鋼軌砂帶打磨與砂輪打磨綜合性能對比實驗研究

吳志偉 樊文剛 王 謙 劉 弋 馬騰飛

1.北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)院，北京，100044 2.北京交通大學(xué)載運工具先進制造與測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京，100044 3.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，烏魯木齊，830011

0 引言

作為輪軌式軌道交通系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，鋼軌在服役過程中長期處于惡劣的自然環(huán)境以及時刻受到來自車輪的復(fù)雜多變載荷沖擊，因而容易遭受到諸多病害困擾，如波磨、裂紋、剝離、壓潰、點蝕和肥邊等，嚴(yán)重危及行車平穩(wěn)性和安全性[1-3]。鋼軌打磨是目前全球公認(rèn)的對鋼軌在線維護保養(yǎng)的有效技術(shù)[4]，能夠消除軌道病害、修復(fù)鋼軌廓形、改善輪軌接觸關(guān)系和延長鋼軌服役壽命。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和軌道交通技術(shù)水平的不斷提高，鐵路網(wǎng)、高鐵網(wǎng)和城市軌道交通網(wǎng)日益密集。面對軌道交通運營里程不斷增加以及“天窗時間”不斷減少等客觀趨勢，如何在保證打磨質(zhì)量的前提下持續(xù)提高打磨效率已經(jīng)成為現(xiàn)階段鋼軌維護保養(yǎng)亟需解決的關(guān)鍵問題。

目前，鋼軌打磨技術(shù)主要包括砂輪端面打磨[5-8]、砂輪周面打磨[9-10]、砂輪高速打磨和銑磨復(fù)合打磨。近年來，鑒于砂帶制造技術(shù)的提高和現(xiàn)有鋼軌砂輪打磨技術(shù)的局限性[11-12]，研究人員提出了一種新型鋼軌打磨技術(shù)——鋼軌砂帶打磨。鋼軌砂帶打磨的相關(guān)研究主要集中在打磨接觸理論、材料去除模型和砂帶服役壽命等方面。王文璽等[13]基于赫茲接觸理論建立了單接觸輪及多接觸輪的磨削溫度數(shù)學(xué)模型并進行了仿真驗證。HE等[14]基于赫茲接觸理論開展了接觸壓力對鋼軌砂帶打磨性能影響的試驗研究并論證了其有效性。此外，許多學(xué)者利用有限元仿真研究磨粒切削過程中鋼軌材料的去除過程，建立材料去除模型。FAN等[15]在考慮鋼軌波磨影響的基礎(chǔ)上，建立了對應(yīng)的材料去除模型。樊文剛等[16]基于彈性赫茲接觸理論建立了鋼軌砂帶打磨材料去除深度數(shù)學(xué)模型和材料去除量數(shù)學(xué)模型。CHENG等[17]提出了一種基于聲信號的砂帶磨損狀態(tài)監(jiān)測方法。劉月明等[18]借助砂帶試驗機開展了磨削鋼軌試件的加工試驗，研究了砂帶磨削速度、磨粒粒度等因素對材料去除效率、表面層硬度、表面粗糙度、磨削比、磨削力比的影響規(guī)律。

實驗室理想條件下的研究表明，鋼軌砂帶打磨在材料去除率和表面質(zhì)量等方面具有一定的優(yōu)勢。然而，鋼軌砂帶打磨技術(shù)和傳統(tǒng)砂輪打磨技術(shù)影響因素極其復(fù)雜，存在不確定性，從理想的實驗室環(huán)境中得出的這些結(jié)論與實際的軌道維護條件并不一定符合。因此，本文在實際的軌道環(huán)境中，通過對比實驗的方法，分別從材料去除率、表面粗糙度、振動、噪聲、能耗和溫度等方面對鋼軌砂帶打磨和砂輪打磨的綜合性能進行了對比研究。

1 技術(shù)原理、實驗裝置與內(nèi)容

1.1 打磨技術(shù)原理

鋼軌砂輪端面打磨技術(shù)原理如圖1所示，鋼軌廓形打磨角度為α，通過電機驅(qū)動砂輪以速度ω旋轉(zhuǎn)，并隨打磨機以速度f沿鋼軌縱向行進，在打磨壓力Fn的作用下，砂輪端面磨粒與鋼軌表層接觸形成相對運動，從而去除鋼軌表層材料[19]。

圖1 砂輪端面打磨技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of abrasive wheel end face grinding technology

鋼軌砂帶打磨技術(shù)原理如圖2所示，接觸輪由彈性橡膠層和剛性輪轂組成，砂帶被接觸輪帶動以速度vs旋轉(zhuǎn)，并隨打磨機以速度f沿鋼軌縱向行進，在打磨壓力Fn的作用下，砂帶表面磨粒與鋼軌表層接觸形成相對運動，從而去除鋼軌表層材料[3]。

圖2 砂帶打磨技術(shù)原理圖Fig.2 Schematic diagram of abrasive belt grinding technology

1.2 實驗裝置

本次實驗所需要的設(shè)備與材料包括60GB鋼軌、砂帶打磨機、砂輪打磨機、壓力傳感器、電流實時監(jiān)測儀、廓形儀、粗糙度計、振動測量儀、噪聲計、顯微鏡、相機等。

適用于鐵路道岔區(qū)鋼軌養(yǎng)護的砂帶打磨機和砂輪打磨機如圖3所示。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相比，它們都是由鋰電池驅(qū)動的，因此更環(huán)保。在功能層面上，它們都被設(shè)計成具有水平運動、垂直運動和旋轉(zhuǎn)運動，通過這些運動可以進行任意角度的鋼軌打磨。為排除無關(guān)條件的干擾，使用36號陶瓷砂帶和36號陶瓷砂輪作為實驗?zāi)ゾ?；磨削進給速度嚴(yán)格限制在0.25～0.3 m/s，與實際工況幾乎相同。實驗設(shè)備的主要參數(shù)如表1所示，它們都采用相同配置的電機、電池和電氣系統(tǒng)。

(a)砂帶打磨機 (b)砂輪打磨機圖3 實驗設(shè)備Fig.3 Experimental equipment

表1 實驗設(shè)備的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of experimental equipment

1.3 實驗內(nèi)容

1.3.1鋼軌預(yù)處理

根據(jù)我國鐵路現(xiàn)狀，選擇具有代表性的60N型鋼軌廓形作為實驗對象。依據(jù)我國鐵路鋼軌的一般標(biāo)準(zhǔn)，60N型鋼軌廓形只是設(shè)計目標(biāo)，是從滿足輪軌相互作用的實際要求出發(fā)的，具有60N型剖面的鋼軌試樣需要從原始的60GB型剖面獲得。通過專業(yè)的廓形儀，在精度控制范圍內(nèi)，將60GB型鋼軌輪廓處理成60N型，如圖4所示。

(a) 60GB型鋼軌廓形

(b) 60N型鋼軌廓形圖4 鋼軌試樣制備Fig.4 Preparation of rail sample

1.3.2打磨實驗

60N型鋼軌廓形是幾何對稱的，由一系列不同曲率半徑的圓弧組成，如圖5所示。鋼軌打磨的角度范圍為-20°左右(非工作側(cè))到 60°以上(工作側(cè))。為了獲得更多關(guān)于砂帶打磨和砂輪打磨的對比信息，根據(jù)小型設(shè)備進行鐵路道岔區(qū)域鋼軌維護常規(guī)參數(shù)值，設(shè)計了兩組分別對應(yīng)于軌頂 0°和軌側(cè) 20°的實驗來研究打磨性能。對于每組實驗，采用標(biāo)記為15，30，45，60，75，90 N的6個均勻間隔的打磨壓力值。此外，通過60N型鋼軌輪廓的幾何形狀，可以基于打磨寬度計算出材料去除率。

圖5 60N鋼軌廓形Fig.5 60N rail profile

將2 m長的鋼軌試件固定在實際軌道上，以周圍標(biāo)準(zhǔn)軌道為基準(zhǔn)進行調(diào)整。如圖6所示，一半軌道樣品使用砂帶打磨機進行打磨實驗，另一半使用砂輪打磨機進行打磨實驗。為了避免干擾，砂帶打磨和砂輪打磨的磨削路徑設(shè)置為相反的方向。選擇遠離打磨過程開始和結(jié)束階段的三個測量位置進行取樣，可以消除不同來源的誤差，盡量保證結(jié)果的真實性。使用圖6所示的各種相關(guān)儀器，測量記錄每次實驗電池的母線電流、鋼軌輪廓曲線、表面粗糙度、振動加速度和噪聲等數(shù)據(jù)。

圖6 實驗方案設(shè)計Fig.6 Experimental scheme design

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 打磨過程和效果

根據(jù)設(shè)計的方案，砂帶和砂輪打磨機依次進行了不同打磨壓力和打磨角度的24次實驗。打磨過程和效果的對比如圖7所示，可以看出，無論是砂帶打磨還是砂輪打磨，隨著打磨壓力的增大，磨削寬度都隨之增大。每次實驗中，砂帶的打磨寬度遠大于砂輪的打磨寬度，表現(xiàn)出材料去除能力的明顯差異?？傮w而言，軌頂0°的打磨寬度大于軌側(cè)20°的打磨寬度，原因是軌頂0°的曲率半徑較大，導(dǎo)致接觸面積較大。

(a)軌頂0°

(b)軌側(cè)20°圖7 打磨過程和效果的對比圖Fig.7 Comparison of grinding process and effect

此外，對于砂帶和砂輪打磨，打磨后鋼軌試樣的表面形貌如圖8所示。砂帶打磨的表面紋理表現(xiàn)為單一方向的磨痕，而砂輪打磨的表面紋理表現(xiàn)為圓形磨痕，因此，鋼軌試樣的表面粗糙度不能簡單地用一個方向來評價。

(a)砂帶打磨 (b)砂輪打磨圖8 鋼軌試件打磨后的表面Fig.8 Polished surface of rail specimen

2.2 材料去除率

表2所示為不同打磨壓力和打磨角度得到的材料去除率結(jié)果。軌頂0°和軌側(cè)20°的對比如圖9所示。

表2 材料去除率Tab.2 Material removal rate

由圖9可知，隨著打磨壓力的增大，砂帶和砂輪打磨的材料去除率都呈上升趨勢，這符合通常的磨削原理。然而，砂帶打磨和砂輪打磨的材料去除率區(qū)別是非常明顯的，砂帶打磨的材料去除率的速率變化相對較快，而砂輪打磨的材料去除率的速率變化非常緩慢。最明顯的是軌頂0°的情況，所有砂帶打磨實驗的材料去除率的值大約是所有砂輪打磨實驗的2.7、8.9、14.9、28.0、30.7和102.1倍；至于軌側(cè)20°的情況，所有砂帶打磨實驗的材料去除率的值大約是所有砂輪打磨實驗的4.7、7.3、5.5、8.2、6.6和7.2倍。對于砂帶打磨和砂輪打磨，軌面角度對打磨效果有不同的影響。

對于砂帶打磨，除了最初的兩組實驗數(shù)據(jù)之外，由軌頂0°的實驗產(chǎn)生的材料去除率都大于軌側(cè)20°的材料去除率。相反，對于砂輪打磨來說，由軌頂0°的實驗產(chǎn)生的材料去除率都小于軌側(cè)20°的材料去除率。原因是：磨粒隨機分布于砂輪表面，實際磨削時，磨粒都是以較大的負(fù)前角、小后角甚至負(fù)后角的刃口進行切削，單位面積上有效磨粒較少，容屑空間小，排屑能力差，不利于實現(xiàn)大的切除率；而砂帶由于磨粒植砂方式的特殊性，磨粒的大小和分布均勻，等高性好，單位面積上有效磨粒數(shù)多，磨粒之間間隔較大，容屑空間大，利于實現(xiàn)大的切除率。因此，同樣大小的接觸面積，砂帶打磨鋼軌材料去除率更高，而且，砂輪打磨由于其磨削能力差，更容易受到由軌道輪廓角度限定的接觸面積的影響。另外，由于砂輪磨粒間充滿了結(jié)合劑，容屑空間小，而砂帶磨粒間容屑空間一般至少是砂輪的10倍，磨粒的切入深度更大，材料去除率更高。

2.3 表面粗糙度

砂輪機采用的是砂輪端面磨削，以面接觸形式實現(xiàn)鋼軌表面病害去除；砂帶機采用的是周面打磨，以線接觸形式實現(xiàn)鋼軌表面病害去除。因此，表面粗糙度的分析分別針對鋼軌的縱向和橫向進行，其中縱向被定義為平行于鋼軌的長度方向，橫向垂直于縱向?？v向表面粗糙度的結(jié)果列于表3中，對比如圖10所示。總體而言，軌頂0°和軌側(cè)20°的縱向表面粗糙度始終在0.368～3.004 μm之間波動。軌頂0°時，砂帶打磨的縱向表面粗糙度大多大于砂輪打磨的縱向表面粗糙度，而軌側(cè)20°時，結(jié)論是相反的。

表3 縱向表面粗糙度Tab.3 Longitudinal surface roughness

圖10 縱向表面粗糙度對比圖Fig.10 Comparison of longitudinal surface roughness

橫向表面粗糙度的結(jié)果列于表4，砂帶打磨的橫向表面粗糙度(5.190～8.050 μm)比砂輪打磨的橫向表面粗糙度(1.288～2.106 μm)大得多，如圖11所示。可以看出，對于砂輪打磨，軌頂0°的橫向表面粗糙度幾乎等于軌側(cè)20°的橫向表面粗糙度，并有共同的波動；對砂帶打磨而言，軌頂0°的橫向表面粗糙度大多大于軌側(cè)20°的橫向表面粗糙度，這是因為砂帶打磨是切向打磨，鋼軌表面紋理為單一方向的磨痕，由于不同磨粒之間的間隙、磨損程度不同，造成單一方向磨削存在后續(xù)磨粒累積切削增加磨痕高度的現(xiàn)象，導(dǎo)致橫向表面粗糙度偏大?？傮w而言，盡管砂帶打磨的橫向表面粗糙度相對較大，但仍滿足我國鐵路鋼軌養(yǎng)護要求的最大值10 μm。

表4 橫向表面粗糙度Tab.4 Transverse surface roughness

圖11 橫向表面粗糙度對比圖Fig.11 Comparison of transverse surface roughness

2.4 振動加速度

在實驗中，分別對砂帶打磨和砂輪打磨的鋼軌試樣基準(zhǔn)點的振動加速度進行比較研究，結(jié)果如表5、圖12所示。顯然，砂輪打磨的振動加速度大于砂帶打磨的振動加速度。這種現(xiàn)象與研磨原理和相應(yīng)的材料去除能力密切相關(guān)。也就是說，砂輪打磨是剛性接觸，砂輪的不均勻自銳引起砂輪磨損的周期性變化，導(dǎo)致磨削過程中產(chǎn)生間斷性剛性沖擊，導(dǎo)致振動加速度較大；而砂帶打磨是柔性接觸，磨削速度穩(wěn)定，砂帶的彈性磨削效應(yīng)能夠大大減小或吸收磨削時產(chǎn)生的振動和沖擊，因此振動加速度較小。此外，對于砂帶打磨，軌頂0°的振動加速度略小于軌側(cè)20°的振動加速度。

表5 振動加速度Tab.5 Vibration acceleration

圖12 振動加速度對比圖Fig.12 Comparison diagram of vibration acceleration

2.5 噪聲

測量每次打磨實驗中的最大噪聲，結(jié)果列于表6，對比結(jié)果如圖13所示。隨著打磨壓力的增大，砂帶和砂輪打磨的最大噪聲都呈現(xiàn)出略微上升的趨勢。更重要的是，砂帶打磨的最大噪聲為91.1 dB，小于砂輪打磨的最大噪聲97.8 dB。此外，無論是砂帶打磨還是砂輪打磨，軌頂0°的最大噪聲都大于軌側(cè)20°的最大噪聲。原因是：砂輪打磨是剛性接觸，砂輪和鋼軌之間的相對振動引起脈動磨削壓力，從而導(dǎo)致砂輪的不均勻磨損和不均勻堵塞，導(dǎo)致不間斷的剛性沖擊產(chǎn)生的噪聲較大；而砂帶的彈性磨削效應(yīng)不會像砂輪那樣形成對鋼軌的剛性沖擊，故加工噪聲比較小。

表6 最大噪聲Tab.6 Maximum noise

圖13 最大噪聲對比圖Fig.13 Maximum noise comparison chart

2.6 能耗

能耗是鋼軌打磨的重要指標(biāo)。通過測量電池的輸出電流來比較能耗。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄器，電池的輸出電流變化如圖14所示。

(a)軌頂0°

(b)軌側(cè)20°圖14 電池輸出電流對比圖Fig.14 Comparison diagram of battery output current

由圖14可以看出，無論是砂帶打磨還是砂輪打磨，隨著打磨壓力的增大，電池的輸出電流越來越大。當(dāng)打磨壓力為90 N時，砂輪打磨機的最大母線電流超過60 A。觀察發(fā)現(xiàn)，電池的輸出電流與材料去除率具有相同的變化趨勢；而且，砂帶打磨電池的輸出電流比砂輪打磨要小得多。換言之，砂帶打磨鋼軌比砂輪打磨材料去除率更高反而能量消耗更少，這表明砂帶打磨比砂輪打磨更節(jié)能。此外，軌頂0°和軌側(cè)20°在兩種情況下也有一些細微的區(qū)別。對于砂輪，軌側(cè)20°時電池的輸出電流略大于軌頂0°；而砂帶打磨具有幾乎相同的能耗。這是因為砂帶質(zhì)量小，高速轉(zhuǎn)動慣量小，功率損失小，因此磨削能耗低。

2.7 溫度影響

圖15為砂帶打磨和砂輪打磨的切屑顯微照片。由圖15可以很清晰地看出：砂帶打磨的切屑形態(tài)為帶狀切屑；而砂輪打磨的切屑形態(tài)表現(xiàn)為高溫熔融狀切屑，這種切屑在高溫下熔融并在飛散過程中球化而成，容易黏結(jié)不利于收集。這是由于磨粒在砂輪上隨機分布，磨粒切刃的姿態(tài)也各不相同，更容易造成磨粒脫落，并且由于砂輪磨粒間充滿了結(jié)合劑，容屑空間很小，容易造成砂輪堵塞、磨粒鈍化，磨削產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，這種高溫使得磨屑呈現(xiàn)出這種形態(tài)。而砂帶打磨不像砂輪那樣脫砂嚴(yán)重，磨屑構(gòu)成主要是鋼軌材料，砂帶在磨削時既有良好的散熱區(qū)域，又可以通過砂帶的懸空部分(即不與接觸輪、張緊輪等接觸的部分)在運行時的振蕩，將黏在砂帶上的磨屑自然抖掉，進一步減少磨粒被堵塞的現(xiàn)象，從而減少摩擦發(fā)熱，使得砂帶基本處于正常磨削狀態(tài)。

(a)砂帶打磨切屑

(b)砂輪打磨切屑圖15 切屑形態(tài)Fig.15 Chip morphology

此外，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，對于砂輪打磨，當(dāng)打磨壓力增加到105 N時，無論是軌頂0°還是軌側(cè)20°，鋼軌表面都會出現(xiàn)發(fā)藍現(xiàn)象，如圖16所示，并且在打磨軌側(cè)20°時，發(fā)藍區(qū)域是連續(xù)出現(xiàn)的。這是因為砂輪在磨粒磨損嚴(yán)重時，磨削摩擦加劇，產(chǎn)生大量的磨削熱，使鋼軌表層溫度急劇上升，導(dǎo)致表層金屬發(fā)生組織變化(如燒傷、裂紋、熱應(yīng)力等)。這種現(xiàn)象在鋼軌維護中是不允許出現(xiàn)的，因其會誘發(fā)意想不到的馬氏體組織并損害鋼軌的金屬性能。與之相反，在相同的工藝條件下，砂帶打磨不會產(chǎn)生發(fā)藍現(xiàn)象。因為砂帶周長大，磨削散熱時間長，再加上砂帶磨粒排列均勻，容屑空間大，磨屑堵塞造成摩擦加劇的可能性減小，因此砂帶磨削過程中，鋼軌表面溫度低，不會發(fā)生熱變形和燒傷現(xiàn)象。

(a)軌頂 0° (b)軌側(cè) 20°圖16 鋼軌表面發(fā)藍現(xiàn)象Fig.16 Blue phenomenon on rail surface

3 結(jié)論

本文使用鋰電驅(qū)動的砂帶打磨機和砂輪打磨機，以60N型鋼軌廓形為實驗對象，在實際軌道環(huán)境中，從材料去除率、表面粗糙度、振動、噪聲、能耗和溫度等方面對鋼軌砂帶打磨技術(shù)和砂輪打磨技術(shù)進行了對比實驗研究。結(jié)果表明，在相同工況下，鋼軌砂帶打磨技術(shù)在材料去除率、振動、噪聲、能耗和溫度等方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)砂輪打磨技術(shù)，未來有希望成為工程實際中解決鋼軌嚴(yán)重病害問題的有效方法之一。