鋼軌打磨車單個(gè)砂輪打磨量研究

趙 劍，梁 瑜

（中車北京二七機(jī)車有限公司科研管理中心，北京100072）

目前鋼軌打磨車已經(jīng)成為我國(guó)客、貨運(yùn)線路鋼軌、城市軌道線路鋼軌維護(hù)的重要大型養(yǎng)路機(jī)械[1]。應(yīng)用鋼軌打磨車打磨新鋪設(shè)鋼軌表面的脫碳層、殘余應(yīng)力、焊接頭不平順等缺陷和運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后鋼軌的裂紋、肥邊、波磨、剝落等病害時(shí)，打磨模式的選擇和打磨車參數(shù)的設(shè)定都只能依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，打磨過(guò)程和打磨結(jié)果都具有不可控性?；趯?shí)測(cè)軌道廓形的智能打磨模式是鋼軌維護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]，目前其難點(diǎn)在于將病害廓形打磨成為目標(biāo)廓形[4-5]的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，而砂輪的實(shí)際打磨量、打磨量與廓形的關(guān)系是目標(biāo)廓形實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)?，F(xiàn)有單列打磨車砂輪數(shù)量一般有96個(gè)、48個(gè)、20個(gè)、16個(gè)、8個(gè)等不同規(guī)格。不論一列打磨車多少個(gè)砂輪，單側(cè)軌道打磨時(shí)，砂輪都是一個(gè)接一個(gè)順序作業(yè)，因此單個(gè)砂輪的打磨量研究是整車打磨量計(jì)算的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)智能化打磨最重要的基礎(chǔ)研究。本文即是針對(duì)打磨車單個(gè)砂輪的打磨量問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 實(shí)際打磨量與打磨車作業(yè)參數(shù)研究

打磨車作業(yè)時(shí)，影響單個(gè)砂輪的打磨量的因素主要包括：砂輪材質(zhì)、鋼軌材質(zhì)、打磨車作業(yè)速度、打磨電機(jī)功率（或作用于鋼軌的壓力與電機(jī)的電流）、砂輪偏轉(zhuǎn)角度等。為了得到精準(zhǔn)的打磨量，搭建了鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)。

1.1 鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)

鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)立式車床改裝而成，主要包含打磨單元、比例氣控系統(tǒng)、變頻供電系統(tǒng)、操作控制臺(tái)及測(cè)試鋼圈等部分，如圖1所示。

圖1 鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)

打磨單元按照GMC96-B型鋼軌打磨列車打磨單元1∶1比例設(shè)計(jì)，固定于機(jī)床橫梁導(dǎo)軌上。為了便于計(jì)算打磨量，鋼軌采用與鋼軌相同材質(zhì)的圓環(huán)狀鋼圈替代，固定于立式車床工作臺(tái)上，如圖1所示。打磨操控臺(tái)與打磨單元之間通過(guò)電、氣管線連接控制，試驗(yàn)時(shí)連接筆記本電腦，記錄作業(yè)參數(shù)，操控臺(tái)界面如圖2所示。

圖2 打磨操控臺(tái)

通過(guò)調(diào)節(jié)立式車床轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)環(huán)狀鋼圈轉(zhuǎn)運(yùn)，模擬不同打磨速度；通過(guò)操控臺(tái)調(diào)節(jié)打磨電機(jī)的正壓力和背壓力及電流值，進(jìn)而控制電機(jī)的功率。為便于數(shù)據(jù)分析，打磨砂輪以90°角度垂直打磨環(huán)狀鋼圈。

鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)具備了模擬控制影響打磨量參數(shù)的各種條件：砂輪材質(zhì)方面，鋼軌打磨試驗(yàn)臺(tái)用砂輪與GMC96-B型鋼軌打磨列車使用砂輪完全一樣；鋼軌材質(zhì)方面，環(huán)狀鋼圈由鋼軌制造商按鋼軌材質(zhì)制造而成；打磨車作業(yè)速度通過(guò)調(diào)整立式車床轉(zhuǎn)速，即環(huán)狀鋼圈轉(zhuǎn)速模擬實(shí)現(xiàn)；打磨電機(jī)的功率通過(guò)調(diào)整打磨電機(jī)的正壓力、背壓力值與電機(jī)電流實(shí)現(xiàn)；電機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速完全一樣；電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度為0°，即不偏轉(zhuǎn)。

打磨量通過(guò)測(cè)量打磨前后鋼圈的厚度變化計(jì)算得到。

1.2 打磨試驗(yàn)與數(shù)據(jù)記錄

制定詳細(xì)的試驗(yàn)大綱，近三個(gè)月的時(shí)間，進(jìn)行了多次試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程如圖3、圖4所示。

圖3 2.5bar正壓力打磨

圖4 4.5bar正壓力打磨

試驗(yàn)過(guò)程中，記錄的數(shù)據(jù)包括：轉(zhuǎn)速φ、背壓力F1、正壓力 F2、溫度 T、電流值 I、時(shí)長(zhǎng) t、磨削深度 h.研究打磨量的關(guān)系，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理。

線速度v=φ×2πr，其中，r為鋼圈半徑。

將試驗(yàn)臺(tái)目前已進(jìn)行試驗(yàn)相同工況下的數(shù)據(jù)歸類，可得到表1的10種工況數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3 數(shù)據(jù)分析

單個(gè)砂輪的打磨量的因素主要包括：砂輪材質(zhì)、鋼軌材質(zhì)、打磨車作業(yè)速度、打磨電機(jī)功率、砂輪偏轉(zhuǎn)角度等。打磨車在作業(yè)過(guò)程中，砂輪材質(zhì)、鋼軌材質(zhì)及打磨電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的。

測(cè)量的幾個(gè)值中，影響打磨量的參數(shù)是線速度、壓力差（正壓力與背壓力的差值）和電流值。其中壓力差和線速度是設(shè)定值，電流值是測(cè)量值，應(yīng)與壓力滿足一種正比關(guān)系，因此研究打磨量與其他參數(shù)關(guān)系時(shí)，壓力與電流僅考慮一個(gè)變量即可。打磨車作業(yè)時(shí)，控制參數(shù)為電流值，本文重點(diǎn)分析電流值與打磨量的關(guān)系。理論上，恒速時(shí)，壓力設(shè)定越大，電流值越高，打磨量越大；壓力一定時(shí)，電流值理論上不存在變化，線速度越大，打磨量越小。

從圖5電流值與壓力差可以看出，斜率幾乎一樣，二者之間存在一定的比例關(guān)系；從圖6打磨量與電流值的關(guān)系可以看出，轉(zhuǎn)速不變的情況下，電流值越大，單位打磨量越大，圖5和圖6完全符合試驗(yàn)預(yù)期。

圖5 電流值與壓力差的關(guān)系

圖6 打磨量與電流值的關(guān)系

圖7為打磨量與線速度的關(guān)系，打磨車作業(yè)時(shí)，理論上線速度越大，砂輪與鋼軌的接觸時(shí)間越少，單遍打磨量應(yīng)越小。從圖7可以看出，線速度增大，打磨量并沒(méi)有增大，而是幾乎不變。原因在于模擬鋼軌的環(huán)狀鋼圈形狀為環(huán)形，雖然轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)一圈砂輪與環(huán)狀鋼圈的接觸時(shí)間不一樣，但接觸時(shí)間短時(shí)，轉(zhuǎn)的圈數(shù)多；總的打磨時(shí)間是近似相同的，每次試驗(yàn)時(shí)間約30 s，誤差約0.3 s.從數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)狀鋼圈單位時(shí)間內(nèi)的被打磨量，在壓力值與電流值一定時(shí)，幾乎是一定值。

圖7 打磨量與線速度的關(guān)系

從以上數(shù)據(jù)定量分析得到了鋼軌打磨的規(guī)律，與定性分析的結(jié)果完全一致。

2 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了鋼軌打磨車單個(gè)砂輪打磨量研究的試驗(yàn)臺(tái)，并通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)的有效性。同時(shí)，模仿打磨車的實(shí)際作業(yè)情況，設(shè)計(jì)了不同作業(yè)速度、不同作業(yè)壓力的打磨試驗(yàn)，獲取了單個(gè)砂輪在各種速度下的打磨量原始數(shù)據(jù)，為以后鋼軌打磨車的精確化、智能化打磨奠定了基礎(chǔ)。

[1]雷曉燕.鋼軌打磨原理及其應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2000，17（1）：28-33.

[2]劉月明，李建勇，蔡永林，等.鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2014，35（4）：29-37.

[3]金學(xué)松，杜 星，郭 俊，等．鋼軌打磨技術(shù)研究進(jìn)展[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，45（1）：1-11．

[4]陳國(guó)慶．豐沙線曲線區(qū)段波磨鋼軌打磨廓形優(yōu)化的研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，1990．

[5]周亮節(jié).鋼軌打磨形面研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.