黃瑯茗，周坤，丁昊昊，郭俊，劉啟躍，王文健

基于虛擬砂輪的鋼軌打磨溫度場(chǎng)研究

黃瑯茗，周坤，丁昊昊，郭俊，劉啟躍，王文健

（西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，四川 成都 610031）

基于現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨作業(yè)方式，建立符合真實(shí)砂輪特征的虛擬砂輪，進(jìn)而建立鋼軌打磨過(guò)程砂輪－鋼軌模型。運(yùn)用有限元軟件DEFORM仿真打磨過(guò)程中的鋼軌溫度場(chǎng)變化，分析鋼軌上節(jié)點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，并研究不同打磨參數(shù)（包括打磨深度、進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速）對(duì)打磨溫度的影響。研究結(jié)果表明：鋼軌打磨過(guò)程中，鋼軌經(jīng)歷砂輪的兩次打磨作用，磨削區(qū)域溫度繼續(xù)升高，熱影響區(qū)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。鋼軌節(jié)點(diǎn)溫度迅速升高過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷一個(gè)小幅降低，然后繼續(xù)升高達(dá)到溫度最高點(diǎn)之后再逐漸降低。打磨參數(shù)對(duì)打磨溫度有明顯影響，當(dāng)打磨深度從10 μm增加到70 μm時(shí)，鋼軌最高溫度從330℃升高至529℃；當(dāng)進(jìn)給速度從5 km/h增加至20 km/h時(shí)，鋼軌最高溫度從663℃降低至407℃；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加至3800 r/min時(shí)，鋼軌最高溫度從353℃升高至445℃。

鋼軌打磨；虛擬砂輪；打磨參數(shù)；打磨溫度

隨著重載鐵路的迅猛發(fā)展和列車(chē)運(yùn)行速度的不斷加快，鋼軌損傷和病害成為鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中日益突出的問(wèn)題[1-3]。目前，處理此類(lèi)鋼軌損傷、減少病害常用的方案是鋼軌打磨[4]。鋼軌打磨是一種典型的磨削操作，砂輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)之下高速旋轉(zhuǎn)，其工作表面上的磨粒便對(duì)鋼軌材料進(jìn)行切削，以去除表面病害、得到目標(biāo)廓形[5-7]。鋼軌打磨之后，鋼軌的接觸疲勞和波浪形磨耗得到有效控制，從而延長(zhǎng)了鋼軌的服役壽命，也大大提升了列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性和可靠性[8-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼軌打磨這一過(guò)程進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究。Kanematsu等[10]研發(fā)了新的鋼軌打磨砂輪并運(yùn)用到打磨試驗(yàn)中，從打磨能力和效率上驗(yàn)證了新砂輪用于現(xiàn)場(chǎng)打磨的可行性。Uhlmann等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究了打磨參數(shù)對(duì)鋼軌表面粗糙度和表面硬度的影響，認(rèn)為各種參數(shù)應(yīng)該合理組合以達(dá)到最佳打磨效果。Zhou等[12]對(duì)鋼軌打磨過(guò)程中的磨削力進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)磨削力隨著打磨壓力和打磨列車(chē)進(jìn)給速度的增加而增加，隨著砂輪的轉(zhuǎn)速和磨粒粒度增加而降低。Zhang 等[13]研究了打磨遍數(shù)和方向?qū)Σ牧先コ挠绊?，發(fā)現(xiàn)打磨遍數(shù)的增加會(huì)降低材料去除量和表面粗糙度。

鋼軌打磨作為端面磨削，作業(yè)中會(huì)有大量的磨削熱產(chǎn)生并積聚在鋼軌表面，引起鋼軌溫升。如果打磨參數(shù)設(shè)定不合理，鋼軌溫升可能會(huì)十分劇烈，而溫度過(guò)高會(huì)造成鋼軌燒傷，加重鋼軌疲勞，嚴(yán)重降低打磨質(zhì)量。因此對(duì)打磨溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，可以有效控制打磨過(guò)程中鋼軌的溫升，進(jìn)而保證打磨效果。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)鋼軌打磨溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究。Zhang等[14]將打磨砂輪轉(zhuǎn)化為移動(dòng)熱源，研究了多個(gè)砂輪打磨時(shí)的鋼軌溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)整車(chē)打磨時(shí)，溫度并不會(huì)持續(xù)升高，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Lin等[15]研究了打磨過(guò)程中鋼軌表面燒傷的形成機(jī)理，分析了溫升對(duì)鋼軌打磨表面狀態(tài)的影響和鋼軌打磨過(guò)程中表面裂紋形成的原因。聶蒙等[16]建立鋼軌打磨過(guò)程中的磨削溫度模型，利用MATLAB仿真，發(fā)現(xiàn)多個(gè)打磨砂輪同時(shí)作業(yè)時(shí)不僅會(huì)提高最終的溫度穩(wěn)定值，還會(huì)加快溫升速度。

考慮到目前鋼軌打磨溫度場(chǎng)的仿真研究中使用了數(shù)值計(jì)算或者熱源轉(zhuǎn)化的思路，但并沒(méi)有建立和現(xiàn)場(chǎng)打磨相符合的砂輪－鋼軌模型，且未考慮砂輪和鋼軌之間的相互作用。本文考慮鋼軌打磨過(guò)程中的磨削作用，建立擁有與真實(shí)砂輪相似結(jié)構(gòu)特性的砂輪模型。將砂輪和鋼軌之間的機(jī)械作用和傳熱過(guò)程結(jié)合，利用三維仿真軟件DEFORM研究鋼軌打磨過(guò)程中的溫度場(chǎng)。同時(shí)，研究不同打磨參數(shù)（打磨深度、進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速）對(duì)鋼軌溫度場(chǎng)的影響，為優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)的打磨參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 鋼軌打磨有限元模型

1.1 砂輪與鋼軌模型建立

在商維[17]16#粒度砂輪的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮兩個(gè)方面：磨粒形狀的描述和磨粒坐標(biāo)的隨機(jī)離散分布。因此，為了讓虛擬砂輪符合實(shí)際，測(cè)量出16#砂輪的斷面形貌，利用分水嶺分割法在MATLAB中對(duì)測(cè)量區(qū)域的圖片進(jìn)行編程分割，找到分水線，統(tǒng)計(jì)得到單位面積上的磨粒個(gè)數(shù)，計(jì)算得砂輪磨粒面密度為0.27個(gè)/mm2。然后測(cè)量該型號(hào)砂輪的斷面，得到磨粒的突出高度服從正態(tài)分布，磨粒的粒徑約為1 mm。由于砂輪上結(jié)合劑不參與磨削，將其簡(jiǎn)化為圓柱體，最后根據(jù)磨粒位置的分布，將磨粒與結(jié)合劑結(jié)合起來(lái)，建立出與真實(shí)砂輪具有相似結(jié)構(gòu)特性的虛擬砂輪，如圖1所示。

對(duì)于鋼軌模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所使用的鋼軌，測(cè)量其截面輪廓尺寸，建立出鋼軌的三維模型。最后對(duì)鋼軌和砂輪進(jìn)行裝配，便得到了基于現(xiàn)場(chǎng)打磨的鋼軌打磨模型。圖2為砂輪在不同打磨角度上進(jìn)行鋼軌打磨的示意圖。

由于在鋼軌打磨過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，鋼軌高溫區(qū)域僅僅集中在鋼軌表面部分，并不會(huì)對(duì)鋼軌底部造成影響[14]，所以在保證運(yùn)算結(jié)果正確的前提下，為了減少運(yùn)算量、提高分析效率，本文將鋼軌簡(jiǎn)化為2 mm的鋼軌軌頭表面層，砂輪結(jié)合劑厚度由10 mm減少至1 mm，如圖3所示。

圖1 砂輪模型

圖2 鋼軌打磨示意圖

n為轉(zhuǎn)速，Vf為進(jìn)給速度

1.2 鋼軌和砂輪磨粒材料屬性

鋼軌打磨主要是砂輪磨粒對(duì)鋼軌材料的磨削去除作用。相對(duì)鋼軌材料而言，砂輪硬度更高、變形更小。因此當(dāng)運(yùn)用DEFORM軟件建模時(shí)，在砂輪和鋼軌的接觸副里，將砂輪設(shè)置為剛體，將硬度低、塑性變形較大的鋼軌設(shè)置為塑性體。砂輪磨粒的主要成分是Al2O3，鋼軌材料為U71Mn。U71Mn的熱傳導(dǎo)率、比熱隨溫度的變化情況如圖4所示。鋼軌材料和砂輪磨粒材料的物理性能參數(shù)如表1所示。

圖4 鋼軌材料熱傳導(dǎo)率、比熱與溫度的關(guān)系

表1 鋼軌和砂輪磨粒材料的物理性能參數(shù)

1.3 模型網(wǎng)格劃分

在DEFORM軟件中對(duì)鋼軌和砂輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，鋼軌選取絕對(duì)網(wǎng)格，設(shè)定最小單元尺寸為0.55 mm、尺寸比為2；砂輪選取絕對(duì)網(wǎng)格，因?yàn)槠湎鄬?duì)鋼軌模型來(lái)說(shuō)尺寸體積更小，設(shè)定最小單元尺寸0.4 mm、尺寸比2。最終鋼軌和砂輪所劃分的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 鋼軌和砂輪的網(wǎng)格劃分

1.4 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨環(huán)境，設(shè)定鋼軌固定不動(dòng)，約束鋼軌的各方向自由度；設(shè)定砂輪沿著鋼軌表面方向以一定的進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)，并沿著砂輪中心以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。設(shè)定外界環(huán)境溫度為20 ℃，鋼軌和環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)為0.02 N/s/mm/c。由于鋼軌打磨作業(yè)是一種復(fù)雜的摩擦學(xué)過(guò)程，其中包含著切削、塑性變形、傳熱、材料去除等行為[14]。因此，為了更準(zhǔn)確模擬出鋼軌打磨過(guò)程中的溫度場(chǎng)，在DEFORM軟件的仿真控制中，選擇“變形”和“傳熱”兩種模式同時(shí)進(jìn)行。

2 仿真結(jié)果和分析

2.1 鋼軌溫度云圖

圖6（a）～圖6（d）為砂輪打磨至不同位置時(shí)的鋼軌溫度場(chǎng)。從溫度場(chǎng)的分布可看出，高溫集中在磨削區(qū)域，熱量逐漸向周?chē)鷶U(kuò)散。這是因?yàn)樵谀ハ鲄^(qū)域，磨粒直接接觸并磨削鋼軌材料，熱量隨機(jī)產(chǎn)生并在接觸區(qū)傳導(dǎo)。當(dāng)砂輪運(yùn)動(dòng)至圖6（a）位置，砂輪空孔的前端（圖中Ⅰ區(qū)域）開(kāi)始打磨鋼軌A區(qū)域，此時(shí)A區(qū)域已經(jīng)有明顯的溫升；當(dāng)砂輪運(yùn)動(dòng)至圖6（b）位置，此時(shí)砂輪空孔的后端（Ⅱ區(qū)域）開(kāi)始打磨A區(qū)域?？梢园l(fā)現(xiàn)，A區(qū)域的溫度再次升高（顏色變深），并且熱影響區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，這個(gè)特點(diǎn)在B區(qū)域溫度場(chǎng)從圖6（c）到圖6（d）的變化中也可以發(fā)現(xiàn)。說(shuō)明在鋼軌打磨過(guò)程中，鋼軌同一部位會(huì)受到砂輪前后兩次的打磨作用，在此期間，磨削區(qū)溫度會(huì)繼續(xù)升高，熱影響區(qū)會(huì)進(jìn)一步向四周擴(kuò)散。

圖6（e）為鋼軌的截面溫度場(chǎng)。截面云圖呈半橢圓形，高溫主要分布在表層位置，且溫度隨著深度的增加而降低。

圖6 鋼軌打磨過(guò)程中的鋼軌溫度云圖

2.2 節(jié)點(diǎn)溫度變化

如圖7所示，節(jié)點(diǎn)溫度曲線前后具有兩個(gè)波峰，分別為200℃和388℃，這和上述結(jié)果（鋼軌同一部位受兩次打磨作用，溫度會(huì)繼續(xù)升高）一致。但是，中間還存在著一次波谷：鋼軌表面溫度迅速增大至第一個(gè)波峰200℃后，隨即小幅下降至193℃。這是砂輪的空心圓柱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的：當(dāng)砂輪前端（圖6中Ⅰ部分）打磨經(jīng)過(guò)鋼軌表面某節(jié)點(diǎn)處時(shí)，大量磨削熱積聚使節(jié)點(diǎn)溫度升高，但當(dāng)砂輪中心空孔部分經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)處時(shí)，并沒(méi)有磨粒繼續(xù)對(duì)節(jié)點(diǎn)處鋼軌進(jìn)行磨削和摩擦作用，節(jié)點(diǎn)處沒(méi)有熱量產(chǎn)生，所以溫度不會(huì)繼續(xù)升高，反而因?yàn)闊醾鬟f會(huì)有所下降。當(dāng)砂輪后端（圖6中Ⅱ部分）打磨至節(jié)點(diǎn)處，此時(shí)節(jié)點(diǎn)處又開(kāi)始發(fā)生打磨作用，引起溫度繼續(xù)升高。溫度升高至第二個(gè)波峰后，整個(gè)砂輪都逐漸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)附近鋼軌便逐漸冷卻，溫度降低。

圖7 鋼軌表面某節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

2.3 打磨參數(shù)對(duì)鋼軌溫度峰值的影響

打磨深度是磨粒參與切削的深度，與打磨壓力直接相關(guān)，且隨打磨壓力的增大而增大[18]。當(dāng)進(jìn)給速度為20 km/h、砂輪轉(zhuǎn)速為3200 r/min時(shí)，得到圖8?？梢钥闯?，當(dāng)打磨深度從10 μm增加到70 μm時(shí)，鋼軌上最高溫度從330℃升高至529℃。這是因?yàn)殡S著打磨深度的增加，實(shí)際參與打磨的磨粒增加，磨粒和鋼軌接觸作用的深度與面積也增大，最終導(dǎo)致打磨量增大，磨削作用更加劇烈。

圖8 不同打磨深度下的最高溫度

進(jìn)給速度是鋼軌打磨列車(chē)的運(yùn)行速度?，F(xiàn)場(chǎng)打磨時(shí)，進(jìn)給速度通常在8～20 km/h之間，當(dāng)速度低于2 km/h時(shí)，為防止鋼軌溫度過(guò)高，砂輪會(huì)自動(dòng)脫離軌面（抬起）[14]。當(dāng)打磨深度為30 μm、砂輪轉(zhuǎn)速為3200 r/min時(shí)，得到圖9。可以看出，當(dāng)進(jìn)給速度從5 km/h增加至20 km/h時(shí)，鋼軌上最高溫度從663℃降低至407℃。這是因?yàn)榇蚰チ熊?chē)運(yùn)行越快，砂輪打磨鋼軌的時(shí)間就越短，這一段鋼軌受到的磨削和摩擦作用時(shí)間就會(huì)越短，導(dǎo)致這段鋼軌上產(chǎn)生的熱量減少。此外，還可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速度越高，溫度降低的趨勢(shì)越小。

圖9 不同進(jìn)給速度下的最高溫度

砂輪作為直接磨削鋼軌材料的工具，其轉(zhuǎn)速是鋼軌打磨過(guò)程中的重要參數(shù)。當(dāng)打磨深度為30 μm、進(jìn)給速度為20 km/h時(shí)，得到圖10?？梢钥闯?，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加至3800 r/min時(shí)，鋼軌上最高溫度從353℃升高至445℃。這是因?yàn)樵谕粫r(shí)間段內(nèi)，轉(zhuǎn)速越大，有更多的磨粒和鋼軌接觸摩擦，更多的鋼軌材料被切削，導(dǎo)致在鋼軌上產(chǎn)生了更多的磨削熱。

圖10 不同砂輪轉(zhuǎn)速下的最高溫度

3 結(jié)論

本文考慮到真實(shí)的磨削過(guò)程，建立與現(xiàn)場(chǎng)砂輪形貌一致的砂輪模型，建立單個(gè)砂輪進(jìn)行鋼軌打磨的溫度場(chǎng)計(jì)算模型。研究了鋼軌打磨過(guò)程中的鋼軌溫度場(chǎng)變化過(guò)程，分析了鋼軌表面節(jié)點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，探討了打磨參數(shù)（打磨深度、進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速）對(duì)打磨溫度的影響規(guī)律。得出以下結(jié)論：

（1）單個(gè)砂輪進(jìn)行鋼軌作業(yè)時(shí)，鋼軌受到砂輪前端和后端的兩次打磨作用，磨削區(qū)域溫度繼續(xù)升高，熱影響區(qū)進(jìn)一步向四周擴(kuò)散。

（2）鋼軌上節(jié)點(diǎn)溫度先增加，再小幅降低，然后繼續(xù)增加至最高，最后逐漸下降。

（3）打磨參數(shù)對(duì)打磨溫度有明顯影響。當(dāng)打磨深度從10 μm增加到70 μm時(shí)，鋼軌最高溫度從330℃升高至529℃；當(dāng)進(jìn)給速度從5 km/h增加至20 km/h時(shí)，鋼軌最高溫度從663℃降低至407℃；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加至3800 r/min時(shí)，鋼軌最高溫度從353℃升高至445℃。

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Temperature Field of Rail Grinding Based on a Virtual Grinding Wheel

HUANG Langming，ZHOU Kun，DING Haohao，GUO Jun，LIU Qiyue，WANG Wenjian

( Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Based on the rail grinding process in the field, a virtual grinding wheel model was built according to the field grinding wheels, and a wheel-rail model during rail grinding was established. The finite element software DEFORM was used to study the evolution of temperature field on the rail during rail grinding, and temperature change of a node on the rail surface was analyzed. Meanwhile, the influence of grinding parameters (such as the grinding depth, the feed speed of a grinding train, and the rotational speed of a grinding wheel) on grinding temperature was studied. The results showed that during rail grinding, the rail was ground twice by the grinding wheel. The temperature of ground area continued to rise, and heat affected zone expanded. The node temperature experienced a small decrease in the process of rapid increase, then increased to the maximum value, and then decreased slowly. Grinding parameters had influence on the grinding temperature. With the grinding depth increasing from 10 μm to 70 μm, the maximum temperature on the rail surface increased from 330℃ to 529℃. With the feed speed increasing from 5 km/h to 20 km/h, the maximum temperature on the rail surface declined from 663℃ to 407℃. With the rotational speed increasing from 2000 r/min to 3800 r/min, the maximum temperature on the rail surface increased from 353℃ to 445℃.

rail grinding；virtual grinding wheel；grinding parameters；grinding temperature

U213.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.001

1006－0316 (2020) 07－0001－06

2020－01－14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51575460）；四川省高?？蒲袆?chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（18TD0005）

黃瑯茗（1994－），男，四川廣安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇撥壌蚰バ袨榉抡嫜芯浚珽-mail：huanglangming@foxmail.com；

劉啟躍（1964－），男，四川成都人，博士，教授，主要研究方向?yàn)檩嗆壪到y(tǒng)服役行為及材料摩擦磨損。