Способ обработки поверхности головки рельса и устройство для его осуществления
METHOD FOR PROCESSING THE SURFACE OF THE RAIL HEAD AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к шлифовке рельсов, и может быть использовано для восстановления поверхности катания рельсов, уложенных в железнодорожный путь рельсошлифовальным поездом.
Известен способ обработки поверхности головки рельса, включающий одновременное шлифование несколькими вращающимися инструментами, шлифовальными кругами, установленными на разных участках вдоль и поперек рельса со смещением относительно друг друга, их перемещение вдоль рельса и вращение вокруг своих осей с расположением осей в поперечных сечениях рельса так, что перпендикулярные им рабочие торцовые плоскости инструментов касательны к расчетной направляющей ходовой поверхности рельса (Руководство по эксплуатации. Часть II. Альбом рисунков «Поезд рельсошлифовальный РШП-48К». М., 2004 г.).
Недостатком данного способа является отсутствие возможности увеличить скорость производства работ по профилактическому шлифованию рельсов на железнодорожном перегоне, так скорость движения шлифовального поезда в рабочем режиме не превышает 8 км/ч, то есть данные работы могут проводиться только в «окно».
Известно устройство, реализующее указанный способ шлифования длинномерных изделий, включающее раму, размещенные на ней, по крайней мере, два электродвигателя с механизмами их подъема и опускания, при этом на шпинделе каждого электродвигателя закреплен рабочий инструмент, например, шлифовальный круг (см. Руководство по эксплуатации. Часть II. Альбом рисунков «Поезд рельсошлифовальный РШП-48К». М., 2004 г.)
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности увеличить скорость производства работ по профилактическому шлифованию железнодорожного перегона, максимальная скорость 8 км/ч, то есть данные работы могут проводиться только в «окно».
Известен способ скоростного «пассивного» шлифования периферией шлифовального камня компании Stahlberg Roensch (SRL). Способ включает одновременное шлифование верхней и боковой рабочих поверхностей головки рельса с помощью шлифовальных камней специальной формы, которые, свободно вращаясь на оси, прижимаются соответствующим механизмом к головке рельса под заданным углом и силами трения приводятся в «пассивное» вращение по мере линейного перемещения рельсошлифовальной машины [см. Тауберт М., Пюшель А. Скоростное шлифование рельсов // Железные дороги мира. 2010, № 7, стр. 68-71].
Основным недостатком данного способа является то, что одним агрегатом (одной люлькой) возможно производить шлифование только одной дорожки на поверхности головки рельса одновременно всеми шлифовальными камнями, размещенными на рабочей стороне тележки. Соответственно, для шлифования остальных поверхностей необходимо делать новые рабочие проходы, или увеличивать количество рабочих тележек, что приведет к значительному увеличению длины поезда. Кроме того в начальный промежуток времени и/или при переустановке (смены рабочих поверхностей) для использования камней на других дорожках шлифования обязательно присутствует процесс приработки. Это снижает уровень универсальности предлагаемого способа. Кроме того скорость шлифования для всех дорожек не регулируется и одинакова зависима от скорости поезда. Однако целесообразно на различных дорожках иметь различный съем металла, а, следовательно, и разную скорость шлифования.
Известно устройство (HSG-2 или HSG-city) для реализации указанного способа шлифования рабочей поверхности головки железнодорожных рельсов без изъятия их из пути, содержащее раму с люльками, на которых с возможностью свободного вращения размещены шлифовальные камни, оси которых направлены под углом к продольной оси рельса, подвеску обеспечивающую подъем и поворот люльки и механизм прижима шлифовальных камней к головке рельса под заданным углом (https://www.vossloh.com/en/products-and-solutions/products-at-a-glance/rail-turnouts.maintenance/).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности обработки всей рабочей поверхности головки рельса одновременно, кроме того, при работе шлифовальных камней периферией, в начальный период времени, как и при использовании уже работавших камней на новой дорожке шлифования должен быть временной период приработки камней по месту, так как правильное очертание поверхности катания головки рельса может быть получено в середине обрабатываемого участка, когда камни приработались, но так как степень износа рельсов различна и зависит от наличия кривых, спусков или подъемов, участков торможения или разгона на обрабатываемом пути, то процесс приработки камней может быть незавершенным до их полного износа.
Технической задачей заявленного изобретения является увеличение скорости производства работ по профилактическому шлифованию рельсов в пути без закрытия перегона, обеспечение высокого качества шлифования при одновременной обработке верхней и боковой рабочих поверхностей головки рельса, обеспечение возможности регулирования и контроля скорости шлифования каждой дорожки на поверхности катания рельса.
Поставленная задача достигается тем, что в способе обработки поверхности головки рельса, включающем одновременное шлифование верхней и боковой рабочих поверхностей головки рельса с помощью шлифовальных камней, свободно установленных на оси, их прижатия к головке рельса под заданным углом и приведения их силами трения в «пассивное» вращение по мере линейного перемещения рельсошлифовальной машины, дополнительно осуществляют настройку рабочего положения каждого шлифовального камня относительно соответствующих дорожек шлифования на поверхности рельса путем их установки с эксцентриситетом посредством механизмов вертикального и горизонтального перемещения блока настройки рабочего положения, обеспечивая при этом их прижим к обрабатываемой поверхности торцом.
Устройство для осуществления способа, содержащее раму с люльками, на которых с возможностью свободного вращения размещены шлифовальные камни, оси которых выполнены под углом к продольной оси рельса, подвеску для подъема и поворота люльки, подвеску содержащую механизмы подъема и поворота люльки, и механизм прижатия рабочей периферийной поверхности шлифовальных камней к поверхности рельсов, в каждой люльке для каждого шлифовального камня дополнительно смонтированы блоки настройки рабочего положения, каждый из которых содержит датчик перемещения и механизмы вертикального и горизонтального перемещения, блок нагружения снабжен датчиком угла наклона и механизмом его поворота, при этом ось блока нагружения и ось вращения шлифовального камня совмещены геометрически и оснащены датчиками угловой скорости и продольного усилия прижатия шлифовального камня к обрабатываемой поверхности.
Способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема устройства, для реализации способа «пассивного шлифования», на фиг. 2 – кинематическая схема блока настройки рабочего положения; на фиг. 3 – схема расположения шлифовальных камней по периметру головки рельса; на фиг. 4 – кинематическая схема способа скоростного «пассивного» шлифования компании Stahlberg Roensch (SRL), на фиг. 5 – кинематическая схема заявляемого способа скоростного «пассивного» шлифования.
Устройство для реализации способа выполнено следующим образом.
Устройство содержит раму 1, механизмы поднятия и опускания, на подвесках 2 которых закреплены люльки 3, внутри каждой люльки 3 смонтированы блоки настройки рабочего положения 4, каждый из которых содержит датчик перемещения 5 и механизм его вертикального перемещения 6, датчик перемещения 7 и механизм его горизонтального перемещения 8, датчик угла наклона 9 и механизм поворота 10 блока нагружения 11, при этом оси блока нагружения 11 и ось вращения 12 шлифовального камня 13 совмещены геометрически, на оси 12 установлены датчики угловой скорости 14 и продольного усилия прижатия 15 шлифовального камня 13. Ось 12 смонтирована в блоке нагружения 11 и закреплена в радиально-упорных подшипниковых узлах с возможностью свободного вращения с постоянным усилием прижатия посредством механизма подачи 16. Люлька 3 содержит вертикальную направляющую 17, вдоль которой производится вертикальное перемещение блока настройки рабочего положения 4. Сам блок 4 содержит горизонтальную направляющую 18, вдоль которой (относительно блока 4), производится горизонтальное перемещение блока нагружения 11. Блок нагружения 11 посредством шарнирной опоры 19 и механизма поворота 10 закреплен на подвижной части направляющей 18. Датчик перемещения 5 и механизм его вертикального перемещения 6 кинематически связывают люльку 3 и блок настройки рабочего положения 4. Датчик перемещения 7 и механизм его горизонтального перемещения 8 кинематически связывают подвижную часть направляющей 18 и блок настройки рабочего положения 4. При этом датчики перемещения 5, 7 и датчик угла наклона 9 связаны с блоком управления 20 двусторонней электронной связью, посредством которой производится регистрация и контроль положения шлифовальных камней, и фиксация изменения их положения. Кинематически связанные между собой подвижные части приводятся в действие относительно неподвижных соответствующими механизмами (на схемах не показаны). Эти механизмы могут быть выполнены: механическими, электромеханическими, пневматическими, гидравлическими и др.
Способ осуществляется следующим образом.
Первоначально до выезда рельсошлифовального поезда на перегон, кроме проверки комплектности шлифовальных камней 13, выполняются работы по настройке оборудования: определяется рабочее положение каждого шлифовального камня 13 относительно поверхности шлифования головки рельса 21; каждому шлифовальному камню 13 в люльке 3 назначается дорожка шлифования, согласно сделанным заранее картам производства работ (при этом весь участок разбивается на несколько независимых по интенсивности шлифования). Эти данные вводятся в блок управления 20 рельсошлифовального поезда, а, затем, запускается алгоритм вычисления данных к настройке оборудования. Итогом вычислений является набор команд для каждого блока настройки рабочего положения 4 шлифовальных камней.
Так как головка рельса является поверхностью сложной, то дорожка шлифования должна формировать правильную рабочую поверхность, для чего определяется точка контакта и угол наклона шлифовального камня 13 и необходимый для этого участка поверхности объем удаляемого металла, т.е. необходимую скорость шлифования для каждой дорожки.
Вычисляется эксцентриситет смещения оси вращения каждого шлифовального камня 13 относительно дорожки шлифования. Оператор выдает команду на настройку оборудования: при этом блок управления 20 посылает сигнал в блоки настройки 4, находящиеся в транспортном положении. Все механизмы приводятся в движение и смещают все подвижные части в положение начала отсчета, при достижении этих положений приходят сигналы с соответствующих датчиков перемещения (5, 7 и 9), что прекращает движения. Первым анализируется положение датчика угла наклона 9 (для каждой дорожки) и механизм поворота 10 устанавливает блок нагружения 11 в указанное положение. Затем анализируется положение датчиков 5 и 7, и с учетом требований заданного эксцентриситета механизмы 6 и 8 перемещают блок настройки рабочего положения 4 по вертикальной 17 и горизонтальной 18 направляющим соответственно. По достижении конечных точек манипуляций движение оборудования прекращается, о чем поступает сигнал в блок управления 20. Далее проводится внешний осмотр оборудования, который должен подтвердить выполнение всех команд, согласно заданию, и наличие технологического зазора между поверхностью головки рельса 21 и рабочим торцом шлифовального камня 13 для свободного хода механизма подачи 16.
После того, когда оборудование рельсошлифовального поезда готово к работе, он выходит на перегон. При подъезде к отметке начала производства работ рамы 1 опускаются на рельсы и прижимаются к ним. По команде с блока управления механизмы 2 опускают люльки 3, шлифовальные камни 13 приводятся в рабочее положение и механизмом 16 приводится в контакт с поверхностью головки рельса 21, обеспечивая их прижим к обрабатываемой поверхности торцом, при этом на блок управления 20 поступает информация с датчика угловой скорости 14 и датчика усилия прижатия 15. В блоке управления 20 данная информация сравнивается с заданной для производства работ. В случае если величина угловой скорости на датчике 14 не соответствует заданной, то производится корректировка эксцентриситета посредством датчиков 5 и 7 и механизмов 6 и 8 в блоке 4 настройки рабочего положения. То же происходит и с показаниями датчика 15, при необходимости прижатие корректируется механизмом подачи 16. По мере перемещения рельсошлифовального поезда шлифовальные камни 13 силами трения приводятся в «пассивное» вращение, процесс которого осуществляется в режиме постоянного контроля. В итоге происходит обработка головки рельса 21 по всей поверхности катания, так как каждый шлифовальный камень 13 обрабатывает свою поверхность, а все вместе – весь профиль головки рельса 21.
Когда участок, предназначенный для профилактического шлифования, будет пройден рельсошлифовальным поездом, блок управления 20 выдаст сигнал и оператор подтвердит окончание работы, как свершившееся событие и выдаст команду на завершение работы. В этот момент механизм 16 блоков нагружения 11 отведет шлифовальные камни от обрабатываемой поверхности головки рельса 21. Процесс шлифования прекратится сразу по всем дорожкам шлифования. Затем в обратном порядке будут соответствующими механизмами переведены в нерабочее положение люльки 3 и рамы 1.
Рельсошлифовальный поезд продолжит движение до места назначения как обычное железнодорожное транспортное средство с прежней скоростью, разрешенной на данном участке пути.
В сравнении с прототипом заявляемый способ обеспечивает увеличение скорости шлифования поверхности головки рельса, при условии одинаковой скорости движения рельсошлифовального поезда, так как обеспечивается сохранение первоначальных параметров работы шлифовальных камней на весь период их эксплуатации и период приработки отсутствует как таковой.
Ниже приведено сравнение по определению скоростей предлагаемого способа в сравнении с прототипом.
В качестве параметра сравнения приняты скорость движения поезда во время производства работ и скорость движения отдельно абразивной частицы, закрепленной в теле абразивного камня 13 в точке контакта с обрабатываемой поверхностью. При этом скорость движения поезда принимается равной в обоих случаях сравнения, а критерием эффективности способа выбрана величина абсолютной скорости абразивной частицы при рассмотрении способа «пассивного шлифования» как сложного вида движения.
При составлении расчетных схем принимается во внимание, что именно рельс является приводом для вращения шлифовальных камней 13, то есть обрабатываемая поверхность рельса 21, взаимодействуя с абразивными частицами шлифовального камня, заставляет его вращаться. Соответственно рельс движется относительно шлифовального камня со скоростью поезда. Такая постановка задачи позволяет произвести сравнение способов адекватно.
Расчетные схемы скоростного взаимодействия шлифовальных камней и рельсов представлены на фиг. 4 и 5 (вид сверху). Использование известного аналитического аппарата позволяет вычислить сумму векторов вышеуказанных расчетных схем, где при прочих равных условиях: для способа скоростного «пассивного» шлифования компании Stahlberg Roensch (SRL) скорость шлифования определяется по формуле:
,
а для заявляемого способа скорость «пассивного» шлифования определяется по формуле:
,
a
п
к
где: V – абсолютная скорость шлифования, м/с, (скорость движения абразивного зерна относительно рельса); V – скорость движения поезда, м/с, (рельса относительно круга, относительно неподвижной системы отсчета); V – скорость движения абразивной частицы при рассмотрении вращения абразивного камня, м/с (относительное движение); α – угол определяющий взаимное положение векторов в расчетной схеме, град.
Угол α для способа скоростного «пассивного» шлифования прототипа (см. фиг. 4) является углом отклонения оси вращения шлифовального камня относительно оси рельса.
Угол α для заявляемого способа (см. фиг. 5) – угол, отклонения точки взаимодействия поверхностей камня и рельса относительно нормали к оси рельса. В этом случае угол α определяется задаваемым эксцентриситетом е оси шлифовального камня относительно дорожки шлифования, а его косинус (cosα) может быть вычислен из соотношения эксцентриситета и радиуса шлифовального камня по следующей формуле:
где: R – радиус шлифовального камня, м; е – эксцентриситет (смещение оси вращения шлифовального камня относительно дорожки шлифования), м.
Тогда конечная формула для определения скоростного воздействия шлифовального камня на поверхность рельса примет вид:
Это позволяет увидеть принципиальные различия сравниваемых способов «пассивного» шлифования. Применение данного способа позволит увеличить скорости производства работ по профилактическому «пассивному» шлифованию рельсов в пути при обеспечении одновременного шлифования верхней и боковой рабочих поверхностей головки рельса. Становится возможным контроль и самое важное - возможность регулирования скорости шлифования и количества удаляемого металла по каждой дорожке шлифования в отдельности и всех вместе.
Кроме того, сохраняется имеющийся инструментарий на железной дороге, применяемый при ремонтном «принудительном» шлифовании рельсов в пути. Увеличивается скорость движения шлифовального поезда. Появляется возможность производства работ по профилактическому шлифованию без закрытия перегона.