钢轨焊接轨底焊筋自动打磨机设计

张 琪，李 力，丁 韦，宋宏图，高振坤，彭 鹏

（1.中国铁道科学研究院，北京100081；2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081）

钢轨焊接轨底焊筋自动打磨机设计

张 琪1，李 力2，丁 韦2，宋宏图2，高振坤2，彭 鹏2

（1.中国铁道科学研究院，北京100081；2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081）

钢轨轨底焊筋打磨是轨道铺设工程中必不可少的工作。现有工地钢轨焊接轨底焊筋打磨多采用手持式棒砂轮，这种方式操作简便，但效率低、劳动条件差、劳动力成本高，且打磨质量稳定性差。针对现有问题，设计了一种适合现场使用的新型轨底焊筋自动打磨机，采用厚度尺寸稍大于轨底宽度的砂轮，工作时通过手轮控制丝杠与螺母配合运动，实现垂直方向和沿钢轨轴线方向的进给运动；同时采用同步带轮系统保证垂直方向运动的平稳性。新型轨底打磨机操作简单、自动化程度高，可加快施工进度，降低人工成本，更好地控制了打磨质量。

钢轨轨底；焊筋；打磨

0 前言

目前，我国高铁运营里程达1.6万km，超过世界其他国家高铁运营里程总和，成为高铁发展最快的国家。钢轨焊接作为铁路行业发展的基础性技术支撑，是铺设无缝线路的核心环节，是线路行车安全的重要保证。钢轨焊接接头质量直接关系着整条无缝线路的质量和寿命。

钢轨焊接按照作业地点可分为在基地或车间焊轨作业线的焊接工位焊接钢轨和在工地焊接钢轨两类，前者又称为厂焊。厂焊相关设备齐全、易操

作，工作条件相对优于工地焊轨。工地焊轨又分为线下焊和线上焊。铺设铁路新线路时，一般采用标准定尺轨25 m或100 m短轨，在焊轨厂焊成200～500 m长轨条，再通过轨车运到现场，线下焊成1000～2000m超长轨条（线下焊），再与已铺好的线上轨条焊接成全区间、跨区间无缝线路（线上焊）。

铺设新无缝线路时，线上焊是重要环节。针对钢轨线上焊接工艺要求，已出现移动式焊机、热处理机、仿形打磨机等先进设备，其中移动式焊机和热处理机已成熟应用于工程实践。焊机和热处理机的出现满足了钢轨现场焊接及焊后热处理过程的设备需求。

既有线原铺设钢轨达到一定的通过总重或出现疲劳伤损时，不能适应运输发展需要，就必须全面进行钢轨大修，大修时线上焊亦是重要环节。换轨施工需根据列车运行图，安排施工“天窗”，在尽量不影响列车运行的前提下逐段换轨。利用有限的“天窗”时间施工，对施工效率要求更高，可谓争分夺秒。因此，应尽量缩短每一道工序工时。另外，从现场施工安全方面考虑，应尽量减少劳动力数量。

1 钢轨焊后打磨要求

目前应用较多的工地焊轨工艺有移动式闪光焊、铝热焊和气压焊。依照现行钢轨焊接标准TB/ T1632-2014规定，钢轨闪光焊、铝热焊、气压焊后均须对焊接接头进行打磨，磨掉焊缝处凸出钢轨轮廓尺寸的焊瘤，保证焊接接头表面粗糙度满足探伤扫查的需要，非工作面的垂直、水平方向错边平顺过渡。

作为非工作面的轨底，由于工地焊接尤其是线上焊时受位置限制，打磨操作多有不便。但是为了保证线路质量，必须将轨底的焊筋磨平，打磨至与钢轨轮廓基本一致，以消除几何不平顺，减少应力集中隐患。若打磨不彻底，会形成V型缺口，使接头产生应力集中的概率增高、探伤不便，增加接头伤损甚至断裂（根部开裂）几率[1]。

因此，钢轨焊后轨底焊筋需进行打磨，防止焊筋未打磨而引起轨底裂纹、过早失效等不良现象。

2 现有轨底焊筋打磨技术

钢轨闪光焊、气压焊接头打磨分粗磨和精磨。现场粗磨多采用棒砂轮，分别对工作面和非工作面进行打磨至与钢轨轮廓基本一致（按TB/T1632-2014）；精磨是采用精磨机对工作面进行打磨，保证轨道平顺性及轮轨接触配合合理关系[2-3]。作为非工作面的轨底，只进行粗磨。

目前，现场钢轨焊接接头轨底焊筋打磨一般采用手持式棒砂轮，通过外接电源，砂轮体上的小电机带动片砂轮高速旋转，手持棒砂轮柄，使高速旋转的砂轮接触轨底焊筋，实现磨削，通过人工控制磨削位置和接触压力，直至目测磨平为止。

手持式棒砂轮磨轨底焊筋不仅效率低，影响施工进度，劳动条件差，打磨质量稳定性差，且劳动力需求量大，增大施工安全风险，且浪费劳动力成本。尤其在既有线换轨大修时，“天窗”时间有限，现有方法难以满足高节奏的需求；另一方面，现场施工的劳动力数量越多，安全风险越大。手持式棒砂轮打磨依赖于操作人员的技术水平和工作态度，质量难以控制。因此这种陈旧的人工操作方法亟需改进，以跟上高速发展的铁路行业步伐。

除普遍用于实际工地焊轨底焊筋打磨的手持式棒砂轮外，另外查到专利CN 102561119B名为小型钢轨轨底焊缝自动打磨机，这种机构依靠砂轮头部打磨，效率一般；两个操纵杆控制进给运动时，运动幅度和角度不好把握，可用性不强，因此在工地焊轨实践中很少见到。

3 轨底焊筋自动打磨机设计

为了改进现场轨底焊筋打磨工作条件，提高打磨质量的稳定性，本研究设计了一种适用于工地焊轨用新型轨底焊筋自动打磨机。通过夹持机构，将自动打磨机固定在待打磨的钢轨上，通过液压马达提供动力，带动杯形砂轮转动，利用杯形砂轮外周打磨轨底焊筋；同时操作手轮，控制进给运动，实现轨底焊筋自动打磨，磨去焊后轨底焊筋凸出钢轨轮廓尺寸的多余部分，使轨底平整，消除因轨底不平整而导致焊接接头过早失效以及行车不安全隐患。

3.1 轨底焊筋自动打磨机整体结构

轨底焊筋自动打磨机轴测结构如图1所示，主视结构如图2所示。

结构图中零件分别为：钢轨1，压紧件2，转动销3，固定夹板4，带轮固定板5，水平进给丝杠6，水平进给螺母7，滚动轴承8，垂直进给丝杠9，同步带轮10，同步带11，厚同步带轮12，垂直进给手轮13，厚带轮固定板14，水平支撑环15，水平支杠

16，垂直进给丝杠17，垂直进给螺母18，支撑架19，水平支杠20，固定架支脚21，液压马达22，联轴器罩23，水平进给手轮24，厚支撑架25，水平进给螺母固定架板26，水平进给支板27，固定架支板28，砂轮29，锁紧螺钉30，销轴31，活动压紧块32，锁紧螺钉33。

图1 轴测结构示意

图2 主视结构示意

利用砂轮磨削轨底焊筋，砂轮厚度略大于轨底宽度尺寸，磨削效率高，且在与钢轨轴线垂直水平方向不需要进给运动，只需在与钢轨轴线垂直的竖直方向和水平沿钢轨轴线两个方向进给运动，易于控制。

本设计动力来源为液压系统，液压马达22输出轴通过弹性联轴器与砂轮轴连接，砂轮轴穿过砂轮架板处用轴承配合。弹性联轴器外有钟罩23，钟罩一端与液压马达22固定，另一端与厚支撑架25固定配合，同时有四根水平支杠20穿过钟罩法兰，将砂轮、马达和钟罩相关组件固定在固定架上。

3.2 钢轨夹持固定机构

如图3所示，夹持固定机构由压紧件2、转动销3、固定夹板4、锁紧螺钉30、销轴31、活动压紧块32、锁紧螺钉33构成。通过固定夹板4及其组件将设备固定到钢轨上：利用辅助工具将线上已焊钢轨支起一定高度，将固定夹板4底平板部分及砂轮29伸入轨底下；使砂轮29与焊缝基本平齐。转动压紧件2与活动压紧块32使其不影响装夹，固定夹板4上有与轨脚形状尺寸一致的卡槽，通过卡槽实现打磨机与钢轨定位后，轨脚部位和轨头部位分别有锁紧装置将其锁紧。轨脚部位的锁紧装置为：相对于砂轮对称分布的两个活动压紧块32与锁紧螺钉30；轨头部位的锁紧装置为：分布于两侧的压紧件2与锁紧螺钉33。

图3 夹持固定机构

3.3 垂直方向进给系统

通过夹持固定机构将打磨机与钢轨相对固定后，即可通过手轮控制进给运动实现轨底焊筋磨削：转动垂直进给手轮13，带动厚同步带轮12运动，通过两根同步带11把运动传递给另两个同步带10，则三个垂直进给丝杠同步旋转，与三个固定在砂轮架上的进给螺母18配合，实现整体砂轮磨削系统垂直方向进给运动。

3.4 水平方向进给系统

水平进给丝杠靠水平进给支板27支撑，通过螺纹与水平螺母7配合；水平进给螺母7通过螺钉紧固在水平进给螺母固定架板26上；水平进给螺母固定架板26与带轮固定板5、厚带轮固定板14固定在一起，支撑垂直进给丝杠9、17；同时，垂直进给丝杠9、17通过其末端螺纹与固定在支撑架19、厚支撑架25上的垂直进给螺母18配合在一起；支撑架19、厚支撑架25是砂轮磨削系统中支撑水平支杠的支撑件，其移动时即可带动整个

Page 47

Automatic grinding machine design for rail′s welding joint rib at the bottom

ZHANG Qi1，LI Li2，DING Wei2，SONG Hongtu2，GAO Zhenkun2，PENG Peng2
（1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Metal&Chemistry Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Grindingprocess for rail's weldingjoint rib at the bottomis essential in track construction engineeringwork，and the existingtool for that is handheld grinding wheel，which is convenient to operate，but with many disadvantages such as low efficiency，poor working conditions，high labor cost，and the unstable grindingquality.In viewofthe existingproblems，we design a newautomatic grindingmachine which is suitable for the construction site grinding.The new machine adopts thickness size grinding wheel slightly larger than rail bottom width.When working，control screws and nuts by two hand wheels to implement feed movements of vertical direction and along the axis of the rail，at the same time uses synchronous pulley system to guarantee the running smoothness of vertical direction.This new type of rail grinding machine has the advantages of simple operation，high automatic degree，high efficiency and low labor costs need，can control the grindingqualityreliably.

rail′s bottom；welding joint rib；grinding

TG439.9

A

1001－2303（2016）09－0034-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.08

2016-02-24；

2016-08-30

中国铁道科学研究院基金资助项目（2014YJ059）

张琪（1986—），女，河南南阳人，在读博士，主要从事钢轨的焊接研究。