鋼軌打磨關(guān)鍵裝備及磨石技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

章武林 樊小強 朱旻昊 段海濤

1.武漢材料保護(hù)研究所特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室，武漢，4300302.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都，610031

0 引言

鐵路是國民經(jīng)濟大動脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，是綜合交通運輸體系的骨干和主要運輸方式之一。截至2021年底，全國鐵路營業(yè)里程突破15萬km，城市軌道交通運營里程突破8000 km。《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2016-2025)》指出：預(yù)計到2025年鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5萬公里左右[1]。鋼軌作為軌道交通的重要承載部件之一，承受來自車輪周期載荷的作用，其表面產(chǎn)生滾動接觸疲勞層。在隨后的服役過程中，裂紋在滾動接觸疲勞層萌生、擴展，從而導(dǎo)致鋼軌病害的產(chǎn)生。同時，多場耦合(強機械力、電場/磁場)、廣域環(huán)境(高寒、濕熱、風(fēng)沙、腐蝕介質(zhì)等多環(huán)境交互)以及極端工況(高速、高周、強振)的協(xié)同作用，致使鋼軌表面產(chǎn)生擦傷[2]、磨耗[2-3]、波磨[4-5]、剝落[6-7]、魚鱗紋[8-9]、壓潰[10-11]、銹蝕[12]等諸多損傷(病害)。鋼軌病害或?qū)⑵茐匿撥壴荚O(shè)計廓形，惡化輪軌接觸狀態(tài)，增大列車運行噪聲和振動，加速軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的失效，降低列車運行的舒適性、安全性和穩(wěn)定性。據(jù)不完全統(tǒng)計，鋼軌失效后若直接采用換軌的方法，將造成超3000億元的經(jīng)濟損失，如果對鋼軌進(jìn)行科學(xué)打磨，即可達(dá)到延長鋼軌使用壽命的效果，減少大量的經(jīng)濟損失。據(jù)報道，歐洲每年對鋼軌維護(hù)、更換等的投入超過30億歐元，我國每年該項費用超12億美元[13]。

目前主要采用打磨的方式定期去除鋼軌病害，恢復(fù)鋼軌廓形，改善輪軌接觸狀態(tài)，延長鋼軌服役壽命。面向鋼軌維護(hù)需求，鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展了多種形式，如銑磨復(fù)合打磨、砂輪式打磨、砂帶式打磨、小型機具打磨等[2]。同時，針對線路鋼軌不同服役階段、損傷特征，制定了不同的打磨策略，如預(yù)打磨、修復(fù)性打磨以及預(yù)防性打磨[13-14]。鋼軌的高效運維依賴高端技術(shù)裝備及其相配套的高性能磨削/切削材料(如磨石等)。幾十年來，雖然我國在鋼軌打磨技術(shù)領(lǐng)域取得了巨大成就，但高性能磨石技術(shù)嚴(yán)重滯后于鋼軌打磨裝備的發(fā)展水平，嚴(yán)重制約了鋼軌打磨技術(shù)完全自主化進(jìn)程。基于此，本文綜述了國內(nèi)外典型鋼軌打磨技術(shù)與裝備，對未來鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展的重要方向進(jìn)行了分析；同時，綜述了鋼軌打磨關(guān)鍵耗材——磨石的發(fā)展現(xiàn)狀，指出目前磨石研發(fā)存在的不足，為高性能自主化磨石的設(shè)計與開發(fā)提供參考。

1 鋼軌打磨關(guān)鍵技術(shù)與裝備

1.1 打磨策略

鋼軌打磨策略主要有預(yù)打磨、修復(fù)性打磨與預(yù)防性打磨三類。

(1)預(yù)打磨。鋼軌在熱軋成形過程中，高溫導(dǎo)致鋼軌表層的碳元素、鐵元素氧化加??；當(dāng)碳的氧化速率大于鐵的氧化速率時，部分珠光體中的滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，導(dǎo)致脫碳層的產(chǎn)生[7]。鋼軌脫碳層硬度、強度、耐磨性均低于基體；服役時裂紋主要沿鐵素體擴展，更容易造成鋼軌嚴(yán)重?fù)p傷[15]。新線建設(shè)過程中，工程車頻繁啟/停，極易造成鋼軌擦傷等損傷。鋼軌擦傷前期不易被巡檢人員發(fā)現(xiàn)，但輪軌摩擦熱致使鋼軌擦傷區(qū)域發(fā)生金相轉(zhuǎn)變，在后期的服役中極易快速發(fā)展成嚴(yán)重病害，形成嚴(yán)重安全隱患。因此，對于新建線路和成段鋪設(shè)新鋼軌，需在調(diào)試完成后、開通運營前進(jìn)行預(yù)打磨，去除表層約0.2 mm的脫碳層以及施工過程造成的損傷；對于已投入運營線路，要求在累計通過總質(zhì)量10 Mt前完成預(yù)打磨[2]。

(2)修復(fù)性打磨。對于嚴(yán)重的波磨、剝層、側(cè)磨、壓潰等損傷，需要采用較大打磨深度對損傷進(jìn)行去除，同時對鋼軌廓形進(jìn)行矯正、修整。此時，鋼軌材料去除量、打磨深度大，該種修磨策略稱為修復(fù)性打磨[2]。因鋼軌軌頂存在設(shè)計磨耗容限，修復(fù)性打磨增加了換軌頻率，打磨經(jīng)濟性較差。

我國對軌道交通線路鋼軌修復(fù)性打磨作業(yè)作了明確規(guī)定[2]：①修復(fù)性打磨應(yīng)根據(jù)鋼軌病害特征，選擇合適的打磨設(shè)備和作業(yè)參數(shù)，去除鋼軌病害同時修復(fù)鋼軌廓形；②在普通線路，對于波磨深度或者肥邊寬度超過0.3 mm的缺陷，應(yīng)該及時組織修復(fù)性打磨；③在高速線路，當(dāng)線路出現(xiàn)動車抖動、橫構(gòu)架橫向加速度報警、成段光帶不良、道岔鋼軌魚鱗紋深度達(dá)到0.5 mm、軌道沖擊響應(yīng)指標(biāo)超過管理值，或鋼軌病害達(dá)到整治限度地段，應(yīng)及時組織鋼軌修復(fù)性打磨。

(3)預(yù)防性打磨。鋼軌承受來自車輪的周期性載荷作用，鋼軌表面因“棘輪效應(yīng)”形成滾動接觸疲勞層(RCF)。在滾動接觸疲勞層，鋼軌材料的硬度大幅上升、脆性增大，微觀結(jié)構(gòu)上觀察到位錯密度增大、微裂紋萌生；微裂紋的橫向與縱向擴展可能會導(dǎo)致鋼軌發(fā)生剝層、斷軌等損傷。裂紋發(fā)展周期(形核、萌生、擴展)中，形核與萌生時間占比較大[8]。通常在裂紋擴展深度不超過0.2 mm時進(jìn)行打磨，是阻斷鋼軌裂紋擴展、避免鋼軌損傷進(jìn)一步惡化的最佳時機?；阡撥壉砻鏉L動接觸疲勞的產(chǎn)生機制以及裂紋擴展規(guī)律，提出了預(yù)防性打磨策略，即定期去除鋼軌表層滾動接觸疲勞層。預(yù)防性打磨磨削深度小，相比修復(fù)性打磨更有利于延長鋼軌使用壽命，打磨經(jīng)濟性更好。

中國鐵路總公司對我國線路鋼軌預(yù)防性打磨的實施提出了明確要求[2]：①高速鐵路每30～50 Mt通過總質(zhì)量開展一次預(yù)防性打磨，打磨間隔不超過2年；②普速線路直線及大半徑曲線段(>1200 m)，一般100 Mt通過總質(zhì)量開展一次打磨；小半徑段(<1200 m)，每30～50 Mt打磨一次。

不同打磨策略下鋼軌服役壽命演變規(guī)律如圖1所示[13]，結(jié)果表明打磨可有效延長鋼軌使用壽命。據(jù)報道，病害在無打磨、修復(fù)性打磨、預(yù)防性打磨后鋼軌表面產(chǎn)生的概率分別為15%、8%、4%[16]，表明預(yù)防性打磨在降低鋼軌病害發(fā)生概率上優(yōu)勢明顯。此外，預(yù)防性打磨材料去除厚度小，相比修復(fù)性打磨可以大幅延長鋼軌使用壽命。經(jīng)濟迅猛發(fā)展對我國軌道交通運能迫切需求的嚴(yán)峻形勢下，采用預(yù)防性打磨可以有效延長換軌周期，具有更高的打磨經(jīng)濟性。因此，可以推斷預(yù)防性打磨是未來鋼軌打磨技術(shù)主流的發(fā)展方向。

圖1 不同打磨方式下鋼軌服役行為[13]Fig.1 Rail serving behaviors for different grinding strategies[13]

1.2 鋼軌關(guān)鍵打磨技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，瑞士的SPENO公司成功研制了第一臺打磨車并用于線路鋼軌打磨維護(hù)，取得了良好的打磨效果和經(jīng)濟效益。歷經(jīng)近60年的發(fā)展，鋼軌打磨技術(shù)與裝備取得了卓越的發(fā)展，小型打磨機具[2]、砂輪式打磨車[14，17]、砂帶打磨[18]、銑磨復(fù)合打磨[19-20]等多元化鋼軌打磨裝備在線路被廣泛應(yīng)用。

1.2.1砂輪式打磨

砂輪式打磨是打磨車?yán)酶咚傩D(zhuǎn)的砂輪(亦稱磨石)去除鋼軌病害。根據(jù)磨石與鋼軌的接觸形式以及磨石是否配備驅(qū)動裝置，可以將砂輪式打磨技術(shù)分為主動打磨和高速被動打磨。

(1)主動打磨。鋼軌打磨列車在一定走行速度下，電機驅(qū)動杯狀磨石高速旋轉(zhuǎn)(約3600 r/min)，并在液壓缸所提供的穩(wěn)定載荷Fn下與鋼軌軌頭接觸，從而實現(xiàn)鋼軌病害的去除[21-23]，如圖2a所示。磨石沿鋼軌縱向排布，且磨石軸線與軌頂法向存在一定傾角α。驅(qū)動電機與磨石連接，構(gòu)成磨頭；每兩組磨頭組成一個打磨搖籃。通過調(diào)整搖籃擺角α，即可實現(xiàn)不同軌距角處的打磨。搖籃擺角α的調(diào)整，導(dǎo)致磨石作用區(qū)域變化[24-25]，造成打磨紋理與鋼軌縱向夾角、打磨光帶寬度均存在差異，如圖2b所示。據(jù)打磨作業(yè)人員介紹，磨頭落刀(磨石與鋼軌接觸)、切換以及打磨過程中磨石的振動，會導(dǎo)致打磨后鋼軌表面產(chǎn)生初始不平順，因而在打磨后很短的服役周期內(nèi)，某些線路局部區(qū)域鋼軌就會再次出現(xiàn)波磨。

(a)主動打磨磨石/鋼軌接觸模式[13]

(2)高速被動打磨。德國Stahlberg Roensch公司于2011年率先提出了高速打磨技術(shù)(HSG)[26]。杯狀磨石圓周面在一定垂向載荷作用下與鋼軌軌頭接觸，磨石軸線與鋼軌橫向成一定的夾角α，如圖3a所示[13]。打磨過程中磨石不帶動力，依靠打磨列車運行拖拽磨石在鋼軌軌頭做非純滾動運動，進(jìn)而去除鋼軌表層滾動接觸疲勞層。一般情況下，α角為-45°或+45°，且按一定的角度組合進(jìn)行編排。由于同側(cè)磨石軸線間夾角為0°或90°，因此打磨后鋼軌表面為交織的網(wǎng)狀紋理，如圖3b所示[27]。打磨過程中，由于磨石不帶動力，通常被稱為“高速被動打磨”。高速被動打磨的優(yōu)點是打磨速度快(通常60～80 km/h)，打磨效率高，適合于線路(尤其是高速鐵路)預(yù)防性打磨的開展。由于打磨速度較快，磨石與線路鋼軌某點累計接觸時間更短，可有效降低鋼軌燒傷，提高打磨后鋼軌表面質(zhì)量。

(a)高速打磨磨石/鋼軌接觸模式[13]

1.2.2銑磨復(fù)合打磨

當(dāng)鋼軌出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷時，如側(cè)磨、肥邊、壓潰等，采用普通砂輪式打磨難以去除或去除效率較低，則需利用銑磨車進(jìn)行修整。銑磨復(fù)合打磨技術(shù)中，銑刀盤、仿形磨石與鋼軌的接觸模式如圖4a所示，銑刀盤高速旋轉(zhuǎn)(高達(dá)100 r/min)，從而使搭載在刀盤上的硬質(zhì)合金刀具切除鋼軌表層材料。刀盤后跟進(jìn)的仿形磨石可以對經(jīng)銑刀盤加工后的鋼軌表面作進(jìn)一步修整，降低表面粗糙度[13，28]。銑刀盤和仿形磨石協(xié)同作業(yè)，單次作業(yè)可去除厚度約0.1～3.0 mm的鋼軌材料[29]。打磨后鋼軌具有較低的粗糙度，如圖4b所示。銑磨復(fù)合打磨技術(shù)具有切削效率高、打磨后鋼軌廓形好、光潔度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于重載鐵路等鋼軌損傷嚴(yán)重的線路[29-30]。

(a)銑磨復(fù)合打磨刀盤/鋼軌接觸模式[13]

1.2.3柔性砂帶鋼軌打磨

采用柔性涂覆磨具砂帶對鋼軌病害進(jìn)行去除的方式為砂帶式打磨。驅(qū)動輪驅(qū)動砂帶高速(高達(dá)45 m/s)運轉(zhuǎn)并在橡膠接觸輪施加的打磨載荷(超1000 N)下與鋼軌接觸，從而實現(xiàn)打磨作業(yè)[18]。接觸輪內(nèi)圈為剛性的輪轂，外圈為彈性的橡膠層。通過橡膠層的變形，可以實現(xiàn)鋼軌軌頭的包絡(luò)式打磨，且由于砂帶植砂顆粒尺寸較小，打磨后鋼軌表面較光滑，但材料去除能力較弱。砂帶式打磨在打磨質(zhì)量、經(jīng)濟性、環(huán)保、安全等方面均體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，吸引了眾多的專家學(xué)者從力學(xué)[18，31]、材料學(xué)、磨削行為[32]、設(shè)備結(jié)構(gòu)[33]等方面開展研究。然而由于砂帶式打磨存在材料去除效率低、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、砂帶耐磨性差等缺點，導(dǎo)致該技術(shù)在軌道交通線路的廣泛應(yīng)用受到限制。

1.3 鋼軌打磨關(guān)鍵裝備發(fā)展現(xiàn)狀

目前鐵路系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛、市場占有量相對較大的打磨方式為主動打磨技術(shù)、高速被動打磨技術(shù)以及銑磨復(fù)合打磨技術(shù)。以下對這三種典型鋼軌打磨裝備發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1.3.1鋼軌主動打磨關(guān)鍵裝備

主動打磨技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛、市場份額最大的打磨方式，打磨車型號較多。國外打磨車制造商主要有美國的HARSCO公司和LORAM公司以及瑞士的SPENO公司等。國內(nèi)鋼軌打磨技術(shù)起步較晚，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前國內(nèi)打磨車制造商主要有金鷹重型工程機械股份有限公司(金鷹重工)、中車北京二七車輛有限公司(中車二七)、株洲中車時代電氣股份有限公司(時代電氣)、中國鐵建高新裝備股份有限公司等。金鷹重工、中車二七分別通過引進(jìn)美國HARSCO公司、瑞士SPENO公司技術(shù)，自主開發(fā)了GMC-96X、GMC-96B型打磨車，如圖5所示。時代電氣自主研發(fā)的GMC-48JS型打磨車于2020年3月獲批上線[34]。

(a)GMC-96X

目前線路常用的GMC-96X(金鷹重工)、GMC-96B(中車二七)、PGM-48(美國HARSCO)車型以及新下線的GMC-48JS車型(時代電氣)的主要作業(yè)參數(shù)和作業(yè)要求如表1所示。數(shù)據(jù)顯示，打磨車作業(yè)速度為3～24 km/h，低于臨界作業(yè)速度可能造成鋼軌局部區(qū)域過度打磨，且低速下鋼軌局部磨削熱累積極易燒傷鋼軌[35]；作業(yè)速度過高，則不能保證理想的去除效率。打磨車所設(shè)計的最大作業(yè)坡度為3%，能滿足絕大多數(shù)線路的打磨維護(hù)。但是對于一些長大坡道(坡度大于3%)線路，尤其是在建的川藏鐵路等，打磨車作業(yè)性能與牽引問題的協(xié)調(diào)將是重要挑戰(zhàn)之一。

表1 典型鋼軌主動打磨車作業(yè)參數(shù)統(tǒng)計[2]

1.3.2鋼軌高速被動打磨關(guān)鍵裝備

高速被動打磨車主要有德國VOSSLOH公司生產(chǎn)的HSG型鋼軌打磨車，主要由打磨車和輔車組成，如圖6a所示。打磨作業(yè)時需要機車對其進(jìn)行牽引，作業(yè)速度可達(dá)60～80 km/h；整車4組打磨單元共96個磨石同時處于作業(yè)狀態(tài)且以約6000 r/min的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，如圖6b所示；每組打磨單元配備2套打磨架，作業(yè)過程中磨石可以實現(xiàn)不停車快速整組、連續(xù)輪換，即單次磨石裝車即可連續(xù)打磨約70 km[13]，如圖6c所示。打磨過程中可對打磨火花量、磨石磨損情況、打磨壓力等進(jìn)行實時監(jiān)測。打磨后，對鋼軌廓形進(jìn)行檢測，檢驗打磨效果。高速打磨車由于磨石不帶驅(qū)動裝置，僅靠打磨列車的拖拽去除鋼軌軌頭材料，因此，作業(yè)速度對打磨車作業(yè)效果影響顯著。高速打磨車在站間線路進(jìn)行打磨作業(yè)時：出站加速階段，當(dāng)車速高于30 km/h時，打磨架落下，打磨作業(yè)開始；進(jìn)站減速階段，當(dāng)車速低于15 km/h時，打磨架提起，打磨終止。因此，在打磨車加速、減速對應(yīng)區(qū)域，打磨效果因車速降低而有所下降，部分因打磨架提起未能打磨的區(qū)域后續(xù)需要站內(nèi)道岔打磨車進(jìn)行配合作業(yè)覆蓋。

(a)HSG高速打磨車

近10年來，國內(nèi)多所機構(gòu)致力于高速打磨車的研發(fā)。2021年6月18日，由西南交通大學(xué)、京滬高鐵和西南交大鐵路發(fā)展有限公司聯(lián)合研發(fā)的國內(nèi)首臺京滬高鐵智能化快速鋼軌打磨原型試驗樣車正式下線，實現(xiàn)了“從零到一”的原始創(chuàng)新[36]，如圖7a所示。2021年7月22日，由中國鐵建高新裝備股份有限公司自主研發(fā)的KGM-80II鋼軌快速打磨車通過評審，獲批下線試運用[37]，如圖7b所示。自主研發(fā)的高速打磨車的下線，對我國實現(xiàn)鐵路系統(tǒng)裝備完全自主化具有重要意義。

(a)京滬高鐵智能化快速鋼軌打磨原型試驗樣車[36]

1.3.3鋼軌銑磨復(fù)合打磨關(guān)鍵裝備

目前，鋼軌銑磨車廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外重載線路。德國GMB公司以及奧地利 LINSINGER公司、MFL公司等是海外銑磨車的主要制造商[13，20]。圖8a所示為LINSINGER公司的SF03型銑磨車，該車總長25 m，整車重量120 t，裝備兩個三軸轉(zhuǎn)向架，自走行速度最高達(dá)100 km/h，最大作業(yè)走形速度0.36～1.20 km/h，整車共裝備2套銑刀盤和2套砂輪[20，29-30]。國內(nèi)的制造商主要有寶雞的中車時代工程機械有限公司和中國鐵建高新裝備股份有限公司等。圖8b所示為中國鐵建高新裝備股份有限公司生產(chǎn)的XM-1800型銑磨車，它在線路內(nèi)側(cè)軌形修整、特殊鋼軌輪廓打磨方面具有作業(yè)效率高、打磨靈活、環(huán)保、火花飛濺少等優(yōu)點[38]。表2將SF03銑磨車與XM-1800銑磨車主要作業(yè)性能參數(shù)進(jìn)行了對比，表明國內(nèi)研制的XM-1800型銑磨車在材料去除效率、作業(yè)精度等方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)的技術(shù)水平。

(a)SF03銑磨車

表2 SF03銑磨車與XM-1800 銑磨車作業(yè)性能對比[2，38]

1.3.4關(guān)鍵鋼軌打磨裝備性能綜合對比

將主動打磨、高速被動打磨以及銑磨復(fù)合打磨等三種典型鋼軌打磨裝備性能進(jìn)行對比，如表3所示。主動打磨材料去除量大，打磨光帶包絡(luò)廓形良好，運行速度快，是目前市場占比份額最大的作業(yè)方式。對于主動打磨，其關(guān)鍵點是解決打磨鋼軌燒傷問題，從而改善打磨后鋼軌表面質(zhì)量。研究表明，優(yōu)化打磨參數(shù)[25，35，39-40]、磨石結(jié)構(gòu)[41]可以有效改善燒傷，其中高性能主動打磨磨石的研發(fā)是未來的研究重點。

表3 三種典型鋼軌打磨裝備性能對比

高速被動打磨作業(yè)速度快，理論上可與普通客/貨車進(jìn)行聯(lián)運，無需“天窗”，不影響線路正常通行。此外，高速被動打磨基于鋼軌預(yù)防性打磨策略提出，在延長鋼軌服役壽命方面優(yōu)勢顯著，因此，高速打磨在未來的發(fā)展中具有重要競爭力。服役于高速、高載、強振等嚴(yán)苛工況，同時滿足高效、高質(zhì)等作業(yè)需求，確保磨石具有優(yōu)異的力學(xué)性能(強/韌性)、使役性能(切削性能、耐磨性等)等是未來的重要挑戰(zhàn)之一。

銑磨復(fù)合打磨在材料去除效率、廓形修整、表面質(zhì)量等方面具有顯著的優(yōu)勢，但其作業(yè)速度慢，未來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，天窗時間極度壓縮，對打磨作業(yè)效率要求日益提升，未來線路運能與天窗時長的協(xié)調(diào)將會是關(guān)注點。同時，為保證鋼軌廓形的修正精度和作業(yè)效率，研發(fā)耐受鋼軌打磨苛刻作業(yè)工況以及高耐磨的硬質(zhì)合金刀具也是未來的研究重點之一。

2 鋼軌打磨磨石研究現(xiàn)狀

磨石是損傷鋼軌“刮骨療傷”的“手術(shù)刀”，其性能直接決定鋼軌打磨車作業(yè)效率和打磨后鋼軌表面質(zhì)量。目前，國外鋼軌主動打磨磨石制造商主要有法國諾頓(NORTON)、瑞士SPENO、斯洛伐克WEILER、日本則武等公司。我國鐵路系統(tǒng)鋼軌打磨磨石大部分依賴進(jìn)口，如圣戈班諾頓(NORTON)、瑞士SPENO等，尤其是高速鐵路鋼軌打磨用磨石。圖9a所示為鋼軌主動打磨磨石，其宏觀結(jié)構(gòu)主要包括鋁基體(預(yù)留安裝孔)、磨石基體和纏絲三部分。Q/CR 1-2014(《鋼軌打磨車磨石訂貨技術(shù)條件》)對我國鋼軌主動打磨磨石技術(shù)要求、檢驗方法等信息進(jìn)行了全面規(guī)定[42]。面向龐大的磨石市場空間，眾多國內(nèi)機構(gòu)致力于鋼軌打磨磨石的技術(shù)開發(fā)，但國產(chǎn)主動打磨磨石存在打磨效率低、耐磨性差、易燒傷鋼軌等缺點，且不同廠家磨石性能參差不齊[43]。此外，磨石制備、性能驗證等方面技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等文件的缺失是阻礙磨石技術(shù)發(fā)展、制約磨石國產(chǎn)化進(jìn)程的主要原因之一[43-44]。

高速被動打磨磨石如圖9b所示，主要有兩種規(guī)格(外徑×厚度)：φ120 mm×85 mm、φ160 mm×85 mm。外徑較大磨石去除效率更高，更換周期更長，但對磨石的強度有更高要求。高速、高周、高載等嚴(yán)苛工況以及高效、高質(zhì)作業(yè)需求，對磨石的力學(xué)性能、作業(yè)性能有嚴(yán)格要求。德國VOSSLOH為我國線路鋼軌提供打磨服務(wù)，高速打磨車裝備公司自主研發(fā)的高速磨石。目前，VOSSLOH委托圣戈班在江蘇昆山進(jìn)行高速磨石生產(chǎn)，但暫未見相關(guān)磨石應(yīng)用于線路打磨的報道。我國在鋼軌高速打磨磨石技術(shù)方面暫無技術(shù)儲備。

(a)主動打磨磨石[43]

磨石作為鋼軌維護(hù)領(lǐng)域的重要耗材，具有廣闊的市場前景，國內(nèi)外諸多機構(gòu)圍繞磨石開展了大量研究。但磨石設(shè)計制造涉及復(fù)合材料配方、成形工藝、打磨性能、工況匹配以及打磨后鋼軌質(zhì)量等諸多方面，是多因素耦合、多學(xué)科交叉的“卡脖子”技術(shù)難題。以下從磨石成形、磨石結(jié)構(gòu)設(shè)計、磨石性能評價方法等三個方面對磨石研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對目前磨石研究存在的共性問題與技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)，為磨石的設(shè)計制造提供理論參考。

2.1 磨石成形研究進(jìn)展

2.1.1磨石黏結(jié)劑

黏結(jié)劑主要作用是黏結(jié)磨料，使磨石具有一定的力學(xué)性能(強度、韌性)、耐磨性能與耐熱性能等，且在打磨過程中為磨料提供把持力。磨石結(jié)合劑主要有陶瓷基、金屬基以及樹脂基3種。陶瓷結(jié)合劑化學(xué)性能穩(wěn)定，耐熱性好，但是脆性大、導(dǎo)熱差，與鋼軌打磨領(lǐng)域的嚴(yán)苛工況(高速、高載、高溫、強振等)不匹配。目前，在鋼軌打磨領(lǐng)域并未見陶瓷結(jié)合劑磨石的相關(guān)報道。

金屬結(jié)合劑可以使磨石兼具高強度、高導(dǎo)熱性、高耐磨性。西南交通大學(xué)蔣小松團(tuán)隊采用粉末冶金的方法分別制備了銅基[45]和鐵基[46]兩種金屬結(jié)合劑縮比磨石。打磨實驗結(jié)果顯示，鐵基磨石的磨削比約為樹脂基磨石的15倍，高達(dá)686。然而，由于金屬結(jié)合劑強度高，打磨過程中結(jié)合劑難以磨損使磨料外露，導(dǎo)致磨石的自銳性差。同時，由于鋼軌打磨車不具備鈍化磨石修銳條件，因此金屬基磨石在線路打磨作業(yè)并無優(yōu)勢。此外，金屬結(jié)合劑磨石燒結(jié)溫度高，工藝復(fù)雜，制造成本較高，磨石經(jīng)濟性較差。目前，尚無金屬結(jié)合劑磨石線路打磨作業(yè)案例。未來金屬基磨石強度/自銳性的協(xié)調(diào)、尋求低廉生產(chǎn)原料、精簡的制造工藝是研究關(guān)鍵點和難點。

樹脂結(jié)合劑兼具較高的強度、韌性，且原料價格低廉、成形工藝簡單，廣泛應(yīng)用于磨具制造。目前，國內(nèi)外軌道交通線路鋼軌打磨車所裝備的磨石(主動打磨、高速被動打磨)均為樹脂基磨石[42-43]。鋼軌打磨作業(yè)工況苛刻，干磨削狀態(tài)下磨削溫度較高，因此磨石普遍采用耐高溫、黏結(jié)性好、易于成形的酚醛樹脂，以及對其改性的新品種，如環(huán)氧、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇醚脂、雙馬來酰亞胺等改性酚醛樹脂[47]。也有較多采用耐熱性能、機械性能更高的聚酚醚樹脂和聚酰亞胺樹脂[48]。張國文等[47]研究了4種酚醛樹脂磨石的打磨性能，結(jié)果表明，保證樹脂高溫下強/韌性、耐熱性是制備高性能磨石的關(guān)鍵因素。章武林等[49]的研究結(jié)果顯示：低強度(結(jié)合劑含量低)磨石自銳性好、材料去除量大，但易燒傷鋼軌、磨石耐磨性差；而高強度(高結(jié)合劑含量)磨石耐磨性好、磨石磨削比高，但磨石自銳性差。ZHANG等[24]認(rèn)為磨料/結(jié)合劑界面脫黏是導(dǎo)致棕剛玉磨石磨料過早脫落、打磨量和磨削比均較低的主要原因。以上研究結(jié)果顯示，樹脂強/韌性、耐熱性以及對異質(zhì)材料(磨料、填料等)表面的潤濕性等直接制約磨石的綜合性能，因此，優(yōu)選高強/韌性、抗熱衰退、浸潤性強的樹脂，厘清磨石體系中樹脂/磨料、樹脂/填料等異質(zhì)界面的黏結(jié)機理，對指導(dǎo)磨石性能的提升與定向調(diào)控具有重要的科學(xué)價值。

2.1.2磨石磨料

磨石常用磨料為剛玉類磨料(鋯剛玉、棕剛玉、白剛玉等，如圖10所示)[24，50]、部分超硬磨料(CBN)[51]以及SiC、WC等。由于金剛石與過渡金屬元素Fe具有很強親和力，因此在磨削高溫下金剛石表層碳原子的sp3雜化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為sp2+2P1z的狀態(tài)，即金剛石石墨化，降低了磨料磨削性能[52-53]，因而金剛石不適用于鋼軌磨削。雖然CBN磨料強/韌性好，且耐高溫、耐磨、導(dǎo)熱性好、磨削能力強[54-55]，但其粒徑小(最大粒徑小于500 μm)、價格高，在鋼軌打磨這類粗磨與重負(fù)荷工況下很難體現(xiàn)出其磨削性能優(yōu)勢，且磨石經(jīng)濟性較差。剛玉類磨料具備良好的耐磨性、強/韌性，且切削能力強、成本低廉，在鋼軌打磨類高速、高載、干磨削、粗粒度等極端作業(yè)工況下具有顯著優(yōu)勢。章武林[27]采用單軸壓縮試驗裝置檢測了F16的鋯剛玉、煅燒棕剛玉、白剛玉的抗壓強度及對應(yīng)磨石的磨削性能，結(jié)果顯示：鋯剛玉強度最高(308.0 MPa)，其次為煅燒棕剛玉(124.0 MPa)，最低為白剛玉(103.2 MPa)；鋯剛玉、煅燒棕剛玉、白剛玉磨料磨石的磨削比依次為41.0、22.4、11.9。因此，鋼軌打磨磨石的制造普遍采用強/韌性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的剛玉類磨料，尤其是鋯剛玉和棕剛玉[40-41，50]。目前，全球高性能鋯剛玉磨料冶煉技術(shù)被法國圣戈班等企業(yè)掌握。因此，突破鋯剛玉冶煉關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研發(fā)高性能(高強韌性、耐磨性、耐熱性、良好自銳性等)鋯剛玉磨料，對于磨石性能的提升至關(guān)重要。

(a)鋯剛玉磨料 (b)白剛玉磨料

目前，線路鋼軌打磨磨石的制造均采用不同粒度、種類的混合磨料。WANG等[50]研究了不同鋯剛玉、棕剛玉配比下磨石的磨削性能，結(jié)果顯示，隨著棕剛玉含量的增加(0%～100%)，磨石的打磨量下降。綜合比較結(jié)果表明，磨石中添加10%～30%的棕剛玉，既可以保證磨石具有較理想的打磨效率，又能降低磨石的制造成本。ZHANG等[56]研究了不同磨料粒度(F10～F30)磨石的磨削行為，結(jié)果顯示：在一定載荷下，隨著磨料粒徑的減小，磨石的主要磨削機制從滑擦、耕犁逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢?，磨石磨削性能和打磨后鋼軌表面質(zhì)量均得到提升。在后續(xù)的研究中，ZHANG等[24]繼續(xù)研究了鋯剛玉、棕剛玉、白剛玉磨料的力學(xué)性能以及對應(yīng)磨石的磨削行為，結(jié)果表明磨料力學(xué)性能是影響磨石磨削性能的根本原因之一。WANG等[57]研究結(jié)果顯示，打磨振動隨著磨石磨料粒徑的減小而增大。雖然圍繞磨石磨料已經(jīng)開展了大量的研究工作，但是磨料結(jié)構(gòu)(幾何形態(tài)、種類、粒度、配比等)對磨石理化性能(強/韌性、強度、耐熱性、耐磨性等)和使役性能(打磨量、磨削比、使用壽命、服役里程、失效機制、打磨后鋼軌表面質(zhì)量)的調(diào)控機制仍不明晰。

2.1.3磨石填料

磨石結(jié)合劑中針對性地加入一定質(zhì)量(或體積)分?jǐn)?shù)的填料，可以實現(xiàn)對磨石機械性能(強度、韌性、耐磨性等)、耐候性、耐熱性以及磨具/工件界面摩擦因數(shù)、磨削熱的可控調(diào)節(jié)。為了達(dá)到預(yù)期調(diào)控效果，磨石所用填料必須滿足3個條件[52]：①能充分在樹脂中分散，且易浸潤；②水分低，且不吸濕變性，環(huán)境友好；③易于獲取，成本低廉。樹脂基磨具的常用填料及其功能如表4所示[27，52，58-61]，可以看出填料種類繁多，且磨石綜合性能是由多種填料協(xié)同調(diào)控的結(jié)果。目前關(guān)于填料種類、表面能、顆粒尺寸、添加量等多因素影響下磨石理化性能、使役性能的調(diào)控機理研究較少，且磨石所用的最佳填料組合、配比也無一致性結(jié)論。

表4 磨具常用填料及其功能[27，52，58-61]

2.1.4磨石產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀

面向軌道交通線路鋼軌修磨的迫切需求，國內(nèi)外大量機構(gòu)著手磨石的研發(fā)與制造。日本KANEMATSU等[62]制備了不同結(jié)合劑、不同磨料硬度等系列磨石，并用自制鋼軌打磨試驗裝置評價磨石磨削性能與打磨后鋼軌表面質(zhì)量，篩選出較佳磨石配方，相關(guān)研究成果被應(yīng)用于日本某線路鋼軌打磨作業(yè)[63]，然而磨石的具體配方、制備工藝并未對外公開。目前，法國的諾頓(NORTON)在鋼軌主動打磨磨石制造領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位；對于高速磨石，僅德國VOSSLOH技術(shù)成熟并成功應(yīng)用于HSG高速打磨車。由于磨石具有重大的商業(yè)價值和龐大的市場前景，NORTON與VOSSLOH等國外機構(gòu)未對外共享磨石配方、工藝等數(shù)據(jù)。

我國鋼軌打磨磨石技術(shù)起步晚，技術(shù)儲備薄弱，主要集中在鋼軌主動打磨磨石的研發(fā)與制造，如鎮(zhèn)江新礪河磨具有限公司[61，64]、武漢菲羅摩擦材料有限公司[65-66]、什邡瑞邦機械有限責(zé)任公司、新鄉(xiāng)市東津機械有限公司等。近10年來，很多國內(nèi)機構(gòu)陸續(xù)著手磨石的開發(fā)，如西南交通大學(xué)朱旻昊教授團(tuán)隊[24，40，49，56，67-68]、河南工業(yè)大學(xué)鄒文俊教授團(tuán)隊[69-70]、南京航空航天大學(xué)肖冰教授團(tuán)隊[71-74]、鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司[60]、中鐵隆昌鐵路器材有限公司[59，75]等。根據(jù)國內(nèi)部分機構(gòu)磨石專利申請情況，對磨石組分、成形工藝進(jìn)行了統(tǒng)計，如表5所示，可以看出，不同機構(gòu)所研發(fā)的磨石的配方、成形工藝差別較大，表明影響磨石性能的因素繁多，調(diào)控難度大。

(4) 分支線與分支開關(guān)之間為一對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系,即分支線上有多個分支開關(guān),但分支開關(guān)僅關(guān)聯(lián)一條分支線;

表5 部分國內(nèi)機構(gòu)磨石組分、成形工藝統(tǒng)計

鐵科院基于Q/CR 1—2014《鋼軌打磨車砂輪訂貨技術(shù)條件》對國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的96頭鋼軌打磨車用主動打磨磨石(G1型)進(jìn)行了抽檢，結(jié)果如表6所示[43]。其中：H為工件磨削量(mm)；G為磨石磨耗率(g/mm)，即磨石質(zhì)量損失與工件磨削量H的比值。檢測結(jié)果表明，雖然廠家1和廠家3生產(chǎn)的主動打磨磨石的工件磨削量H、磨石磨耗率G均能滿足Q/CR 1—2014規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，但國產(chǎn)磨石在耐磨性方面與進(jìn)口磨石仍存在較大的差距。由于國產(chǎn)主動打磨磨石存在耐磨性差、磨削效率低、使用壽命短、易燒傷鋼軌等缺點[43]，導(dǎo)致其市場份額小，僅用于普速鐵路鋼軌維護(hù)，高速鐵路與重點線路的打磨嚴(yán)重依賴進(jìn)口磨石，磨石的全面國產(chǎn)化仍面臨諸多科學(xué)、技術(shù)難題。

表6 國內(nèi)外鋼軌主動打磨磨石性能檢測結(jié)果

2.2 磨石結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前國產(chǎn)磨石最主要的缺點之一就是易燒傷鋼軌[43]。鋼軌打磨過程中，磨料的磨削作用(滑擦、耕犁、切削)、結(jié)合劑/鋼軌界面摩擦等是磨削熱的主要來源[35-56]。熱(磨削熱)-力(機械力)耦合作用下，鋼軌材料中的珠光體發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，并在隨后的冷卻中形成馬氏體和鐵素體，從而形成硬度高、脆性大的白層結(jié)構(gòu)。部分裂紋將在白層/珠光體邊界擴展，造成鋼軌過早失效[10]，如圖11a所示。打磨過程中伴隨著鋼軌表面不同程度的氧化，使打磨后鋼軌表現(xiàn)出不同顏色，通常將黃色、藍(lán)色、紫色稱之為“燒傷”。LIN等[76]在鋼軌中置入半人工熱電偶，對不同打磨參數(shù)下打磨界面的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，并將打磨溫度與鋼軌表面燒傷程度進(jìn)行對照，建立了燒傷程度(顏色變化)與打磨溫度的關(guān)系模型，如圖11b所示。在此基礎(chǔ)上，ZHOU等[35]建立了溫度與鋼軌打磨白層厚度、燒成程度的關(guān)系模型，為鋼軌打磨參數(shù)的優(yōu)化提供了新方法，如圖11c所示。以上研究結(jié)果顯示，優(yōu)化打磨參數(shù)、降低磨削熱，是改善鋼軌燒傷的重要方法之一。

(a)白層中裂紋擴展行為[10] (b)鋼軌燒傷與溫度對照關(guān)系[76]

很多學(xué)者從磨石設(shè)計的角度探索鋼軌打磨燒傷機理。ZHANG等[24]研究表明，白剛玉磨石因其自銳性最佳、磨削作用最顯著，進(jìn)而打磨溫度最高、白層厚度最大。YUAN等[41]在磨石中預(yù)制氣孔結(jié)構(gòu)，有利于磨屑的排出，減少了磨石堵塞，降低了磨削溫度，提高了打磨后鋼軌表面質(zhì)量。WANG等[50]開展了磨石硬度對鋼軌表面質(zhì)量的影響研究，結(jié)果顯示白層厚度隨磨石硬度的增大而增大。因此，合理調(diào)控磨石結(jié)構(gòu)(氣孔、磨料組成)、硬度等對改善鋼軌燒傷有積極的作用。

以上研究結(jié)果表明，打磨參數(shù)、磨石性能是影響鋼軌打磨燒傷的兩個主要因素。對于線路既有打磨車，為了保證打磨效率，很難在現(xiàn)有車體結(jié)構(gòu)上對作業(yè)參數(shù)做出較大的調(diào)整，因此，磨石結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能調(diào)控是改善鋼軌燒傷有效途徑之一。WU等[72-73]將釬焊金剛石預(yù)制塊以一定排布方式植入磨石中，如圖12a所示。打磨結(jié)果顯示，該復(fù)合磨石可有效提高鋼軌打磨效率，降低打磨后鋼軌表面粗糙度，改善鋼軌燒傷。趙勁波等[74]將CaF2與聚醚醚酮粘結(jié)制成自潤滑節(jié)塊，并置于磨石胚體中制備成自潤滑磨石，如圖12b所示，打磨結(jié)果顯示，自潤滑節(jié)塊可隨著磨石的磨損不斷在磨石/鋼軌界面釋放，降低磨削熱，改善鋼軌燒傷。磨石基體中植入釬焊預(yù)制塊、自潤滑節(jié)塊等，導(dǎo)致磨石結(jié)構(gòu)不均勻且引入了低強度界面(磨石基體/植入塊界面)，因此保證復(fù)合結(jié)構(gòu)磨石的力學(xué)性能(回轉(zhuǎn)強度、動平衡等)是關(guān)鍵難題。WU等[77]設(shè)計了圖12c所示所示具有狹縫的釬焊CBN磨料砂輪，改善了鋼軌工件燒傷，然而，該磨石所用釬焊層在鋼軌打磨過程中耐磨性較差，磨石使用壽命極短。因此，合理設(shè)計/調(diào)控磨石結(jié)構(gòu)，對降低磨削熱、改善鋼軌燒傷具有積極的作用，但使磨石兼顧良好的理化性能和使役性能是必須充分考慮的前提條件。

(a)預(yù)置金剛石節(jié)塊磨石[72-73]

2.3 磨石打磨性能評價方法

磨石研發(fā)過程中最關(guān)鍵的一環(huán)是對磨石的性能(尺寸及精度、動/靜平衡、回轉(zhuǎn)強度、承載能力、磨削性能等)進(jìn)行評價驗證，從而指導(dǎo)磨石配方、工藝、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。其中，磨石的磨削性能是磨石作業(yè)性能的直觀體現(xiàn)，備受研究者關(guān)注。目前，磨石磨削性能驗證設(shè)備，根據(jù)磨石/鋼軌相對作用形式差異可以分為6類：①傳統(tǒng)磨床式；②塊狀鋼軌固定式；③直線鋼軌進(jìn)給型；④圓環(huán)鋼軌水平旋轉(zhuǎn)進(jìn)給式；⑤鋼軌高速打磨臺架；⑥試驗線路實車打磨。

(1)傳統(tǒng)磨床式。UHLMANN等[78]利用圖13a所示的平面磨床研究磨削參數(shù)對鋼軌表面質(zhì)量(硬度、粗糙度、白層厚度)的影響。WU等[77]利用類似設(shè)備驗證了開槽磨石對打磨后鋼軌表面質(zhì)量有提升作用。此類打磨試驗機的特點是磨石線速度快(可達(dá)30～50 m/s)，但進(jìn)給速度低(8～16 m/min)[77]；同時，打磨壓力不可調(diào)。因此，該類試驗機不能模擬實際鋼軌打磨作業(yè)模式，僅可為磨石的磨削行為的研究提供參考。

(2)塊狀鋼軌固定式。基于現(xiàn)場鋼軌打磨磨石作動模式，很多學(xué)者將電機與磨石相連接，并用磨石端面與鋼軌工件接觸進(jìn)行打磨。KANEMATSU等[62]利用圖13b所示的鋼軌打磨試驗機驗證不同類型磨石的打磨性能。GU等[79]利用摩擦實驗試機改裝了一臺類似結(jié)構(gòu)的打磨試驗機，對不同粒度磨料磨石打磨性能進(jìn)行研究。該類試驗機能較好地模擬磨石轉(zhuǎn)速、打磨壓力等參數(shù)，但無法實現(xiàn)打磨進(jìn)給運動。且長時間打磨鋼軌局部區(qū)域，磨削熱作用下會使界面溫度升高，導(dǎo)致樹脂結(jié)合劑磨石在高溫下性能退化，對磨料的把持力下降；同時磨削熱作用下，鋼軌極易發(fā)生燒傷。因此，該類試驗機實驗過程中應(yīng)充分考慮磨削溫度對實驗結(jié)果的干擾。

(3)直線鋼軌進(jìn)給型。為解決GU等[79]鋼軌打磨試驗機鋼軌進(jìn)給問題，周坤[80]采用齒輪齒條驅(qū)動條形鋼軌，從而實驗了鋼軌1.6～4.0 km/h的單向、直線進(jìn)給，如圖13c所示，并采用該實驗機開展了不同打磨參數(shù)(打磨壓力[39]、進(jìn)給速度[40])、磨石硬度[50]的相關(guān)研究。黃貴剛[51]在BM2015龍門刨床主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改裝，研制了一臺立式鋼軌主動打磨試驗機，如圖13d所示。該設(shè)備采用現(xiàn)場60 kg/m規(guī)格鋼軌，模擬的進(jìn)給速度為0.3～4.5 km/h，且可實現(xiàn)±50°軌距角的打磨，利用該設(shè)備成功驗證了所研制CBN磨石打磨性能。鋼軌主動打磨作業(yè)速度為3～24 km/h，該類鋼軌打磨設(shè)備所模擬的速度均處于較低水平，因而實驗?zāi)芰κ芟蕖?/p>

(4)圓環(huán)鋼軌水平旋轉(zhuǎn)進(jìn)給式。中國鐵道科學(xué)院[43]、南京航空航天大學(xué)[72-73]以及瑞士KUFFA等[17]報道了一種圓環(huán)鋼軌水平旋轉(zhuǎn)進(jìn)給式試驗機，如圖13e所示，即將鋼軌加工成圓盤，并將其水平布置；鋼軌圓盤在驅(qū)動機構(gòu)作用下可在水平方向旋轉(zhuǎn)，從而模擬打磨車的進(jìn)給速度。中國鐵道科學(xué)院設(shè)計的該設(shè)備，其鋼軌圓盤直徑約1.6 m，打磨光帶寬度為10 mm，可模擬的最大打磨速度為10.8 km/h[43]?；谠搶嶒炘O(shè)備的打磨效果，為主動打磨磨石的訂貨條件的制定提供了數(shù)據(jù)支撐[42-44]。該類設(shè)備在鋼軌主動打磨領(lǐng)域認(rèn)可度最高。

(5)鋼軌高速打磨臺架。西南交通大學(xué)王衡禹團(tuán)隊[26，81]設(shè)計了一臺鋼軌高速被動打磨試驗機，可模擬最大打磨速度達(dá)60～80 km/h，如圖13f所示。此外，河南工業(yè)大學(xué)的鄒文俊教授團(tuán)隊[69-70]設(shè)計了一臺小型鋼軌高速打磨試驗機(圖13g)，其鋼軌輪盤為垂向布置，設(shè)備可調(diào)節(jié)磨石沖度、打磨壓力；鋼軌外徑為150 mm，磨石規(guī)格為φ80 mm×10 mm×10 mm，可模擬現(xiàn)場60～80 km/h的打磨速度及1200～3200 N的打磨壓力。該類試驗機對高速磨石的研制具有重要的指導(dǎo)作用。

(6)試驗線路實車打磨。近10年來金鷹重工著手鋼軌高速打磨車的研制與創(chuàng)新設(shè)計，并在湖北襄陽市余家湖修建了鋼軌打磨實驗基地。圖13h所示為鋼軌高速打磨小車，整車可裝配24個磨石(單側(cè)12個)，打磨速度大于60 km/h[26]。該車作業(yè)工況、作業(yè)模式均可與現(xiàn)場鋼軌高速打磨完全吻合，可驗證磨石的切削性能；同時整車裝備多個磨石，可以驗證磨石生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。因此，在建立完備評價體系條件下，該打磨小車未來對磨石性能的評價和驗證具有權(quán)威指導(dǎo)價值。

表7對各類鋼軌打磨實驗機的優(yōu)缺點進(jìn)行了綜合對比。結(jié)果表明，每一類試驗機對鋼軌打磨過程中的材料去除行為、磨石性能評價均具有參考價值。然而，由于試驗機打磨形式、作業(yè)工況等差異性較大，基于不同試驗機給出的實驗結(jié)果和結(jié)論對磨石的設(shè)計制造不具備普適性，因此，科學(xué)地設(shè)計實驗方法，并建立磨石性能的評價準(zhǔn)則至關(guān)重要。

表7 各類磨石打磨性能驗證方法對比

西南交通大學(xué)朱旻昊教授團(tuán)隊面向鋼軌高速打磨磨石，提出了多維度評價的研制技術(shù)路線，即“縮比磨石-全尺寸磨石臺架打磨-試驗線路掛車實驗-線路打磨作業(yè)”[24，27，41]。首先從磨石力學(xué)性能、打磨性能、打磨后鋼軌表面質(zhì)量等三個層面構(gòu)筑各維度下磨石性能的評價準(zhǔn)則，并對各項指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化、量綱化；其次，對高速磨石配方、工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，基于評價準(zhǔn)則開展多維度驗證；最后，基于最佳配方制備全尺寸磨石進(jìn)行試驗線路掛車試驗，驗證方案可行性?；谝陨霞夹g(shù)路線，該團(tuán)隊成功調(diào)制了三批高速磨石(G1、G2、G3)，并在圖13f所示的高速打磨臺架上與某線路作業(yè)高速磨石(Gf)進(jìn)行綜合性能對比，結(jié)果如圖14所示[27]，結(jié)果表明，自制G3磨石在磨削性能(打磨量、磨削比、等效打磨深度)、耐磨性能(體積磨損率、使用里程、使用壽命)等方面均優(yōu)于Gf。但相關(guān)結(jié)果目前尚未經(jīng)過批量制備全尺寸磨石進(jìn)行試驗線路掛車驗證。多維度評價的磨石研制技術(shù)路線縮短了磨石研發(fā)周期、降低了科研成本，為磨石產(chǎn)品的研發(fā)開辟了新思路。

圖14 高速磨石臺架打磨綜合性能評價[27]Fig.14 Grinding performance evaluation of the high-speed grinding stone on high speed grinding bench

2.4 磨石國產(chǎn)化所面臨的挑戰(zhàn)

以上從磨石的成形(原料與工藝)、磨石性能評價方法、鋼軌燒傷等方面對磨石研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，概括了磨石的設(shè)計與制造是一個多學(xué)科(機械、材料、力學(xué)等)、多因素(組分、工藝、界面、工況等)交互作用的復(fù)雜技術(shù)難題，以下從磨石成形、磨石/鋼軌界面作用行為、磨石性能評價等三個方面對磨石研發(fā)過程中所面臨的困難與挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)(圖15)，旨在為相關(guān)科技工作者和從業(yè)人員提供一定的參考。

(a)磨石成形[27，68，82]

2.4.1磨石成形

磨石性能受配方(樹脂、填料、磨料等)、成形工藝(混料、固化等)、結(jié)構(gòu)(氣孔率與孔徑、磨料濃度等)以及異質(zhì)界面(樹脂/磨料、樹脂/填料等)黏結(jié)強度等諸多因素的影響，如圖15a所示。目前，磨石體系異質(zhì)界面黏結(jié)機理尚不清晰；微/納填料對結(jié)合劑強韌性、耐熱性、耐磨性的調(diào)控機理亟待揭示；復(fù)雜磨石結(jié)構(gòu)對磨石理化性能、使役性能的影響機制尚不明確。以上科學(xué)、技術(shù)難題給磨石性能的調(diào)控帶來了極大困難。

袁永杰[82]利用ABAQUS與Python協(xié)同建立虛擬磨石模型，通過有限元計算的方法開展磨石相關(guān)研究，對變量較多、工藝復(fù)雜的磨石設(shè)計具有重要啟發(fā)作用。因此，未來可以采用有限元等方法快速、高效構(gòu)筑磨石模型，建立各因素間更精細(xì)的協(xié)同響應(yīng)關(guān)系譜圖，指導(dǎo)磨石的設(shè)計，并通過大量的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行論證。

2.4.2磨石/鋼軌界面作用行為

磨料幾何形狀、空間取向具有隨機性，導(dǎo)致磨料磨削(滑擦、耕犁、切削)過程中的前角差異較大，因而每顆磨料對鋼軌材料的作用行為(機械力、磨削溫度等)同樣具有隨機性，進(jìn)而對磨石的失效機制、鋼軌表面質(zhì)量的影響也存在差異。理想狀態(tài)下：磨料經(jīng)過多次周期性的磨耗-自銳過程，充分發(fā)揮其切削功能；結(jié)合劑的磨損與脫落，使鈍化磨料脫落，磨石自銳；但結(jié)合劑過度磨損，導(dǎo)致磨料過早脫落，磨料利用率降低，磨石的耐磨性下降，縮短了使用壽命。因而，磨石的磨損與自銳須達(dá)到平衡狀態(tài)，才能使磨石兼具較強的切削性能和較長的使用壽命。同時，磨石的磨損直接影響磨料的出刃狀況與切削前角，進(jìn)而影響打磨過程磨削熱以及鋼軌表面質(zhì)量。由此可見，鋼軌打磨過程中，磨石/鋼軌界面熱-機耦合作用下，材料去除與磨石失效相互影響且關(guān)系緊密，并最終影響打磨后鋼軌表面質(zhì)量。

目前，鋼軌打磨過程材料去除、磨石失效相互作用機制及其對鋼軌表面質(zhì)量的影響規(guī)律尚不明確，增加了磨石的設(shè)計難度，如圖15b所示。因此，研究鋼軌打磨過程材料去除機理、磨石磨損機制、鋼軌表面質(zhì)量演變規(guī)律，構(gòu)筑磨石結(jié)構(gòu)-磨石力學(xué)性能-打磨性能-磨石失效機制-鋼軌表面質(zhì)量的物理關(guān)系模型，對磨石的設(shè)計和制造具有重要的指導(dǎo)價值。

2.4.3磨石性能評價

科學(xué)全面地評價磨石性能(尤其是磨削能力)可為磨石配方、工藝的設(shè)計提供重要參考。目前，磨石性能評價方法多種多樣，且缺乏統(tǒng)一的磨石性能評價標(biāo)準(zhǔn)，給磨石相關(guān)研究成果的共享帶來困難，如圖15c所示。同時，目前很多研究者通過制備全尺寸磨石開展相關(guān)研究，磨石尺寸較大，不利于后期宏觀/微觀表征分析，無法獲得更精細(xì)的實驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實驗結(jié)果對磨石性能調(diào)控的指導(dǎo)有限，從而降低磨石的研發(fā)效率，增加了研究成本，造成能源和原料的浪費。因此，可以采用多維度評價技術(shù)路線，科學(xué)地設(shè)計磨石評價設(shè)備，構(gòu)筑各維度磨石性能的評價準(zhǔn)則，為磨石的在軌道交通線路的推廣奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

鋼軌打磨技術(shù)可有效去除鋼軌病害，延長鋼軌的使用壽命，提高列車運行的舒適性、安全性和穩(wěn)定性。隨著經(jīng)濟發(fā)展對線路運能提升的迫切需要，以預(yù)防、養(yǎng)護(hù)為主的預(yù)防性打磨將是未來的主流發(fā)展方向。近年來，我國鋼軌打磨裝備技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的主動打磨車、高速打磨車、銑磨車等裝備陸續(xù)下線作業(yè)。然而，與打磨車配套的磨石，其關(guān)鍵技術(shù)仍被國外制造商把控，國產(chǎn)磨石技術(shù)嚴(yán)重滯后于鋼軌打磨裝備技術(shù)的發(fā)展，嚴(yán)重制約了我國鋼軌打磨技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。因此，基于我國國情，結(jié)合鋼軌打磨作業(yè)特點，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能磨石迫在眉睫。為打破國外制造商在高性能磨石領(lǐng)域的壟斷局面，全面提升我國自主鋼軌打磨技術(shù)與競爭力，未來的研究可以考慮從以下幾個方面進(jìn)行：

(1)高性能磨石原料制備技術(shù)與裝備。樹脂、磨料、填料等關(guān)鍵原料是決定磨石綜合性能的重要影響因素。然而，目前高性能磨石關(guān)鍵原料(鋯剛玉、酚醛樹脂等)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，對磨石的國產(chǎn)化以及未來大規(guī)模的市場化存在潛在威脅與制約。因此，突破高性能原料制備技術(shù)與裝備等關(guān)鍵難題，開發(fā)高強/韌性與耐熱性的酚醛樹脂、高強/韌與高自銳性能的鋯剛玉磨料等，對研發(fā)擁有全自主知識產(chǎn)權(quán)的磨石具有重大戰(zhàn)略意義。

(2)多因素耦合作用下磨石性能的調(diào)控機制。磨石的綜合性能受成形工藝與方法(原料、工藝、結(jié)構(gòu))、磨損行為、材料去除機制等諸多因素的影響，但是目前多因素間相互影響行為及作用機制尚不清晰。未來可以開展更精細(xì)的研究，厘清各因素對磨石綜合性能的影響規(guī)律與機理，如樹脂/磨料異質(zhì)界面黏結(jié)機制、微納填料顆粒調(diào)控機制、成型工藝影響機制等，構(gòu)筑多因素互聯(lián)作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，從而指導(dǎo)國產(chǎn)磨石性能的調(diào)控與制備。

(3)綠色經(jīng)濟的磨石制備技術(shù)與應(yīng)用。目前，磨石的研究一般是制備全尺寸磨石進(jìn)行評價，工業(yè)級小批量磨石的制備導(dǎo)致大量資源的浪費，且周期較長、效率低。因此，未來可以參照類似于“縮比磨石-全尺寸磨石臺架打磨-現(xiàn)場作業(yè)驗證”多維度評價技術(shù)路線，通過科學(xué)、量化各維度磨石性能評價指標(biāo)，快速、高效、精細(xì)、閉環(huán)地優(yōu)選磨石配方、工藝，縮短研發(fā)周期、降低實驗成本和能源損耗，使磨石的研制朝著綠色、經(jīng)濟的方向發(fā)展。同時，將相關(guān)共性科學(xué)方法與技術(shù)在先進(jìn)制造、重負(fù)荷磨削(荒磨)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用推廣。

(4)磨石基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系。磨石性能受多因素(組分、工藝、結(jié)構(gòu)等)影響，且各因素之間相互影響、協(xié)同調(diào)控。因此，未來可以科學(xué)地制定各因素對磨石性能影響行為的實驗方案，并將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興科學(xué)技術(shù)方法，建立磨石性能調(diào)控的數(shù)學(xué)模型，并不斷優(yōu)化訓(xùn)練，從而構(gòu)筑磨石調(diào)控機制-力學(xué)性能-打磨性能-失效機制-鋼軌表面質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，精確、定向地指導(dǎo)多品類磨石的開發(fā)。

(5)完備的磨石評價體系標(biāo)準(zhǔn)。磨石的研發(fā)涉及多學(xué)科交叉，制備、評價過程復(fù)雜。目前各機構(gòu)磨石制備配方、工藝、評價方法多種多樣，磨石性能參差不齊。因此，科學(xué)構(gòu)筑磨石性能的評價體系，形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)等文件，參數(shù)化、量化磨石性能判定指標(biāo)，將對磨石的規(guī)范設(shè)計制造具有重要的指導(dǎo)意義。