王恒亮 傅佩喜 上海鐵路局科研所

陸正剛 同濟(jì)大學(xué)

張寶安 南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司

鐵道車輛輪對磨削修型技術(shù)研究

王恒亮 傅佩喜 上海鐵路局科研所

陸正剛 同濟(jì)大學(xué)

張寶安 南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司

鐵道車輛的運(yùn)用必然伴隨車輪磨損問題，為了充分發(fā)揮薄輪緣等級鏇修的優(yōu)勢，提出“以磨代車”的小切削量輪對磨削修型技術(shù)。通過分析輪對在鏇修過程中的振動情況,找到了影響振動的主要原因，即車軸彎曲變形。通過車輪磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明：車輪材質(zhì)是不難磨的，車軸彎曲變形導(dǎo)致磨削工藝系統(tǒng)剛性較差，帶托架的輪對裝夾裝置抗振效果明顯提高。同時(shí)，合理的砂輪類型、進(jìn)給方式和磨削要素等也是影響輪對磨削加工效率和質(zhì)量的重要因素。

輪對，鏇修，以磨代車，磨削，振動

1 引言

為了保證車輪型面幾何參數(shù)在規(guī)定界限內(nèi)，鐵道車輛運(yùn)用所必須定期鏇修磨耗、損傷輪對，現(xiàn)多采用薄輪緣等級鏇修方法。輪對鏇修設(shè)備根據(jù)是否拆卸輪對可分為兩種，數(shù)控車輪車床用于新造或高級修的輪對加工，輪對需從轉(zhuǎn)向架上拆卸；數(shù)控輪對鏇床在輪對不拆卸的情況下使用。對于不滿足三級以上修程的動車組，主要采用軌道線上不落輪鏇床進(jìn)行作業(yè)。

現(xiàn)輪對鏇修均采用車削方法，其特點(diǎn)在于操作相對簡單，對鏇修量較大的作業(yè)效率較高，但缺點(diǎn)在于對切削量的控制，對踏面直徑鏇修量2 mm～5 mm以內(nèi)的作業(yè)經(jīng)濟(jì)性降低。而薄輪緣等級鏇修可以最大限度地減少踏面切削量，此時(shí)磨削在小鏇修量輪對作業(yè)中具有明顯優(yōu)勢?！耙阅ゴ嚒笨纱蠓档洼唽︽浶蕹杀荆岣咻唽庸べ|(zhì)量，還能為輪對除銹、踏面淬硬提供工藝保證。本文論證了車輪型面磨削加工的可行性，探索了輪對磨削加工中存在的問題，為輪對磨削設(shè)備的設(shè)計(jì)制造提供了重要依據(jù)。

2 輪對鏇修振動分析

輪對裝夾裝置是輪對鏇修設(shè)備的核心部件之一，不同的裝夾方法導(dǎo)致輪對切削工藝系統(tǒng)剛性不同。根據(jù)輪對鏇修調(diào)研結(jié)果，現(xiàn)多采用頂尖定位，使用摩擦輪或卡盤卡爪裝夾和驅(qū)動輪對，如圖1所示。

圖1 兩種常用輪對鏇修裝夾方法

2.1 輪對有限元模型

采用八節(jié)點(diǎn)六面體三維實(shí)體單元對某輪對進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。單元總數(shù)為234 691個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為49 017個(gè)。輪對材料特性主要參數(shù)設(shè)為：密度7.85×10-6kg/mm3、彈性模量2.06×105N/mm2、泊松比0.3。兩種不同的輪對約束模型如圖3所示。

圖2 輪對有限元模型

圖3 輪對約束模型

2.2 輪對模態(tài)分析

運(yùn)用分塊蘭索斯（Block Lanczos）方法提取輪對在無約束和兩種約束模型中的前10階模態(tài)，各模型的前10階模態(tài)頻率如表1所示。

表1 輪對在三種模型中的模態(tài)頻率（單位：Hz）

觀察兩種約束模型中輪對的前10階模態(tài)振型。1階振型為繞X軸的剛體旋轉(zhuǎn)，從2階開始輪對發(fā)生彈性體變形；2階振型為車軸扭轉(zhuǎn)變形，車輪不發(fā)生變形；從3階到6階，車軸發(fā)生彎曲變形，車輪幾乎不發(fā)生變形；從7階開始，車軸和車輪均發(fā)生變形，以車輪變形為主。因此，輪對受較低頻激擾影響時(shí)易使車軸產(chǎn)生彎曲變形，車軸彎曲變形是影響輪對鏇修工藝系統(tǒng)剛性的主要因素。

2.3 輪對諧響應(yīng)分析

輪對切削力成分中最重要的是Y向分量（對車輪而言是徑向分量），從圖4可知，頂尖+雙摩擦輪裝夾中輪對質(zhì)心附近某點(diǎn)Y向的最大變形量為0.682 mm，對應(yīng)激擾頻率為284.605 Hz；頂尖+雙卡盤卡爪裝夾中該點(diǎn)Y向的最大變形量為1.312 mm，對應(yīng)激擾頻率為126.491 Hz。因此，頂尖+雙摩擦輪裝夾中輪對振動情況好于頂尖+雙卡盤卡爪裝夾中，摩擦輪系統(tǒng)的剛性優(yōu)于卡盤卡爪；頂尖+雙摩擦輪裝夾方法易受高頻激擾影響，而頂尖+雙卡盤卡爪易受低頻激擾影響。

圖4 輪對諧響應(yīng)分析結(jié)果

3 車輪磨削試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究輪對在磨削加工過程中的振動情況，先后開展了輪對磨削的相關(guān)試驗(yàn)，包括輪對踏面試磨、車輪材質(zhì)可磨性試驗(yàn)、砂輪手動與連續(xù)進(jìn)給磨削、托架支撐輪對磨削等。

3.1 輪對踏面試磨

先后在WALDRICH SIEGEN、HERKULES SIEGEN軋輥磨床上對車輪型面進(jìn)行磨削試驗(yàn)，分別使用A60KV、DA54J砂輪。磨削輪對如圖5所示。

圖5 磨削輪對示意圖

盡管在兩臺磨床上的磨削條件不同，但是輪對踏面磨削的結(jié)果卻是相同：金屬總切除量很小，表面現(xiàn)象為嘯叫不斷，磨削無法正常進(jìn)行。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，嘯叫產(chǎn)生的原因主要有：①砂輪很快磨鈍，即砂輪特性不能滿足車輪材質(zhì)的磨削要求；②輪對磨削工藝系統(tǒng)在磨削過程中產(chǎn)生劇烈振動，包含嘯叫頻率。

3.2 車輪材質(zhì)可磨性試驗(yàn)

為了探索磨削嘯叫和金屬總切除量低的真正原因，切割車輪中心部分作為試磨件，這樣可以排除磨削工藝系統(tǒng)剛性差這一影響因素，以便確定車輪材質(zhì)的可磨性。在MQ1350× 3000外圓磨床上加工試磨件（見圖6），選用PA46KV砂輪。

該試磨件的磨削過程基本正常，沒有出現(xiàn)嘯叫，半徑上磨削深度達(dá)3 mm，金屬總切除量達(dá)到（2 800～2 900）mm3/mm以上，對于一般車輪型面的磨損已能達(dá)到修復(fù)要求。試驗(yàn)表明，車輪鋼（CL60）可以用剛玉砂輪對其磨削，排除了砂輪特性不能匹配車輪材質(zhì)這一因素。并對車輪材質(zhì)進(jìn)行了元素分析，結(jié)果表明其中并無特殊元素。

圖6 車輪試磨件（φ309×180）

圖7 輪對托架支撐示意圖

3.3 砂輪手動與連續(xù)進(jìn)給磨削試驗(yàn)

根據(jù)車輪材質(zhì)的元素組成，使用NQ（Norton Quantum）磨料和高強(qiáng)度結(jié)合劑專門研制了3NQS 36HV砂輪。利用該砂輪分別在MQ1350×3000外圓磨床、H234×1500/DM斜切入式端面外圓磨床（斜切角度30°）上進(jìn)行了砂輪手動與連續(xù)進(jìn)給磨削試驗(yàn)。

表2 砂輪手動與連續(xù)進(jìn)給磨削結(jié)果

根據(jù)表2中砂輪手動與連續(xù)進(jìn)給磨削結(jié)果，3NQS 36HV砂輪與PA 46 KV砂輪的磨削性能相比有明顯的優(yōu)勢：①金屬總切除量6 220 mm3/mm，是2 917 mm3/mm的2倍以上；②同樣磨去直徑上6 mm所耗費(fèi)的時(shí)間相比，7 min20 s比17 min少了10 min，磨削效率大大提高；③3NQS 36HV砂輪磨削鋒利，發(fā)熱少，而PA 46 KV砂輪則自磨削開始即產(chǎn)生大量的水蒸氣；④3NQS 36HV砂輪自銳性好，利于磨削；但砂輪磨損較大，砂輪半徑上磨損量有0.20 mm，導(dǎo)致試件表面粗糙度類似于車削。

在數(shù)控連續(xù)斜切入進(jìn)給磨削條件下，磨去直徑上7 mm左右后，開始發(fā)出較輕的磨削噪聲，一直持續(xù)到磨完19.5 mm。這種噪聲與磨粒磨鈍而未能及時(shí)自銳有關(guān)，砂輪架的振幅也由最初的0.81μm增大到1.55 μm。而斷續(xù)進(jìn)給每次（0.02～0.03）mm，較大的進(jìn)給量使磨粒破碎自銳，使砂輪一直處于鋒利的切削狀態(tài)。

3.4 托架支撐輪對磨削試驗(yàn)

通過3.2和3.3中的試驗(yàn)，已經(jīng)證實(shí)車輪材質(zhì)可以磨削，也對比了3NQS 36HV砂輪與PA 46KV砂輪的磨削性能及手動和連續(xù)進(jìn)給的區(qū)別。為了加強(qiáng)磨削系統(tǒng)的剛性，特別是輪相對于軸的剛性，選用大型MK84160/H數(shù)控軋輥磨床，該磨床配備剛性很好、能支撐車輪輪緣的左右兩只托架，并采用WA60K6砂輪（使用樹脂結(jié)合劑）。這種裝夾裝置類似于頂尖+雙摩擦輪系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

采用外圓切入磨削方式，手動電子手輪斷續(xù)進(jìn)給，輪對約1～2轉(zhuǎn)時(shí)每次進(jìn)給半徑方向0.01 mm。通過改變輪對支撐方式、砂輪轉(zhuǎn)速、輪對轉(zhuǎn)速及磨削寬度等磨削要素，進(jìn)行了6次輪對磨削試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)表明：①采用兩只剛性好的托架分別支撐左、右輪緣，增強(qiáng)了磨削工藝系統(tǒng)剛性，能夠有效抑制磨削振動、嘯叫；②砂輪線速度45 m/s和35 m/s的磨削效果均較好，磨削寬度由55 mm增加到80 mm時(shí)也能正常磨削；③WA60K6樹脂結(jié)合劑砂輪的磨削性能良好，切削鋒利，耐用度高，砂輪磨損小。

表3 改變磨削要素的輪對磨削試驗(yàn)結(jié)果

通過3.1～3.4中的車輪磨削試驗(yàn)，可知：①車輪鋼并非難磨削材質(zhì)，現(xiàn)有砂輪特性能滿足車輪磨削要求；②輪對磨削工藝系統(tǒng)剛性較差，磨削過程中振動較大，易引起嘯叫；③砂輪類型、進(jìn)給方式和磨削要素（包括砂輪轉(zhuǎn)速、輪對轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、磨削寬度等）等是影響輪對磨削加工效率和質(zhì)量的重要方面。

4 總結(jié)

研究表明，輪對磨削修型加工技術(shù)是可行的，但磨削工藝系統(tǒng)剛性較差，其中車軸彎曲變形是導(dǎo)致鏇修過程中振動較大的主要原因。輪對鏇修振動分析找到了最大激擾頻率，可認(rèn)為是與磨削嘯叫相關(guān)的頻率成分；車輪磨削試驗(yàn)中對比了使用托架和不使用托架的磨削效果，也使用了不同的砂輪類型、進(jìn)給方式和磨削要素等，初步探索了影響輪對磨削加工效率及質(zhì)量的主要因素。在后續(xù)研究中還需考慮：實(shí)際車輪鏇修部分包括踏面和輪緣，輪緣曲線的磨削加工工藝是個(gè)難點(diǎn)；在輪緣頂部加托架或摩擦輪系統(tǒng)及夾緊力的大小會直接影響或損壞輪緣已加工表面，合理的輪對裝夾裝置設(shè)計(jì)有待深究；砂輪的磨損與修整也是輪對磨削加工過程中不容忽視的問題。

責(zé)任編輯：王華 宋立成

來稿日期：2015-05-18