CRTSⅡ型无砟轨道板打磨关键技术研究

秦小光，胡 媛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

自20世纪60年代以来，先行发展高速铁路的日本、德国等国家大力开发以混凝土或沥青混合料等产品取代散粒道砟道床(有砟轨道)的各类新型轨道，统称为无砟轨道。与有砟轨道相比，无砟轨道具有稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修工作量小的特点，能够满足高速列车安全性、平稳性、舒适性的要求，成为高速铁路、客运专线轨道结构的发展方向［1-2］。已建成的京津城际和京沪高铁，设计时速350 km，均采用CRTSⅡ型无砟轨道板。

1 CRTSⅡ型板结构

图1 标准轨道板结构示意

CRTSⅡ型板分标准版和异型板。标准板为预应力混凝土结构，质量达 8.6 t，每块长 6.45 m，宽 2.55 m，厚0.2 m，结构如图1所示。标准板纵向分20个承轨台，承轨台设计适应于有挡肩扣件，每块板的承轨台的参数均不同，经过打磨后确定了其在线路上唯一位置属性，每块板都有一个唯一的身份识别代码，铺装时须“对号入座”。异型板包括补偿板、特殊板、小曲线半径板以及道岔板，其中补偿板、特殊板、小曲线半径板均在标准板基础上发展变化而来，与标准板有着类似的结构特点，分别用于补偿调整线路长度、道岔前后过渡、曲线半径小于1 500 m地段。道岔板用于单独设计道岔区。图1为标准轨道板结构示意。

CRTSⅡ型板的设计、生产、施工工艺复杂、技术标准高、科技含量大，对各工序的精度要求高。承轨槽精密加工是各道工序中最关键的，精度要求为0.1 mm，采用数控机床进行打磨。打磨系统的研发是CRTSⅡ型板技术体系建设中的最繁杂和最困难的，不但涉及到铁路、机械制造、自动控制、计算机等多个行业，而且跨越铁路设计、轨道板制造、磨床制造、软件开发、无砟轨道施工等多个不同领域，自主开发前一直依赖高价引进的国外软件。随着CRTSⅡ型板技术体系攻关和创新，我国已研发出自主的CRTSⅡ型板设计、生产、施工等一系列成套技术，打磨技术是该技术体系的一部分，也是最关键的生产技术。

2 CRTSⅡ型板打磨技术体系

CRTSⅡ型板打磨技术体系，是CRTSⅡ型板技术体系建设的最繁杂、最难研发的部分。打磨软件是其灵魂，统领着打磨系统。其通过对毛坯板的检测，结合从生产管理系统中的得到的布板数据，生成一个优化的打磨控制程序，控制机床研磨，采用激光测量纠偏，生产出与对应布板参数数据一致的 CRTSⅡ型板。CRTSⅡ型板数控机床打磨软件是基于西门子840D数控系统开发的，包括生产管理、磨床控制、打磨操作、激光测量、雕刻5个子系统。图2所示为打磨软件的构成。

图2 打磨软件的构成

2.1 生产管理系统

生产管理系统是基于Windows操作系统的一款CRTSⅡ型板打磨生产管理程序，它实现了从读取FFB布板数据，安排打磨任务、传输数据到打磨机、打磨结束获取数据、储板场管理、到发送成品板，提高了轨道板打磨的自动化程度，使生产效率得到了极大提高。

2.2 磨床控制系统

该系统用来和生产计划系统进行通讯并用于控制打磨机及生成数据程序。它是打磨软件的核心，相当于人体的大脑，流程控制、打磨量的计算、左右线板的判断、各种参数的传递以及测量数据的处理都通过磨床控制软件来完成。

2.3 打磨操作系统

CRTSⅡ型板打磨操作是数控机床根据待完成的几何额定值、毛坯板的精度以及最终确定的打磨次数对轨道板进行打磨的过程。磨床是打磨软件的具体执行者，相当于人体的手和脚，根据磨床控制软件来执行具体的操作。按照磨床控制软件的流程，根据磨床控制软件传递过来的各种参数，进行具体的打磨工作。

2.4 激光测量系统

激光测量系统使用激光扫描仪，根据磨床控制系统提供的测量命令对轨道板上的几个点进行数据读取记录，主要负责毛坯板和成品板的测量。打磨软件根据激光测量出来的数据计算毛坯板打磨量，并与布板数据比较判断打磨是否合格。

2.5 刻字系统

每块CRTSⅡ型板都有一个唯一的身份识别代码，激光测量合格后，刻字系统把此块CRTSⅡ型板专属的识别代码刻上去，用于发送和铺设管理。刻字系统就是根据轨道板生产要求，把要求雕刻的尺寸，工艺路线、数值参数等内容，用数控系统能够接受的数字及文字代码表示出来，并按一定的规则进行组合。

3 打磨技术体系关键技术

3.1 打磨操作流程

轨道板的打磨由打磨机完成，工作过程需要水、电、气及污水处理系统协同运行，正常情况下，轨道板打磨时间约15 min。主要工作程序如下。

固定轨道板:托架线将轨道板运送到打磨工位，然后通过设置在轨道板下的6个油缸将毛坯板顶起并进行找平调整，从侧面6个夹紧油缸将轨道板卡紧。此时即可开始对毛坯板进行测量和磨削加工。

生成子程序:通过磨床内激光测量系统测量轨道板承轨台的各个关键点，计算出板平面相对于加工面的位置，然后将加工面转换到轨道板上，并借助路线控制数据(每个承轨台的Y、Z坐标和倾斜角)自动生成加工该块板的数控打磨子程序。

打磨轨道板:根据打磨程序给出的打磨次数和打磨量，打磨机的2个磨轮对轨道板进行打磨行程，直至符合质量标准。

雕刻编号:轨道板打磨完成后，测量系统自动对轨道板打磨质量进行检测，经检测合格后，自动生成雕刻程序将轨道板的布板编号雕刻在轨道板上。

清洗出板:编号雕刻完成，用固定在机床上的冲洗装置冲洗轨道板。然后松开夹紧油缸，将轨道板放到滚轮托架线上，打开打磨室的进出料口，打磨完成的轨道板被运出，下一块毛坯板进入打磨室。

3.2 打磨关键技术

(1)五轴机床联动技术:在这里可以把轨道板看成一个待加工的三维曲面零件，可以用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，一台五轴联动机床的效率可以等于2台三轴联动机床，特别是使用磨轮对承轨台进行多角度打磨，五轴联动加工发挥更高的效益［3］。

(2)数控机床技术:磨床控制系统使用数控程序对磨床进行控制。数控程序的编译是根据需要被打磨的轨道板图纸和技术要求、工艺要求，将轨道板加工的工艺顺序、工序内的工步安排、刀具相对于轨道板运动的轨迹与方向、工艺参数及辅助动作等，用数控系统所规定的规则、代码和格式编制成文件，并将程序单的信息制作成控制介质的整个过程。在本系统中使用NC语言作为数控加工语言。在打磨现场可以对程序修改或编译后直接输入到840D数控系统中，其打磨精度还可以利用软件进行校正及补偿。由于NC语言是由后置处理器产生，可以直接输入机床，所以有广泛的适应性和较大的灵活性［4-7］。

(3)一刀磨和两刀磨技术:为了与不同的打磨机相匹配，打磨软件设计了2套不同的打磨程序——一刀磨NC程序与两刀磨NC程序。两刀磨指使用半磨轮分2次打磨成型。它的打磨过程是根据待完成的几何额定值、毛坯板的精度以及预定的最大打磨量确定打磨次数。轨道几何额定值将先按承轨台一半宽度进行打磨。每次打磨完一半承轨台后C轴需要旋转180°继续打磨。一半承轨台打磨完成后两主轴分离，并完成180°回转，A轴反偏。刀架对回转中心偏置后成功对准另一半承轨台，再打磨承轨台的另一半。图3左侧为打磨了一侧的承轨台。

图3 两刀磨与一刀磨

一刀磨即为采用整体磨轮一次打磨，打磨机使用整体磨轮，它的设备与采用半磨轮拼接打磨机械构造上有较大不同。理论上一刀磨需要的驱动力应为两刀磨的2倍，在软件开发的过程中采用液压驱动技术的整体磨轮进行一次打磨。它的打磨成功，标志着中国有能力自主研制打磨机、开发打磨程序，自行研制的打磨机将明显提高打磨效率，是打磨机技术的突破性创新。图3右侧为使用整体磨轮打磨后的承轨台。

整体磨轮打磨出的轨道板，承轨台更为平整，减少了列车过轨时的颠簸，增强了乘车舒适度。一刀磨与两刀磨相比，大大节省了打磨时间，提高了生产效率。

(4)刻字与模腔循环技术

刻字系统的工作过程是指接收操作雕刻指令到执行完成指令的过程，整个过程都是在系统软件的统一管理下进行的。图4为刻字系统的工作过程。在一块轨道板上进行雕刻，系统首先从刻字程序中接收雕刻信息，然后进行编码转换为系统可识别的代码，根据译码的结果进行数据处理，输出不同的控制功能，如雕刻轴的旋转、控制进给坐标轴运动等。

图4 刻字系统的工作过程

刻字系统采用了模腔循环技术，可以灵活地调用数字库。模腔循环是一个工艺子程序，使用此循环可以实现雕刻一组识别号码的加工过程。通过具体参数的设定，可以使模腔循环与具体的雕刻要求相匹配。使用模腔循环可以铣削一个以直线排列的或者以圆弧排列的文字，圆弧排列的文字可以上面或者下面对齐。字体高度和文字总宽度，字符间距或者圆弧排列时的张角，以及字体的对齐均可以通过不同的参数进行改变。通过使用模腔循环，程序简洁、明了，在编制雕刻程序时，只需调用子程序并对其中变量赋值［8-10］。图5所示为使用模腔循环的刻字系统对钢板进行的雕刻试验结果。由于钢板与混凝土的硬度不同，在实际的轨道板刻字系统中个别参数设置与钢板试验中略有不同。

图5 钢板雕刻试验

4 结语

为适应我国高速铁路建设发展的需要，建立自己的无砟轨道技术体系，打破国外无砟轨道的技术垄断，铁道部进行了CRTSⅡ型板技术体系攻关和创新，CRTSⅡ型板式无砟轨道打磨系统技术体系就是这次攻关和创新的一个重要成果。通过中铁二十局石武客专项目部、十七局京沪高速项目部使用和验证，表明自主系统比国外系统有更强的适应性，填补了国内空白。

高速铁路无砟轨道技术是一个系统工程，本文仅研究分析了CRTSⅡ型无砟轨道打磨系统技术体系的关键技术，该研究也是一个不断研究摸索与实践相结合的过程，在实际应用结合方面仍有许多地方需要改进和完善，这是下一步所要进行的工作。

［1］何华武.无砟轨道技术［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］卢祖文.解决关键技术发展无砟轨道［J］.中国铁路，2005(1):16-19.

［3］刘源.用于五轴联动数控机床的曲线插补控制策略［J］.计算机集成制造系统，2009(4):758-761.

［4］西门子股份公司SINUMERIK 840D/840Di/810D/FM-NC编程说明［Z］.

［5］朱楠.浅谈 PLC在数控机床中的运用［J］.制造业自动化，2012(9):96-97.

［6］蒋洪平.数控设备故障诊断与维修［M］.北京:北京理工大学出版社，2007.

［7］黄翔，曾荣，岳伏军，等.NURBS插补技术在高速加工中的应用研究［J］.南京航空航天大学学报，2002，34(1):82-85.

［8］于洋，张为民，来燕菁.PLC在数控机床轮廓误差控制中的应用［J］.制造业自动化，2011(13).

［9］吴朱茂.铁路CRTSⅡ型轨道板控制打磨量技术研究［J］.四川建筑，2010(2):197-198.

［10］程华山.CRTSⅡ型轨道板打磨技术研究［J］.铁道建筑，2011(4):133-135.