钢轨高速打磨机理研究-载运工具运用工程硕士论文

国内图书分类号 U216 65 密级 公开 国际图书分类号 625 西西 南南 交交 通通 大大 学学 研研 究究 生生 学学 位位 论论 文文 钢轨高速打磨机理研究 年 级 2013 级 姓 名 许孝堂 申请学位级别 工学硕士 专 业 载运工具运用工程 指 导 老 师 王衡禹 副研究员 二零零一六年 五月 十日 Classified Index U216 65 U D C 625 Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis STUDY ON THE MECHANISM OF RAIL HIGH SPEED GRINDING Grade 2013 Candidate Xu Xiaotang Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Vehicle Engineering Application Supervisor Wang Hengyu Mar 10 2016 西南交通大学西南交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 使用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导老师签名 日期 日期 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 通过高速打磨试验台研究打磨作业参数 磨石参数 环境等因素对高速打磨作 业效果的影响 并结合对高速打磨磨石主要参数和成分分析 利用高速打磨试验台进 行高速打磨磨石的研制和生产工艺改进 研究发现 打磨作业速度 打磨压力 磨石 偏转角度 磨石参数以及环境因素会影响高速打磨效果 需要综合考虑需要综合考虑 打磨作业参数对磨石受力 钢轨打磨量 磨石磨损率 打磨后钢轨表面粗糙度等打磨 效果指标的影响 然后选择合适的打磨作业参数 在选择磨石参数时同样需要综合考 虑磨石参数对磨石自锐性 磨石寿命 钢轨打磨量以及钢轨表面粗糙度值的影响 这 些内容主要体现在第二章 2 利用机理试验研究结果指导设计了高速打磨试验样车 设计了高速打磨试验车 的切削方式 作业参数 牵引方式等 并设计了相应的试验车结构和液压系统 试验 样车通过轨道车牵引可对线路进行双向打磨 这些内容体现在第三章 3 建立了高速打磨小车动力学模型 该模型可考虑打磨作业时磨石与钢轨间相互 作用力的干扰 通过模拟分析发现不同作业模式对打磨小车动力学性能都会造成一定 的影响 但不会对高速打磨小车的行车安全造成威胁 这些内容体现在第四章 4 进行高速打磨试验车的现场打磨试验研究 试验结果表明 本研究所设计的高 速打磨试验车可以达到良好打磨效果 并对高速打磨的打磨质量 磨石磨损率 打磨 参数等进行了研究 这些内容体现在第五章 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 日期 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 I 页 摘 要 钢轨高速打磨是近年来发展起来的新型钢轨打磨方式 其打磨作业速度可达 60 80km h 比起传统的钢轨打磨方式 该方式在去除滚动接触疲劳裂纹 提高钢轨寿 命 降低噪声水平 以及作业时间安排等方面具有独特的优势 由于高速打磨机理与 普通打磨的机理完全不同 为了研制高速打磨列车 必须掌握高速打磨机理 然而 在国内外的公开文献中 尚无法找到高速打磨机理的研究资料 本文就高速打磨机理 展开了系统的研究 并利用研究所得到的高速打磨机理设计生产了高速打磨试验车 本论文首先通过高速打磨试验台研究打磨作业参数 磨石参数 环境等因素对高速 打磨作业效果的影响 并结合对高速打磨磨石主要参数和成分分析 利用高速打磨试 验台进行高速打磨磨石的研制和生产工艺改进 研究发现 打磨作业速度 打磨压力 磨石偏转角度 磨石参数以及环境因素均会对高速打磨效果产生一定的影响 高速打 磨作业时需要综合考虑打磨作业参数对磨石受力 钢轨打磨量 磨石磨损率 打磨后 钢轨表面粗糙度等打磨效果指标的影响 然后选择合适的打磨作业参数 在选择磨石 参数时同样需要综合考虑磨石参数对磨石自锐性 磨石寿命 钢轨打磨量以及钢轨表 面粗糙度值的影响 并经过反复试制 研制出可以用于现场打磨的高速打磨磨石 在对高速打磨进行试验研究之后 结合试验研究成果合理地设计了高速打磨试验车 的切削方式 作业参数 牵引方式等 并设计了相应的机械结构和液压系统 由于打磨小车在作业过程中受到磨石与钢轨间相互作用力的干扰 为了研究打磨小 车走行的安全性 参照设计的打磨车结构参数 建立了打磨小车动力学模型 并将试 验研究得到的磨石受力等参数输入动力学模型 验算在不同作业状态 不同打磨速度 下的安全性 为打磨试验实车上线打磨提供技术支撑 通过高速打磨小车动力学研究 发现 不同作业模式参数对打磨小车动力学性能都会造成一定的影响 但都不会对高 速打磨小车的行车安全造成威胁 最后 生产并装配了所设计的高速打磨试验车 运用该试验车在试验线路上进行了 现场打磨作业试验研究 研究主要包括打磨速度以及打磨压力对高速打磨效果的影响 发现适当提高打磨速度可以提高钢轨打磨量 降低改善钢轨钢轨的表面光洁度以及纵 向不平顺 但是会增加磨石的磨损速率 因此需要通过协调钢轨打磨量和磨石寿命来 选择合适的打磨速度 增加打磨压力有利于提高钢轨打磨量 但是会增加磨石的磨损 速率 降低钢轨表面光洁度 经过高速被动式打磨后 钢轨表面不存在具有特征长度 的周期性磨痕 试验结果表明 本研究所设计的高速打磨试验车可以达到良好打磨效 果 关键词 高速打磨机理 试验台 动力学模型 现场打磨 打磨量 磨石磨损率 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 II 页 Abstract The rail high speed grinding was a new type grinding technology developed in abroad recently whose grinding speed was 60 80km h Compared with traditional grinding the high speed grinding has unique advantages in removing the rolling rolling contact failure improving the service life of rail reducing the noise level and arranging the working time This paper carries out a systematic study on the mechanism of rail high speed grinding Firstly the influences of grinding parameters millstone s parameters and environment on the effect of high speed grinding were studied by structuring high speed grinding test bed analyzing and trial producing the grinding millstone Secondly the mechanical structures and hydraulic systems of the high speed grinding trial vehicle were reasonably designed according to the achievements of the study on the high speed grinding test bed Then the running safeties of the grinding trial vehicle at different working status and different grinding speed were studied by establishing the dynamic model of the grinding trial vehicle according to the designed grinding trial s structure parameters and inputting the millstone force got in the high speed grinding test bed study so as to provide technical guidance for high speed grinding trial vehicle to grind on the test line Finally the influences of grinding parameters including the grinding speed and the grinding pressure on the effect of high speed grinding were studied by using the high speed grinding trial vehicle on the test line The key production techniques of the high speed grinding millstone were grasped by analyzing the parameters and the compositions of the millstone used on the current high speed grinder And then the millstone used on the high speed grinding trial vehicle was developed after repeating research Meanwhile the trial vehicle was successfully developed after repeating design With the dynamical model of the trial vehicle the studies show that different grinding status and grinding parameters have a certain effect on the vehicle dynamics performance but they have no threat to the vehicle running safety The studies on the test bed and on the test line show that different grinding parameters including grinding speed grinding pressure different millstone and environment will have a certain influence on the grinding effect Therefore the appropriate grinding parameters should be chosen by comprehensively considering their influence on the millstone force the rail grinding thickness the millstone wear rate and the rail surface roughness Similarly the influences of millstone parameters on the millstone self sharpening millstone s service life grinding thickness and the rail surface roughness should also be comprehensively considered in choosing the millstone 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 III 页 Now the study on the mechanism of rail high speed grinding is still on initial stage which is far away from the high speed grinding vehicle industrialization and grinding on the truck railway Therefore it needs large amounts of follow up explorations Key words the mechanism of high speed grinding test bed dynamical model field grinding grinding thickness millstone wear rate 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV 页 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 1 研究意义 1 1 2 国内外研究现状分析 1 1 2 1 打磨的目的 1 1 2 2 钢轨打磨技术的分类 2 1 2 3 钢轨打磨方式的分类 7 1 3 钢轨高速打磨的最新进展 12 1 4 本论文的主要工作及技术路线 15 1 4 1 主要工作 15 1 4 2 技术路线 16 第 2 章 高速打磨试验台试验研究 17 2 1 高速打磨试验台研制 17 2 1 1 试验台加载部分设计 17 2 1 2 试验台动力部分设计 17 2 1 3 打磨试验台结构设计 22 2 2 打磨参数对打磨效果影响规律研究 24 2 2 1 打磨参数对磨石受力影响规律研究 26 2 2 2 打磨参数对钢轨切削量影响规律研究 32 2 2 3 打磨参数对磨石磨损率影响规律研究 36 2 3 磨石分析与研制 40 2 3 1 现有高速打磨磨石参数与成分分析 40 2 3 2 砂轮的自主研制 46 2 4 磨石参数对打磨效果影响规律研究 47 2 4 1 磨石硬度对高速打磨的影响规律研究 47 2 4 2 磨料粒度对高速打磨的影响规律研究 50 2 5 更高打磨速度对打磨效果影响规律研究 53 2 5 1 更高打磨速度对钢轨切削量影响规律研究 54 2 5 2 更高打磨速度对磨石磨损率影响规律研究 55 2 5 3 更高速度对钢轨表面粗糙度影响规律研究 56 2 6 环境因素对打磨效果影响规律研究 58 2 6 1 水介质对磨石受力影响规律研究 59 2 6 2 水介质对钢轨切削量影响规律研究 59 2 6 3 水介质对磨石磨损率影响规律研究 60 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 V 页 2 6 4 水介质对钢轨表面粗糙度性响规律研究 61 2 7 本章小结 62 第 3 章 高速打磨车研制 64 3 1 高速打磨小车设计 67 3 1 1 打磨小车走行部设计 68 3 1 2 构架设计 69 3 1 3 打磨作业机构设计 70 3 2 液压系统设计 71 3 2 1 小车升降液压系统设计 71 3 2 2 磨石加载液压系统设计 72 3 2 3 磨石扣压液压系统设计 72 3 3 本章小结 74 第 4 章 高速打磨理论分析模型 75 4 1 高速打磨小车动力学模型 75 4 1 1 打磨小车结构介绍 75 4 1 2 打磨小车建模 75 4 2 打磨参数对高速打磨小车动力学影响 76 4 2 1 作业状态对高速打磨小车动力学影响 77 4 2 2 作业速度对高速打磨小车动力学影响 79 4 3 本章小结 81 第 5 章 高速打磨车现场打磨试验研究 82 5 1 测试内容介绍 82 5 1 1 试验线路 82 5 1 2 打磨试验车 82 5 1 3 打磨效果指标测试 83 5 2 关键打磨作业参数对打磨效果影响规律研究 87 5 2 1 打磨参数对钢轨打磨量的影响 87 5 2 2 打磨参数对磨石磨损率的影响 94 5 2 3 打磨参数对钢轨表面纵向不平顺的影响 102 5 2 4 打磨参数对钢轨表面粗糙度的影响 103 5 3 本章小结 105 第 6 章 结论与展望 107 6 1 结论 107 6 2 展望 108 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 VI 页 致 谢 109 参考文献 111 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目 115 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 页 第1章 绪论 1 1 研究意义研究意义 钢轨高速打磨是近年来国外发展起来的新型钢轨打磨方式 打磨速度可达 60 80km h 比起传统的钢轨打磨方式 该方式对控制打磨后钢轨表面粗糙度 去除 滚动接触疲劳裂纹 提高钢轨寿命 以及作业时间安排等方面具有独特的优势 进 行钢轨高速打磨时 打磨砂轮釆用以一定的冲角无动力地在钢轨上拖行的方式进行 打磨 由于技术保密等原因 国外对此种打磨方式的研究成果并未见诸于公开的文 献 国内目前又对这种打磨方式的机理尚未有研究 然而 为了研发我国自主知识 产权的钢轨高速打磨列车 并制定适合我国铁路的钢轨高速打磨方法 必须对这种 打磨方式的机理有深入的认识 要研制高速钢轨打磨列车 更需要研究高速打磨机 理 因此 开展钢轨高速打磨机理的研究对合理运用这种打磨方式 优化打磨工艺 以及研制我国自主知识产权的高速钢轨打磨列车具有非常重要的支撑作用 本论文 拟通过对钢轨高速打磨进行系统的实验研究和理论分析的研究手段 掌握钢轨高速 打磨机理 1 2 国内外研究现状分析国内外研究现状分析 1 2 11 2 1 打磨的目的打磨的目的 由于轮轨之间存在摩擦 列车在轨道上运行时 钢轨表面材料沿纵向发生塑性 形变 1 另外 因为车轮踏面存在一定的锥度 受列车随机因素与运行动态特性的作 用 列车向前行驶的同时会发生蛇形运动 发生左右横移 致使钢轨表面材料在横 向上也会发生不均匀磨耗及形变 此外 轮轨之间由于循环接触将导致钢轨表面产 生滚动接触疲劳 RCF 当载荷超过安定极限时 2 钢轨表面塑性变形将无休止 钢轨表面塑性流动随之产生 当钢轨 RCF 和以及塑性变形超过极限后 钢轨表面就 呈现出斜裂纹 肥边 波磨 甚至剥离等病害 在高铁中钢轨病害 3 4 主要表现为裂 纹 剥离等疲劳伤损以及钢轨波磨 在地铁中钢轨病害 5 7 多为斜裂纹 波磨 在普 速铁路中钢轨病害多表现为因滚动接触疲劳 RCF 而产生的鱼鳞裂纹 8 14 波磨 15 18 剥离掉块 8 11 19 隐伤 13 20 squat 等 在重载线路中钢轨的病害 22 23 多表现 为曲线上股道侧磨 剥离掉块 纵向裂纹 塑性流动 曲线下股道磨损严重 呈平 台状 裂纹和剥离掉块 轨外侧可以看到明显的塑性流动 除了前面所述的常见伤损类型 线路运营条件 道路铺设状况 轨道曲线半径 气候环境 以及轮轨润滑状态等因素均影响着钢轨产生随机的病害 1 另外 新铺设 钢轨在加工和运输过程中产生脱碳层 缺陷 锈皮 划伤和伤损 并因此产生轨道 不平顺 23 以及双光带 24 等问题 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 2 页 钢轨在使用过程中 磨耗和滚动接触疲劳寿命对钢轨的寿命起到决定性作用 可以从钢轨的制造和养护维修两个方面延长钢轨的使用寿命 这就需要在生产时生 产高质量的钢轨 在养护维修方便 考虑科学打磨与轮轨润滑相结合 25 钢轨打磨 作为线路养护维修中的一种重要手段 并带了巨大的利益 已经成为国内外铁路工 务部门的共识 26 针对新铺设钢轨运用打磨技术可以去除钢轨表面的脱碳层 锈皮 等问题 此外 通过打磨技术还能够消除接触疲劳层 波磨 抑制裂纹扩展等伤损 控制磨耗 从而取得巨大的收益 主要表现在以下方面 25 27 1 消除钢轨的表面伤损 如波磨 剥离 压溃 进而降低轨道的不平顺度 减 少了轮轨间的振动 降低轨道的不稳定性 延长钢轨的使用寿命 最终降低车辆和 线路的维护费用 2 钢轨打磨与润滑相结合 可延长钢轨寿命 50 300 3 消除钢轨表面的细小裂纹以及 RCF 防止其进一步产生剥离 4 消除新铺设钢轨在加工和运输过程中产生脱碳层 缺陷 锈皮 划伤和伤损 5 使钢轨获得最佳廓形 达到共形接触 改善粘着 减小滚动阻力 减小能耗 6 降低了车辆与轨道的噪声和振动 改善旅客的舒适度 1 2 21 2 2 钢轨打磨技术的分类钢轨打磨技术的分类 1 预打磨预打磨 对线路上新铺设的钢轨进行的打磨叫做钢轨预打磨 其目的除了要打磨掉钢轨表 面的脱碳层 生产过程中的缺陷和伤损 降低轨道不平顺度 还要形成特定的轨廓 使轮轨接触主要发生轨中 25 轨头和车轮设计的目标就是在区域 A 和区域 B 形成共 形接触 如图 1 1 图 1 1 轮轨接触不同区域图 23 周清跃 23 等认为若按照我国铁路原始廓面 60kg m 钢轨廓面 进行钢轨预打磨 必然造成轮轨接触点偏向轨距角侧 甚至出现 2 条走行光带的情况 周清跃根据车 轮的型面设计设计出适用于 LMA和 S1002G 车轮型面的钢轨预打磨轨头廓面 何元 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 3 页 勋 26 等调查发现 在石武客专郑武段以及汉宜线上出现了 双光带 这表明钢轨母 材在制造过程中产生了一定范围的几何尺寸误差 即钢轨母材顶面凹陷 其认为高 速铁路钢轨预打磨廓形应该遵循以下优化原则 24 1 消除钢轨表面病害缺陷及其初 始形成条件 去除钢轨表面 0 3 0 4mm 脱碳层及细小裂纹 提高钢轨表面平顺度 提供较好的行车动态指标 提高列车运行舒适度 2 轮轨接触光带集中且居中 宽度不能过宽或过窄 接触光带宽度应在 20 30mm 3 钢轨打磨深度 在 非工作边侧 0 4mm 钢轨顶面主接触面 0 3mm 工作边侧应为 1mm 1 8mm 4 修正及优化钢轨廓形应尽量减少钢轨金属切削量 减少打磨工作量 延长钢轨 使用寿命 5 打磨痕迹最大磨削面宽度通常应为 轨距角区域 45o 15o 5mm 轨距角与轨冠的过渡区 15o 6o 7mm 轨冠部位 6o 20o 10mm 何元勋 26 等根据以上原则设计出了高速铁路预打磨目标廓形 并且针对性地制定了三遍打磨模 式 马跃伟等 27 基于 Monte Carlo 方法建立假设轮对横移量服从高斯分布的轮轨接触 概率分析模型 据此 确定出列车运行时考虑横移量的轮轨接触位置 并采用轮轨 三维有限元模型计算得到相应接触应力的概率分布 然后采用统计得到轮轨之间的 累积接触应力分布和平均接触应力分布 最终分别对 4 种钢轨廓形进行轮对接触应 力计算 通过综合比较钢轨累积接触应力和平均接触应力对预打磨型面的影响 提 出了加权累积和平均接触应力 并以此作为钢轨预打磨廓形优化的评价指标 2 矫正性打磨矫正性打磨 钢轨打磨所产生的良好利益推动了钢轨打磨技术的进一步发展 早期的钢轨打磨 主要是对存在缺陷的钢轨进行打磨 矫正性打磨是最早的打磨形式 多用于消除较 为严重的钢轨表面伤损 矫正性打磨主要治理较为严重的波磨 有时超过 0 5mm 轨头的塑性变形 车轮擦伤 马鞍形磨耗 较深的疲劳裂纹 大多超过 1mm 等 2 11 30 如果按照一定战略性实施矫正性打磨 打磨间隔应该固定不变 矫正性打磨的追求 的是单次打磨作业彻底消除损伤 11 打磨间隔保持固定不变可以防止损伤发展为更 为严重的病害 而且可以相对较为经济地消除缺陷 然而 矫正性打磨往往需要较 多的打磨次数且需要打磨掉较多的钢轨表层金属以确保清除较为严重的病害且修复 钢轨廓形 1 11 修复性打磨的平均厚度在 1 0 1 5mm 之间 1 在大秦线上 21 当钢轨 波浪型磨耗到达 0 5mm 或者轨面的剥离损伤影响正常作业的时时候应进行矫正性打 磨 矫正性打磨的经济效益并不显著 3 预防性打磨预防性打磨 世界各国铁路的生产实践表明 29 钢轨矫正性打磨不能产生太好的经济效益 主要是因为矫正性打磨打磨金属磨损量大 对延长钢轨使用寿命效果有限 另外 轨头打磨量大 来回打磨遍数多 经济效益并不显著 从北美一级重载线路对打磨 矫正性打磨 预防性打磨研究发现 32 矫正性打磨每年在换轨方面和打磨费用上相 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 4 页 对于不打磨分别节省 1300 万 800 万美元 与不打磨相比 预防性打磨每年在换轨 方面和打磨费用上分别节省 1600 万 750 万美元 可以看出预防性打磨与矫正性打 磨相比 每年在换轨和打磨费用方面 预防性打磨要比矫正性打磨节省 250 万美元 从 20 世纪 80 年代开始 钢轨打磨技术从修复性打磨逐步发展为预防性打磨 预防性打磨 30 在钢轨表面微裂纹萌生阶段就予以消除 以控制 RCF 的发展 要 求经常实施钢轨打磨 裂纹的形成与失效共经历三个阶段 2 21 31 32 第一个阶段是裂 纹的萌生阶段 其往往由于棘轮效应造成 第二个阶段又由两部分组成 第一部分 是第一阶段产生的萌生裂纹迅速扩展至钢轨轨层的最大剪切应力区 第二部分是裂 纹较为迟缓地扩展并脱离接触应力控制区 第三阶段裂纹扩展形式由轨头内残余应 力和弯曲应力的复合应力状态所决定 裂纹或深入内部或扩展至钢轨表面 预防性 打磨主要是依据曲线形式和通过总吨位实施间隔性打磨 以实现打磨的循环过程 位 于图 1 2 中 A 到 B 的过程中 32 一辆切削量较大的打磨车 为了保证单次通过打 磨能够保证钢轨廓形 单根轨磨石数量不少于 20 个 一次打磨可以消除短小的微裂 纹 如图 1 3 所示 2 34 预防性打磨的主要目的是阻止微裂纹向迅速扩张的方向发 展 预防性打磨 1 3 29 33 在裂纹形成之前或即将形成时对钢轨外形进行打磨 目的是 消除和控制钢轨病害源头 图 1 2 裂纹的形成与失效模型 30 32 同时保持轨面的平顺状态和钢轨的优化断面 使轮轨接触经常性处于良好状态 减 小轮轨动力作用 钢轨预防性打磨带来良好的收益 一是金属打磨量小 一般为 0 2 0 3mm 22 33 来回打磨遍数少 打磨效率高 二是轨头病害及时得以消除或 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5 页 图 1 3 The Magic Metal Removal Rate 36 有效控制 钢轨伤损程度小 钢轨使用寿命可显著延长 打磨的周期主要取决于以 下因素 33 这些因素主要影响钢轨损伤速率 1 通过负荷总吨位 2 车辆的种 类 与之相关的动静载荷 3 钢轨的种类 4 轨道特性 尤其是曲线半径 轨底 坡 超高 扣件等 4 通车特性 尤其是行车速度 北美一级重载线路采用 Rail Grinding Best Practices 方法 32 35 实施预防性打磨 不同轨道形式 钢轨不同部位的 金属打磨量以及打磨周期如表 1 1 所示 严格来讲 预打磨也属于预防性打磨的范 畴 11 表 1 1 Table of typical optimal metal removal rate in inches mm 32 35 注 1 Gage 45o 6o Crown 6o 2 5o Field 2 5o 4 非对称打磨非对称打磨 80 年代初 澳大利亚提出了曲线地段钢轨非对称打磨的设想 钢轨非对称打磨 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 6 页 的理念 29 是通过改变钢轨外形 利用轮对锥度 使得车辆的转向架曲线通过性能得 到改善 对曲线地段的钢轨进行不对称打磨能明显地降低轮轨横向力和冲角 37 进 而可以提高行车品质 减小钢轨磨损 延长钢轨使用寿命 30 以上 36 对轨头 区进行打磨 即外轨打磨外侧边 内轨打磨轨距角 使得内外轮在不 同踏面踏面位置与钢轨发生接触 使得接触点由 A 点移到 B 点 增大内外轮的滚动 半径差 增大等效锥度 增大蠕滑力矩 这样减少了小半径曲线上导向轮缘力 轮 轨冲角以及轮对在曲线上的滑行达到了减缓侧磨和抑制波磨的目的 29 36 37 对轨头 图 1 4 非对称打磨的断面形状 区打磨可以避免车轮颈部同轨距角的接触 可以防止该区域内常出现的轨头剥离 37 打磨区域 可以防止磨耗车轮突出部压在内轨上 避免内轨的压溃和延缓内轨上的波 磨 如图 1 4 国外的应用经验表明 将不对称打磨应用于重载铁路和货运铁路 可以将横向力减小 50 90 延长曲线钢轨寿命 50 以上 37 在纽曼矿山铁路半径 1164m曲线上所进行的试验表明 钢轨打磨前后导向力从35 02kN降至3 60kN 38 2000 年以来 广深高速铁路在半径 1000 1600m 的曲线钢轨上出现了斜线状裂纹 裂纹沿 钢轨 呈 45o角 王文健等 41 43 采用了不同于重载线路曲线轨头的不对称打磨原理 如 图 1 5 所示 解决斜裂纹问题 其斜裂纹主要是由于此线路地段轮轨接 图 1 5 非对称打磨示意图 39 40 触点靠近轨肩 导致较大的曲线侧向导向力作用于轨肩所致 通过非对称打磨 使 轮轨接触点向钢轨踏面中心移动 B 和 A 为打磨前后的轮轨接触点 增加轮缘与轨 侧的导向作用力 减轻轨肩横向接触应力 从而降低轨肩出现裂纹的可能性 如图 1 5 所示 C C 为打磨区 打磨后轮轨由 1 点接触变为 2 点接触 A 和 A 增大了 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 7 页 轨侧和轮缘的磨耗 减轻钢轨斜裂纹的形成概率 5 噪声控制打磨噪声控制打磨 噪声控制打磨是一种特殊形式的波磨打磨 其打磨为了降低噪声水平 波磨轨 将增加高达 10dB 的噪声水平 11 如果波磨深度超过 0 03mm 噪声开始增加 目前 世界上有多条铁路采取特殊的措施来解决噪声问题 尤其处于对噪声敏感的区域 德国铁路 DB 在 Specially Monitored Track 上采用的控制噪声打磨策略 Acoustic Grinding 44 主要是通过打磨消除钢轨表面诸如波磨等细小不平顺控制钢轨表面粗糙 度水平 进而降低噪声 Specially Monitored Track 主要由三部分组成 1 运用专 用监测车每年两次监测噪声水平 2 当噪声水平超过一定 限值 如图 1 6 采 取噪声控制打磨 3 控制钢轨表面粗糙度水平 图 1 6 Specially Monitored Track 噪声水平 富士罗公司在德国慕尼黑 Specially Monitored Track 采用高速被动式打磨能够实 现控制噪声打磨 控制噪声打磨采用高速被动式打磨具有以下优点 1 与传统打 车相比 打磨速度高 60 80km h 无需单独开 天窗 作业 2 单次作业钢轨打 磨量小 作业里程远 能够很大程度上提高钢轨的寿命 钢轨维护成本低 3 能 够消除疲劳裂纹 波磨 能够程度上降低钢轨粗糙度水平 进而降低噪声水平 荷 兰铁路同德国铁路一样 也在实施噪声控制打磨 43 降低轮轨噪声水平 1 2 31 2 3 钢轨打磨方式的分类钢轨打磨方式的分类 钢轨打磨作业过程中 除了清除钢轨表面各种伤损外 还需要修复钢轨廓形 改 善轮轨关系 改善车辆运行平稳度 修复钢轨廓形的打磨方式 1 主要分为两类 主 动式打磨与被动式打磨 1 主动式打磨 主动式打磨 主动式打磨通过将砂轮端面沿钢轨截面布置获得打磨目标廓形 如图 1 7 主 动式打磨自带动力 每个磨石均带有一个旋转电机 打磨作业时 打磨电机直接驱 动打磨砂轮 运用磨石的端面对钢轨表层金属进行打磨 根据不同的打磨范围 可 以调节打磨电机在轨顶的横向位置和旋转角度 并通过油缸试压 产生打磨作业 44 45 目前钢轨打磨主要以主动式打磨式为主 钢轨打磨列车共配备 96 个砂轮 46 96 个 磨石 单股钢轨 48 个磨石 布置在钢轨廓形截面 70o 20o的不同位置上 打磨一般 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 8 页 按照 钢轨外侧 内侧 轨顶 整形 的顺序安置砂轮 3 主动式打磨后钢轨表面打磨 痕迹呈横向针形包络状 如图 1 8 所示 图 1 7 主动式打磨示意图 图 1 8 主动式打磨后钢轨外观 2 被动式打磨 被动式打磨 被动式打磨方法是由德国 Stahlberg Roensch 公司于 2002 年开发完成 生产出被 动式打磨样机 HSG Light 如图 1 9 a 进行高速被动式环形打磨试验 HSG Light 打磨速度为 50km h 打磨量 0 01mm Stahlberg Roensch 公司在 2006 年成功开发出第一代投产的高速被动式打磨车 RC01 如图 1 9 b 经过上线打磨验 证了相对于传统主动式打磨 高速被动式打磨所具有的优越性 HSG 1 打磨速度 80km h 打磨量 0 05mm 2010 年 Stahlberg Roensch 公司被 Vossloh 公司收购 经过 Vossloh 公司大力研发和推广 Vossloh 公司在 2012 年成功研制出具有修复廓形的第 二代高速被动式打磨车 HSG 2 如图 1 9 c HSG 2 相对于 RC01 运作效率更高 每个班次打磨距离更远 具有更大的集尘容量 自动化程度更高 养护工作更简化 Vossloh 公司在 2013 年推出了适用于城市轨道交通打磨养护的 HSG City 如图 1 9 d 铁道部于 2011 年对欧洲铁路钢轨利用被动式高速打磨车技术对钢轨进行预 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 9 页 a HSG Light b RC01 c HSG 2 d HSG City 图 1 9 高速被动式打磨车发展过程 47 51 防性打磨的情况进行了技术考察 2013 年铁路总公司引进 Vossloh 公司的高速打磨 列车在京沪线试用 且打磨质量反馈良好 被动高速打磨自身不带动力 通过调整 专用打磨砂轮与钢轨纵向之间的角度 49 50 如图 1 10 所示 在打磨车的牵引下 磨石在钢轨上并非纯滚动 通过磨石与钢轨之间的错动以及垂向油缸加载运用磨石 的周向对钢轨产生磨削作用 此方法的工作效率为主动式打磨的 3 5 倍 经过被动 式打磨产生的钢轨表面打磨痕迹呈交织网状形式 如图 1 11 所示 图 1 10 被动式打磨示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 10 页 图 1 11 被动式打磨后钢轨外观 最典型的案例是德国 Cologne Frankfurt 高速铁路 该高速铁路的线路全长 219km 设计速度 300km h 高速段最小曲线半径 3250m 最大坡度 40 铺设了 以Rheda系列为主的双块式轨枕埋入式无砟轨道148km 采用UIC60E2断面的EN260 钢轨 2002 年 8 月开通运营 尽管按照要求安排了钢轨打磨 但是 鱼鳞裂纹的发 展速度和打磨深度的增加 迫使德铁从2009年9月开始不得不更换钢轨 截止到2011 年 12 月 15 日 已更换钢轨 37 71kmCologne Frankfurt 高速铁路钢轨伤损的教训 促使德铁对钢轨表面损伤机理有了更深的研究 如图 1 12 所示 通过图 1 12 可以 看出相对于无养护措施和主动式打磨 主动式打磨能够显著提高钢轨使用寿命 在 2006 年 12 月开通运营的纽伦堡 因戈施塔特高速铁路上进行了试验 验证了高速打 磨技术可行性和相关参数 通过对比试验 表明高速打磨可有效去除 RCF 带来的钢 轨表面疲劳层 延长钢轨使用寿命 图 1 12 钢轨寿命与打磨关系图 表 1 2 对比了传统主动式打磨与高速被动式打磨的作业特点 1 47 51 通过表 1 2 可以发现 2 种打磨方式具有各自的优势以及应用范围 主动式打磨 的作业速度较低 约为 5 15km h 切削能力较强但是在预防打磨中难以发挥 相对 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 11 页 表 1 2 不同打磨方式的作业特点比较 内容 主动式 被动式 适用范围 矫正性打磨 预防性打磨 预防性打磨 噪声控制打磨 如图 1 13 作业速度 5 15km h 60 80km h 磨削量 Ca 0 3mm 30cm3 s 320g s Ca 0 05mm 55cm3 s 400g s 维护成本 6 欧元 年 米 3 欧元 年 米 预期延长钢轨使用 寿命 8 12 年 15 20 年 天窗点 需天窗点 无天窗点 电力设 备拆除 需拆除 无需拆除 打磨面 有打磨面 无打磨面 应用优势 可修复廓形 能够清楚较重病害 作 业应用范围广 技术成熟 不损伤钢轨表面和廓形 装备相对简单 作 业速度高 打磨效率高 能够显著延长钢轨 使用寿命 成本低 噪声小 无天窗点 无 需拆除电力等设备 无打磨面 应用劣势 易损伤钢轨 装备和控制系统复杂 打磨速度低 成本高 需要开天窗作 业 不能清除严重病害 技术处于完善阶段 钢 轨修型性能较弱 只能依托原廓形打磨 发展趋势 优化打磨模式 追求高效率 低成本 完善相关配套设备 开发新型打磨工具 而言 被动式打磨专为高速预防性打磨和噪声控制打磨而开发 打磨速度约为 60 80km h 由于被动式打磨速度较高 打磨作业无需开 天窗点 因此特别适用于 行车密集的线路预防性打磨 就维修成本方面 被动式打磨方式要比主动式打磨方 式节省 50 维护成本 在延长钢轨使用寿命方面 被动式打磨方式是主动式打磨方 式的 2 倍左右 图 1 13 噪声与打磨的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 12 页 然而国内目前又对这种被动式打磨方式的机理尚未有研究 为了研发我国自主 知识产权的钢轨高速打磨列车 并制定适合我国铁路的钢轨高速打磨方法 必须对 这种打磨方式的机理有深入的认识 要研制高速钢轨打磨列车 更要对其打磨机理 有深入的认识 因此 开展钢轨高速打磨机理的研究对合理运用这种打磨方式 优 化打磨工艺 以及研制我国自主知识产权的高速钢轨打磨列车具有非常重要的支撑 作用 1 3 钢轨高速打磨的最新进展钢轨高速打磨的最新进展 现国外研究发展的打磨策略主要是预防性打磨 这种打磨策略是在轨头裂纹开始 扩展前将裂纹萌生区打磨掉 防止接触疲劳型波磨的产生和发展 因此能有效地消除 或控制钢轨表面缺陷 保证钢轨表面状态和良好的外形 增加钢轨使用寿命 预防性 打磨是一种非常经济的打磨策略 每次打磨只要磨削少量的金属 但打磨周期将更加 频繁 现代铁路区间长 对线路的平顺性要求高 钢轨磨损快 传统的打磨作业必须 开天窗点进行 难以完全满足铁路的打磨作业要求 高速打磨列车凭借其快速的打磨 速度 将极大地提高钢轨打磨作业的效率 可以直接纳入铁路运营系统 不用单独开 设天窗点 提高铁路运输经济效益 较为成熟的高速被动式预防性打磨由德国Stahlberg Roensch公司于2002年开发完 成 2010 年 Stahlberg Roensch 公司被 Vossloh 公司收购 由此高速被动式预防性打磨 得到 Vossloh 公司大力推广并逐步投入市场运营 铁道部于 2011 年对欧洲铁路钢轨利 用被动式高速打磨车技术对钢轨进行预防性打磨的情况进行了技术考察 2013 年铁路 总公司引进 Vossloh 公司的高速打磨列车在京沪线试用 且打磨质量反馈良好 然而国内目前又对这种打磨方式的机理尚未有研究 为了研发我国自主知识产权 的钢轨高速打磨列车 并制定适合我国铁路的钢轨高速打磨方法 必须对这种打磨方 式的机理有深入的认识 研制高速钢轨打磨列车 更要对其打磨机理有深入的认识 因此 开展钢轨高速打磨机理的研究对合理运用这种打磨方式 优化打磨工艺 以及 研制我国自主知识产权的高速钢轨打磨列车具有非常重要的支撑作用 1 技术功能及特点 技术功能及特点 高速被动式打磨有别于传统修复性打磨 这不只体现在打磨工作量上 同时在打 磨速度 打磨动力来源等方面也存在不同 传统的主动修复性打磨系统 图 1 14 中 打磨单元自带动力 通过打磨单元中 驱动电机带动砂轮旋转 打磨单元的机架在液压系统作用下对钢轨进行打磨压力加载 通过载荷及砂轮主动旋转对钢轨进行磨削 被动高速打磨单元 图 1 15 自身不带动 力 通过调整专用磨削砂轮与钢轨之间的角度差 利用载荷作用产生的摩擦力驱动砂 轮旋转 在相对运动作用下对钢轨进行磨削 由于机车滑动运行速度更高 此方法的 工作效率为主动修复性打磨的 3 5 倍 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 13 页 图 1 14 主动打磨单元 图 1 15 被动高速打磨单元 被动式高速打磨列车 采用 96 头磨石打磨时 列车编组一般由牵引机车 打磨车及发 电车组成单排列车 如图 1 16 所示 图 1 16 高速被动式打磨单排列车 牵引机车负责提供打磨列车牵引动力提供 发电车负责提供打磨车控制系统的电 力 液压系统的动力供应工作 打磨车负责打磨 集尘 数据采集等方面工作 同时 为了得到更高的打磨效率 也可通过增加打磨车数量 形成打磨双排车 以满足打磨高效率的使用需求 双排车构造如图 1 17 所示 图 1 17 高速被动式双排打磨列车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 14 页 2 高速被动打磨机理及工作方式 高速被动打磨机理及工作方式 图 1 18 磨石底座安装图 被动式高速打磨在打磨过程中 与钢轨表面进行直接接触的磨石其自身不带动力 主要通过调整磨石与钢轨之间的夹角 夹角大小可调整磨石与钢轨配对关系中摩擦力 大小 摩擦力的不同 造成磨石与钢轨之间产生不同的相对运动效果 这种相对运动 最终产生了磨石对钢轨表面进行磨削的目的 图 1 18 示意出磨石安装构造形式 在钢轨打磨维护过程中 不只是对钢轨踏面表面疲劳裂纹进行消除 也存在对钢 轨轮廓进行修复的工作要求 为了实现该目的 通过控制不同编号打磨小车中的液压 系统 又可达到磨石安装座与钢轨之间夹角的调整 当牵引机车滑动运行时 可同时 达到对轨道踏面及侧面打磨的目的 其工作示意图如图 1 19 图 1 20 所示 图 1 19 磨石座液压控制系统 钢轨高速打磨方式具有以下的一些工作优点 工作效率高 打磨过程中机车运行速度达 60 80km h 一次性打磨一个高速铁路 区间段的工作时间可控制在 0 5 1h 每个打磨小车中共安装 4 组砂轮 磨石达到使用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 15 页 极限时可在 5s 以内通过液压系统旋转磨石座以更换砂轮 将工作效率大幅度提升 图 1 20 液压旋转系统示意图 打磨磨削量小 预防性打磨为周期性工作 在钢轨表面接触疲劳裂纹扩展到一 定程度时即