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基于槽型接触轮的钢轨砂带打磨材料去除特性研究

关键词 砂带|2025-08-07 11:17:49|涂附新闻|来源 涂附磨具分会
摘要 摘要为揭示槽型接触轮钢轨砂带高效打磨的材料去除机理,基于弹性赫兹接触理论,建立槽型接触轮与平型接触轮材料去除比数学模型,掌握槽型接触轮砂带打磨周期应力变化规律,揭示打磨周期应力对打...

摘要

为揭示槽型接触轮钢轨砂带高效打磨的材料去除机理,基于弹性赫兹接触理论,建立槽型接触轮与平型接触轮材料去除比数学模型,掌握槽型接触轮砂带打磨周期应力变化规律,揭示打磨周期应力对打磨效率的影响机制,并基于钢轨砂带打磨专用试验平台,对比研究槽型接触轮与平型接触轮砂带打磨中的材料去除特性。结果表明:槽型接触轮打磨因其周期性的应力集中加压状态而具有较高材料去除效率;与平型接触轮相比,槽型接触轮打磨在较低压力下材料去除优势并不显著,随着打磨压力增加,槽型接触轮材料去除效率明显提升,并在打磨压力为50N时超越平型接触轮;在打磨表面粗糙度、振动、噪声及能耗等方面,槽型接触轮砂带打磨较平型接触轮均有明显优势,在75N常用打磨压力下,前者较后者打磨材料去除率提高14%,表面粗糙度降低25%,振动减少17%,噪声降低4.5%,能耗降低12%。

      关键词

钢轨打磨;砂带;槽型接触轮;材料去除;振动;能耗

绪论

在铁路运输系统中,钢轨表面质量是影响列车能否平稳运行的关键因素之一。然而钢轨在服役过程中受高速列车车轮多变载荷冲击以及恶劣自然环境影响,其表面极易出现各种病害,如波磨、裂纹、肥边、点蚀及压溃等。钢轨打磨是目前全球公认的对钢轨实现在线维护保养的有效技术,能够对钢轨病害处理、钢轨廓形修复和轮轨接触关系改善及钢轨服役寿命延长起到积极作用。

近年来,钢轨砂带新型打磨技术在钢轨养护领域得到了推广应用,其基本原理是砂带在打磨压力的作用下,沿钢轨纵向打磨,达到去除钢轨表面材料的目的。相对传统砂轮打磨,砂带打磨凭借其独有的磨粒植砂方式、弹性和柔性等因素,在打磨效率、打磨质量、经济、环保、安全等方面均体现出了一定优势。

目前针对钢轨砂带打磨材料去除特性相关研究主要集中在打磨接触理论、材料去除模型等方面。Fan等建立了砂带打磨微观接触模型,研究了砂带表面磨粒与钢轨的微观接触行为,发现在微观下法向载荷与砂带形貌对接触行为具有显著影响。He等针对接触压力对砂带磨削性能的影响进行了试验研究,发现打磨时砂带与钢轨接触斑为椭圆形,接触应力随着与中心距离的增加呈非线性减小趋势。Fan等通过研究建立了接触压力模型,计算并验证了橡胶轮与钢轨接触时的边界曲线和应力分布。樊文刚等基于弹性赫兹接触理论,建立了砂带打磨材料去除深度模型以及材料去除量模型,并进行试验验证。Zhao等研究了砂带打磨工艺对钢轨表面残余应力的影响,发现随着打磨压力的增大以及砂带速度的增加,钢轨表面残余拉应力相应增大。樊文刚等对钢轨砂带打磨静态接触理论进行研究,揭示了砂带与钢轨在不同接触位置、不同接触曲率的接触斑形状以及压力分布。以上文献主要是关于平型接触轮钢轨砂带打磨材料去除模型方面的研究及分析,未对具有更高打磨效率的槽型接触轮打磨特性机理进行揭示。

本文针对槽型接触轮钢轨砂带打磨的材料去除特性开展研究。基于砂带打磨材料去除模型建立槽型接触轮与平型接触轮的材料去除比模型,揭示槽型接触轮在应用过程中具有高打磨效率的机理,并通过试验对比槽型接触轮与平型接触轮在打磨过程中振动、噪声、能耗以及打磨后粗糙度等性能参量。

1. 槽型接触轮材料去除机理

槽型接触轮钢轨砂带打磨的本质是槽型接触轮、砂带与轨面之间复杂的接触作用。在打磨过程中,槽型接触轮起支撑砂带的重要作用,并间接与工件相互作用,影响打磨的材料去除特性。

1.1 槽型接触轮与平型接触轮材料去除比建模

通过以往研究发现,槽型接触轮与钢轨的接触区域为椭圆形,且该椭圆区域符合赫兹分布特点,槽型接触轮旋转0°时的接触区域如图1所示。图中:红色椭圆区域为赫兹椭圆分布;深灰色阴影为槽型接触轮的实际接触区域。

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为研究方便,以接触区域中心点P为坐标原点建立坐标系,在此状态下槽型接触轮接触区域内椭球部分压力分布为:

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式中:为压力点在椭圆区域中的坐标;Fn为接触轮对钢轨的打磨压力;z为槽型接触轮的齿槽比;a和b分别为椭圆的长轴和短轴长度。

由于槽型接触轮具有周期性的循环特性,打磨效果随其旋转呈周期性变化,所以通过求解打磨周期内的平均压力对其进行分析。在打磨周期内平均压力为:

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通过数值计算,得出槽型接触轮与平型接触轮在不同压力下材料去除比理论计算值,结果见表1。

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由表1可知:材料去除比随着压力的增大呈现上升趋势。究其原因,是因为在压力增大过程中,槽型接触轮应力集中现象更显著,导致打磨周期内平均应力增大,材料去除比增大。

1.2 槽型接触轮钢轨砂带打磨接触应力分析

在槽型接触轮钢轨砂带打磨过程中,由于接触区域非连续,因而随着接触轮旋转角度的变化,其接触状态也会发生变化。通过仿真改变槽型接触轮的旋转角度,获得旋转角度与轮轨接触状态的映射关系,分析槽型接触轮钢轨砂带打磨过程中的应力变化情况。

在ANSYS Workbench的仿真设置中,槽型接触轮直径为150mm,宽度为80mm,内圈材料选为结构钢(Structural Steel),橡胶层厚度为10mm,材料选择非线性天然橡胶(Neoprene Rubber)。槽型接触轮的槽型参数:螺旋角为45°,齿槽比为1,齿数为24,切槽深度为5mm。采用标准60kg·m⁻¹钢轨进行仿真,钢轨材料选为结构钢(Structural Steel)。为简化仿真,将相对静止的接触轮与砂带模型一体化处理。在 ANSYS Workbench 软件中对模型进行网格划分,钢轨部件采用六面体单元类型,并对钢轨表面接触部分进行网格细化操作,以便得到更准确的接触应力结果。由于接触轮橡胶层几何结构十分复杂,使用四面体单元类型,建立槽型接触轮-钢轨三维有限元模型如图2所示。

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槽型接触轮内圈与橡胶层在接触区域内不存在相互滑动和分离,接触形式选择结合接触(Bonded);槽型接触轮橡胶层齿周面与钢轨表面相接触,接触形式为摩擦接触(Frictional Contact),设定橡胶与结构钢的摩擦系数为0.5。对钢轨底面添加约束,然后对接触轮内圈施加压力F,通过求解即可得到压力Fn下接触应力云图与接触轮橡胶层的变形情况。在25,50,75,100,125及150N压力下,24齿的槽型接触轮接触周期为15°,每间隔1°进行1次仿真,其中0°,5°,10°及15°时的接触应力云图仿真结果如图3所示。

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每次仿真时提取特征点P的数据结果,为了更直观地观察,选择了重复2个周期的数据进行图线绘制,结果如图4所示。

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从图4可以看出:槽型接触轮在打磨过程中随接触轮的旋转呈现周期性加压状态,同时随着打磨压力的增大,接触区域特征点在接触轮旋转周期内的应力波动情况增大,其应力集中现象也更加明显,使得槽型接触轮在打磨周期内平均应力增大,具有更高的打磨效率。

2.材料去除特性试验研究

2.1 试验装置及预试验

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打磨试验平台由试验机、导轨及试验钢轨组成,如图5所示。其中槽型接触轮和平型接触轮结构参数与仿真计算设定参数一致,使用TR200型号表面粗糙度仪记录打磨后表面粗糙度,使用GM63B型号振动测量仪记录打磨过程中钢轨的振动情况,使用霍尔电流传感器配合无纸记录仪记录打磨过程中的电流变化情况,使用UT353型号噪声计记录最大噪声。为更准确获得打磨压力与进给量关系,打磨前需进行压力标定试验,通过进给量与打磨压力的对应关系,拟合打磨压力相对于进给量的回归方程,最终获得不同试验压力下进给量数值,结果见表2。

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2.2 材料去除特性试验

在打磨试验过程中,将2m长的钢轨试件固定在实际轨道上,并以周围的标准轨道为参考,调整并保证钢轨试件平行度。在试验过程中,将一半的钢轨试样用槽型接触轮砂带进行打磨,另一半使用平型接触轮砂带进行打磨,试验设备和打磨规划路径示意图如图6所示。

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每组试验钢轨试样打磨长度为1m,为避免起始段与结束段的影响,选择钢轨试样中段0.6m为有效打磨区域。为了消除误差,保证结果的有效性,选取有效打磨区域内的3个测量位置进行打磨宽度测量并求得平均值,3个测量位置两两间隔0.15m。

使用槽型接触轮与平型接触轮分别在25,50,75,100,125及150N试验压力下对试样钢轨进行打磨,并分别测量3个测量位置下的打磨宽度并求平均值,将平均值作为最终打磨宽度。同时通过图6中的相关仪器,测量记录打磨过程中试验电机母线电流、振动加速度、最大噪声以及打磨后钢轨表面的粗糙度等数据。

3.试验结果及讨论

3.1 材料去除比理论值与试验值

槽型接触轮与平型接触轮打磨结果见表3,打磨宽度见表4。

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通过打磨宽度与钢轨廓形几何关系计算出不同压力下单次打磨后的材料去除面积Sn。槽型接触轮单次打磨去除面积与平型接触轮去除面积的比值可直观反映材料去除比的变化,以此验证理论模型的正确性。

槽型接触轮与平型接触轮在不同压力下单次打磨材料去除横截面积随打磨压力的变化趋势如图7所示。从图7可以看出:随着打磨压力的上升,2种接触轮的材料去除面积均有所逐渐增大;在低压力下2种接触轮的材料去除面积差距不明显,随着打磨压力增大,槽型接触轮材料去除面积超越平型接触轮,表现出更高的打磨效率。

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在不同打磨压力下,槽型接触轮与平型接触轮钢轨打磨材料去除比理论值与试验值如图8所示。

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从图8可以看出:槽型接触轮与平型接触轮材料去除比理论值与试验值变化趋势一致,随着压力升高,材料去除比均逐渐增加;其中,当Fn=25N时,理论比值与试验比值的误差最大,为16.1%,当Fn=75N时误差最小,为1.1%;在道岔区域钢轨砂带打磨的工程实际中压力Fn一般处于50~100N之间,此时理论比值与试验比值的误差小于8.8%,考虑到试验中存在合理误差,故认为理论值与试验值吻合较好,证明了所建材料去除比模型的有效性;在25~50N时压力较小,槽型接触轮的应力集中优势不明显,而平型接触轮因其较大的接触面积故具有更高材料去除率,因此材料去除比试验值小于1;随着打磨压力的增加,槽型接触轮齿旋转产生冲击从而加强打磨能力,使其材料去除率进一步升高,槽型接触轮的打磨优势也愈发增强,在实际打磨常用压力75N下,槽型接触轮较平型接触轮的材料去除比(试验值)提升了14%。

3.2 粗糙度

槽型接触轮与平型接触轮钢轨砂带打磨时,在不同打磨压力下纵向和横向表面粗糙度结果如图9所示。

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从图9可以看出:槽型接触轮与平型接触轮在不同打磨压力下打磨后,纵向与横向的粗糙度范围均在0~5μm范围内,符合国家规定钢轨10μm以内的表面质量标准;其中,槽型接触轮与平型接触轮的纵向粗糙度均在0~2μm 范围内,相差不大,小于横向粗糙度;在横向粗糙度上,槽型接触轮的打磨粗糙度则明显小于平型接触轮,表现出更高的打磨质量,且2种接触轮打磨随着打磨压力的增加,其横向粗糙度都展现出先升高后平稳的趋势;在75N打磨压力下,槽型接触轮较平型接触轮的纵向粗糙度值减少了25%。

75N打磨压力下2种接触轮打磨后钢轨表面状态如图10所示。从图10可以看出:在该常用打磨压力下,槽型接触轮打磨后的钢轨表面更加平顺。


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3.3 振动及噪声

槽型接触轮与平型接触轮在不同打磨压力下产生的振动加速度及噪声测量结果如图11所示。

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从图11可以看出以下结论:

(1)随着压力的不断增加,2种接触轮打磨中的振动加速度都呈现不断上升趋势;同时,在打磨过程中,槽型接触轮的振动加速度明显小于平型接触轮,在75N打磨压力下槽型接触轮较平型接触轮的振动加速度值减少了17%,由此可以反映出槽型接触轮相对于平型接触轮打磨更易获得较高的表面质量;对打磨中的振动频率进行比较,2种接触轮的振动频率均在50~100Hz范围内波动,无明显差异。

(2)噪声方面,槽型接触轮与平型接触轮砂带打磨噪声范围均在85~95dB之间,且随着打磨压力的增加,2种接触轮打磨噪声都呈现上升趋势;同时,在打磨过程中,槽型接触轮在相同打磨参数下的打磨噪声均小于平型接触轮,在75N的压力下槽型接触轮较平型接触轮的噪声减少了4.5%。

3.4 打磨能耗

能耗是钢轨打磨的重要指标,通过测量打磨时电池的输出电流比较能耗。基于电流传感器,槽型接触轮和平型接触轮在打磨试验过程中电池的输出电流如图13所示。


从图12可以看出:在打磨试验过程中,槽型接触轮和平型接触轮的电源输出电流随着打磨压力的增大均呈现出逐渐升高的趋势,且槽型接触轮砂带打磨的电流在试验压力范围内始终小于平型接触轮;在75N压力下,槽型接触轮较平型接触轮的电流峰值降低了12%,这说明槽型接触轮因其高磨削性能而使得相同压力下的打磨功率较小,打磨能耗较低。

4. 结论

(1)槽型接触轮在作业中打磨应力随其旋转呈现周期性变化,出现明显的应力集中,因而具有更高的材料去除效率。

(2)与平型接触轮相比,槽型接触轮打磨在较低压力下材料去除优势并不显著,随着打磨压力增加,槽型接触轮打磨效率明显提升,在50N时超越平型接触轮;当压力大于75N时,具有明显的材料去除优势。

(3)在打磨表面粗糙度、振动、噪声及能耗等方面,槽型接触轮砂带打磨较平型接触轮均有明显优势;在实际常用打磨压力(75N)下,槽型接触轮砂带打磨较平型接触轮打磨材料去除率提高14%,表面粗糙度降低25%,振动减少17%,噪声降低4.5%,能耗降低 12%。(参考文献略)

作者:北京交通大学 机械与电子控制工程学院 李江 樊文刚

来源:《中国涂附磨具》2025年第二期


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