周　坤　王文健　劉啟躍　郭　俊

西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都， 610031

0 引言

       鋼軌是鐵路系統(tǒng)中重要的承力部件,隨著我國鐵路“高速”、“重載”戰(zhàn)略的實施,輪軌間載荷也 大幅增加,波磨、疲勞裂紋、剝落等鋼軌損傷也日 趨嚴(yán)重。這些損傷會加劇列車運行時的振動與噪聲,甚至對列車運行安全造成威脅,因此 當(dāng)鋼軌損傷達(dá)到一定限度時,或者在這些損傷出現(xiàn)之初,就需要對鋼軌進(jìn)行維護(hù)。鋼軌打磨是世界各國鐵路工務(wù)部門最常用的線路維護(hù)技術(shù)之 一,是對鋼軌進(jìn)行修復(fù)最有效的措施。通過打磨作業(yè)可修復(fù)或減輕軌面損傷,預(yù)防接觸疲勞等鋼軌損傷的產(chǎn)生,有效改善輪軌匹配關(guān)系,延長鋼軌使用壽命,提高列車運行的安全性與穩(wěn)定性。本文綜述了鋼軌打磨過程中材料的去除機(jī)理,結(jié)合打磨參數(shù)、打磨磨石特性與打磨工況對材料去除行為進(jìn)行了分析,根據(jù)鋼軌打磨模擬實驗提出了鋼軌打磨效率與打磨質(zhì)量相互作用的機(jī)制,闡明了鋼軌打磨對輪軌滾動接觸疲勞的影響, 并對鋼軌打磨機(jī)理研究的發(fā)展趨勢作了展望。 

１　鋼軌打磨材料去除機(jī)理

1.1　鋼軌打磨方式

       鋼軌打磨是使用磨具對鋼軌進(jìn)行材料去除的過程,按照磨具的類型、磨具與鋼軌的接觸形式, 鋼軌打磨可分為主動打磨、砂帶打磨和被動打磨。

圖１　鋼軌打磨示意圖

      隨著近年來我國高速鐵路的快速發(fā)展,高速打磨技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到高速鐵路的鋼軌維護(hù)工作中。當(dāng)前最先進(jìn)的高速鐵路打磨方法是德國 Vossloh公司的被動式高速打磨技術(shù),我國于2013年在京滬線上試用該公司的高速打磨列車, 打磨效果良好。高速打磨技術(shù)采用的是被動打磨方式,通常用于預(yù)防性打磨策略,當(dāng)鋼軌表面疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時即予以消除,原則上鋼軌通過總重為300?500GN時打磨一次,最長間隔 時間 不 宜 超 過２年,單 次 打 磨 量 為0.005?0.1mm,一條高速鐵路每年通常需要進(jìn)行２?３ 次打磨作業(yè)。采用此種打磨方式能有效減少高速 鐵路鋼軌的滾動接觸疲勞。與主動打磨相比,高 速打磨單次打磨量小,打磨作業(yè)更加頻繁,比較適 合在行車密集的線路作業(yè),更有利于控制鋼軌波 磨。高速打磨列車作業(yè)速度一般為６０?８０km/ h,單條線路的打磨作業(yè)時間通常在１h以內(nèi),打 磨作業(yè)時不需要專門封閉軌道,其工作效率為主 動打磨的３?５倍,對鋼軌造成的損傷也比較 小。三種打磨方式各有特點,打磨效果和針對的線路也有所不同,表１列出了這三種打磨方式各自的特點。不論采用何種方式進(jìn)行打磨作業(yè),鋼 軌與磨具界面存在復(fù)雜的材料去除行為和摩擦學(xué) 行為,且打磨受多個參數(shù)的影響,同時鋼軌與磨石 處于開放環(huán)境中,受外部條件影響較大,因此對鋼 軌打磨材料去除機(jī)理的研究將有助于進(jìn)一步優(yōu)化 鋼軌打磨技術(shù)。

表１　三種打磨方式作業(yè)特點比較

1.2　鋼軌打磨材料去除模型

      鋼軌打磨過程中,處于磨石端面的磨粒對鋼 軌進(jìn)行切削,因此從單顆磨粒切削入手,分析單顆 磨粒對鋼軌材料的去除作用,然后擴(kuò)展到整個磨石的磨削過程,就可以對鋼軌打磨過程中鋼軌材 料的去除過程進(jìn)行全面而深入的研究。

       打磨作業(yè)過程中,鋼軌表面波磨會使得打磨壓力產(chǎn)生波動,這種壓力波動會對鋼軌打磨質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。通過數(shù)值仿真可以直觀地分析這種情況下的打磨壓力波動行為,研究表明，隨著軌道不平順幅值和波長的增大,打磨壓力波動有 增大的趨勢;隨著打磨列車運行速度增大,打磨壓力波動變小,適當(dāng)提高打磨小車垂向剛度、減小打磨單元質(zhì)量,有利于減小壓力波動、提高鋼軌打磨 的穩(wěn)定性。如圖３所示,打磨過程中,磨粒與鋼軌 的接觸弧長是評價磨石磨削能力的重要參數(shù),隨 著磨石轉(zhuǎn)速的增大,接觸弧長度先減小后增大;隨著打磨列車運行速度提高,接觸弧長度減小。 接觸弧長增大意味著磨粒切削過程加長,打磨效 率有所提高。如圖４所示,鋼軌打磨過程中,磨粒 的運動由兩部分組成,即隨著磨石的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動和隨著打磨列車在鋼軌上的移動而移動,磨粒的運動為兩部分的矢量和,在磨粒運動分析的基礎(chǔ)上可以計算得到整個磨石消耗的功率。利用有限元仿真可以更加直觀地表達(dá)磨粒切削過程中鋼軌材料的去除過程,即先仿真打磨過程中單顆磨粒的切削過程,并分析切削過程中單顆磨粒幾何形狀、切削深度、負(fù)前角對鋼軌材料去除行為的影響,然后再由此推展到整個磨石打磨的材料去除過程。

圖３　考慮打磨列車動態(tài)性能的磨粒接觸弧長模型

圖４　磨粒受力與運動分析示意圖

1.3 鋼軌打磨溫度場 

      鋼軌打磨過程中鋼軌與磨石界面會產(chǎn)生很高的溫度,過高的溫度會燒傷鋼軌甚至產(chǎn)生馬氏體白層,白層的產(chǎn)生會使得鋼軌表面硬度增大。通過分析打磨產(chǎn)生的磨屑發(fā)現(xiàn),打磨過程中的高溫 使得鋼軌產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng),因此對鋼軌打磨溫度場進(jìn)行研究是提升鋼軌打磨質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)。在不影響打磨作業(yè)效率的情況下,適當(dāng)提高打磨列車行車速度或者增大砂輪尺寸可以降低打磨溫度；隨著打磨功率增大，打磨溫度會持續(xù)升高；磨頭數(shù)量增多時,打磨溫度不僅升得快,而且最終溫度更高。鋼軌打磨溫度與鋼軌表面質(zhì)量之間存在著緊密的聯(lián)系,通過研究打磨溫度與鋼軌發(fā)藍(lán)、白層現(xiàn) 象的產(chǎn)生之間的關(guān)聯(lián)可以指導(dǎo)現(xiàn)場鋼軌打磨參數(shù)的選取,以避免鋼軌表面發(fā)藍(lán)現(xiàn)象的產(chǎn)生,提高鋼軌打磨質(zhì)量。。在研究打磨溫度場的基礎(chǔ)上,今后的打磨作業(yè)應(yīng)該通過不斷優(yōu)化打磨參數(shù)以避免打磨溫度過高,在鋼軌表面產(chǎn)生過度燒傷現(xiàn)象。

1.4 打磨參數(shù)對鋼軌材料去除的影響

     鋼軌材料去除過程中,鋼軌打磨質(zhì)量和打磨效率受多個打磨參數(shù)的影響,如何確定合適的打磨參數(shù)對提高鋼軌打磨作業(yè)水平具有重要意義,如果打磨參數(shù)設(shè)置不當(dāng),有可能會燒傷鋼軌或者硬化層。 因此近年來利用鋼軌打磨試驗機(jī)來模擬鋼軌與磨 石間的相互作用成為最為關(guān)鍵的研究方向之一。 打磨作業(yè)時磨石的轉(zhuǎn)速為3600 min/r,然而 打磨轉(zhuǎn)速對鋼軌材料去除行為存在很大的影響, 研究這一影響機(jī)制對合理選擇磨石轉(zhuǎn)速具有指導(dǎo) 意義。隨著轉(zhuǎn)速的增大,鋼軌 磨石界面間的摩擦力減小,摩擦因數(shù)減小,鋼 軌試樣材料去除量增加,打磨后鋼軌表面硬度和 塑性變形層厚度增大,而表面粗糙度減小。磨石粒度對鋼軌材料去除行為和磨削力同樣存在很大影響,隨著磨石粒度增大,磨石與鋼軌界面間 的摩擦力增大,這也造成打磨溫度的升高。另外,增大打磨列車作業(yè)速度有助于減輕鋼軌表層損 傷。現(xiàn)場鋼軌打磨過程中施加在磨石上的壓力是由電機(jī)功率決定的,增大打磨壓力會提高鋼軌材料的去除效率,但打磨壓力的增大會使得打 磨后鋼軌表面質(zhì)量變差,主要表現(xiàn)為鋼軌表面粗 糙度、硬度增大,塑性變形層和白層厚度增加。 通過鋼軌打磨模擬實驗分析打磨參數(shù)是研究鋼軌打磨的基礎(chǔ),在探明鋼軌打磨機(jī)理的同時還能為 現(xiàn)場鋼軌打磨參數(shù)選取提供一定的理論依據(jù)。 

1.5　打磨磨石對鋼軌材料去除影響 

      打磨磨石作為磨削鋼軌的磨具,直接關(guān)系到鋼軌打磨效率和打磨質(zhì)量以及磨石的使用壽命。 在選擇磨石類型時,要同時考慮磨石特性:磨 料成分、結(jié)合劑、磨石粒度、磨粒硬度。磨粒的主要性能應(yīng)包括:①金屬切削能力強(qiáng);②抗磨損能 力高;③中高硬度水平(避免磨粒磨鈍)。目前打 磨磨石最常用的磨粒為剛玉(棕剛玉和鋯剛玉)。 如果采用硬度較大的打磨磨石,磨石的使用 壽命會延長,但是因為磨粒很難破碎,長時間的磨削會使得磨粒變鈍,導(dǎo)致鋼軌材料去除量小；如果選用硬度較小的磨石,鋼軌材料去除量大,但磨石使用壽命短,這會增加作業(yè)成本,而且作業(yè)過程中(天窗時間內(nèi))頻繁更換磨石會影響打磨作業(yè)效 率。因此要在保證鋼軌材料去除量的基礎(chǔ)上盡量延長磨石使用壽命,另外,打磨磨石對鋼軌打磨質(zhì)量的影響也是必須要考慮的方面。今后科研工作者還需針對我國鋼軌特點對打磨磨石進(jìn)行全面而系統(tǒng)的研究。 當(dāng)前我國打磨磨石主要從國外引進(jìn),而各國鐵路鋼軌的硬度存在差異,鋼軌的硬度對打磨效率和質(zhì)量會產(chǎn)生直接影響,如果鋼軌打磨列車所設(shè)定的作業(yè)技術(shù)參數(shù)不變,當(dāng)軌道上所鋪設(shè)的是硬度相對較低的普通碳素鋼鋼軌時,打磨過程中 鋼軌材料去除量要大于硬度較高的軌頭淬火鋼軌 的去除量。根據(jù)目前掌握的觀測結(jié)果和作業(yè)經(jīng)驗,一般情況下只要打磨列車所安裝的打磨磨 石質(zhì)量可靠、無嚴(yán)重磨損、硬度范圍正常(布氏硬度值為240?380)的鋼軌,硬度差異對打磨車的 作業(yè)效率不會產(chǎn)生很大的影響,但其具體影響還 需進(jìn)一步研究。

1.6  不同打磨工況下鋼軌材料去除行為

      鋼軌打磨過程中,鋼軌和磨石處于開放的環(huán)境中,外部環(huán)境對鋼軌打磨作業(yè)影響比較大,鋼軌打磨列車可在雨天和灰塵嚴(yán)重的條 件下作業(yè),但是目前對于雨天打磨作業(yè)還沒有比 較全面的研究,水介質(zhì)的存在會降低磨石波動幅 度,但打磨量較干態(tài)條件下打磨量減小12.3%,同 時打磨后鋼軌表面粗糙度更小。由于打磨會產(chǎn)生很高的溫度,在有水介質(zhì)存在的條件下可能 會使得鋼軌發(fā)生淬火反應(yīng),這會進(jìn)一步使得鋼軌表面產(chǎn)生硬化層,因此今后應(yīng)該對水介質(zhì)作用下 的鋼軌打磨進(jìn)行深入的研究?！?/p>

      當(dāng)前我國高速鐵路大部分都是采用無縫鋼軌,無縫鋼軌可以極大地提高列車運行的平穩(wěn)性。 打磨鋼軌焊接接頭可以有效降低鋼軌的不平順 度,這也是現(xiàn)場鋼軌打磨的重要部分,但是接 頭處的材料組成及物理性能與鋼軌材料有很大不同,打磨更容易產(chǎn)生燒傷,在接頭表面產(chǎn)生發(fā)藍(lán)現(xiàn)象,今后對于焊接接頭的打磨研究應(yīng)該更加 細(xì)致,防止在焊接接頭處打磨產(chǎn)生熱裂紋等損傷。 此外,我國鐵路分布廣泛,從南到北、從東到 西,具有許多特殊服役環(huán)境(高寒、高溫、高濕、多風(fēng)沙等復(fù)雜氣候條件),在這些環(huán)境下打磨時,打磨作業(yè)效率和質(zhì)量還不得而知,這是我國鋼軌 打磨技術(shù)發(fā)展必須應(yīng)對的問題,今后應(yīng)開展更多特殊工況下的鋼軌打磨試驗。

２　鋼軌打磨質(zhì)量與打磨效率相互作用機(jī)制

     經(jīng)過多年的打磨實踐,科研人員總結(jié)了針對 我國鐵路的鋼軌打磨時機(jī)、周期、技術(shù)要求、作業(yè) 要求和驗收標(biāo)準(zhǔn),初步形成了我國鋼軌打磨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國鋼軌打磨作業(yè)驗收項目包括:鋼軌廓 形、波磨形式、打磨帶寬度、打磨深度、鋼軌表面粗糙度、鋼軌發(fā)藍(lán)情況、打磨砂輪起落部位的砂輪磨痕。

      根據(jù)打磨參數(shù)對鋼軌材料去除量的影響結(jié)果可知,要想增加打磨量,就要盡量增大磨石轉(zhuǎn)速和打磨壓力(打磨功率)或降低打磨列車行車速度,但是當(dāng)打磨轉(zhuǎn)速和打磨壓力過高時,或打磨列車行車速度過低時,會燒傷鋼軌甚至在鋼軌表面產(chǎn)生白層、塑性變形層,這反而給鋼軌造成了“預(yù)疲勞”,因此打磨量與打磨質(zhì)量是相互競爭的關(guān)系,如何平衡兩者的關(guān)系是今后應(yīng)該深入研究的內(nèi)容。研究表明,打磨壓力過大或過小都達(dá)不到良好的打磨效果:打磨壓力過大時打磨量雖然充足,但打磨后鋼軌表面質(zhì)量較差；打磨壓力過小時,雖 然鋼軌表面質(zhì)量良好,但打磨量不能滿足要求。另外,鋼軌的不同頂部半徑下對應(yīng)的最優(yōu)的打磨 壓力也不同。今后應(yīng)該繼續(xù)根據(jù)打磨效率與打磨質(zhì)量相互作用機(jī)制,對打磨參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以提高鋼軌打磨作業(yè)效果和經(jīng)濟(jì)性。

３　打磨對輪軌接觸疲勞的影響

        打磨除了能有效減輕鋼軌側(cè)磨，最主要的目的是控制鋼軌滾動接觸疲勞。打磨對控制鋼軌接觸疲勞的作用可以分為打磨過程中和打磨后。打磨過程中,打磨磨石可以有效地去除鋼軌表面的接觸 疲勞,減小列車通過時的振動和噪聲。另外, 打磨產(chǎn)生的磨痕也會對輪軌滾動接觸疲勞產(chǎn)生很大影響。當(dāng)前鋼軌打磨分類較多,根據(jù)打磨時間和打磨目的的不同,鋼軌打磨可主要分為:預(yù)打磨、修復(fù)性打磨、預(yù)防性打磨。鋼軌打磨技術(shù)的誕生階段,主要是對鋼軌進(jìn)行修復(fù)性打磨。修復(fù)性打磨是指鋼軌表面產(chǎn)生缺陷以后,對鋼軌進(jìn)行打磨作業(yè),清除鋼軌疲勞裂紋、波磨、剝落、肥邊等缺陷。自２０世紀(jì)８０年代開始,預(yù)防性打磨逐漸開始應(yīng)用到各國鐵路工務(wù)部門。預(yù)防性打磨是指對鋼軌進(jìn)行周期性打磨,對鋼軌廓形進(jìn)行修復(fù),使得鋼軌表面疲勞裂紋在萌生階段就予以消除,可以很好地控制鋼軌滾動接觸疲勞裂紋的 擴(kuò)展?，F(xiàn)代鐵路鋼軌維修工作包括:鋼軌廓形修復(fù)、鋼軌病害清除、選擇與運輸條件相匹配的鋼軌等級、鋼軌焊接、涂油潤滑、輪軌間摩擦條件的調(diào)整等,其中鋼軌打磨是修復(fù)鋼軌廓形和清除鋼軌病害的主要手段。但是目前如何將鋼軌打磨與 其他的鋼軌維修工作結(jié)合起來對鋼軌進(jìn)行全方位的維護(hù),既保證良好的輪軌間接觸條件,又延長鋼軌壽命,是亟待解決的問題。在鋼軌打磨方式中, 還存在著鋼軌銑磨的方式,鋼軌銑磨是德國、奧地利采用的鋼軌維修方式,經(jīng)過多年的探索與研究,已經(jīng)在清除鋼軌病害方面取得不錯效果,今后是否引進(jìn)該技術(shù)并將鋼軌銑磨整修運用到現(xiàn)有鋼軌維護(hù)作業(yè)中也是值得研究的一個問題。

４　展望

      本文介紹了鋼軌打磨材料去除機(jī)理、鋼軌打磨質(zhì)量和打磨效率、高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀, 以及打磨對輪軌滾動接觸疲勞的影響。根據(jù)鋼軌 打磨試驗給出了打磨殘余應(yīng)力的部分?jǐn)?shù)據(jù):打磨會在鋼軌表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,且殘余應(yīng)力值隨著打磨壓力增大而增大。今后鋼軌打磨技術(shù)研究應(yīng)考慮以下四個方面。

 ( １)研發(fā)針對我國鋼軌的打磨磨石。主要從磨料成分、結(jié)合劑、磨石粒度、磨粒硬度等方面入手,以提高打磨作業(yè)效率和質(zhì)量,提升打磨經(jīng)濟(jì)性。

 ( ２)研究特殊工況下鋼軌打磨材料的去除行為。研究水介質(zhì)、低溫、焊接接頭等條件下鋼軌材 料的去除行為,對比分析這些工況下打磨效率和 打磨質(zhì)量與常溫干態(tài)下打磨的異同,為特殊工況 下鋼軌打磨作業(yè)提供參考。

 ( ３)進(jìn)一步分析打磨對輪軌滾動接觸疲勞的影響。打磨可能會在鋼軌表面產(chǎn)生白層、殘余應(yīng) 力等“預(yù)疲勞”,這些由于打磨產(chǎn)生的損傷對輪軌滾動接觸疲勞的影響還未知，今后應(yīng)該對此作深入細(xì)致的研究。

 ( ４)鋼軌打磨技術(shù)與其他鋼軌維護(hù)措施相結(jié)合。在鋼軌維護(hù)措施中,應(yīng)該同時考慮鋼軌打磨、 鋼軌涂油、摩擦改進(jìn)等技術(shù)。綜合采用這些鋼軌 維護(hù)措施,既能保證延長鋼軌使用壽命,又能保證良好的輪軌接觸狀況,以此可以大幅提升鐵路部門的經(jīng)濟(jì)效益。