3 07 8 8 03 0 5 0 o8 l 一8 3 2 55 0 08 2 8 4 2 5 - 4 2 58 5 8 72 54 2 58 6 8 8，2 5 ， 3 2 58 9 9 l2 53 2 59 0 9 22 5 2 2 59 3 9 52 52 2 59 4 - 9 602 5 从表3 2 钢轨打磨模式2 的各项工艺参数可以看出：由于打磨模式2 是打磨 钢轨的侧边，主要就是用来对新铺设的钢轨的预防性打磨，因此钢轨打磨模式2 的打磨头的分布主要在钢轨的侧边，主要是分布在轨距的内侧，而且打磨压力保 持稳定，虽然b 车和c 车打磨压力不同，但是b 车3 2 个打磨头的压力保持相同； c 车6 4 个打磨头的压力保持相同。新铺设的钢轨预防性打磨采用一遍打磨，单 遍的打磨深度为0 3 m m 。 3 1 3 轨顶打磨模式 2 0 1 1 年3 月1 1 日，通过对g m c 9 6 型钢轨打磨列车在河北省沧州市对京沪 高铁沧州段进行打磨作业的调研，完成模式1 3 的工艺参数采集，采集的模式1 3 如图3 5 所示，各项工艺参数如表3 3 所示。并且真实的角度值在设定0 1 0 之 3 1 北京交通人学硕士论文 问摆动，真实的压力值在设定_ i a 之间摆动，角度单位。，压力单位a 。 图3 5 采集的模式1 3 表3 - 3 打磨模式1 3 的1 ：艺参数 角度设定值打磨头压力设定值角度设定值打磨头压力设定值 ( o ) 编号 ( a )( o ) 编号 ( a ) 一1 0 01 32 8一1 0 02 - 42 8 7 o5 72 87 06 82 8 5 o9 1 12 85 o1 0 1 22 8 8 0 1 3 1 52 88 。01 4 1 62 8 01 7 1 93 0o1 8 2 03 0 2 1 2 33 02 2 2 4 3 0 3 o2 5 2 73 03 o2 6 2 83 0 2 9 3 13 03 0 3 23 0 2 o3 3 3 53 02 03 4 3 63 0 3 7 3 93 03 8 _ 4 03 0 04 1 _ 4 33 004 2 4 43 0 4 5 - 4 73 04 6 4 83 0 2 0 4 9 5 13 02 05 0 5 23 0 5 3 5 53 05 4 5 63 0 1 0 5 7 5 9 3 0 一1 o5 8 6 03 0 6 1 6 33 06 2 6 43 0 8 o6 5 6 73 0 8 o6 6 1 6 8 3 0 6 9 7 13 07 0 7 23 0 3 2 打磨量的分析 4 o 7 3 7 53 04 o7 4 _ 7 6 3 0 7 7 7 9 3 07 8 8 03 0 1 0 08 1 8 3 2 8 1 0 0 8 2 8 4 2 8 1 1 08 5 8 72 8 1 1 08 6 8 82 8 1 2 o8 9 - 9 12 91 2 o9 0 9 2 2 9 1 5 09 3 9 52 9 1 5 09 4 9 62 9 从表3 3 钢轨打磨模式1 3 的各项工艺参数可以看出：由于打磨模式1 3 是打 磨钢轨的轨顶面，主要就是用来对新铺设的钢轨的预防性打磨，因此钢轨打磨模 式1 3 的打磨头的分布主要在钢轨的轨顶面，而且打磨压力保持稳定，虽然b 车 和c 车打磨压力不同，但是b 车3 2 个打磨头的压力分别保持相同；c 车6 4 个 打磨头的压力分别保持相同。新铺设的钢轨预防性打磨采用一遍打磨，单遍的打 磨深度为o 3 m m 。 钢轨打磨模式2 是主要是对新铺设的钢轨的内侧边预防性打磨，钢轨打磨模 式1 3 主要是对新铺设的钢轨的轨顶面预防性打磨，京沪高铁沧州段新铺设的钢 轨通过钢轨打磨模式1 3 和钢轨打磨模式2 相互配合，两遍打磨，在列车运行之 前完成对新铺设钢轨的预防性打磨。钢轨磨的打磨遍数为一次，单遍的打磨深度 为0 3 m m 。 ， 3 2 打磨量推算 我国现在已经使用的钢轨打磨列车，无论是瑞士s p e n o 公司的，还是美国 p a n d r o l - j a c k s o n 公司的，在出厂时都已经为用户提供了常用打磨模式， 而在实际的应用中，根据我国的铁路状况，钢轨打磨列车的技术人员也补充了一 些钢轨打磨模式，但是技术人员只是根据打磨的实际经验，缺乏理论支持。因此 我们可以根据已有的打磨模式来推算打磨量，为打磨头的分布设计提供依据，开 发打磨模式软件，提供更优化的打磨模式。 g m c 9 6 型钢轨打磨列车一共9 6 个打磨头，分别分布在两侧的钢轨上，每 一侧一共4 8 个打磨头。单遍打磨的打磨深度为0 3 r a m ，预防性打磨是对新铺设 的钢轨，以标准钢轨的横断面作为打磨f j 的钢轨横断面来推算钢轨的不同打磨角 度下的打磨量。 由于采集到的3 种模式分别提供了钢轨打磨列车在打磨作业过程中打磨头 在不同的打磨角度下不同的打磨压力。图3 - 6 给出了打磨量的推算过程。图中的 蓝线代表打磨前的钢轨横断面，绿线代表打磨后的钢轨横断面，蓝线的切线代表 砂轮的底面，开始打磨作业，钢轨打磨头的砂轮与钢轨的轮廓线相切，在打磨压 力的作用下，打磨头的砂轮与钢轨产生磨削作用，实现对钢轨的打磨作用。而绿 3 3 北京交通大学硕士论文 打窟蠹计舅露 图3 - 6 钢轨横断面打磨量推算示意图 线的切线代表打磨作业完成时，打磨头的砂轮与钢轨的接触状态。因此，两个切 线之间的距离就是打磨作业的打磨深度，而打磨后钢轨横断面的切线与打磨前钢 轨横断面所包围的区域就是打磨列车打磨作业时的打磨面积，由于打磨钢轨的长 度保持一定，把打磨作业时的打磨面积作为打磨量。针对所采集到的3 种打磨模 式，因此，可以计算出每种打磨模式下，每种打磨压力以及每种打磨角度下的打 磨量。 对于g m c 9 6 型钢轨打磨列车，一共有7 节车厢，1 个动力车，6 节打磨作业车， 而且每节车厢有2 个打磨小车，每个打磨小车有8 个打磨头，打磨列车一共9 6 个打 磨头。b 车( b 1 车和b 2 车) 的打磨头是两个联动，即每两个打磨头的摆动角度相 同，但是由于在初始安装时有一定的角度差，因此b 车的3 2 个打磨头的角度各不 相同。c 车( c 1 车、c 2 车、c 3 车和c 4 车) 同理于b 车，但是c 车是四个打磨头联 动【6 1 1 。 打磨列车的9 6 个打磨头呈现对称分布在两侧的钢轨上，因此对于打磨头的分 布只需要考虑一侧的情况。对于b 车，打磨头的安装角度差为2 5 0 ，而c 车的打 磨头安装角度差为1 5 0 ，因此可以确定在一定的打磨模式下，各个打磨头的一定 打磨角度和一定打磨压力下的打磨量，可以为打磨头的分布设计提供理论依据和 支持。 钢轨打磨模式1 9 的一侧4 8 个打磨头的打磨角度和打磨压力下的打磨量如表 打磨量的分析 3 _ 4 所示，分别显示了单侧4 8 个打磨头的打磨角度、打磨压力和打磨量的各项 参数。 表3 _ 4 模式1 9 的打磨量 打磨头打磨角度打磨头压打磨量打磨头打磨角度打磨压打磨量 编号 ( o )力( a ) 编号 ( o )力( a ) ( m m 2 )( m m 2 ) l 一6 5 o0 7 1 7 l36 5 o 0 7 1 7 1 5- 4 8 o 2 5 0 7 1 7 17_ 4 8 o 2 5 0 7 1 7 1 9 3 1 o o 7 1 7 l儿3 1 oo 7 1 7 l 1 31 3 oo 7 1 7 l1 51 3 00 7 1 7 l 1 7 _ 4 0 0 4 9 2 l1 9_ 4 o0 4 9 2 1 2 l2 3 2 54 00 4 9 2 12 7_ 4 o0 4 9 2 i 2 93 l 3 33 00 4 9 2 13 53 00 4 9 2 1 3 73 9 2 62 6 4 18 o0 4 9 2 14 38 o0 4 9 2 1 4 54 7 4 9- 2 o0 4 9 2 15 12 00 4 9 2 1 5 35 5 5 73 o0 4 9 2 15 93 00 4 9 2 l 6 16 3 6 57 00 4 9 2 l6 77 0 0 4 9 2 l 6 97 1 7 31 3 o0 4 9 2 17 51 3 00 4 9 2 1 7 77 9 8 15 0 0o 7 1 7 l8 35 0 o0 7 1 7 1 8 5_ 4 2 5o 7 1 7 18 7_ 4 2 50 7 1 7 l 2 52 5 8 93 2 50 7 1 7 19 13 2 50 7 1 7 l 9 32 2 5o 7 1 7 l9 52 2 50 7 1 7 1 对打磨前与打磨后的两个轮廓平面曲线进行对比分析，容易得到钢轨打磨列 车的打磨头在一定打磨压力和一定打磨速度下不同打磨角度时的打磨量，以此所 得到的打磨量可以作为确定钢轨打磨模式的依据。 从表3 4 钢轨打磨模式1 9 的各项工艺参数，对打磨角度、打磨压力和打磨 量的分析可以看出，由于是打磨钢轨的内侧面，打磨头的角度主要分布在 一6 5 0 + 8 0 ，打磨压力保持稳定，打磨作业车c 车的压力保持在2 6 a 恒定，主 要分布在钢轨的轨顶面，是为了保证打磨之后钢轨轮廓面的形状特征，而b 车 打磨压力为2 5 a ，主要分布在打磨钢轨的内侧边。推算的打磨量作为打磨量计算 的实验验证。 北京交通大学硕十论文 钢轨打磨模式1 9 是用来打磨飞边，单遍打磨深度为0 3 r a m ，可以得到打磨 角度与打磨压力的关系如图3 7 所示。 f i l e e d ity ie w h s e r t 工o o l = n e s k t o p i l i r l a o eh e l p d 岳团圆【： 毁q 即 l 锭口园口 打磨模式1 9 瑚 锄 话 图3 7 模式1 9 打磨角度与打磨量关系图 钢轨打磨模式2 单遍的打磨深度为o 3 m m ，所对应的打磨角度、打磨压力 下的打磨量如表3 5 所示。 表3 - 5 模式2 的打磨量 打磨头打磨角瓠瞻琢力打磨量打磨头打磨角打磨压力打磨量 编号度( o ) ( a ) 编号度( o ) ( a ) ( ，挖m 2 )( m m 2 ) 1 6 5 0 o 7 1 7 13 6 5 00 7 1 7 1 54 8 0 2 5 0 7 1 7 17_ 4 8 0 2 5 0 7 1 7 l 93 1 00 7 1 7 l 1 1 3 1 0 0 7 1 7 l 1 31 4 00 7 1 7 11 51 4 0 0 7 1 7 l 1 78 00 4 9 2 11 98 00 4 9 2 1 2 l2 3 2 51 0 0 4 9 2 12 7 1 o0 4 9 2 1 2 9 3 1 3 3o 0 4 9 2 13 500 4 9 2 1 3 6 打磨量的分析 3 73 9 4 1 1 03 00 4 9 2 1 4 31 o 3 0 0 4 9 2 l 4 54 7 4 9 0 0 4 9 2 l5 100 4 9 2 l 5 35 5 5 7 - 2 50 4 9 2 l 5 92 50 4 9 2 l 6 16 3 6 5 _ 4 0 0 4 9 2 16 7 4 o 0 4 9 2 1 6 97 1 7 31 0 00 4 9 2 17 51 0 00 4 9 2 1 7 77 9 8 15 0 00 7 1 7 l8 35 0 0o 7 1 7 1 8 5_ 4 2 50 7 1 7 l8 7_ 4 2 5o 7 1 7 1 8 93 2 5 2 5 0 7 1 7 19 13 2 5 2 5 0 7 1 7 1 9 3 2 2 5 0 7 1 7 l 9 52 2 5 o 7 1 7 1 钢轨打磨模式2 的单遍打磨深度为o 3 r a m ，打磨角度与打磨量的关系如图 3 8 所示。 e i l ee d ity ie wi n z e r ti o o l = d e z k t o p w i n d o wh e l p d 谚囡鲁c ： 霞q 聊 口园口 打磨模式2 删 拗 靶 瓠毫焦霞 图3 - 8 模式2 打磨角度与打磨量关系图 钢轨打磨模式1 3 单侧4 8 个打磨头所对应的打磨角度、打磨压力下的打磨量 北京交通大学硕士论文 如表3 - 6 所示。 表3 - 6 模式1 3 的打磨量 打磨头角度设 压力设定打磨量打磨头 角度设压力设定打磨量 编号定值值( a ) ( m m 2 ) 编号定值值( a ) ( o )( o ) ( m m 2 ) 11 0 o0 7 1 7 131 0 0o 7 1 7 l 5- 7 o2 8o 7 1 7 l77 o2 8o 7 1 7 l 95 oo 7 1 7 l1 15 0o 7 1 7 1 1 38 o0 7 1 7 11 58 oo 7 1 7 l 1 700 4 9 2 11 900 4 9 2 l 2 12 3 2 53 00 4 9 2 l2 73 00 4 9 2 l 2 93 l 3 3 2 0 0 4 9 2 l3 52 o0 4 9 2 1 3 73 9 4 1o 3 0 0 4 9 2 14 30 3 0 0 4 9 2 1 4 54 7 4 9- 2 00 4 9 2 15 12 00 4 9 2 1 5 3 5 5 5 71 00 4 9 2 l5 91 00 4 9 2 l 6 16 3 6 58 o0 4 9 2 16 78 o0 4 9 2 1 6 97 l 7 34 o0 4 9 2 17 54 00 4 9 2 1 7 77 9 8 11 0 o2 80 7 1 7 l8 31 0 o2 80 7 1 7 l 8 51 1 o0 7 1 7 18 71 1 00 7 1 7 l 8 91 2 02 90 7 1 7 19 11 2 02 9o 7 1 7 l 9 31 5 oo 7 1 7 19 51 5 oo 7 1 7 l 通过表3 - 6 对钢轨打磨模式1 3 的各项工艺参数，打磨角度、打磨压力和打 磨量的分析，由于是打磨钢轨的轨项面，打磨头的角度主要分布在一1 5 0 一+ 8 0 ， 打磨压力保持稳定，打磨作业车c 车的压力保持在3 0 a 恒定，而b 车打磨压力 虽然不同，但是差别较小，钢轨内侧需要打磨量较大，打磨压力设定为2 9 a ，向 外侧压力逐渐减小，b 车打磨角度较小时，打磨压力设定为2 8 a 。钢轨打磨模式 1 3 是钢轨的轨顶面打磨，因此，打磨头的打磨砂轮较多的分布在轨项面，打磨 完后，在轨顶面有一条光滑的打磨带。 钢轨打磨模式1 3 是打磨新铺设的钢轨的轨项面打磨，打磨模式1 3 打磨头的 打磨角度与打磨量的关系如图3 - 9 所示，角度的负值表示打磨头向钢轨的内侧偏 转。 打磨量的分析 e i l 。e d i e ie wi n s e r t 工。h n e z k t o p 址i n d w s e l p ? d 圆圈国瞻殴q 即 口_ 园黧囡 打磨模式1 3 删 姻 辖 3 4 本章小结 图3 - 9 打磨模式1 3 的打磨嚣图 本章主要通过对g m c 9 6 型钢轨打磨列车现场跟车和调研，完成对打磨列车 提供的并且已经在中国实际应用的三种打磨模式( 打磨模式1 9 、打磨模式2 和 打磨模式1 3 ) 的工艺参数的采集，并且推算出每种打磨模式下打磨角度和打磨 压力所对应的打磨量，为下一步打磨量的计算以及打磨头的分御设计提供实验 和数据支持。 3 9 打磨头分布设计 4 打磨头分布设计 4 1 打磨头分布角度范围 本课题的研究以g m c 9 6 型钢轨打磨列车为研究对象，为了更加清晰的阐述 打磨头的分布设计思路，确定9 6 个打磨头的分布方案，以g m c 9 6 型钢轨打磨 列车的打磨头分布设计作为依据。 g m c 9 6 型钢轨打磨列车是中国北车集团二七装备有限公司与瑞士的 s p e n o 公司联合研制的打磨作业头最多、打磨精度最高、集尘环保效果最优、 自运行速度快的铁路打磨设备。g m c 9 6 型钢轨打磨列车的具体结构如图4 1 所 示。 图4 - 1g m c 9 6 型钢轨打磨列7 f 全图 g m c 9 6 型钢轨打磨列车的总长度约为1 4 5 米，共有7 节列车组成，按主要 功能分为：a 、b 和c 车，列车的排列次序为：b 1 一c 1 一a 一c 2 c 3 一c 仁b 2 。 其中a 车为动力车，由两个动力转向架、车体、主传动系统、辅助传动系统、 冷却系统、电气系统、制动系统以及辅助发电机组等组成；b 车为打磨作业车， 包括b 1 车和b 2 车，分别位于g m c 9 6 型钢轨打磨列车的最前方和最后方，它 装有两个从动转向架、操作室( 行驶打磨) 、制动装置、两个打磨小车及打磨装 置的相关部件( 液压包，带空气干燥器的空压机，气缸) 、一对集尘滤清装备和 电气、气动以及液压控制系统等，同时布置有一个工作间；c 车也是打磨作业车， 带动力，包括c 1 车、c 2 车、c 3 车和c 4 车，它装有两个从动转向架、制动装 置、两个打磨小车及打磨装置的相关部件( 液压包，带空气干燥器的空压机，气 4 l 北京交通大学硕士论文 缸) 、一对集尘滤清装备和电气、气动以及液压控制系统等。c 1 、c 2 及c 4 上装有柴油发电机组，为打磨装置提供动力。表4 1 给出了g m c 9 6 型钢轨打磨 列车的主要技术参数1 5 7 。 表4 - 1g m c 9 6 型钢轨打磨列车的主要打磨参数 项目指标 编组顺序 b 1 车c 1 车 c 2 车c 3 车 c a 盔 b 2 车 功能操作作业车 作业车 作业车作业车作业车操作作业 打 奎 砂轮型式厚圆柱形厚圆柱形厚圆柱形厚圆柱形厚圆柱形厚圆柱形 砂轮尺寸2 5 0 x 7 52 5 0 x 7 52 5 0 x 7 52 5 0 x 7 52 5 0 x 7 52 5 0 x 7 5 磨 直径厚度m m 砂轮数量 2 x 82 82 82 82 x 82 x 8 砂轮速度( r p m ) 3 6 0 03 6 0 03 6 0 03 6 0 03 6 0 03 6 0 0 电机最人输出功率 1 8 5 k w1 8 5 i 【w1 8 5 k w1 8 5 k w1 8 5 k w1 8 5 k w 装 打磨电机数量2 x 82 82 x 82 x 82 x 82 x 8 砂轮倾角( 度)0 7 0 + 1 5 - 2 0十1 5 2 0+ 1 5 2 0+ 1 5 2 0 o 一7 0 砂轮倾角误差 o 5 0 置 最多打磨模式种类 9 9 打磨速度 可调范同3 1 5k m h 。作业时一般为4 7 k m h 。 打 速度低于3 k m h 时，打磨头自动脱离轨面。 连续：t ：作时间一般线路上6 h ，在隧道( 3 k m ) 内2 h 。 磨 打磨能力打磨速度为7 k m h 时，轨顶面轮廓金属磨削量不少于o 2 m m 个遍。 钢轨纵向轨面打磨精3 0 0 r a m 、1 0 0 0 m m 范围最人幅值分别为o 0 2 和0 2 r a m 条 度 打磨后表面粗糙度小于r al o ，不得有连续或过度发蓝 件 最小作业曲线半径 3 0 0m 最大作业坡度3 3 集 型式 带有间歇式喷射清理装置的筒型滤清器 风机驱动型式及功率电动2 2 l 灞，电动2 2 k w电动2 2 k w 电动2 2 k w电动2 2 k w电动2 2 k w 4 2 打磨头分布设计 数量22 222 2 通风量( 双机组) 2 0 0 0 02 0 0 0 02 0 0 0 02 0 0 0 02 0 0 0 0