吴志伟 樊文刚 王 谦 刘 弋 马腾飞

1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京，100044 2.北京交通大学载运工具先进制造与测控技术教育部重点实验室，北京，100044 3.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司，乌鲁木齐，830011

0 引言

作为轮轨式轨道交通系统的关键基础部件，钢轨在服役过程中长期处于恶劣的自然环境以及时刻受到来自车轮的复杂多变载荷冲击，因而容易遭受到诸多病害困扰，如波磨、裂纹、剥离、压溃、点蚀和肥边等，严重危及行车平稳性和安全性[1-3]。钢轨打磨是目前全球公认的对钢轨在线维护保养的有效技术[4]，能够消除轨道病害、修复钢轨廓形、改善轮轨接触关系和延长钢轨服役寿命。随着中国经济的快速发展和轨道交通技术水平的不断提高，铁路网、高铁网和城市轨道交通网日益密集。面对轨道交通运营里程不断增加以及“天窗时间”不断减少等客观趋势，如何在保证打磨质量的前提下持续提高打磨效率已经成为现阶段钢轨维护保养亟需解决的关键问题。

目前，钢轨打磨技术主要包括砂轮端面打磨[5-8]、砂轮周面打磨[9-10]、砂轮高速打磨和铣磨复合打磨。近年来，鉴于砂带制造技术的提高和现有钢轨砂轮打磨技术的局限性[11-12]，研究人员提出了一种新型钢轨打磨技术——钢轨砂带打磨。钢轨砂带打磨的相关研究主要集中在打磨接触理论、材料去除模型和砂带服役寿命等方面。王文玺等[13]基于赫兹接触理论建立了单接触轮及多接触轮的磨削温度数学模型并进行了仿真验证。HE等[14]基于赫兹接触理论开展了接触压力对钢轨砂带打磨性能影响的试验研究并论证了其有效性。此外，许多学者利用有限元仿真研究磨粒切削过程中钢轨材料的去除过程，建立材料去除模型。FAN等[15]在考虑钢轨波磨影响的基础上，建立了对应的材料去除模型。樊文刚等[16]基于弹性赫兹接触理论建立了钢轨砂带打磨材料去除深度数学模型和材料去除量数学模型。CHENG等[17]提出了一种基于声信号的砂带磨损状态监测方法。刘月明等[18]借助砂带试验机开展了磨削钢轨试件的加工试验，研究了砂带磨削速度、磨粒粒度等因素对材料去除效率、表面层硬度、表面粗糙度、磨削比、磨削力比的影响规律。

实验室理想条件下的研究表明，钢轨砂带打磨在材料去除率和表面质量等方面具有一定的优势。然而，钢轨砂带打磨技术和传统砂轮打磨技术影响因素极其复杂，存在不确定性，从理想的实验室环境中得出的这些结论与实际的轨道维护条件并不一定符合。因此，本文在实际的轨道环境中，通过对比实验的方法，分别从材料去除率、表面粗糙度、振动、噪声、能耗和温度等方面对钢轨砂带打磨和砂轮打磨的综合性能进行了对比研究。

1 技术原理、实验装置与内容

1.1 打磨技术原理

钢轨砂轮端面打磨技术原理如图1所示，钢轨廓形打磨角度为α，通过电机驱动砂轮以速度ω旋转，并随打磨机以速度f沿钢轨纵向行进，在打磨压力Fn的作用下，砂轮端面磨粒与钢轨表层接触形成相对运动，从而去除钢轨表层材料[19]。

图1 砂轮端面打磨技术原理图Fig.1 Schematic diagram of abrasive wheel end face grinding technology

钢轨砂带打磨技术原理如图2所示，接触轮由弹性橡胶层和刚性轮毂组成，砂带被接触轮带动以速度vs旋转，并随打磨机以速度f沿钢轨纵向行进，在打磨压力Fn的作用下，砂带表面磨粒与钢轨表层接触形成相对运动，从而去除钢轨表层材料[3]。

图2 砂带打磨技术原理图Fig.2 Schematic diagram of abrasive belt grinding technology

1.2 实验装置

本次实验所需要的设备与材料包括60GB钢轨、砂带打磨机、砂轮打磨机、压力传感器、电流实时监测仪、廓形仪、粗糙度计、振动测量仪、噪声计、显微镜、相机等。

适用于铁路道岔区钢轨养护的砂带打磨机和砂轮打磨机如图3所示。与传统的内燃机相比，它们都是由锂电池驱动的，因此更环保。在功能层面上，它们都被设计成具有水平运动、垂直运动和旋转运动，通过这些运动可以进行任意角度的钢轨打磨。为排除无关条件的干扰，使用36号陶瓷砂带和36号陶瓷砂轮作为实验磨具；磨削进给速度严格限制在0.25～0.3 m/s，与实际工况几乎相同。实验设备的主要参数如表1所示，它们都采用相同配置的电机、电池和电气系统。

(a)砂带打磨机 (b)砂轮打磨机图3 实验设备Fig.3 Experimental equipment

表1 实验设备的主要参数Tab.1 Main parameters of experimental equipment

1.3 实验内容

1.3.1钢轨预处理

根据我国铁路现状，选择具有代表性的60N型钢轨廓形作为实验对象。依据我国铁路钢轨的一般标准，60N型钢轨廓形只是设计目标，是从满足轮轨相互作用的实际要求出发的，具有60N型剖面的钢轨试样需要从原始的60GB型剖面获得。通过专业的廓形仪，在精度控制范围内，将60GB型钢轨轮廓处理成60N型，如图4所示。

(a) 60GB型钢轨廓形

(b) 60N型钢轨廓形图4 钢轨试样制备Fig.4 Preparation of rail sample

1.3.2打磨实验

60N型钢轨廓形是几何对称的，由一系列不同曲率半径的圆弧组成，如图5所示。钢轨打磨的角度范围为-20°左右(非工作侧)到 60°以上(工作侧)。为了获得更多关于砂带打磨和砂轮打磨的对比信息，根据小型设备进行铁路道岔区域钢轨维护常规参数值，设计了两组分别对应于轨顶 0°和轨侧 20°的实验来研究打磨性能。对于每组实验，采用标记为15，30，45，60，75，90 N的6个均匀间隔的打磨压力值。此外，通过60N型钢轨轮廓的几何形状，可以基于打磨宽度计算出材料去除率。

图5 60N钢轨廓形Fig.5 60N rail profile

将2 m长的钢轨试件固定在实际轨道上，以周围标准轨道为基准进行调整。如图6所示，一半轨道样品使用砂带打磨机进行打磨实验，另一半使用砂轮打磨机进行打磨实验。为了避免干扰，砂带打磨和砂轮打磨的磨削路径设置为相反的方向。选择远离打磨过程开始和结束阶段的三个测量位置进行取样，可以消除不同来源的误差，尽量保证结果的真实性。使用图6所示的各种相关仪器，测量记录每次实验电池的母线电流、钢轨轮廓曲线、表面粗糙度、振动加速度和噪声等数据。

图6 实验方案设计Fig.6 Experimental scheme design

2 实验结果和分析

2.1 打磨过程和效果

根据设计的方案，砂带和砂轮打磨机依次进行了不同打磨压力和打磨角度的24次实验。打磨过程和效果的对比如图7所示，可以看出，无论是砂带打磨还是砂轮打磨，随着打磨压力的增大，磨削宽度都随之增大。每次实验中，砂带的打磨宽度远大于砂轮的打磨宽度，表现出材料去除能力的明显差异。总体而言，轨顶0°的打磨宽度大于轨侧20°的打磨宽度，原因是轨顶0°的曲率半径较大，导致接触面积较大。

(a)轨顶0°

(b)轨侧20°图7 打磨过程和效果的对比图Fig.7 Comparison of grinding process and effect

此外，对于砂带和砂轮打磨，打磨后钢轨试样的表面形貌如图8所示。砂带打磨的表面纹理表现为单一方向的磨痕，而砂轮打磨的表面纹理表现为圆形磨痕，因此，钢轨试样的表面粗糙度不能简单地用一个方向来评价。

(a)砂带打磨 (b)砂轮打磨图8 钢轨试件打磨后的表面Fig.8 Polished surface of rail specimen

2.2 材料去除率

表2所示为不同打磨压力和打磨角度得到的材料去除率结果。轨顶0°和轨侧20°的对比如图9所示。

表2 材料去除率Tab.2 Material removal rate

由图9可知，随着打磨压力的增大，砂带和砂轮打磨的材料去除率都呈上升趋势，这符合通常的磨削原理。然而，砂带打磨和砂轮打磨的材料去除率区别是非常明显的，砂带打磨的材料去除率的速率变化相对较快，而砂轮打磨的材料去除率的速率变化非常缓慢。最明显的是轨顶0°的情况，所有砂带打磨实验的材料去除率的值大约是所有砂轮打磨实验的2.7、8.9、14.9、28.0、30.7和102.1倍；至于轨侧20°的情况，所有砂带打磨实验的材料去除率的值大约是所有砂轮打磨实验的4.7、7.3、5.5、8.2、6.6和7.2倍。对于砂带打磨和砂轮打磨，轨面角度对打磨效果有不同的影响。

对于砂带打磨，除了最初的两组实验数据之外，由轨顶0°的实验产生的材料去除率都大于轨侧20°的材料去除率。相反，对于砂轮打磨来说，由轨顶0°的实验产生的材料去除率都小于轨侧20°的材料去除率。原因是：磨粒随机分布于砂轮表面，实际磨削时，磨粒都是以较大的负前角、小后角甚至负后角的刃口进行切削，单位面积上有效磨粒较少，容屑空间小，排屑能力差，不利于实现大的切除率；而砂带由于磨粒植砂方式的特殊性，磨粒的大小和分布均匀，等高性好，单位面积上有效磨粒数多，磨粒之间间隔较大，容屑空间大，利于实现大的切除率。因此，同样大小的接触面积，砂带打磨钢轨材料去除率更高，而且，砂轮打磨由于其磨削能力差，更容易受到由轨道轮廓角度限定的接触面积的影响。另外，由于砂轮磨粒间充满了结合剂，容屑空间小，而砂带磨粒间容屑空间一般至少是砂轮的10倍，磨粒的切入深度更大，材料去除率更高。

2.3 表面粗糙度

砂轮机采用的是砂轮端面磨削，以面接触形式实现钢轨表面病害去除；砂带机采用的是周面打磨，以线接触形式实现钢轨表面病害去除。因此，表面粗糙度的分析分别针对钢轨的纵向和横向进行，其中纵向被定义为平行于钢轨的长度方向，横向垂直于纵向。纵向表面粗糙度的结果列于表3中，对比如图10所示。总体而言，轨顶0°和轨侧20°的纵向表面粗糙度始终在0.368～3.004 μm之间波动。轨顶0°时，砂带打磨的纵向表面粗糙度大多大于砂轮打磨的纵向表面粗糙度，而轨侧20°时，结论是相反的。

表3 纵向表面粗糙度Tab.3 Longitudinal surface roughness

图10 纵向表面粗糙度对比图Fig.10 Comparison of longitudinal surface roughness

横向表面粗糙度的结果列于表4，砂带打磨的横向表面粗糙度(5.190～8.050 μm)比砂轮打磨的横向表面粗糙度(1.288～2.106 μm)大得多，如图11所示。可以看出，对于砂轮打磨，轨顶0°的横向表面粗糙度几乎等于轨侧20°的横向表面粗糙度，并有共同的波动；对砂带打磨而言，轨顶0°的横向表面粗糙度大多大于轨侧20°的横向表面粗糙度，这是因为砂带打磨是切向打磨，钢轨表面纹理为单一方向的磨痕，由于不同磨粒之间的间隙、磨损程度不同，造成单一方向磨削存在后续磨粒累积切削增加磨痕高度的现象，导致横向表面粗糙度偏大。总体而言，尽管砂带打磨的横向表面粗糙度相对较大，但仍满足我国铁路钢轨养护要求的最大值10 μm。

表4 横向表面粗糙度Tab.4 Transverse surface roughness

图11 横向表面粗糙度对比图Fig.11 Comparison of transverse surface roughness

2.4 振动加速度

在实验中，分别对砂带打磨和砂轮打磨的钢轨试样基准点的振动加速度进行比较研究，结果如表5、图12所示。显然，砂轮打磨的振动加速度大于砂带打磨的振动加速度。这种现象与研磨原理和相应的材料去除能力密切相关。也就是说，砂轮打磨是刚性接触，砂轮的不均匀自锐引起砂轮磨损的周期性变化，导致磨削过程中产生间断性刚性冲击，导致振动加速度较大；而砂带打磨是柔性接触，磨削速度稳定，砂带的弹性磨削效应能够大大减小或吸收磨削时产生的振动和冲击，因此振动加速度较小。此外，对于砂带打磨，轨顶0°的振动加速度略小于轨侧20°的振动加速度。

表5 振动加速度Tab.5 Vibration acceleration

图12 振动加速度对比图Fig.12 Comparison diagram of vibration acceleration

2.5 噪声

测量每次打磨实验中的最大噪声，结果列于表6，对比结果如图13所示。随着打磨压力的增大，砂带和砂轮打磨的最大噪声都呈现出略微上升的趋势。更重要的是，砂带打磨的最大噪声为91.1 dB，小于砂轮打磨的最大噪声97.8 dB。此外，无论是砂带打磨还是砂轮打磨，轨顶0°的最大噪声都大于轨侧20°的最大噪声。原因是：砂轮打磨是刚性接触，砂轮和钢轨之间的相对振动引起脉动磨削压力，从而导致砂轮的不均匀磨损和不均匀堵塞，导致不间断的刚性冲击产生的噪声较大；而砂带的弹性磨削效应不会像砂轮那样形成对钢轨的刚性冲击，故加工噪声比较小。

表6 最大噪声Tab.6 Maximum noise

图13 最大噪声对比图Fig.13 Maximum noise comparison chart

2.6 能耗

能耗是钢轨打磨的重要指标。通过测量电池的输出电流来比较能耗。根据数据记录器，电池的输出电流变化如图14所示。

(a)轨顶0°

(b)轨侧20°图14 电池输出电流对比图Fig.14 Comparison diagram of battery output current

由图14可以看出，无论是砂带打磨还是砂轮打磨，随着打磨压力的增大，电池的输出电流越来越大。当打磨压力为90 N时，砂轮打磨机的最大母线电流超过60 A。观察发现，电池的输出电流与材料去除率具有相同的变化趋势；而且，砂带打磨电池的输出电流比砂轮打磨要小得多。换言之，砂带打磨钢轨比砂轮打磨材料去除率更高反而能量消耗更少，这表明砂带打磨比砂轮打磨更节能。此外，轨顶0°和轨侧20°在两种情况下也有一些细微的区别。对于砂轮，轨侧20°时电池的输出电流略大于轨顶0°；而砂带打磨具有几乎相同的能耗。这是因为砂带质量小，高速转动惯量小，功率损失小，因此磨削能耗低。

2.7 温度影响

图15为砂带打磨和砂轮打磨的切屑显微照片。由图15可以很清晰地看出：砂带打磨的切屑形态为带状切屑；而砂轮打磨的切屑形态表现为高温熔融状切屑，这种切屑在高温下熔融并在飞散过程中球化而成，容易黏结不利于收集。这是由于磨粒在砂轮上随机分布，磨粒切刃的姿态也各不相同，更容易造成磨粒脱落，并且由于砂轮磨粒间充满了结合剂，容屑空间很小，容易造成砂轮堵塞、磨粒钝化，磨削产生的热量不易散发，这种高温使得磨屑呈现出这种形态。而砂带打磨不像砂轮那样脱砂严重，磨屑构成主要是钢轨材料，砂带在磨削时既有良好的散热区域，又可以通过砂带的悬空部分(即不与接触轮、张紧轮等接触的部分)在运行时的振荡，将黏在砂带上的磨屑自然抖掉，进一步减少磨粒被堵塞的现象，从而减少摩擦发热，使得砂带基本处于正常磨削状态。

(a)砂带打磨切屑

(b)砂轮打磨切屑图15 切屑形态Fig.15 Chip morphology

此外，在实验过程中发现，对于砂轮打磨，当打磨压力增加到105 N时，无论是轨顶0°还是轨侧20°，钢轨表面都会出现发蓝现象，如图16所示，并且在打磨轨侧20°时，发蓝区域是连续出现的。这是因为砂轮在磨粒磨损严重时，磨削摩擦加剧，产生大量的磨削热，使钢轨表层温度急剧上升，导致表层金属发生组织变化(如烧伤、裂纹、热应力等)。这种现象在钢轨维护中是不允许出现的，因其会诱发意想不到的马氏体组织并损害钢轨的金属性能。与之相反，在相同的工艺条件下，砂带打磨不会产生发蓝现象。因为砂带周长大，磨削散热时间长，再加上砂带磨粒排列均匀，容屑空间大，磨屑堵塞造成摩擦加剧的可能性减小，因此砂带磨削过程中，钢轨表面温度低，不会发生热变形和烧伤现象。

(a)轨顶 0° (b)轨侧 20°图16 钢轨表面发蓝现象Fig.16 Blue phenomenon on rail surface

3 结论

本文使用锂电驱动的砂带打磨机和砂轮打磨机，以60N型钢轨廓形为实验对象，在实际轨道环境中，从材料去除率、表面粗糙度、振动、噪声、能耗和温度等方面对钢轨砂带打磨技术和砂轮打磨技术进行了对比实验研究。结果表明，在相同工况下，钢轨砂带打磨技术在材料去除率、振动、噪声、能耗和温度等方面显著优于传统砂轮打磨技术，未来有希望成为工程实际中解决钢轨严重病害问题的有效方法之一。