蔡昌勝，方健康，張文麗

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)公司，云南昆明 650215)

目前，國(guó)內(nèi)主要的鋼軌在線維護(hù)方式有鋼軌打磨和鋼軌銑磨兩種。鋼軌打磨車(chē)有作業(yè)效率高、打磨靈活的特點(diǎn)，在預(yù)防性軌形修整、處理病害較輕的鋼軌、線路內(nèi)側(cè)軌形修整、特殊鋼軌輪廓打磨方面具有優(yōu)勢(shì);鋼軌銑磨機(jī)在鋼軌維護(hù)性輪廓修復(fù)、處理病害較重的鋼軌方面具有優(yōu)勢(shì)，作業(yè)效率較高，作業(yè)過(guò)程環(huán)保，火花飛濺少，利于防護(hù)。鋼軌打磨車(chē)和鋼軌銑磨機(jī)在鐵路維護(hù)方面各有優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，未來(lái)的鐵路養(yǎng)護(hù)應(yīng)該是結(jié)合鋼軌實(shí)際情況，選擇合理的維護(hù)方式，達(dá)到最佳的維護(hù)效果，目前，國(guó)內(nèi)有一臺(tái)林辛格公司的SF03-FFS鋼軌銑磨機(jī)在上海鐵路局使用。

作為一種新型的鋼軌在線維護(hù)方法，鋼軌在線銑磨維護(hù)有以下關(guān)鍵技術(shù):銑磨單元Z向定位及伺服控制技術(shù)、銑磨單元的Y向定位及伺服控制技術(shù)、整機(jī)低速穩(wěn)定控制技術(shù)、轉(zhuǎn)向架調(diào)平控制技術(shù)等。其中，銑、磨單元?jiǎng)討B(tài)定位控制原理基本一致，主要在實(shí)現(xiàn)鋼軌銑削加工的硬件組態(tài)、組網(wǎng)、Z向伺服控制方面有所不同，從首臺(tái)鋼軌銑磨車(chē)的應(yīng)用情況看，其銑磨單元伺服控制均采用NCU數(shù)控單元，控制配置復(fù)雜，成本較高。

因此，本文重點(diǎn)對(duì)磨單元控制原理分析，并提出優(yōu)化的鋼軌在線銑磨控制網(wǎng)絡(luò)集成圖，達(dá)到優(yōu)化硬件配置，降低系統(tǒng)集成度，提高整機(jī)控制性能的作用，并對(duì)后續(xù)鋼軌在線銑磨維護(hù)技術(shù)的方向及重點(diǎn)進(jìn)行展望，對(duì)未來(lái)鋼軌在線銑磨維護(hù)技術(shù)的研究有重要的指導(dǎo)意義。

1 鋼軌在線銑磨技術(shù)打磨單元的控制邏輯

磨單元的作用是對(duì)鋼軌銑磨機(jī)銑過(guò)的鋼軌表面進(jìn)行在線打磨，圓周徑向打磨技術(shù)可以提高鋼軌表面粗糙度，達(dá)到提高鋼軌縱向平順性和橫斷面輪廓質(zhì)量、降低運(yùn)行噪音、提高路網(wǎng)運(yùn)行安全和運(yùn)營(yíng)效率的目的。結(jié)合國(guó)內(nèi)首臺(tái)銑磨機(jī)的應(yīng)用，鋼軌銑磨技術(shù)作為一種新型的鋼軌在線維護(hù)技術(shù)，其打磨的優(yōu)化控制邏輯應(yīng)該為:

①啟動(dòng)車(chē)輛控制系統(tǒng)，確定整車(chē)壓力、外圍連鎖開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)向架調(diào)整等信號(hào)滿作業(yè)條件;②啟動(dòng)磨單元控制系統(tǒng)，磨單元到預(yù)工作位，包括:啟動(dòng)激光掃描儀，掃描鋼軌形狀和軌距，根據(jù)掃描結(jié)果，在Y向?qū)崿F(xiàn)磨單元的零點(diǎn)加工坐標(biāo)對(duì)位;啟動(dòng)磨單元Z向液壓提升油缸，將定位靴以恒壓力矩加載到鋼軌上，磨單元到預(yù)加工位置，磨單元垂向距軌面保證預(yù)設(shè)值間隙，側(cè)向距軌面保證預(yù)設(shè)值間隙;③啟動(dòng)整機(jī)作業(yè)走行，使作業(yè)速度達(dá)到預(yù)設(shè)值;④啟動(dòng)磨單元進(jìn)給控制系統(tǒng)，Y、Z伺服電機(jī)按照設(shè)定進(jìn)給值進(jìn)行精確進(jìn)給，Y軸、Z軸與定位靴的位移傳感器形成隨動(dòng)系統(tǒng)，并動(dòng)態(tài)檢測(cè)位置進(jìn)行位置補(bǔ)償反饋，保證加工精度;⑤加工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控主軸功率，當(dāng)功率超過(guò)設(shè)定值，磨單元延時(shí)后會(huì)自動(dòng)提升磨削裝置，并發(fā)出故障信號(hào)。其中，磨單元的定位控制技術(shù)是銑磨在線維護(hù)技術(shù)中打磨模塊的關(guān)鍵技術(shù)，決定了打磨的精度及打磨質(zhì)量。

2 鋼軌在線銑磨技術(shù)打磨單元定位原理

磨單元定位裝置包括Z向定位靴及Y向定位尺，保證磨單元的Z向、Y向進(jìn)給伺服控制，磨單元的X向進(jìn)給由整機(jī)的走行速度實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于磨床的工件運(yùn)動(dòng)、床身固定的磨削加工方式，鋼軌在線銑磨技術(shù)的打磨方式為工件固定、床身運(yùn)動(dòng)，因此，其控制方式需動(dòng)態(tài)定位控制，通過(guò)基準(zhǔn)反饋伺服控制參數(shù)，達(dá)到打磨精度及質(zhì)量的要求，同時(shí)該打磨方式與整機(jī)銑、整機(jī)走行控制、安全連鎖等信號(hào)集成，其控制集成度更高，控制復(fù)雜，因此，分析其定位控制原理，優(yōu)化系統(tǒng)集成將有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1)打磨單元Z軸有兩種運(yùn)動(dòng)。由于鋼軌在線加工中，工件的不平順、缺陷對(duì)打磨過(guò)程中打磨的剛度、打磨精度、磨盤(pán)傷損等影響很大，因此Z軸的運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)以下兩點(diǎn)控制實(shí)現(xiàn):①通過(guò)液壓提升油缸把整個(gè)裝置放到鋼軌上，并保證一定的恒定壓力，在作業(yè)過(guò)程中定位靴始終壓在鋼軌上，保證Z向剛性，從而保證打磨精度。②在定位靴壓在鋼軌上后，Z向磨單元的精確進(jìn)給是通過(guò)Z向伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制Z向小螺距絲桿來(lái)控制定位靴提升和下降(定位靴與磨盤(pán)后罩可移動(dòng))，從而滿足實(shí)際磨頭磨削進(jìn)給量和磨頭磨損后的補(bǔ)償量的切削要求。

2)打磨單元Y軸運(yùn)動(dòng)。由于鋼軌在線打磨既有直線、又有曲線段的鋼軌打磨要求，同時(shí)需考慮鋼軌缺陷、較大肥邊等異常打磨工況，因此打磨單元Y軸定位控制對(duì)鋼軌在線銑磨技術(shù)的打磨單元非常重要，應(yīng)能有效保證鋼軌在線打磨需求及磨盤(pán)的異常傷損，Y向定位尺傳感器安裝在定位靴裝置上，定位尺靠壓在鋼軌內(nèi)側(cè)的導(dǎo)向面上，當(dāng)Y向有串動(dòng)或在彎道上作業(yè)時(shí)，定位尺產(chǎn)生位移推動(dòng)定位尺杠桿檢測(cè)元件發(fā)出信號(hào)，由閉環(huán)口反饋至系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算實(shí)時(shí)修正Y軸進(jìn)給，保持Y向切削軌跡不變。

3 銑磨機(jī)銑磨電氣系統(tǒng)集成原理

目前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)銑磨機(jī)的銑磨控制技術(shù)采用NCU伺服系統(tǒng)控制技術(shù)，控制配置復(fù)雜，成本較高，結(jié)合磨單元控制原理分析，可進(jìn)行以上的系統(tǒng)集成優(yōu)化:可采用3層組網(wǎng)方式，如圖1所示，上位數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP以太網(wǎng)，中間數(shù)據(jù)傳輸采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，底層元件級(jí)網(wǎng)采用ASI網(wǎng)絡(luò)。

集成思路為銑單元、磨單元的顯示集成到一個(gè)屏幕中，并通過(guò)TCP/IP以太網(wǎng)進(jìn)行上位數(shù)據(jù)的交互，并開(kāi)發(fā)共同的主顯示監(jiān)控界面，便于操作者動(dòng)態(tài)了解銑、磨單元的作業(yè)主參數(shù)及作業(yè)狀態(tài);作業(yè)工況下，銑單元可采用兩套S7系列的PLC實(shí)現(xiàn)銑單元的作業(yè)控制，一套S7系列的PLC通過(guò)擴(kuò)展兩個(gè)ET200S的從站控制左、右銑的作業(yè)控制動(dòng)作，一套S7系列的PLC控制作業(yè)走行控制動(dòng)作，該層級(jí)采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。磨單元可采用一套S7系列的PLC、運(yùn)動(dòng)控制模塊CU320進(jìn)行作業(yè)控制，S7系列的PLC通過(guò)DP耦合器實(shí)現(xiàn)與CU320運(yùn)動(dòng)控制模塊的數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與銑單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括作業(yè)走行速度、銑單元與磨單元安全連鎖信息等，同時(shí)擴(kuò)展一個(gè)ET200S從站對(duì)激光掃描對(duì)位系統(tǒng)進(jìn)行控制;元件級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用3個(gè)ASI接口，分別對(duì)左、右磨單元、附屬單元控制動(dòng)作、安全信息等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控及反饋。

銑磨機(jī)作業(yè)控制及高速走行控制均可采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，同時(shí)集成運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)磨單元的Z向、Y向和S軸的運(yùn)動(dòng)控制，控制復(fù)雜，控制精度高，技術(shù)難度大，其控制系統(tǒng)達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品世界先進(jìn)水平。

4 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始進(jìn)口和使用磨軌車(chē)，經(jīng)過(guò)部分路局長(zhǎng)期開(kāi)展鋼軌打磨作業(yè)的實(shí)踐和近年來(lái)我國(guó)鐵路快速網(wǎng)路的發(fā)展需要，鋼軌整形作業(yè)是快速線路必不可少的養(yǎng)護(hù)作業(yè)方式，鋼軌銑磨機(jī)是快速線路不可缺少的工務(wù)裝備。目前全路鋼軌整形作業(yè)裝備數(shù)量少，作業(yè)覆蓋面水平較低，使得銑磨機(jī)具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。另一方面，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，各地正在掀起地鐵、輕軌的建設(shè)高潮。而鋼軌銑磨機(jī)對(duì)于地鐵、輕軌的養(yǎng)護(hù)具有環(huán)保、高效等特點(diǎn)，必將擁有較大的使用市場(chǎng)。因此，對(duì)鋼軌銑磨機(jī)關(guān)鍵技術(shù)和銑、磨裝置的研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義，今后應(yīng)在銑單元的模型接口和控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，優(yōu)化完善銑、磨單元的集成方案及控制系統(tǒng);研究滿足不同輪廓需求、維護(hù)使用方便的銑刀模型、磨盤(pán)模型及更換裝置;研究鋼軌維護(hù)方向及維護(hù)技術(shù)，確定鋼軌維護(hù)的最優(yōu)組合方案，包括鋼軌維護(hù)方案、故障診斷方案、鋼軌檢測(cè)等解決方案，滿足普通線路、高速鐵路、輕軌、地鐵線路要求的鋼軌在線維護(hù)控制技術(shù)。

圖1 銑磨單元電氣集成示意

[1]毛文力.鋼軌銑磨車(chē)性能及應(yīng)用探討[J].上海鐵道科技，2009(3):20-22.

[2]金衛(wèi)鋒.鋼軌銑磨車(chē)作業(yè)性能和效果分析[J].上海鐵道科技，2009(4):37-40.