鋼軌打磨機理研究進展及展望

周 坤 王文健 劉啟躍 郭 俊

西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都，610031

0 引言

鋼軌是鐵路系統(tǒng)中重要的承力部件，隨著我國鐵路“高速”、“重載”戰(zhàn)略的實施，輪軌間載荷也大幅增加，波磨、疲勞裂紋、剝落等鋼軌損傷也日趨嚴重[1-2]。這些損傷會加劇列車運行時的振動與噪聲，甚至對列車運行安全造成威脅[3-4]，因此當(dāng)鋼軌損傷達到一定限度時，或者在這些損傷出現(xiàn)之初，就需要對鋼軌進行維護。鋼軌打磨是世界各國鐵路工務(wù)部門最常用的線路維護技術(shù)之一，是對鋼軌進行修復(fù)最有效的措施[5-8]。通過打磨作業(yè)可修復(fù)或減輕軌面損傷，預(yù)防接觸疲勞等鋼軌損傷的產(chǎn)生，有效改善輪軌匹配關(guān)系，延長鋼軌使用壽命，提高列車運行的安全性與穩(wěn)定性。當(dāng)前，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鋼軌打磨技術(shù)也逐漸成熟，我國鋼軌打磨技術(shù)已經(jīng)從最開始借鑒國外打磨經(jīng)驗到目前形成自己的打磨模式[9-10]，但對鋼軌打磨機理的理解，特別是鋼軌材料去除行為以及打磨參數(shù)的選取策略方面的研究還不夠充分。在鋼軌打磨過程中，鋼軌與磨石的相互作用行為復(fù)雜，打磨效率與打磨質(zhì)量受多個因素的影響，且我國鐵路分布范圍廣泛，鋼軌服役環(huán)境復(fù)雜多樣，鋼軌表面經(jīng)常存在水、油等第三介質(zhì)，這也會對鋼軌打磨效果產(chǎn)生很大影響[11]。因此,現(xiàn)今鋼軌打磨技術(shù)的關(guān)鍵在于加深對鋼軌打磨機理的研究，不斷優(yōu)化打磨參數(shù)，研發(fā)更加優(yōu)良的打磨磨石，將鋼軌打磨與其他鋼軌維護技術(shù)相結(jié)合，進一步完善我國高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)理論體系與作業(yè)標準。

本文綜述了鋼軌打磨過程中材料的去除機理，結(jié)合打磨參數(shù)、打磨磨石特性與打磨工況對材料去除行為進行了分析，根據(jù)鋼軌打磨模擬實驗提出了鋼軌打磨效率與打磨質(zhì)量相互作用的機制，闡明了鋼軌打磨對輪軌滾動接觸疲勞的影響，并對鋼軌打磨機理研究的發(fā)展趨勢作了展望。

1 鋼軌打磨材料去除機理

1.1 鋼軌打磨方式

鋼軌打磨是使用磨具對鋼軌進行材料去除的過程，按照磨具的類型、磨具與鋼軌的接觸形式，鋼軌打磨可分為主動打磨、砂帶打磨和被動打磨。鋼軌主動打磨方式如圖1a所示。在打磨過程中，安裝在打磨列車下的磨石以一定速度旋轉(zhuǎn)，在打磨列車液壓系統(tǒng)的推動下與鋼軌頂部接觸，與此同時，打磨列車在鋼軌上移動，對整條線路進行打磨作業(yè)。另外還可以調(diào)整磨石相對于鋼軌的角度，對鋼軌軌面進行“包絡(luò)打磨”,以修復(fù)鋼軌廓形[12-13]。主動打磨屬于端面磨削方式，打磨鋼軌材料去除量大，磨削效率高，但打磨產(chǎn)生的溫度高，容易燒傷鋼軌。

另一種鋼軌打磨方式為砂帶打磨[14-15]。近年來，砂帶打磨技術(shù)因其具有柔性接觸的特點且不易損傷鋼軌、磨屑易于回收、作業(yè)安全，逐漸受到廣泛關(guān)注，并開始逐步應(yīng)用于實際鋼軌維護中，如瑞士公鐵兩用鋼軌砂帶打磨車。如圖1b所示，接觸輪由剛性輪轂外包一層彈性橡膠構(gòu)成，砂帶安裝在接觸輪上，以一定壓力與鋼軌相接觸，對鋼軌進行打磨作業(yè)，與此同時，砂帶打磨車在鋼軌上移動，對整條線路進行打磨[16-17]。與主動打磨過程一樣，砂帶打磨頭以一定角度在軌頭上分散布置，以實現(xiàn)“包絡(luò)打磨”。另外，可將接觸輪圓周設(shè)計成內(nèi)凹形，以增加接觸長度，提高打磨作業(yè)效率。

鋼軌被動打磨又稱高速打磨[18]，不同于主動打磨的杯形磨石，被動打磨磨石采用帶有外圓廓形的圓錐形磨石。如圖1c所示，磨石沒有驅(qū)動系統(tǒng)，打磨過程中，磨石在鋼軌高速打磨列車運動下被動地與鋼軌接觸，打磨磨石與鋼軌縱向存在一定的夾角(磨石沖角)。打磨過程中磨石與鋼軌的接觸線較主動打磨的接觸線長，可以更好地去除掉鋼軌表面的短波長波磨。打磨作業(yè)完成后軌面粗糙度為5～10 μm，打磨后不會使得鋼軌斷面形成棱面，而是形成光滑的鋼軌廓形。

(a)主動打磨

(b)砂帶打磨[16]

(c)被動打磨[18]圖1 鋼軌打磨示意圖Fig.1 Diagram of rail grinding

隨著近年來我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速打磨技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到高速鐵路的鋼軌維護工作中。當(dāng)前最先進的高速鐵路打磨方法是德國Vossloh公司的被動式高速打磨技術(shù)，我國于2013年在京滬線上試用該公司的高速打磨列車，打磨效果良好。高速打磨技術(shù)采用的是被動打磨方式，通常用于預(yù)防性打磨策略，當(dāng)鋼軌表面疲勞裂紋擴展到一定程度時即予以消除，原則上鋼軌通過總重為300～500 GN時打磨一次，最長間隔時間不宜超過2年，單次打磨量為0.005～0.1 mm，一條高速鐵路每年通常需要進行2～3次打磨作業(yè)。采用此種打磨方式能有效減少高速鐵路鋼軌的滾動接觸疲勞。與主動打磨相比，高速打磨單次打磨量小，打磨作業(yè)更加頻繁，比較適合在行車密集的線路作業(yè)，更有利于控制鋼軌波磨。高速打磨列車作業(yè)速度一般為60～80 km/h，單條線路的打磨作業(yè)時間通常在1 h以內(nèi)，打磨作業(yè)時不需要專門封閉軌道，其工作效率為主動打磨的3～5倍，對鋼軌造成的損傷也比較小[19]。如圖2所示，高速打磨后鋼軌表面磨痕為交叉網(wǎng)狀，而主動打磨后鋼軌表面為平行磨痕，這兩種類型的磨痕對輪軌滾動接觸疲勞的影響區(qū)別目前還未知。

(a)被動打磨磨痕 (b)主動打磨磨痕圖2 打磨鋼軌磨痕Fig.2 Grinding marks on the ground rail

三種打磨方式各有特點，打磨效果和針對的線路也有所不同，表1列出了這三種打磨方式各自的特點。不論采用何種方式進行打磨作業(yè)，鋼軌與磨具界面存在復(fù)雜的材料去除行為和摩擦學(xué)行為，且打磨受多個參數(shù)的影響，同時鋼軌與磨石處于開放環(huán)境中，受外部條件影響較大，因此，對鋼軌打磨材料去除機理的研究將有助于進一步優(yōu)化鋼軌打磨技術(shù)。

表1 三種打磨方式作業(yè)特點比較

1.2 鋼軌打磨材料去除模型

鋼軌打磨過程中，處于磨石端面的磨粒對鋼軌進行切削，因此從單顆磨粒切削入手，分析單顆磨粒對鋼軌材料的去除作用，然后擴展到整個磨石的磨削過程，就可以對鋼軌打磨過程中鋼軌材料的去除過程進行全面而深入的研究。

打磨作業(yè)過程中，鋼軌表面波磨會使得打磨壓力產(chǎn)生波動，這種壓力波動會對鋼軌打磨質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。通過數(shù)值仿真可以直觀地分析這種情況下的打磨壓力波動行為，研究表明[20]隨著軌道不平順幅值和波長的增大，打磨壓力波動有增大的趨勢；隨著打磨列車運行速度增大，打磨壓力波動變小，適當(dāng)提高打磨小車垂向剛度、減小打磨單元質(zhì)量，有利于減小壓力波動、提高鋼軌打磨的穩(wěn)定性。如圖3所示，打磨過程中，磨粒與鋼軌的接觸弧長是評價磨石磨削能力的重要參數(shù)，隨著磨石轉(zhuǎn)速的增大，接觸弧長度先減小后增大；隨著打磨列車運行速度提高，接觸弧長度減小[21]。接觸弧長增大意味著磨粒切削過程加長，打磨效率有所提高。如圖4所示，鋼軌打磨過程中，磨粒的運動由兩部分組成，即隨著磨石的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動和隨著打磨列車在鋼軌上的移動而移動，磨粒的運動為兩部分的矢量和，在磨粒運動分析的基礎(chǔ)上可以計算得到整個磨石消耗的功率[22]。

利用有限元仿真可以更加直觀地表達磨粒切削過程中鋼軌材料的去除過程，即先仿真打磨過程中單顆磨粒的切削過程[23]，并分析切削過程中單顆磨粒幾何形狀、切削深度、負前角對鋼軌材料去除行為的影響，然后再由此推展到整個磨石打磨的材料去除過程。如圖5所示，在磨粒切削過程中，鋼軌材料被擠壓形成毛刺和切屑，切削力隨著磨削深度的增加而增大；隨著磨粒負前角增大，切削力增大。在分析單顆磨粒切削的基礎(chǔ)上，建立單個磨石打磨時的三維仿真模型[24]。首先測量鋼軌打磨磨石表面形貌，獲得磨粒面密度和突出高度等表面特征，然后采用虛擬格子法建立磨石模型，并對虛擬磨石進行打磨仿真。結(jié)果表明，隨著磨石轉(zhuǎn)速的增大，打磨磨削力緩慢減小，同時鋼軌材料去除量增加，打磨后鋼軌表面粗糙度減小。通過有限元仿真也可分析打磨磨石的磨損情況[25]，隨著打磨距離增大，磨石磨損量呈線性增長趨勢，隨著打磨轉(zhuǎn)速與打磨深度增大，磨石磨損量也相應(yīng)增大，而隨著進給速度增大，磨石磨損量減小。

圖3 考慮打磨列車動態(tài)性能的磨粒接觸弧長模型[21]Fig.3 Contact length model considering the dynamic performance of grinding train[21]

(a)磨粒運動分析

(b)磨粒受力分析圖4 磨粒受力與運動分析示意圖[22]Fig.4 Diagram of force and motion of abrasive grain

(a)單顆磨粒切削[23]

(b)打磨后鋼軌[24]圖5 鋼軌打磨材料去除過程Fig.5 Material removal during rail grinding

1.3 鋼軌打磨溫度場

鋼軌打磨過程中鋼軌與磨石界面會產(chǎn)生很高的溫度，過高的溫度會燒傷鋼軌甚至產(chǎn)生馬氏體白層，白層的產(chǎn)生會使鋼軌表面硬度增大。通過分析打磨產(chǎn)生的磨屑發(fā)現(xiàn)，打磨過程中的高溫使得鋼軌產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)[26]，因此，對鋼軌打磨溫度場進行研究是提升鋼軌打磨質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)。

聶蒙等[27]通過建立鋼軌打磨過程中單打磨頭與多打磨頭溫度場模型，通過仿真得到了單打磨頭和多打磨頭作業(yè)時的溫度場變化，仿真結(jié)果為現(xiàn)場鋼軌打磨作業(yè)提供了一系列參考結(jié)論：在不影響打磨作業(yè)效率的情況下，適當(dāng)提高打磨列車行車速度或者增大砂輪尺寸可以降低打磨溫度；隨著打磨功率增大，打磨溫度會持續(xù)升高；磨頭數(shù)量增多時，打磨溫度不僅升得快，而且最終溫度更高。張青等[28]將鋼軌打磨過程中的溫度簡化為移動熱源，運用有限元方法建立鋼軌打磨過程中三維熱彈性模型，得到打磨過程中溫度、應(yīng)力及應(yīng)變，并分析了打磨參數(shù)對打磨溫度場的影響，結(jié)果表明：打磨過程是快速升溫、緩慢降溫的過程，打磨溫度總體在200～500 ℃，高溫區(qū)的溫度場、等效應(yīng)力場均呈橢圓狀；打磨溫度隨著打磨列車速度增大而降低，隨著磨石轉(zhuǎn)速增大而升高，隨著磨石數(shù)量增加而升高。張子輿等[29-30]在此基礎(chǔ)上進一步分析了打磨參數(shù)對鋼軌打磨溫度場的影響，結(jié)果表明，隨著打磨帶寬度和打磨列車行車速度增大，打磨溫度降低；隨著磨石粒度從12號增至30號，打磨溫度先升高后降低，打磨溫度場如圖6所示。

圖6 鋼軌打磨溫度場[26]Fig.6 Temperature field of rail grinding [26]

鋼軌打磨溫度與鋼軌表面質(zhì)量之間存在著緊密的聯(lián)系，通過研究打磨溫度與鋼軌發(fā)藍、白層現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)可以指導(dǎo)現(xiàn)場鋼軌打磨參數(shù)的選取，以避免鋼軌表面發(fā)藍現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高鋼軌打磨質(zhì)量。LIN等[31]進行了鋼軌打磨試驗，利用半人工熱電偶測量了鋼軌與磨石界面的溫度，并對不同溫度下鋼軌試樣的燒傷行為進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)打磨溫度超過600 ℃時，鋼軌表面開始出現(xiàn)燒傷并且出現(xiàn)白層，隨著溫度的升高，燒傷顏色由黃色逐漸變?yōu)樽仙@些燒傷是由于打磨溫度的升高導(dǎo)致鋼軌表面材料氧化所致，當(dāng)打磨溫度上升到802 ℃時，在燒傷區(qū)域出現(xiàn)了淬火裂紋。在研究打磨溫度場的基礎(chǔ)上，今后的打磨作業(yè)應(yīng)該通過不斷優(yōu)化打磨參數(shù)以避免打磨溫度過高，在鋼軌表面產(chǎn)生過度燒傷現(xiàn)象。

1.4 打磨參數(shù)對鋼軌材料去除的影響

鋼軌材料去除過程中，鋼軌打磨質(zhì)量和打磨效率受多個打磨參數(shù)的影響，如何確定合適的打磨參數(shù)對提高鋼軌打磨作業(yè)水平具有重要意義，如果打磨參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，有可能會燒傷鋼軌或者硬化層。近年來，利用鋼軌打磨試驗機來模擬鋼軌與磨石間的相互作用成為最為關(guān)鍵的研究方向之一。

打磨作業(yè)時磨石的轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，然而打磨轉(zhuǎn)速對鋼軌材料去除行為存在很大的影響，研究這一影響機制對合理選擇磨石轉(zhuǎn)速具有指導(dǎo)意義。文獻[32]的研究表明，隨著轉(zhuǎn)速的增大，鋼軌-磨石界面間的摩擦力減小，摩擦因數(shù)減小，鋼軌試樣材料去除量增加，打磨后鋼軌表面硬度和塑性變形層厚度增大，而表面粗糙度減小。磨石粒度對鋼軌材料去除行為和磨削力同樣存在很大影響[33]，隨著磨石粒度增大，磨石與鋼軌界面間的摩擦力增大，這也造成打磨溫度的升高。另外，增大打磨列車作業(yè)速度有助于減輕鋼軌表層損傷[34]?，F(xiàn)場鋼軌打磨過程中施加在磨石上的壓力是由電機功率決定的，增大打磨壓力會提高鋼軌材料的去除效率，但打磨壓力的增大會使打磨后鋼軌表面質(zhì)量變差，主要表現(xiàn)為鋼軌表面粗糙度、硬度增大，塑性變形層和白層厚度增加[35]。通過鋼軌打磨模擬實驗分析打磨參數(shù)是研究鋼軌打磨的基礎(chǔ)，在探明鋼軌打磨機理的同時還能為現(xiàn)場鋼軌打磨參數(shù)選取提供一定的理論依據(jù)。

1.5 打磨磨石對鋼軌材料去除影響

打磨磨石作為磨削鋼軌的磨具，直接關(guān)系到鋼軌打磨效率和打磨質(zhì)量以及磨石的使用壽命。在選擇磨石類型時，要同時考慮磨石特性，如：磨料成分、結(jié)合劑、磨石粒度、磨粒硬度、氣孔[36]。磨粒的主要性能應(yīng)包括：①金屬切削能力強；②抗磨損能力高；③中高硬度水平(避免磨粒磨鈍)。目前打磨磨石最常用的磨粒為剛玉(棕剛玉和鋯剛玉)。

如果采用硬度較大的打磨磨石，磨石的使用壽命會延長，但是因為磨粒很難破碎，長時間的磨削會使得磨粒變鈍，導(dǎo)致鋼軌材料去除量??；如果選用硬度較小的磨石，鋼軌材料去除量大，但磨石使用壽命短，這會增加作業(yè)成本，而且作業(yè)過程中(天窗時間內(nèi))頻繁更換磨石會影響打磨作業(yè)效率。因此要在保證鋼軌材料去除量的基礎(chǔ)上盡量延長磨石使用壽命，另外，打磨磨石對鋼軌打磨質(zhì)量的影響也是必須考慮的方面。

日本鐵道技術(shù)研究院研發(fā)了一種新型打磨磨石，該磨石與當(dāng)前常見的磨石相比具有更好的磨削性能[37]。目前我國對打磨磨石的研究還處于起步階段。張國文等[38]利用4種酚醛樹脂結(jié)合劑制得了打磨磨石，經(jīng)過打磨試驗測試了磨石的使用壽命以及磨削性能，主要測試了磨石的熱穩(wěn)定性以及磨損情況。今后科研工作者還需針對我國鋼軌特點對打磨磨石進行全面而系統(tǒng)的研究。

當(dāng)前我國打磨磨石主要從國外引進，而各國鐵路鋼軌的硬度存在差異，鋼軌的硬度對打磨效率和質(zhì)量會產(chǎn)生直接影響，如果鋼軌打磨列車所設(shè)定的作業(yè)技術(shù)參數(shù)不變，當(dāng)軌道上所鋪設(shè)的是硬度相對較低的普通碳素鋼鋼軌時，打磨過程中鋼軌材料去除量要大于硬度較高的軌頭淬火鋼軌的去除量[39]。根據(jù)目前掌握的觀測結(jié)果和作業(yè)經(jīng)驗，一般情況下只要打磨列車所安裝的打磨磨石質(zhì)量可靠、無嚴重磨損、硬度范圍正常(布氏硬度值為240～380)的鋼軌，則硬度差異對打磨車的作業(yè)效率不會產(chǎn)生很大的影響，但其具體影響還需進一步研究。

1.6 不同打磨工況下鋼軌材料去除行為

鋼軌打磨過程中，鋼軌和磨石處于開放的環(huán)境中，外部環(huán)境對鋼軌打磨作業(yè)影響比較大，我國常用PGM-48鋼軌打磨列車，其作業(yè)條件見表2?？梢钥吹戒撥壌蚰チ熊嚳稍谟晏旌突覊m嚴重的條件下作業(yè)，但是目前對于雨天打磨作業(yè)還沒有比較全面的研究，水介質(zhì)的存在會降低磨石波動幅度，但打磨量較干態(tài)條件下打磨量減小12.3%，同時打磨后鋼軌表面粗糙度更小[40]。由于打磨會產(chǎn)生很高的溫度，在有水介質(zhì)存在的條件下可能會使得鋼軌發(fā)生淬火反應(yīng)，這會進一步使得鋼軌表面產(chǎn)生硬化層，因此今后應(yīng)該對水介質(zhì)作用下的鋼軌打磨進行深入的研究。

表2 PGM-48鋼軌打磨列車作業(yè)條件

當(dāng)前我國高速鐵路大部分都是采用無縫鋼軌，無縫鋼軌可以極大地提高列車運行的平穩(wěn)性。打磨鋼軌焊接接頭可以有效降低鋼軌的不平順度[41]，這也是現(xiàn)場鋼軌打磨的重要部分，但是接頭處的材料組成及物理性能與鋼軌材料有很大不同，打磨更容易產(chǎn)生燒傷，在接頭表面產(chǎn)生發(fā)藍現(xiàn)象[42-43]，今后對于焊接接頭的打磨研究應(yīng)該更加細致，防止在焊接接頭處打磨產(chǎn)生熱裂紋等損傷。

此外，我國鐵路分布廣泛，從南到北、從東到西，具有許多特殊服役環(huán)境(高寒、高溫、高濕、多風(fēng)沙等復(fù)雜氣候條件)[44]，在這些環(huán)境下打磨時，打磨作業(yè)效率和質(zhì)量還不得而知，這是我國鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展必須應(yīng)對的問題，今后應(yīng)開展更多特殊工況下的鋼軌打磨試驗。

2 鋼軌打磨質(zhì)量與打磨效率相互作用機制

隨著我國高速和重載鐵路的快速發(fā)展，對線路維護的要求也比以往更高，不僅要求軌道具有較高的平順性，還要求打磨作業(yè)不能對鋼軌造成損傷[45-47]。另外，從經(jīng)濟角度來講，在一定的時間內(nèi)要盡量保證鋼軌打磨效率(即單位時間內(nèi)的鋼軌材料去除量)。打磨量是衡量打磨效率的主要依據(jù)，鋼軌打磨量是通過打磨前后鋼軌斷面廓形構(gòu)成的面積來表征的。打磨參數(shù)對鋼軌材料去除量的影響前文已闡述，打磨過程中，同一角度下通常有三個磨石進行打磨。試驗表明[48]：第一遍打磨量最大，第二遍次之，第三遍最小。

經(jīng)過多年的打磨實踐，科研人員總結(jié)了針對我國鐵路的鋼軌打磨時機、周期、技術(shù)要求、作業(yè)要求和驗收標準，初步形成了我國鋼軌打磨技術(shù)標準。我國鋼軌打磨作業(yè)驗收項目包括：鋼軌廓形、波磨形式、打磨帶寬度、打磨深度、鋼軌表面粗糙度、鋼軌發(fā)藍情況、打磨砂輪起落部位的砂輪磨痕。鋼軌打磨廓形和波磨驗收標準分別見表3和表4。在同一個打磨面上連續(xù)測量6個點，其均值應(yīng)小于10 μm[47]。另外還有打磨后軌面無發(fā)藍現(xiàn)象，軌面光潔，每個弧面段過渡圓順，左右軌的軌頂光帶寬為18～23 mm[40]。

表3 軌頭廓形驗收標準(車載檢測)

表4 波磨驗收標準

打磨產(chǎn)生的白層對輪軌接觸疲勞具有很大影響，如圖7所示，在列車運行過程中，打磨產(chǎn)生的高硬度白層被壓入珠光體基體材料中，在車輪切向力的作用下還會產(chǎn)生嚴重的塑性變形，導(dǎo)致鋼軌萌生裂紋[49]。打磨產(chǎn)生的白層還有可能會帶有微裂紋，這些裂紋在輪軌滾動接觸過程中會逐漸擴展至鋼軌基體組織，對鋼軌造成嚴重危害[50]。因此，打磨作業(yè)時，應(yīng)當(dāng)避免在鋼軌表面產(chǎn)生白層。

(a)鋼軌燒傷[50](b)白層及塑性變形[51]

(c)疲勞裂紋[51]圖7 鋼軌打磨造成“預(yù)疲勞”Fig.7 “Pre-fatigue” caused by rail grinding

鋼軌打磨不可避免地會在鋼軌表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力隨著打磨壓力的增加而增大。如圖8所示，打磨帶中間區(qū)域的殘余應(yīng)力(σ⊥center、σ‖center)較邊緣區(qū)域殘余應(yīng)力(σ⊥edge、σ‖edge)大，且垂直于磨痕的殘余應(yīng)力(σ⊥center、σ⊥edge)要大于平行磨痕方向的殘余應(yīng)力(σ‖center、σ‖edge)。磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會加劇疲勞裂紋的萌生與擴展[51]，但打磨產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對鋼軌疲勞性能的影響還未知，這也成為今后亟待研究的內(nèi)容之一。

圖8 鋼軌打磨產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力Fig.8 Residual tensile stress induced by rail grinding

由打磨參數(shù)對鋼軌材料去除量的影響結(jié)果可知，若要增加打磨量，就要盡量增大磨石轉(zhuǎn)速和打磨壓力(打磨功率)或降低打磨列車行車速度，但是當(dāng)打磨轉(zhuǎn)速和打磨壓力過大，或打磨列車行車速度過低時，會燒傷鋼軌甚至在鋼軌表面產(chǎn)生白層、塑性變形層，這反而給鋼軌造成了“預(yù)疲勞”，因此，打磨量與打磨質(zhì)量是相互競爭的關(guān)系，如何平衡兩者的關(guān)系是今后應(yīng)該深入研究的內(nèi)容。研究表明，打磨壓力過大或過小都達不到良好的打磨效果：打磨壓力過大時打磨量雖然充足，但打磨后鋼軌表面質(zhì)量較差；打磨壓力過小時，雖然鋼軌表面質(zhì)量良好，但打磨量不能滿足要求。另外，鋼軌的不同頂部半徑下對應(yīng)的最優(yōu)的打磨壓力也不同。今后應(yīng)該繼續(xù)根據(jù)打磨效率與打磨質(zhì)量相互作用機制，對打磨參數(shù)進行優(yōu)化，以提高鋼軌打磨作業(yè)效果和經(jīng)濟性。

3 打磨對輪軌接觸疲勞的影響

打磨除了能有效減輕鋼軌側(cè)磨[52-53]，最主要的目的是控制鋼軌滾動接觸疲勞。高速鐵路鋼軌病害的整治限度見表5。打磨對控制鋼軌接觸疲勞的作用可以分為打磨過程中和打磨后。打磨過程中，打磨磨石可以有效地去除鋼軌表面的接觸疲勞，減小列車通過時的振動和噪聲[54]。另外，打磨產(chǎn)生的磨痕也會對輪軌滾動接觸疲勞產(chǎn)生很大影響。

表5 鋼軌病害整治限度

當(dāng)前鋼軌打磨分類較多，根據(jù)打磨時間和打磨目的的不同，鋼軌打磨可主要分為：預(yù)打磨、修復(fù)性打磨、預(yù)防性打磨。預(yù)打磨是對鋪設(shè)上道的新鋼軌進行打磨，去除軌面脫碳層，消除鋼軌在生產(chǎn)、焊接、運輸和施工過程中產(chǎn)生的表面缺陷，優(yōu)化軌頭廓形，改善焊接接頭平順性[55]。鋼軌打磨技術(shù)的誕生階段，主要是對鋼軌進行修復(fù)性打磨。修復(fù)性打磨是指鋼軌表面產(chǎn)生缺陷以后，對鋼軌進行打磨作業(yè)，清除鋼軌疲勞裂紋、波磨、剝落、肥邊等缺陷[56]。自20世紀80年代開始，預(yù)防性打磨逐漸開始應(yīng)用到各國鐵路工務(wù)部門。預(yù)防性打磨是指對鋼軌進行周期性打磨，對鋼軌廓形進行修復(fù)，使得鋼軌表面疲勞裂紋在萌生階段就予以消除，可以很好地控制鋼軌滾動接觸疲勞裂紋的擴展[57-58]。SATOH等[59]在日本高速線路上進行現(xiàn)場打磨試驗并進行了數(shù)年的觀察，發(fā)現(xiàn)打磨能直接去除鋼軌表面因長期與車輪滾動接觸產(chǎn)生的塑性流動層，此外鋼軌打磨還可減少鋼軌表層以下的塑性流動層的產(chǎn)生，雖然打磨并未直接作用到這些區(qū)域。

另外，打磨完成后會在鋼軌表面產(chǎn)生磨痕，這些磨痕對后續(xù)輪軌運行會產(chǎn)生一定的影響。鋼軌不同粗糙度的磨痕在經(jīng)歷相同的輪軌滾動循環(huán)次數(shù)后幾乎減小至同一粗糙度水平，表面磨痕幾乎消失，因此，打磨產(chǎn)生的磨痕不太可能使鋼軌萌生疲勞裂紋或者加速疲勞裂紋擴展，打磨鋼軌疲勞裂紋是在鋼軌表面磨痕消失之后產(chǎn)生的[60]。鋼軌表面磨痕對輪軌間摩擦因數(shù)有顯著影響，滑動速度的增加會減小摩擦因數(shù)，在高滑動速度下，鋼軌表面磨痕會顯著增加車輪的磨損[61]。由此可見，在干態(tài)下磨痕對鋼軌接觸疲勞并沒有直接影響，但是能顯著增大輪軌間的摩擦因數(shù)。當(dāng)輪軌間存在水、油第三介質(zhì)時，磨痕的影響存在較大不同[62]。在有水或油介質(zhì)存在的條件下，磨痕對鋼軌接觸疲勞的影響與磨痕相對于輪軌運行方向有關(guān)，在有水介質(zhì)存在條件下，0～45°范圍的磨痕會加速鋼軌接觸疲勞裂紋的擴展，而45°～90°的磨痕會在一定程度上減緩鋼軌疲勞裂紋的擴展；在有油介質(zhì)存在的條件下，0°和45°方向的磨痕會使鋼軌表面出現(xiàn)嚴重的剝落坑和疲勞裂紋，90°方向的磨痕處鋼軌損傷較輕微。因此，在輪軌界面存在水或油介質(zhì)時，磨痕使得輪軌界面間的壓力分布極不均勻，使得鋼軌滾動接觸疲勞大幅增加。

現(xiàn)代鐵路鋼軌維修工作包括：鋼軌廓形修復(fù)、鋼軌病害清除、選擇與運輸條件相匹配的鋼軌等級、鋼軌焊接、涂油潤滑、輪軌間摩擦條件的調(diào)整等[63-64]，其中鋼軌打磨是修復(fù)鋼軌廓形和清除鋼軌病害的主要手段。但是目前如何將鋼軌打磨與其他的鋼軌維修工作結(jié)合起來對鋼軌進行全方位的維護，既保證良好的輪軌間接觸條件，又延長鋼軌壽命，是亟待解決的問題。在鋼軌打磨方式中，還存在著鋼軌銑磨[65]的方式，鋼軌銑磨是德國、奧地利采用的鋼軌維修方式，經(jīng)過多年的探索與研究，已經(jīng)在清除鋼軌病害方面取得不錯效果，今后是否引進該技術(shù)并將鋼軌銑磨整修運用到現(xiàn)有鋼軌維護作業(yè)中也是值得研究的一個問題。

4 展望

本文介紹了鋼軌打磨材料去除機理、鋼軌打磨質(zhì)量和打磨效率、高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀，以及打磨對輪軌滾動接觸疲勞的影響。根據(jù)鋼軌打磨試驗給出了打磨殘余應(yīng)力的部分數(shù)據(jù)：打磨會在鋼軌表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力值隨著打磨壓力的增大而增大。今后鋼軌打磨技術(shù)研究應(yīng)考慮以下四個方面。

(1)研發(fā)針對我國鋼軌的打磨磨石。主要從磨料成分、結(jié)合劑、磨石粒度、磨粒硬度、氣孔等方面入手，以提高打磨作業(yè)效率和質(zhì)量，提升打磨經(jīng)濟性。

(2)研究特殊工況下鋼軌打磨材料的去除行為。研究水介質(zhì)、低溫、焊接接頭等條件下鋼軌材料的去除行為，對比分析這些工況下打磨效率和打磨質(zhì)量與常溫干態(tài)下打磨的異同，為特殊工況下鋼軌打磨作業(yè)提供參考。

(3)進一步分析打磨對輪軌滾動接觸疲勞的影響。打磨可能會在鋼軌表面產(chǎn)生白層、殘余應(yīng)力等“預(yù)疲勞”，這些由于打磨產(chǎn)生的損傷對輪軌滾動接觸疲勞的影響還未知，今后應(yīng)該對此作深入細致的研究。

(4)鋼軌打磨技術(shù)與其他鋼軌維護措施相結(jié)合。在鋼軌維護措施中，應(yīng)該同時考慮鋼軌打磨、鋼軌涂油、摩擦改進等技術(shù)。綜合采用這些鋼軌維護措施，既能保證延長鋼軌使用壽命，又能保證良好的輪軌接觸狀況，從而大幅提升鐵路部門的經(jīng)濟效益。