閆薪霖， 肖 博， 高先哲， 肖 冰, 張益權(quán)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

鋼軌是鐵路列車運(yùn)行的載體，鋼軌質(zhì)量影響列車的行車安全和行車品質(zhì)。鋼軌與上方列車的車輪直接接觸，承載著列車傳來(lái)的作用力，同時(shí)還會(huì)受到輪軌之間的摩擦力、軌道板和軌道之間的壓力和列車制動(dòng)時(shí)的作用力等，易受損產(chǎn)生病害(如圖1所示)，危及行車安全[1-3]。

鋼軌打磨是改善輪軌接觸狀態(tài)，消除和延緩鋼軌表面損傷，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的有效和經(jīng)濟(jì)的維修方案[4]。鋼軌打磨是利用專門的打磨設(shè)備對(duì)鋼軌表面材料(包括鋼軌受損部分)進(jìn)行磨削去除，從而達(dá)到消除鋼軌病害的目的[5]?，F(xiàn)階段打磨鋼軌的主要設(shè)備是裝備有打磨砂輪的鋼軌打磨列車(如圖2所示)，其工作原理是打磨列車在鋼軌上行進(jìn)，砂輪與鋼軌接觸產(chǎn)生磨削作用，打磨后鋼軌可恢復(fù)最佳形貌(如圖3所示)。

圖3 打磨后鋼軌形貌

用傳統(tǒng)樹(shù)脂砂輪打磨鋼軌存在磨削火花大易引發(fā)火災(zāi)，結(jié)合劑揮發(fā)產(chǎn)生大量粉塵，高寒條件下砂輪易破碎等缺點(diǎn)。而釬焊超硬磨料工具可避免上述問(wèn)題[6-9]。因此，設(shè)計(jì)并制作鋼軌打磨用釬焊金剛石砂輪，通過(guò)打磨試驗(yàn)評(píng)價(jià)砂輪的綜合性能，并與國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的鋼軌打磨配套樹(shù)脂砂輪的磨削性能做對(duì)比試驗(yàn)，探究釬焊金剛石砂輪用于鋼軌打磨的可行性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

搭建鋼軌打磨試驗(yàn)機(jī)床模擬打磨列車打磨鋼軌的工作模式(如圖4所示)。試驗(yàn)時(shí)工件在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下水平勻速旋轉(zhuǎn)，砂輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下水平旋轉(zhuǎn)(電源電壓和頻率可調(diào))并在進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下為砂輪提供磨削背壓。環(huán)形工件材料采用我國(guó)鐵路鋼軌常用的U71Mn鋼，外徑為900 mm，截面寬度為20 mm。磨削試驗(yàn)時(shí)的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 磨削試驗(yàn)的工藝參數(shù) Table 1 Parameters for grinding tests

圖4 打磨試驗(yàn)機(jī)床

試驗(yàn)機(jī)床配有計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(如圖5所示)，可實(shí)現(xiàn)打磨參數(shù)的自動(dòng)化控制，其控制面板安裝有數(shù)字顯示器，可實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、頻率、壓力等參數(shù)。

圖5 打磨試驗(yàn)機(jī)床計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)

通過(guò)電流可以表征磨削時(shí)砂輪電機(jī)所消耗的功率，可通過(guò)式(1)計(jì)算：

(1)

式中：P為砂輪電機(jī)工作時(shí)的功率(W)；F為砂輪工作時(shí)的磨削力(N)；v為工件進(jìn)給速度(m/s)；n1為機(jī)械傳動(dòng)效率；n2為電機(jī)效率；U0為砂輪電機(jī)的工作電壓(V)；I為砂輪電機(jī)磨削工件時(shí)的電流(A)(試驗(yàn)時(shí)每間隔10 s記錄電流值，每5 min后取所有電流的平均值作為砂輪磨削時(shí)的電流值)；I0為砂輪空轉(zhuǎn)時(shí)砂輪電機(jī)的電流(A)(金剛石砂輪10.91 A，樹(shù)脂砂輪11.06 A)。

砂輪在空轉(zhuǎn)時(shí)砂輪電機(jī)勻速運(yùn)行，電機(jī)的工作電壓和電流穩(wěn)定。當(dāng)砂輪磨削工件時(shí)，環(huán)形工件對(duì)磨粒產(chǎn)生阻力，如果磨粒的鋒利度越高，則磨粒及砂輪受到的磨削阻力越小。當(dāng)砂輪電機(jī)的工作電壓和轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，電流值的大小則間接顯示出磨削力的大小。

砂輪的磨削效率可通過(guò)工件每分鐘的磨削量來(lái)表示，可由式(2)計(jì)算：

(2)

式中：δ為砂輪的磨削效率(g/min)；S為工件截面積(mm2)；Δh為工件的磨削高度(mm)；ρ為工件的密度(g/cm3)；t為磨削時(shí)間(min)。

在試驗(yàn)過(guò)程中S和ρ不變，因此只需測(cè)出工件的磨削高度即可求出砂輪的磨削效率。

1.2 試驗(yàn)砂輪

基于鋼軌打磨的特點(diǎn)、打磨列車及試驗(yàn)平臺(tái)的安裝要求，設(shè)計(jì)了如圖6所示的組合式砂輪結(jié)構(gòu)[12]。其主要包括釬焊金剛石端面砂輪及連接器(與砂輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸相連)。

圖6 砂輪結(jié)構(gòu)

選擇Ni-Cr合金釬料和粒度代號(hào)40/45的金剛石，采用高溫真空釬焊工藝在45#鋼基體上釬焊金剛石構(gòu)成砂輪的磨削面，制備釬焊金剛石鋼軌打磨砂輪(圖7)。

選擇國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂鋼軌打磨砂輪做對(duì)比試驗(yàn)，如圖8所示，以驗(yàn)證釬焊金剛石砂輪的打磨性能。

圖8 樹(shù)脂鋼軌打磨砂輪

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)金剛石砂輪和樹(shù)脂砂輪進(jìn)行打磨試驗(yàn)。由于單層釬焊金剛石砂輪在打磨過(guò)程中易發(fā)生磨屑黏附現(xiàn)象，當(dāng)打磨試驗(yàn)進(jìn)行到35 min時(shí)磨屑黏附現(xiàn)象已十分嚴(yán)重，砂輪在工件上頻繁跳動(dòng)形成間歇性加工，雖然砂輪未發(fā)生嚴(yán)重?fù)p耗但已經(jīng)無(wú)法獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)參數(shù)?；谏鲜鲈颍x取前40 min的打磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 磨削效率與電流

圖9所示為磨削時(shí)的效率與電流隨時(shí)間的變化。分析圖9可以發(fā)現(xiàn)：穩(wěn)定磨削階段釬焊金剛石砂輪的磨削效率最高可達(dá)0.28 mm/min，是樹(shù)脂砂輪最高磨削效率0.15 mm/min的1.87倍；其最高磨削電流也比樹(shù)脂砂輪的最高磨削電流小，約為樹(shù)脂砂輪電流的1/4。這表明在穩(wěn)定工作階段釬焊金剛石砂輪比樹(shù)脂砂輪鋒利，磨削效率高。釬焊金剛石砂輪在磨削過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磨屑黏附現(xiàn)象，造成排屑空間減小、磨粒刃口變鈍、磨削力和磨削溫度上升。由于磨削試驗(yàn)為恒壓磨削，黏附的鐵屑很難排除或脫落，造成砂輪磨削效率的下降。25 min時(shí)磨削效率與電流均明顯下降。電流的下降是因?yàn)槟ハ餍式档蜁r(shí)所消耗的功率也減小。30 min時(shí)金剛石砂輪的磨削效率已降至0.18 mm/min，接近樹(shù)脂砂輪的0.15 mm/min。

2.2 工件表面粗糙度

圖10所示為磨削后鋼軌工件的表面形貌。從圖10a可以看出：經(jīng)樹(shù)脂砂輪磨削后鋼軌工件表面較粗糙，光潔度較差。樹(shù)脂砂輪的磨粒粒度較大且隨著結(jié)合劑及磨粒的脫落，磨削面存在動(dòng)態(tài)波動(dòng)，導(dǎo)致工件表面粗糙度較大且各磨削紋路的寬度和深淺也存在差異。工件表面的黏附物為樹(shù)脂砂輪在高溫下的揮發(fā)物。樹(shù)脂砂輪在磨削時(shí)還存在火花大和氣味大的現(xiàn)象。

圖10b為釬焊金剛石砂輪穩(wěn)定磨削階段的鋼軌工件表面，可以看出磨削紋路清晰且規(guī)整，表面光潔無(wú)黏附物。這是因?yàn)樵诮饎偸姆€(wěn)定磨削階段，金剛石磨粒鋒利且出露高度整齊，磨粒及焊料層未出現(xiàn)磨屑黏附現(xiàn)象。

圖10c為金剛石砂輪磨削35 min后工件的表面形貌，從圖10c中可以看出：工件表面粗糙度進(jìn)一步降低，單條磨削紋路更窄。但此時(shí)的磨削效率已明顯下降，且工件表面有明顯的黏附物，部分區(qū)域紋路模糊，存在面磨削現(xiàn)象。造成這一現(xiàn)象的原因是砂輪表面出現(xiàn)嚴(yán)重的磨屑黏附現(xiàn)象。在磨削壓力的作用下表面的黏附層被壓平，磨粒被覆蓋，參與磨削的磨粒減少，部分黏附層參與了磨削。工件表面的黏附物為破碎或脫落的磨粒、脫落的黏附層及釬料。

2.3 砂輪磨損分析

金剛石砂輪磨削工件時(shí)主要的磨損形式有磨粒的磨耗磨損、磨粒的破碎磨損、磨粒脫落及堵塞磨損[10]。釬焊金剛石砂輪在鋼軌打磨試驗(yàn)中，除發(fā)生正常的磨粒磨耗外，對(duì)砂輪失效影響最大的是堵塞磨損及邊緣磨粒脫落，如圖11所示。

圖11 釬焊金剛石砂輪磨損形式

為了進(jìn)一步探究釬焊金剛石鋼軌打磨砂輪的失效情況，分別在15 min、25 min、35 min和40 min的磨削時(shí)間下對(duì)砂輪表面形貌進(jìn)行觀察，圖12為釬焊金剛石砂輪磨削后的形貌圖。在磨粒磨損并不嚴(yán)重，少數(shù)磨粒發(fā)生破碎磨損的時(shí)候，磨粒表面出現(xiàn)磨屑黏附(圖12a)。磨削時(shí)間為25 min時(shí)，砂輪黏附現(xiàn)象比較嚴(yán)重，部分磨粒和容屑空間被磨屑包埋(圖12b)。磨削時(shí)間為35 min時(shí)，由于磨屑嚴(yán)重黏附，僅能看到少數(shù)磨粒(圖12c)。磨削時(shí)間為40 min時(shí)，黏附的磨屑在壓力作用下形成完整的平面將磨粒完全掩埋，砂輪無(wú)法進(jìn)行正常磨削加工。由于砂輪跳動(dòng)和磨削高溫，砂輪邊緣的釬料在沖擊力的作用下發(fā)生剝離，導(dǎo)致磨粒也隨之脫落(圖12d)。

由于樹(shù)脂砂輪是多層結(jié)構(gòu)且砂輪中存在氣孔利于容屑，即使存在磨屑黏附現(xiàn)象，隨著砂輪的不斷消耗，黏附層不斷脫落，樹(shù)脂砂輪的磨損主要是磨粒和結(jié)合劑的損耗而不是磨屑黏附。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)制作了鋼軌打磨用單層釬焊金剛石砂輪，并用其與樹(shù)脂砂輪進(jìn)行磨削鋼軌的對(duì)比試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)：

(1)在穩(wěn)定打磨鋼軌階段，釬焊金剛石砂輪的磨削效率高、磨削電流小、工件表面粗糙度低、磨削火花小、無(wú)粉塵和氣味污染。釬焊金剛石砂輪的磨削效率最高可達(dá)0.28 mm/min，是樹(shù)脂砂輪的最高磨削效率(0.15 mm/min)的1.87倍；釬焊砂輪的最高磨削電流僅約為數(shù)值砂輪的最高磨削電流的1/4。

(2)單層釬焊金剛石砂輪的磨屑黏附現(xiàn)象使砂輪在未發(fā)生明顯磨粒磨損時(shí)已無(wú)法正常工作，因此要使釬焊金剛石砂輪成功用于鋼軌打磨須解決磨屑黏附的問(wèn)題。試驗(yàn)中磨削時(shí)間為25 min時(shí)砂輪黏附現(xiàn)象已經(jīng)比較嚴(yán)重。