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超硬材料磨具在轨道打磨技术中的优势

超硬材料磨具在轨道打磨技术中的优势

作者:admin    来源:未知    发布时间:2020-06-08 14:55    浏览量:
    铁路是我国的重要基础设施,在我国综合交通运输体系中处于骨干地位,为国家经济发展提供了重要支撑。近些年, 随着我国铁路技术的不断发展与快速进步,钢轨作为铁路系统的核心部件, 在为列车提供承载和导向作用的同时,所承受的运行负载也日益加重。滚动接触疲劳和磨损是影响钢轨使用寿命的主要原因其中常见的接触疲劳包括轨头裂纹、塌陷、剥离、肥边以及钢轨擦伤,钢轨磨损有垂直磨耗、侧面磨耗、波浪形磨耗(简称波磨)等(部分如图1)。 这些问题如果得不到及时的维护和修复,将会大大缩短钢轨的使用寿命,甚至带来严重的安全问题。
大量实践和研究表明,钢轨打磨是可有效修复钢轨缺陷问题的重要技术手段。国内外的轨道打磨技术从最初只能依靠人工打磨维护钢轨,到现在拥有自动化的打磨设备,在钢轨维护领域进步巨大。但是轨道打磨技术应用领域仍有不小的发展空间,特别是打磨磨具制造领域。
1  钢轨打磨分类及我国钢轨维护现状,轨道交通的分类
1. 1  钢轨打磨分类
目前,钢轨打磨分类方法较多,许多研究机构、学者按照打磨目的或者打磨区域的不同,对钢轨打磨做
出了不同的归纳。例如:根据打磨目的,可以将钢轨打磨分为预备性打磨、预防性打磨和修复性打磨根据打磨区域可以将钢轨打磨分为表面打磨和外形打磨。校正打磨打磨量通常为1~1. 5mm ,而保养打磨打磨量仅为0. 05~0. 2mm 。校正打磨即在发现钢轨产生病害后,使用各种维护手段对钢轨进行修复,是我国最早使用的钢轨维护理念和维护方式。然而这种维护方式打磨周期长、对钢轨去除量大,为此在钢轨病害发生前的保养打磨应运而生。保养打磨既可以对开通运行前的新钢轨进行脱碳层和廓型修整,又可以对已投入运营的钢轨进行固定周期打磨,把即将发生的钢轨病害消除于萌芽状
态。实践证明,保养打磨可以大大减少钢轨病害的发生、延长钢轨的使用寿命。
1. 2  我国钢轨维护现况
至2019年底,我国总计拥有16条铁路运营总线,线路延展长度近15万公里,其中高速铁路3.5万公里,位居世界第一。随着运营车次和高速列车数量的不断增加,铁道维护窗口期也在不断地缩短,高速、高效、高质量的打磨已经成为发展的必然趋势。轨道打磨根据线路的不同又分为直线、曲线、道岔打磨。直线打磨一般两年打磨一次,曲线一年打磨一次。有问题的铁路要随时打磨。
图2和图3分别为钢轨轨面裂纹和波磨产生的主要原因。裂纹和波磨是常见钢轨病害,车轮与钢轨接
触面的多次挤压与振动会导致钢轨的接触疲劳与磨损。每当列车车轮通过这些轨面缺陷时均会产生一次
冲击,日积月累的使用负载使这些缺陷发展成病害。现阶段国内使用的打磨设备普遍以铣磨、砂带磨和端面磨为主,这类设备适用于校正打磨,存在打磨速度慢、效率低等问题,已逐渐无法适应发展需求。
在磨具方面,传统工艺的重负荷磨钢轨砂轮或砂带也同样存在耐磨性差、寿命低、材料强度不足、易烧伤钢轨、高含硫、高粉尘、易破碎、易断裂不安全等问题。以96头钢轨打磨车用端面磨砂轮为例,常规打磨后砂轮极易出现裂纹与烧伤钢轨等问题,如图4所示。这不仅会降低钢轨打磨效率,影响钢轨养护质量,严重情况下砂轮一旦碎裂还会引起安全问题。为此,提升钢轨打磨技术与磨具制造技术迫在眉睫。

2 钢轨打磨技术
钢轨打磨是在打磨机械和打磨磨具的共同作用下,对钢轨顶部和钢轨廓形进行磨削作业,以降低轨头磨损和消除缺陷。目前,钢轨打磨车是主要钢轨维护设备,常用的有小型打磨机、 GMC–96x型、 PGM–48型、 HSG–2型钢轨打磨车。
常用钢轨打磨车的打磨技术类型,可分为主动打磨和被动打磨,在此仅讨论主动打磨技术。
2.1主动打磨技术
主动打磨技术又称为端面打磨技术,是现阶段使用最广泛的打磨方式。它是由主轴动力驱动磨具自旋转,在一定压力以及列车行进速度条件下,磨具端面沿钢轨截面布置对钢轨进行打磨,打磨深度大、打磨速度低,主要配装于小型打磨机,48头和96头钢轨打磨车。
主动打磨参数方面,打磨砂轮转速 3 600r / min ,打磨角度范围钢轨内侧-70°到外侧+20° ,打磨机装一个砂轮往返运动对钢轨进行打磨, 人工推动打磨主要用于道岔线、短距离的修复打磨 。 48 头 打 磨 车 作 业 速 度 为 8~12km / h ,打磨遍数 3~4 遍; 96 磨头打磨车的作业速度一般为15~20km / h ,打磨遍数2遍。打磨后要求钢轨表面粗糙度 R a <10 μ m ,打磨面无连续蓝色烧伤带,平直度不大于0.2mm / m 。
 
3  钢轨打磨磨具
打磨磨具是钢轨维护中必不可少的组成部分,但是并没有得到足够的重视。我国从20世纪90年代初
引入钢轨打磨车后,打磨车搭载的磨具就大量依赖国外进口,其原因有2方面:(1)当时国产磨具耐用度低、抗冲击性差、易破裂;(2)国产磨具无法适应打磨车的磨削参数,经常导致钢轨烧伤发蓝,磨削效果差。经过二十多年的发展,国产磨具从砂轮结构、制作原料甚至生产工艺上都有了长足的进步,但仍满足不了轨道打磨的需求,目前无论国内国外,轨道打磨磨具大都用普通的锆刚玉磨具进行磨削,有存在效率低,寿命短,不安全,不环保等因素。
轨道磨具制造方面,有企业开发出了一种低磨削烟尘的磨钢轨砂轮及其制备方法,使用蓝晶石和硅灰石替代硫铁矿,大幅减少了粉尘中的含硫量,降低了磨削作业对环境的污染。中国铁道科学研究院金属及化学研究所的研究团队使用4种不同种类酚醛树脂制造磨钢轨砂轮,研究了结合剂对砂轮磨削效果的影响,结果表明:在制备磨具时应选用高耐热、韧性好的树脂结合剂;0321SP# 树脂耐热性最好,磨削比最高。南京航空航天大学的研究团队使用钎焊技术和传统热压技术开发出一种新型磨钢轨复合砂轮,将金刚石钎焊插片热压置入磨钢轨砂轮中并进行磨削试验,结果表明:与传统重负荷树脂砂轮相比,打磨后钢轨温度峰值下降 10% 左右,工件表面粗糙度降低 9% 以上。他们也开发出一种新型多层钎焊超硬磨料复合砂轮及其制作方法,将预制的金刚石钎焊结块依砂轮尺寸和形状规则排列,使用钎焊工艺将磨块与砂轮基体进行焊接,最后再利用树脂热压工艺使砂轮最终成型。多层钎焊超硬磨料复合砂轮的质量轻,磨料把持力强,磨削钢轨的效率高。但都没有理想的效果,不能投入实际使用。
针对磨料磨具行业特点以及钢轨维护现状等综合条件,当下钢轨打磨磨具应从新材料、新结构、绿色环
保安全等几个方向进行发展与转型。
  (1)新材料。传统钢轨打磨磨具普遍以树脂重负荷砂轮为主,但由于这类普磨磨具存在寿命短、效率
低、污染高、易烧伤等问题已难以适应发展需求,新材料的研发与使用已成为钢轨打磨磨具制造行业的发展方向之一。磨料方面,金刚石、 CBN 等超硬磨料的使用已成为趋势,如何合理地将其加入到钢轨打磨砂轮中使其既能提高砂轮的使用寿命与磨削效率,又不破坏砂轮的整体强度将是研究的方向之一。结合剂方面,传统酚醛树脂结合剂由于耐热性和抗冲击性不足已逐渐被淘汰,改性新型树脂结合剂的研发将成为发展的关键;此外,多种类新型复合结合剂的使用(如:金属结合剂、金属陶瓷复合结合剂、树脂金属复合结合剂)也将成为发展方向之一。填充材料方面,由于传统填料存在高含硫、高污染等特点,且易导致钢轨烧伤,环保型相变散热助磨填料的研发将成为重点。
 
  ( 2  )新结构。在保证砂轮回转强度的基础上,对传统砂轮的结构进行创新,将新材料以新的结构形式复合在一起制成复合型砂轮,对传统砂轮生产工艺进行改良创新,是钢轨打磨砂轮发展的另一方向。如从单一的普通砂轮改造成金属基体的超硬材料砂轮,改变传统普通砂轮容易破碎,易造成人身安全事故的问题   
 
(3)绿色环保。随着“十三五”规划的提出,绿色环保成为铁路养护工作的基本要求之一。由于传统磨具在对钢轨的打磨作业中会排放出大量粉尘和有毒有害气体(如二氧化硫),对传统磨具的生产技术进行升级,制造低粉尘、低污染的环保型磨具制品将成为时代的发展趋势。
4  结语
综上所述,近年来我国的铁路事业取得了举世瞩目的成就,同时钢轨维护产业也获得了长足的进步与
发展。钢轨维护方式已从发现钢轨病害后的校正打磨逐渐转变为以预防、养护为主的保养打磨。打磨设备的升级与多样化已成为现实,主动打磨、被动打磨等适用于不同路况的钢轨打磨技术已投入使用。
但是国内目前和钢轨打磨技术配套使用的打磨磨具仍大量依赖国外进口,国内钢轨打磨磨具制造业面
临技术升级与产业转型困难。对此,应从中国的基本国情出发,立足于国内各大路段钢轨不同的养护特点,有针对性地开发与打磨设备和打磨技术配套的自主打磨磨具,集中产学研用等行业优质资源,在已有基础上开展深入的理论研究和技术攻关工作,以打破国外技术封锁,全面提升我国高速铁路钢轨打磨自主养护能力。
 
普瑞思(厦门)精密工具有限公司是一个有八年超硬磨具制造的优质企业,在超硬材料磨具生产方面取得突出的成绩,目前是国内唯一一家取得欧盟MPA认证的企业。普瑞思(厦门)精密工具有限公司与西南交通大学、北京交通大学进行有效合作,研发生产出钢轨打磨用的金属结合剂金刚石砂轮,突破了理论限定。磨轨道用金刚石砂轮必将产生巨大的社会效应和巨大的经济效益。

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