吳志偉 樊文剛 王 謙 劉 弋 馬騰飛
1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京,100044 2.北京交通大學(xué)載運(yùn)工具先進(jìn)制造與測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100044 3.中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司,烏魯木齊,830011
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(guò)程中長(zhǎng)期處于惡劣的自然環(huán)境以及時(shí)刻受到來(lái)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(diǎn)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(duì)鋼軌在線維護(hù)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(zhǎng)鋼軌服役壽命。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(duì)軌道交通運(yùn)營(yíng)里程不斷增加以及“天窗時(shí)間”不斷減少等客觀趨勢(shì),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(hù)保養(yǎng)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)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(lái),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(jìn)行了仿真驗(yàn)證。HE等[14]基于赫茲接觸理論開(kāi)展了接觸壓力對(duì)鋼軌砂帶打磨性能影響的試驗(yàn)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(guò)程中鋼軌材料的去除過(guò)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(duì)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(hào)的砂帶磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。劉月明等[18]借助砂帶試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了磨削鋼軌試件的加工試驗(yàn),研究了砂帶磨削速度、磨粒粒度等因素對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shì)。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(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得出的這些結(jié)論與實(shí)際的軌道維護(hù)條件并不一定符合。因此,本文在實(shí)際的軌道環(huán)境中,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法,分別從材料去除率、表面粗糙度、振動(dòng)、噪聲、能耗和溫度等方面對(duì)鋼軌砂帶打磨和砂輪打磨的綜合性能進(jìn)行了對(duì)比研究。
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(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)砂輪以速度ω旋轉(zhuǎn),并隨打磨機(jī)以速度f(wàn)沿鋼軌縱向行進(jìn),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(duì)運(yùn)動(dòng),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(dòng)以速度vs旋轉(zhuǎn),并隨打磨機(jī)以速度f(wàn)沿鋼軌縱向行進(jìn),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(duì)運(yùn)動(dòng),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
本次實(shí)驗(yàn)所需要的設(shè)備與材料包括60GB鋼軌、砂帶打磨機(jī)、砂輪打磨機(jī)、壓力傳感器、電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀、廓形儀、粗糙度計(jì)、振動(dòng)測(cè)量?jī)x、噪聲計(jì)、顯微鏡、相機(jī)等。
適用于鐵路道岔區(qū)鋼軌養(yǎng)護(hù)的砂帶打磨機(jī)和砂輪打磨機(jī)如圖3所示。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比,它們都是由鋰電池驅(qū)動(dòng)的,因此更環(huán)保。在功能層面上,它們都被設(shè)計(jì)成具有水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),通過(guò)這些運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行任意角度的鋼軌打磨。為排除無(wú)關(guān)條件的干擾,使用36號(hào)陶瓷砂帶和36號(hào)陶瓷砂輪作為實(shí)驗(yàn)?zāi)ゾ?;磨削進(jìn)給速度嚴(yán)格限制在0.25~0.3 m/s,與實(shí)際工況幾乎相同。實(shí)驗(yàn)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(jī)、電池和電氣系統(tǒng)。
(a)砂帶打磨機(jī) (b)砂輪打磨機(jī)圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Experimental equipment
表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of experimental equipment
1.3.1鋼軌預(yù)處理
根據(jù)我國(guó)鐵路現(xiàn)狀,選擇具有代表性的60N型鋼軌廓形作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。依據(jù)我國(guó)鐵路鋼軌的一般標(biāo)準(zhǔn),60N型鋼軌廓形只是設(shè)計(jì)目標(biāo),是從滿足輪軌相互作用的實(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)
60N型鋼軌廓形是幾何對(duì)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(duì)比信息,根據(jù)小型設(shè)備進(jìn)行鐵路道岔區(qū)域鋼軌維護(hù)常規(guī)參數(shù)值,設(shè)計(jì)了兩組分別對(duì)應(yīng)于軌頂 0°和軌側(cè) 20°的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究打磨性能。對(duì)于每組實(shí)驗(yàn),采用標(biāo)記為15,30,45,60,75,90 N的6個(gè)均勻間隔的打磨壓力值。此外,通過(guò)60N型鋼軌輪廓的幾何形狀,可以基于打磨寬度計(jì)算出材料去除率。
圖5 60N鋼軌廓形Fig.5 60N rail profile
將2 m長(zhǎng)的鋼軌試件固定在實(shí)際軌道上,以周圍標(biāo)準(zhǔn)軌道為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。如圖6所示,一半軌道樣品使用砂帶打磨機(jī)進(jìn)行打磨實(shí)驗(yàn),另一半使用砂輪打磨機(jī)進(jìn)行打磨實(shí)驗(yàn)。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(yuǎn)離打磨過(guò)程開(kāi)始和結(jié)束階段的三個(gè)測(cè)量位置進(jìn)行取樣,可以消除不同來(lái)源的誤差,盡量保證結(jié)果的真實(shí)性。使用圖6所示的各種相關(guān)儀器,測(cè)量記錄每次實(shí)驗(yàn)電池的母線電流、鋼軌輪廓曲線、表面粗糙度、振動(dòng)加速度和噪聲等數(shù)據(jù)。
圖6 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Fig.6 Experimental scheme design
根據(jù)設(shè)計(jì)的方案,砂帶和砂輪打磨機(jī)依次進(jìn)行了不同打磨壓力和打磨角度的24次實(shí)驗(yàn)。打磨過(guò)程和效果的對(duì)比如圖7所示,可以看出,無(wú)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(shí)驗(yàn)中,砂帶的打磨寬度遠(yuǎn)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(guò)程和效果的對(duì)比圖Fig.7 Comparison of grinding process and effect
此外,對(duì)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(jiǎn)單地用一個(gè)方向來(lái)評(píng)價(jià)。
(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
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(duì)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(shì),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(duì)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(shí)驗(yàn)的材料去除率的值大約是所有砂輪打磨實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的材料去除率的值大約是所有砂輪打磨實(shí)驗(yàn)的4.7、7.3、5.5、8.2、6.6和7.2倍。對(duì)于砂帶打磨和砂輪打磨,軌面角度對(duì)打磨效果有不同的影響。
對(duì)于砂帶打磨,除了最初的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之外,由軌頂0°的實(shí)驗(yàn)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(duì)于砂輪打磨來(lái)說(shuō),由軌頂0°的實(shí)驗(yàn)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(jī)分布于砂輪表面,實(shí)際磨削時(shí),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(jìn)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(shí)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(shí)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。
砂輪機(jī)采用的是砂輪端面磨削,以面接觸形式實(shí)現(xiàn)鋼軌表面病害去除;砂帶機(jī)采用的是周面打磨,以線接觸形式實(shí)現(xiàn)鋼軌表面病害去除。因此,表面粗糙度的分析分別針對(duì)鋼軌的縱向和橫向進(jìn)行,其中縱向被定義為平行于鋼軌的長(zhǎng)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(duì)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(dòng)。軌頂0°時(shí),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(shí),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(duì)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??梢钥闯?,對(duì)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(dòng);對(duì)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?yàn)樯皫Т蚰ナ乔邢虼蚰?,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(duì)較大,但仍滿足我國(guó)鐵路鋼軌養(yǎng)護(hù)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(duì)比圖Fig.11 Comparison of transverse surface roughness
在實(shí)驗(yàn)中,分別對(duì)砂帶打磨和砂輪打磨的鋼軌試樣基準(zhǔn)點(diǎn)的振動(dòng)加速度進(jìn)行比較研究,結(jié)果如表5、圖12所示。顯然,砂輪打磨的振動(dòng)加速度大于砂帶打磨的振動(dòng)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(shuō),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(guò)程中產(chǎn)生間斷性剛性沖擊,導(dǎo)致振動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊,因此振動(dòng)加速度較小。此外,對(duì)于砂帶打磨,軌頂0°的振動(dòng)加速度略小于軌側(cè)20°的振動(dòng)加速度。
表5 振動(dòng)加速度Tab.5 Vibration acceleration
圖12 振動(dòng)加速度對(duì)比圖Fig.12 Comparison diagram of vibration acceleration
測(cè)量每次打磨實(shí)驗(yàn)中的最大噪聲,結(jié)果列于表6,對(duì)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(shì)。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(wú)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(duì)振動(dòng)引起脈動(dòng)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(huì)像砂輪那樣形成對(duì)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(duì)比圖Fig.13 Maximum noise comparison chart
能耗是鋼軌打磨的重要指標(biāo)。通過(guò)測(cè)量電池的輸出電流來(lái)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(duì)比圖Fig.14 Comparison diagram of battery output current
由圖14可以看出,無(wú)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(lái)越大。當(dāng)打磨壓力為90 N時(shí),砂輪打磨機(jī)的最大母線電流超過(guò)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(shì);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(xì)微的區(qū)別。對(duì)于砂輪,軌側(cè)20°時(shí)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?yàn)樯皫з|(zhì)量小,高速轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,功率損失小,因此磨削能耗低。
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(guò)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(jī)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(shí)既有良好的散熱區(qū)域,又可以通過(guò)砂帶的懸空部分(即不與接觸輪、張緊輪等接觸的部分)在運(yùn)行時(shí)的振蕩,將黏在砂帶上的磨屑自然抖掉,進(jìn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),對(duì)于砂輪打磨,當(dāng)打磨壓力增加到105 N時(shí),無(wú)論是軌頂0°還是軌側(cè)20°,鋼軌表面都會(huì)出現(xiàn)發(fā)藍(lán)現(xiàn)象,如圖16所示,并且在打磨軌側(cè)20°時(shí),發(fā)藍(lán)區(qū)域是連續(xù)出現(xiàn)的。這是因?yàn)樯拜喸谀チDp嚴(yán)重時(shí),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(hù)中是不允許出現(xiàn)的,因其會(huì)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(huì)產(chǎn)生發(fā)藍(lán)現(xiàn)象。因?yàn)樯皫е荛L(zhǎng)大,磨削散熱時(shí)間長(zhǎng),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(guò)程中,鋼軌表面溫度低,不會(huì)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(lán)現(xiàn)象Fig.16 Blue phenomenon on rail surface
本文使用鋰電驅(qū)動(dòng)的砂帶打磨機(jī)和砂輪打磨機(jī),以60N型鋼軌廓形為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在實(shí)際軌道環(huán)境中,從材料去除率、表面粗糙度、振動(dòng)、噪聲、能耗和溫度等方面對(duì)鋼軌砂帶打磨技術(shù)和砂輪打磨技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(dòng)、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(lái)有希望成為工程實(shí)際中解決鋼軌嚴(yán)重病害問(wèn)題的有效方法之一。