机车车辆轮对辅修精镟的必要性探讨与新型移动式镟轮方式的实践
随着我国经济的发展，铁路运输是重头戏，这些年来重载、高速更是给运输业带来了蓬勃的发展，人们出门旅行，货物运输的快捷服务大大提高了办事效率。也让全世界看到了中国强劲的发展势头。保障铁路运输的基本要素是机车车辆及路轨、信号、站场系统，其安全质量问题至关重要。铁路机车车辆在轨道上运行，轮缘偏磨及调速、刹车带来的轮对多边形的问题越来越严重，究其原因，有以下几种：
路轨弯道的存在使轮缘偏磨，制动调速使轮对多边形出现。理想状态下轮轨滚动如图2所示，冲角α1=α2=α(α常数是出厂轮对轮缘对轨道的标准冲角),没有侧向力，只有垂直压力及由此产生的直线粘着牵引力，轮对只有垂向磨损。由于铁路不可能完全修成直线，有弯道，弯道半径称为路轨的曲线半径，机车车辆进入弯道时，由于离心力的作用加之巨大的惯性，轨道外轨内侧产生侧向力F，并与轮缘产生摩擦使轮缘磨损（如图1所示），磨损的强度与曲线半径大小成反比，与速度、牵重大小成正比。提速重载牵引的列车在制动时，制动力增加了，多边形和擦伤的现象也日趋严重。这种磨损随着重载、高速的提级而快速发展，踏面、轮缘磨损到限的时间大大缩短。
采用淬火轨，轨道表面普遍采用表面淬火，硬度提高，轮对踏面采用相对较软基质材料制成，这样一种作用方式使轮轨双方的轮对一侧产生挤压蠕变、磨损程度加重，比不采用淬火轨要严重。这样虽然钢轨报废周期延长了，但轮缘磨损、踏面磨损却加快了，其报废周期缩短了。
无基准鏇修轮对，轮缘对轨道的冲角减小，使轮对轮缘在运行中持续磨损加剧。轮对在轨道上滚动，理想状态是：轮缘和轨道之间的夹角即冲角是两边对称的，相等的如图2所示，α1=α2=α=常数。出厂新造的轮对或大修轮对均能达到这样的标准。轮对在轨道上运行一段时间以后，轮缘及踏面磨损了，到了需要鏇修的时候，机务部门安排进修理库进行修理。现行鏇修办法是将机车或车辆开到一台固定于地下的大型不落轮镟床上进行鏇修，为了提高鏇修效率，一直采用无精确定位及夹紧装置，这种情况下，镟床导轨与轮对轴心线形成异面直线如图5所示，θ角大于0（轮对大修时，轮对在机床上定位夹紧后，机床导轨与轮对轴心线平行）θ角越大α1越大，α2越小，越小的一侧轮缘对轨道挤压越明显，磨损越严重如图6所示。同时加工出来的踏面曲线与轮对中心线不同心，过轴心线截面曲线形状与标准曲线误差大，垂直与车轴的截面为椭圆。两侧轮缘与轨道之间的冲角变成一大一小。小的一侧在轨道直段上运行也会像过弯道一样加剧轮缘磨损。同时大型不落轮旋床使用摩擦轮驱动，不利于消除轮对椭圆及多边形，甚至加大了轮对的椭圆度（修前的椭圆及多边形在加工过程中有复制作用）。新造轮对在轨道上运行一段时间就失去了原来的几何精度，接下来的无基准鏇修更是加剧了轮缘及踏面的磨损，更有甚者，多边形存在，椭圆度增加严重影响了机车车辆的运行平稳性和安全性，机车轮周功率有效率也会降低。有效牵引力下降，要想完成定轴牵引必然消耗更多能量，整体经济指标打折扣。随着时代的发展，过去低速、轻载的时代已经过去，老旧的无基准鏇修所带来的弊端越发显现，在国铁机务段从来没有出现过像现在这样有这么多的机车排队等着鏇修，而且越镟轮缘磨损越快，越镟稳定性越差，由此可见辅修精准鏇轮势在必行。
图12. 移动式无基准鏇修装置（轮对与刀台无稳定固定）
图13.无基准鏇修踏面影像（截面为椭圆冲角α1、α2如图7、8）
现在市场上出现了两种“移动式不落轮镟修数控车床”，一种是定位不全、夹紧不稳定的无基准镟床（如图12所示），是济南铁路局科委开发的；镟出的踏面如图13所示。另一种是轴端定位、夹紧牢固的有基准镟床（如图14、15所示）是济南五星机电科技有限公司开发。从第一种的加工原理图来看，镟床不能保证轮轴在X、y、z方向的六个自由度限定，只是依靠摩擦力形成不稳定夹紧。刀具运行不能保证和轮对轴心线形成平行和垂直关系，满足不了零部件机床加工定位、夹紧基本条件，加工后形成的曲线轴测图上不符合标准，圆截面上是椭圆，由于切削过程中反作用力影响，存在“让刀”，轮缘对轨道的冲角两侧都会变小，椭圆、多边形更是严重增加。这样轮对在轨道上运行过程中就会形成全程挤压两条轨道内侧，轮缘磨损加剧，加工机理如图7、8所示。另一种是济南五星机电科技有限公司自主开发的移动式不落轮镟床如图14、15所示，镟床是利用90度定位弯板实现轴心线对刀台加工坐标的正交转换匹配，保证了刀具在“z”方向上与轮对轴心线平行，“x”轴方向与轮对轴心线垂直，使镟床对轮对的除回转自由度外的其它五个自由度的限定，并使轮对与镟床成为一体，形成稳定的加工系统。
图14.有基准鏇修原理图
由于弯板与加工坐标的正交匹配，以轴心线为基准，不管轮对轴心线处在空间什么位置，只要通过弯板将加工单元与轴端“半悬挂”在一起，就保证了刀具“z”轴方向与车轴线平行，加工出的踏面曲线对轴心线是轴对称的，轮缘对轨道的冲角两边大小相等，多边形、椭圆度得到修正，使轮对恢复出厂几何精度，加工机理如图9、10所
图15.有基准鏇修设备
图16.两轴同镟实例（可以实现四轴同镟）
图17.有基准鏇修踏面刀纹（与轮对轴心线同心，无偏磨）
示。该装置还采用了双尖刀设计，切削力大大降低，轮对驱动功率小，设备结构简单，造价低，可以实现多轴同镟，大大提高效率。加工纹理如图17所示，可以看出纹理均为车轴中心线对称圆截面，经检测踏面曲线符合铁路行业标准（减磨曲线）。对于大型机务段（特别是国铁机务部门）解决轮缘全程“锵着”轨道磨损的改善，提高运行安全性、舒适性、牵引效率具有极大的意义。该设备的出现必将带动轮对辅修镟轮精度的提高，为提速、重载、安全、舒适、经济的铁路运输提供有力的保障。由于该设备，结构简单，体积小，造价低，移动模式，对场地要求不高。广泛用于机车车辆轮对擦伤救援，野外无地沟鏇修，扣环加装，厂矿、港口、地方铁路自备车鏇修。
对于国铁机务段来说，由于能实现多轴同镟，其经济性、可靠性很高。大型不落轮旋床只能单轴或二轴同镟，且设备造价高达千万，由于工作频次高极易出现故障，一旦报修，直接影响生产，该设备使用不会出现因故障出现全线停摆的现象。多轴同镟能大大提高作业效率。
高铁是中国的名片，世界铁路看中国。我国铁路部门向来对机车车辆安全运营特别重视，机车车辆轮对鏇修更是把关甚严，但也只是停留在轮对的尺寸误差上，对轮对加工中出现的位置度误差却失之把控，移动式无基准鏇修有悖加工理论的严谨性、科学性，却在近几年来在全国铁路行业（地方铁路，厂矿等企业）大行其道！无基准鏇修存在这么多弊端，却无人究其之谬误所在，令人甚是悲哀！造成这种局面不外乎有以下几种原因：1、国家没有重视。现行的大型不落轮鏇修技术还停留在上个世纪六七十年代的基础上，那时的机车车辆速度低，牵重小，无基准鏇修的弊端显现不出来，这方面技术创新不会出现，因而国家在行业标准制定上就没有给予重视。2、大专院校科研院所，没有把足够的科研力量投向机车车辆轮轨磨损这个课题上来。自我国实行重载提速以来，各个机车车辆运用部门只是反映上来“轮轨磨损”带来的维修成本上升的信息，由于缺乏科研手段以及科研部门与现场脱节拿不到第一手资料，对轮轨磨损的相关因素不能深入研究，得不出相应的科技成果。3、检测手段落后，没有可行的方法。4、部分科技人员或领导不懂加工理论，甚至没有严谨的科学态度，荒谬决断。移动式无基准鏇修之所以大行其道，就是部分人员没有严谨的科学态度，明知不可行而行之，肆意发放科技成果通行证，以讹传讹，搞得全天下都在“指鹿为马”，以一方行之而行天下。再说基层运用维修部门还是用老的手段，对轮对的形状尺寸进行检测，不对其位置度尺寸进行检测。如此这样就形成了现在的局面。新型的有基准轮对鏇修提高了轮对鏇修精度（形位误差修正），但这种方式却没有得到很好的推广。现实中慌谬的东西有时像狂风一样很快吹遍全世界，真理却只能踏踏实实的一步步践行着它的诺言。可能有人会说笔者在这里是吹毛求疵，差不多就行了哪有那么严的，或者说笔者有倾向性。请问：轮对鏇修的时候尺寸为什么那么严，还卡样板？为什么轨道要经常磨削？难道不能放宽？踏面为什么还要制定减磨曲线标准？内侧距标准的意义在哪里？科学是来不得半点虚假的，相信总会有一天越来越多的人们会认识到精镟轮对提高几何精度对高速、重载的机车车辆运行安全的重要性。淘汰无基准特别是移动式无基准鏇修工艺只是时间问题，笔者在这里只是根据多年经验和观察，由于条件的限制，缺乏深入的量化研究，只是谈谈自己的一点浅薄的见解，目的只是希望和广大的科技工作者、专家、学者及天下有识之士共同为我国的铁路事业出一份力，不妥之处还请大家批评指正。