多倍數(shù)使用釬焊片時(shí)鋼軌打磨復(fù)合砂輪回轉(zhuǎn)性能研究

中圖分類號：TD524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1006-0316（2025）06-0055-06

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.06.008

Study on Rotational Performance of Rail Grinding Composite Grinding Wheels with Multiple Brazing Segments

WANG Jun1，WANG Yanli2，WU Hengheng

1. Longkou Bingang Liquid Chemical Terminal Co.， Ltd.， LongKou 2657oo， China; 2.Longkou Zhongyu

Thermal Management System Technology Co.，Ltd.，LongKou 265700， China; 3.School of Mechanical

Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 2121oo0， China）

Abstract ： In order to explore the rule of rotational performance of composite grinding wheel with brazed segments，the classcal analysis module of finite element software ANSYS isused to study the rotational performance of composite grinding wheel with different placement angles. 181 groups of rail grinding composite grinding wheel models with 30 brazed diamond segments are established in every 1^° interval， and the rotational performance of each model is simulated to determine the rotational stress and shape deformation of the composite grinding wheel surface at various angles，as wellas the rotational stress and shape deformation of the brazed segments at different angles.The results show that with the angle of the radius of the flat grinding wheel as the symmetricalaxis，the surface stressand deformation of the grinding wheel show anobvious symmetrical transformation law with the different placement angle of the brazed segment. The maximum stresson the surface of the grinding wheel varies between 11.9MPa and 12.4MPa ，while the minimum stress varies between 1.13 MPa and 1.29MPa . The placement angle of the brazed segment has limited effect on the maximum deformation ofthe grinding wheel surface.The rotational stress on the brazed segments within the grinding wheel is significantlyhigher than thatonthesurfaceof the grinding whel； however，the displacement is notably constrained bythe grinding wheel itself.In this case，the optimal placement angles of brazing segments in the manufacture of composite grinding wheel are 60^° and 120^° ：

Key words ∵ track maintenance ; composite grinding wheel ; rotational performance; placement angle

我國特別是東部地區(qū)，煤炭等礦產(chǎn)的采礦作業(yè)多采用地下開采模式。在各類開采作業(yè)中，軌道是運(yùn)輸中必不可少的支撐裝備[1]。軌道的安全性為工人往返、煤炭運(yùn)輸?shù)恼ｉ_展提供必要保障[2-4]。經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，軌道需要進(jìn)行檢修與保養(yǎng)。鋼軌打磨是軌道維護(hù)的常用保養(yǎng)方法[5]，其中最常見的是通過砂輪進(jìn)行修護(hù)打磨[。近年來，研發(fā)了多類型的鋼軌打磨復(fù)合砂輪[7-11]，鋼軌打磨砂輪的結(jié)合劑由傳統(tǒng)樹脂結(jié)合劑向多類型組合的復(fù)合結(jié)合劑進(jìn)行轉(zhuǎn)變，所使用的磨料也由傳統(tǒng)的剛玉磨料發(fā)展為陶瓷黏結(jié)磨料、金剛石與CBN（Cubicboronnitride，立方氮化硼）超硬磨料以及多種磨料的組合形式，其中又以含釬焊片的復(fù)合砂輪研究較多[12]。但現(xiàn)有研究多集中在釬焊片數(shù)量僅8片的復(fù)合砂輪上[13]，還有待開展對大量使用釬焊片的復(fù)合砂輪的研究。

因此，為保障大量使用釬焊片的鋼軌打磨復(fù)合砂輪的使用安全性，本文從回轉(zhuǎn)性能的角度，進(jìn)行含有30片釬焊金剛石片的砂輪回轉(zhuǎn)性能仿真研究。

1研究方法

以 Φ250 型鋼軌打磨砂輪為基礎(chǔ)，建立釬焊片在不同放置角度下的復(fù)合砂輪模型，并進(jìn)行回轉(zhuǎn)仿真分析。以往的研究中，釬焊片使用數(shù)量偏少，分析時(shí)釬焊片的不同放置角度只按5^° 一個(gè)分區(qū)來進(jìn)行模擬[14]，相對不夠細(xì)密。本研究求解模型含有30片釬焊金剛石片，釬焊片放置在砂輪中部。如圖1所示， θ 為釬焊片的放置角度， 0^°?θ?180^° ，當(dāng)釬焊片垂直于砂輪半徑時(shí)，設(shè) θ=0^° 。 θ 每改變 1^° ，即建立對應(yīng)模型并求解其回轉(zhuǎn)應(yīng)力與形變量。

2建模與載荷設(shè)置

使用ANSYS軟件經(jīng)典分析模塊，模擬分析釬焊片與砂輪擁有粘結(jié)性時(shí)的砂輪回轉(zhuǎn)性能。分析中默認(rèn)釬焊片與砂輪接觸良好，回轉(zhuǎn)時(shí)不會分離。砂輪外徑 250mm 、內(nèi)徑 150mm. 厚度 75mm 真實(shí)的釬焊金剛石片是鋼基體、金屬釬焊料和金剛石磨料的組合體，其密度遠(yuǎn)高于砂輪上樹脂結(jié)合劑的密度，因此對其進(jìn)行單獨(dú)建模與材料屬性賦值。由于釬焊片表面磨料的存在，其真實(shí)表面形貌相對復(fù)雜，但在回轉(zhuǎn)分析中，主要看其整體的回轉(zhuǎn)應(yīng)力特性。因此建模時(shí)對所分析的釬焊片進(jìn)行形貌簡化，最終建立的釬焊片模型尺寸為 45mm×20mm× 1mm_? ，如圖1所示，由于砂輪具有對稱性，為減小計(jì)算量，實(shí)際分析時(shí)，設(shè)計(jì)使用砂輪的1/30模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

復(fù)合砂輪材料屬性按兩部分進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

由于所建模型并非完整砂輪，因此在模型兩側(cè)對稱面處設(shè)置對稱面約束。在進(jìn)行砂輪回轉(zhuǎn)檢測中，為保證正常工作時(shí)的砂輪安全性，通常要進(jìn)行高于工作轉(zhuǎn)速 1.3～1.8 倍的回轉(zhuǎn)測試。對于 型鋼軌打磨砂輪，打磨機(jī)車使用時(shí)的工作轉(zhuǎn)速約為 3800r/min 因此本研究按正常轉(zhuǎn)速的1.73倍進(jìn)行仿真分析，轉(zhuǎn)速取整后約 6800r/min ，編程加載時(shí)按照弧度轉(zhuǎn)速計(jì)算，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)速度為 692rad/s

根據(jù)釬焊片的放置角度不同，按 0^° 、 1^° 依次建模，共計(jì)建立仿真模型181組，并分別對其回轉(zhuǎn)應(yīng)力與位移進(jìn)行仿真求解。

3結(jié)果與分析

3.1復(fù)合砂輪表面應(yīng)力與形變變化規(guī)律

統(tǒng)計(jì)各組求解數(shù)據(jù)，獲得復(fù)合砂輪回轉(zhuǎn)性能隨釬焊片放置角度的變化規(guī)律，如圖2所示。釬焊片放置角度為 22^° 時(shí)，表面最大應(yīng)力和最大形變相對較大；放置角度為 90^° 時(shí)，表面最大應(yīng)力和最大形變相對較小。對應(yīng)的表面應(yīng)力和位移云圖如圖3所示。可以看出，對于含30片釬焊片的 型鋼軌打磨砂輪，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)其表面最大應(yīng)力出現(xiàn)在固定約束的砂輪內(nèi)壁面的邊緣處，而形變位移最大位置出現(xiàn)在砂輪外圓面上。砂輪表面最大應(yīng)力變化范圍為 11.9～ 12.4MPa （最大差值 0.5MPa， ），大部分處在11.9～12.25MPa ；砂輪表面最小應(yīng)力變化范圍為 1.13～1.29MPa （最大差值 0.16MPa. ）；砂輪表面最大形變量變化范圍為 27.4～28.2μm （最大差值 0.8μmλ ）。隨著釬焊片放置角度的增大，復(fù)合砂輪最大應(yīng)力與形變量總體呈現(xiàn)先略微增大又降低再增大的變化；而砂輪表面最小應(yīng)力則是先降低再增大后又降低再增大。且復(fù)合砂輪表面應(yīng)力與形變以放置角度 90^° 為對稱點(diǎn)，呈現(xiàn)出明顯的對稱性改變規(guī)律。

復(fù)合砂輪表面最大應(yīng)力數(shù)據(jù)雖然總體上呈現(xiàn)對稱性規(guī)律排布，但并沒有表現(xiàn)出十分平滑的變化形態(tài)。隨著放置角度的變化，其結(jié)果數(shù)據(jù)存在頻繁的往復(fù)性。造成這類現(xiàn)象的原因，一方面是因?yàn)殁F焊片的放置角度確實(shí)對復(fù)合砂輪的回轉(zhuǎn)性能有影響，部分角度會增大釬焊片對其周圍樹脂的牽扯力。另一方面，也和所建立的分析模型有關(guān)。在進(jìn)行有限元仿真計(jì)算前，需要對所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。釬焊片放置角度的不同會造成模型網(wǎng)格劃分的差異性，且有時(shí)還會出現(xiàn)形狀變化過大的失效單元。對失效單元進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格等操作又會使得各模型間的運(yùn)算量表現(xiàn)出差異性。這種差異性在約束條件較多且結(jié)果數(shù)值較大的區(qū)域表現(xiàn)得更明顯。而復(fù)合砂輪表面最大應(yīng)力就存在于受到了位移約束的砂輪內(nèi)壁面處。

綜上，當(dāng)放置角度在 60^° 和 120^° 附近時(shí)，砂輪外圓面具有較小的應(yīng)力值，砂輪表面的最大應(yīng)力和形變值也相對較小，因此這兩個(gè)角度適合作為復(fù)合砂輪制作時(shí)釬焊片的放置角。

3.2復(fù)合砂輪內(nèi)釬焊片應(yīng)力與位移變化規(guī)律

隨著放置角度的不同，釬焊片上的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力和最大位移變化規(guī)律如圖4所示。釬焊片在 100^° 和 156^° 放置角度時(shí)，最大應(yīng)力相近，但最小應(yīng)力差異較大，對應(yīng)應(yīng)力和位移云圖如圖5所示。可以看出，釬焊片的應(yīng)力、位移分布以其中部為中間軸，呈現(xiàn)對稱分布，且隨著放置角度的不同，其應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律也呈現(xiàn)一定的對稱性。隨著放置角的增大，釬焊片上的最大應(yīng)力先增大再減小后又增大；釬焊片上的最小應(yīng)力則先降低，在 20^° 和 150^° 附近降至最低后再升高；釬焊片的最大位移與砂輪表面形變位移的變化規(guī)律相似，在從兩側(cè)趨近于 90^° 放置角時(shí)，回轉(zhuǎn)應(yīng)力先增大，在 45^° 和 135^° 附近達(dá)到最大值，然后降低。釬焊片上最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在砂輪的遠(yuǎn)心端，最大位移分布在其邊角處。

由于釬焊片密度比砂輪樹脂部分大很多，因此復(fù)合砂輪回轉(zhuǎn)時(shí)會受到相對更大的離心力作用。釬焊片與其周圍包覆的樹脂材料間會產(chǎn)生明顯的離心力差值。相應(yīng)的，周圍樹脂也會對釬焊片產(chǎn)生阻礙作用。最終，在釬焊片的遠(yuǎn)心端，出現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)。且釬焊片上的最大應(yīng)力會遠(yuǎn)高于砂輪表面所表現(xiàn)出的應(yīng)力。釬焊片處在復(fù)合砂輪的中部，其形變量受到砂輪總體形變位移量的約束。因此，釬焊片上的最大位移量小于復(fù)合砂輪表面的最大位移量值，但釬焊片上最大位移量間的差值高于砂輪表面的位移量差值。

綜上，復(fù)合砂輪回轉(zhuǎn)過程中，釬焊片上應(yīng)力值明顯高于砂輪表面應(yīng)力值，但位移量受到砂輪本身的明顯約束。

3.3與原復(fù)合砂輪回轉(zhuǎn)應(yīng)力對比

將本文復(fù)合砂輪與早期含8片釬焊金剛石片的復(fù)合砂輪仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖6所示。可以看出，早期對釬焊片復(fù)合砂輪回轉(zhuǎn)應(yīng)力的分析中，模擬放置角度較少，計(jì)算后的結(jié)果數(shù)據(jù)勉強(qiáng)能夠看出分成了上下兩組，而最大應(yīng)力隨著放置角度變化所產(chǎn)生的規(guī)律性變化并不明顯。由于建模角度間隔較大，放置角度范圍又偏窄，使得早期研究中模擬分析結(jié)果的規(guī)律性相對較弱。早期分析中所研究砂輪以 型砂輪和8片釬焊片使用量為主，在磨削線速度相同的使用條件下， 型砂輪的正常工作轉(zhuǎn)速比 Φ250 型砂輪的轉(zhuǎn)速低。因此，早期仿真中設(shè)定的回轉(zhuǎn)速度為 5800r/min ，比本研究中施加的轉(zhuǎn)速低 1000r/min 這也是早期分析結(jié)果差異化較大且仿真結(jié)果數(shù)值較低的原因。

另一方面，當(dāng)釬焊片使用量較少時(shí)，高密度的釬焊片對砂輪總質(zhì)量的影響較小，這也使得砂輪回轉(zhuǎn)時(shí)的離心力相對較低，因此，對比本文砂輪，早期砂輪的表面最大應(yīng)力和總變形量更小。但增加釬焊片的使用數(shù)量，能夠提升復(fù)合砂輪打磨表面質(zhì)量，也可提升砂輪的使用壽命。

（4）對于使用30片釬焊片的 型鋼 軌打磨砂輪，釬焊片的較優(yōu)放置角度為 60^° 和 120^° 。

4結(jié)語

以每1°為一個(gè)區(qū)間，建立了181組含30片釬焊金剛石片的 型鋼軌打磨復(fù)合砂輪模型，并對其進(jìn)行回轉(zhuǎn)性能模擬仿真。得到如下結(jié)論：

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（1）隨著釬焊片放置角度的改變，復(fù)合砂輪的回轉(zhuǎn)應(yīng)力與形變呈現(xiàn)出明顯的對稱性變化規(guī)律。（2）砂輪表面最大應(yīng)力變化范圍為 11.9～ 12.4MPa 砂輪表面最小應(yīng)力范圍為 1.13～1.29 MPa ，釬焊片的放置角度對砂輪表面最大形變量的影響較小。（3）砂輪內(nèi)部釬焊片上的回轉(zhuǎn)應(yīng)力值明顯高于砂輪表面應(yīng)力值，但釬焊片位移量受到砂輪本身的明顯約束。